Глава 6 камера сгорания

6.1. Краткие сведения о рабочем процессе в камере сгорания

Камера сгорания предназначена для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию газовоздушной смеси, поступающей в турбину и реактивное сопло. Преобразование энергии сопровождается повышением температуры воздуха в камере от 77. на выходе из компрессора до 77 (температуры газа) на выходе из камеры сгорания и на входе в сопловой аппарат турбины. Камера сгорания — один из основных узлов газотурбинного двигателя, совершенство которого опреде­ляет высокий уровень экономичности и надежности двигателя в целом. В связи с этим к камере сгорания предъявляются требования, перечисленные ниже.

1. Высокая степень полноты сгорания топлива на всех режимах работы ГТД, которая харак- теризуется коэффициентом полноты сгорания

Г|г = Q/Qt,

где Q—действительно выделившееся количество тепла; Q_T—теоретически возможное количество тепла при полном сгорании топлива.

Экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания. У современных ГТД коэффициент ц_г должен находиться в пределах от 0,97 до 0,98.

2. Малые габариты, так как они влияют на продольные и поперечные размеры двигателя, а следовательно, и на его массу и лобовое сопротивление.

3. Минимальные потери полного давления, количественно характеризуемые коэффициентом вос­становления полного давления

Ок с = р'/р'к-

Потери полного давления в камере сгорания обусловлены наличием гидравлического сопротивления, а также приращением скорости вследствие значительного увеличения объема газа при его подогреве.

Снижение давления на 1% приводит к снижению тяги до 3%, а экономичности—до 1,5%, поэтому коэффициент а_кс должен быть не менее 0,94.

4. Равномерность поля температуры и давления газа в окружном и формирование необходимого профиля температуры в радиальном направлениях на выходе из камеры сгорания. Окружная нерав- номерность поля температур и давлений приводит к прогару лопаток соплового аппарата и воз- буждению колебаний рабочих лопаток турбины. Формирование оптимального профиля поля температур в радиальном направлении способствует повышению запаса прочности в корневых сечениях лопаток турбины.

5. Отсутствие нагара на стенках жаровой трубы и форсунках.

6. Отсутствие в выхлопных газах дыма и токсичных веществ.

7. Безотказный и быстрый запуск двигателя на земле, в том числе и на высокогорных аэродромах, до высоты 2,5... 3,0 км, а также в полете.

8. Устойчивый процесс сгорания топлива в любых условиях эксплуатации на стационарных и пе­реходных режимах работы двигателя.

9. Возможность осмотра всех элементов и деталей камеры сгорания в процессе технического обслуживания.

В двигателях Д-ЗОКП и Д-ЗОКУ установлены трубчато-кольцевые камеры сгорания. Целесообразно отметить основные особенности рабочего процесса в камерах сгорания. 1. Разделение объема камер сгорания на зоны горения и смешения.

Подобное разделение вызвано тем, что температура газов перед турбиной (77*= 1300... 1600 К) ограничена прочностью деталей, расположенных в горячей части турбины, и недостаточна для полного сгорания топлива. Поэтому, в камере выделяется некоторая часть ее объема, в которой достига­ется температура горения 2100...2400 К. Воздух, поступающий в выделенную часть объема и прини­мающий участие в горении, называется первичным, а весь остальной — вторичным.

ia а в

Рис. 6.2. Камера сгорания, собранная без наружных корпусов: / — диффузор; 2 — внутренний корпус; 3 — топливная форсунка; 4— газосборник; 5 — жаровая труба- 6 — кожух вала; 7 — силовая стойка; 8 — съемный корпус; 9 — перепускная труба; 10 — дефлектор

Рис. 6.3. Камера сгора / — передний наружный корпус; 2, 10 — стаканы для отбора воздуха в противообледенительную систему двигателя; 3, 13, 22 — обтекатели; 4 — диффузор; 5 — топливная форсунка; 6 — свеча зажигания; 7 — подвеска жаровой трубы; 8 — жаровая труба; 9 — дефлектор; 11 — стакан для отбора воздуха на нужды самолета; 12—внутренний кор­пус; 14 — газосборник; 15 — опора соплового аппарата I ступени тур­бины; 16 — опора роликоподшипника ротора турбины КВД; 17 — тру-

№ 25 2ч zj 72 21 20

ния (продольный разрез):

бопровод для подвода воздуха из наружного контура в заднюю воз­душную полость кожуха вала; 18 — трубопровод для подвода масла; 19 — силовая стойка; 20—сопловой аппарат I ступени турбины; 21 — задний наружный корпус; 23 — съемный корпус; 24 — стакан для отбора воздуха для турбины ППО; 25 — пламяперебрасывающая муфта; 26 — трубопровод для откачки масла; 27 — кожух вала; 28 — фланец шарикоподшипника; 29— ребра жесткости; 30 — опора шарикоподшипника; 31 — СА XI ступени КВД и съемного корпуса 8. К дополнительным элементам (рис. 6.3) относятся дефлектор 9, кожух вала 27, передний / и задний 21 наружные корпуса, стаканы отбора воздуха 2, 10, 11 и 24 с обтекателями 3, 13 и 22, внутренние трубопроводы систем (рис. 6.4) суфлирования, воздушной, масляной и пожа­ротушения, а также трубопроводы топливного коллектора, расположенные на внешней кольцевой поверхности диффузора.

Внутренняя поверхность диффузора / (см. рис. 6.2) со съемным корпусом д, а также внешняя поверхность внутреннего корпуса 2 образуют кольцевую полость, в которой расположены 12 жаровых труб 5 с газосборниками 4. Эта кольцевая полость с жаровыми трубами и является собственно камерой сгорания.

Детали камеры сгорания работают в условиях высоких температур и высокой химической активности рабочих газов, что отрицательно сказывается на характеристиках прочности применяемых материалов Эти детали подвергаются действию сил газового потока и инерционных сил, сил тяжести, а также сил, возникающих вследствие неравномерного нагрева и вибраций. Кроме того, на них передаются дополнительные усилия от корпусов турбины и компрессора.

В процессе эксплуатации двигателя могут возникать неисправности в элементах камеры сгорания вследствие неудовлетворительной организации процессов смесеобразования и сгорания или недостаточной прочности материалов деталей.

Одним из существенных недостатков камер сгорания является отложение нагара на стенках жаровых труб из-за наличия застойных зон, в которых происходит местное обогащение топливовоз-душной смеси. Слой нагара изолирует поверхность стенки от пристеночного слоя, что приводит к образованию местных перегревов и возникновению местных температурных напряжений. В результате этого может произойти коробление жаровых труб и появление в них трещин и прогаров.

Причиной появления трещин и коробления может быть также значительное изменение темпера­туры по периметру и длине жаровой трубы, вызывающее появление больших термических напряжений, особенно у краев отверстий, через которые подается воздух. Эти трещины обычно являются след­ствием частого изменения режимов работы двигателя и сопровождающих их вибраций, а также наличия рисок и заусениц на стенках отверстий, являющихся концентраторами напряжений.

При техническом обслуживании камеры сгорания следует проводить внимательный осмотр жа­ровых труб через специальные отверстия в соответствии с регламентом технического обслуживания.

6.3. КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Диффузор (рис. 6.5) камеры сгорания представляет собой сварную конструкцию из листовой жаропрочной стали в виде усеченного конуса с переходом к основанию в цилиндр. В цилиндрической части диффузора расположены шесть больших окон 6 для осмотра и замены жаровых труб, газо­сборников, осмотра лопаток соплового аппарата I ступени турбины. Эти окна в собранной камере сгорания закрываются съемным корпусом, который соединяется со средним 7 и задним 5 фланцами диффузора. На торцах диффузора и в средней части имеются три фланца 1, 5 и 7, причем на среднем 7 и на заднем 5 фланцах отверстия расположены в два ряда. С внутренним рядом отверстий среднего фланца 7 соединены силЪвые стойки, а с внутренними отверстиями заднего фланца соединен коллектор соплового аппарата I ступени турбины. Передним фланцем / диффузор соединен с НА XI ступе­ни КВД.

Диффузор и внутренний корпус, соединенный с внутренним корпусом НА XI ступени КВД, образуют кольцевой диффузорный канал, в котором снижается скорость воздуха перед входом в жаровые трубы. Диффузор и внутренний корпус вместе со скрепляющими их 12 силовыми стойками и НА XI сту­пени КВД входят в силовую схему двигателя.

Рис. 6.5. Диффузор камеры сгорания: / — передний фланец; 2 —фланцы для крепления пере­пускных труб; 3— втулка для установки подвески жа­ровой трубы; 4 — фланец для установки подвески жа­ровой трубы и свечи зажигания; 5 — задний фланец; 6—окна; 7 — средний фланец; 8—штуцер для отбора воздуха к автомату запуска; 9 — фланцы для установки датчиков полного давления воздушного потока; 10 — фланец для установки датчика замера температуры воз­духа за КВД; // — фланцы для крепления топливных форсунок

В передней части диффузора на конической поверхности расположены 12 фланцев для креп­ления перепускных труб 2, которые с одной стороны вставляются во втулки внутреннего корпуса, а с дру­гой стороны крепятся к фланцам диффузора.

На диффузоре также имеются 12 фланцев для крепления топливных форсунок //, 10 резьбовых втулок для установки подвесок жаровых труб 3, два фланца с резьбовым отверстием для установки подвески и отверстием под фланцы крепления свечи зажигания 4, штуцер для отбора воздуха к автомату запуска 8, два фланца для установки датчиков полного давления воздушного потока для автомата приемистости и дифференциального сигнализатора давления ДСД-1,6 за КВД 9, фланец для установки датчика замера температуры воздуха за КВД 10, при стендовых испытаниях в эксплуатации вместо датчика устанавливается заглушка.

Внутренний корпус с опорой подшипника КВД (рис. 6.6) представляет собой усеченный конус, который к вершине переходит в цилиндр. У основания конуса, т. е. в передней части корпуса установлена опора шарикоподшипника КВД 5. В опору запрессована стальная нитроцементированная обойма, в которой с помощью фланца фиксируется наружное кольцо подшипника. В диафрагме опоры 4 выполнены 12 отверстий для суфлирования смежных полостей.

К переднему торцу опоры крепятся лабиринты масляного уплотнения шарикоподшипника. Кожух ва­ла крепится к заднему торцу опоры. Для сообщения лабиринтного уплотнения шарикоподшипника с передней воздушной полостью в опоре и переднем фланце кожуха вала выполнено 24 отверстия. Смазывание и охлаждение шарикоподшипника осуществляются маслом, которое подводится через отверстия и кольцевые проточки к двум жиклерам и отверстиям в наружном кольце шарикоподшип­ника.

На поверхности обечайки внутреннего корпуса расположено 12 втулок 2 для установки пере­пускных труб. На цилиндрической части кожуха приварен фланец 3 для крепления силовых стоек. К заднему фланцу внутреннего корпуса крепится опора соплового аппарата и опора роликоподшип­ника ротора ТВД. Для увеличения устойчивости на внутренней поверхности корпуса приварены четыре кольцевых ребра жесткости.

Съемный корпус (рис. 6.7) является силовым узлом и представляет собой цилиндрическую разъ­емную в горизонтальной полости оболочку, которая закрывает шесть окон диффузора. Для соединения двух половин вдоль образующих оболочек приварены продольные фланцы 6. По торцевым поверх­ностям съемного корпуса приварены полукольцевые фланцы 9 для крепления корпуса к соответ­ствующим фланцам диффузора.

К полукольцевым фланцам 9 приварен коллектор / с отверстиями 8 для прохода воздуха в воздушную полость 2, образованную обечайкой съемного корпуса и стенкой коллектора. Коллектор предназначен для равномерного по окружности отбора воздуха из полости диффузора для самолет­ных и двигательных систем. Для подачи воздуха в эти системы к съемному корпусу приварены два фланца с резьбовыми втулками 4 для установки стаканов отбора воздуха. В нижней половине корпуса имеется отверстие для слива топлива при ложном запуске. Из этого отверстия топливо поступает в канал наружного контура, а затем в дренажный бачок двигателя.

Для обеспечения жесткости коллектора в месте горизонтального разъема приклепаны наладки и стойки.

Жаровые трубы 8 с газосборниками 14 (см. рис. 6.3) расположены внутри полости, образован­ной диффузором 4, внутренним корпусом 12 камеры сгорания и опорой 15 соплового аппарата ступени ТВД.

Каждая из 12 жаровых труб 5 (рис. 6.8) состоит из головки 4 и восьми цилиндрических секций, сваренных между собой роликовой сваркой. Жаровая труба изготовляется из листовой жаро­прочной стали, толщина листа ступенчато изменяется от 1,5 мм на головке до 1,0 мм для третьей и последующих секций. Внутри труба покрыта жаростойкой эмалью. Жаровые трубы соединены пламя-перебрасывающими патрубками, скрепленными между собой эллиптическими пламяперебрасывающими муфтами 6. Телескопические трубы входят в газосборники /, наружные фланцы которых крепятся болтами к наружному фланцу соплового аппарата I ступени ТВД 8, а внутренние фланцы телес­копически входят в кольцевую проточку фланца опоры соплового аппарата 8. Газосборник / изготовлен из жаропрочной листовой стали толщиной 1,2 мм и состоит из трех сварных секций. Для увели­чения жесткости к передней части газосборника приварено кольцо, а к задней — фланец рамочного типа. Внутренняя поверхность газосборника покрыта жаростойкой эмалью.

В центре передней части головок приварены втулки 3, с помощью которых жаровые трубы устанавливаются на кожухи стаканов топливных форсунок и фиксируются тем самым от перемещений в радиальном направлении. В осевом направлении жаровые трубы фиксируются подвесками с помощью втулок 7, приваренных к первым" секциям и имеющих внутренние сферические поверхности. В эти втулки устанавливаются сферические закаленные кольца с цилиндрическими отверстиями для подвесок. Жаровые трубы № 2 и 11 имеют плавающие втулки 2 для установки свечей зажигания. В уступах передних частей секций имеются мелкие отверстия для создания пленочного охлаждения и прорези, предназначенные для снятия термических напряжений в стенках секций. В 3, 4, 5, 6 и 7-й секциях имеются отверстия для подвода воздуха в зоны горения и смешения. К задней части 8-й секции приварено кольцо, телескопически входящее в газосборник /. Телескопическое соединение охлаждается воздухом, поступающим через отверстия в передней части кольца.

Кожух вала (рис. 6.9) представляет собой сварную конструкцию из листовой коррозионно-стойкой стали, состоящую из передней и задней частей, соединенных между собой гофрированным компенса­тором 4 для устранения осевых температурных напряжений. Передним фланцем / кожух вала кре­пится к опоре подшипника ротора КВД, а задним 8 — к опоре подшипника ТВД. К переднему и заднему фланцам привариваются наружные и внутренние обечайки, образующие в каждой из частей кожуха' кольцевые воздушные полости 2 и 7, служащие коллекторами воздуха, идущего на наддув" лабиринта опор.

Кожух вала образует теплоизолированную полость, в которую стекает масло после смазывания подшипников опор КВД и ТВД. Для уменьшения степени подогрева масла в полости кожуха вала его наружная поверхность покрыта теплоизоляционным материалом 6 АТМ-3-15, который сверху защищен от механических повреждений профилированными кожухами 5 из листовой стали толщиной 0,3 мм.

К передней части кожуха приварены фланцы для крепления следующих трубопроводов (см. рис. 6.4): суфлирования кожуха вала 5; подвода огнегасящей смеси во внутреннюю полость кожуха вала и в полость между кожухом вала и внутренним кожухом 4; откачки масла от подшипников опор КВД и переднего роликоподшипника ротора ТНД (10 и //); подвода воздуха из наружного контура в переднюю воздушную полость .кожуха вала /; подвода масла к подшипникам ротора КВД и ТВД 9 (для крепления этого трубопровода к внутренней поверхности кожуха вала прива­рен кронштейн).

В задней части кожуха вала имеются два фланца для крепления трубопровода откачки масла от подшипника ротора ТВД 10 и трубопровода подвода воздуха из наружного контура в заднюю воздушную полость кожуха вала 3.

Дефлектор (рис. 6.10) состоит из двух разъемных в горизонтальной полости половин. Для уве­личения жесткости к внутренней поверхности дефлектора приварена окантовка 2, а к средней части — ребро жесткости 4. В передней части имеется фланец 3 для крепления дефлектора к перепускным трубам.

В верхней половине дефлектора расположены два окна / для свечей зажигания, а в месте разъема — окно 6 для штуцера отбора воздуха к автомату запуска.

J

Рис. 6.10. Дефлектор:

I — окна для свечей зажигания; 2— окантовка; 3—фланец для крепления дефлектора к пере­пускным трубам; 4—ребро жесткости; 5 — отверстия для крепления дефлектора к крон­штейнам; 6 — окна для штуцера отбора воздуха к автомату

запуска

13

Рис. 6.1 J_;. Передний наружный кожух:

/ — передний фланец; 2 — фланец для креп­ления обтекателя с патрубком отбора воз­духа из канала наружного контура; 3— фланцы для крепления наружной арматуры; 4 — фланец для крепления трубопровода подвода огнегасящей смеси; 5— фланец для крепления гондолы двигателя; б —фланец для крепления уплотнительного устройства свечи зажигания; 7— фланец для крепления самолетных трубопроводов гидравлической системы; 8 — фланец для крепления трубо­провода подвода топлива к двигателю; 9— фланец для крепления трубопроводов подво­да воздуха к автоматам запуска и приемис­тости; 10—фланец для установки при стендо­вых испытаниях датчика замера температуры воздуха за КВД (в эксплуатации устанав­ливается заглушка); //— задний фланец; 12, 19 — фланец для крепления трубопрово­да и датчика системы сигнализации о по­жаре внутри двигателя; 13 — фланец для крепления трубопровода подвода топлива к цилиндрам управления клапанами пере­пуска воздуха; /-/ — фланец для крепления трубопровода откачки масла от шарико­подшипника ротора КВД и переднего роли­коподшипника турбины КНД; 15 — фланец для крепления трубопровода подвода топли­ва к коллектору первого контура форсунок; 16 — фланец для крепления трубопровода откачки маола от роликоподшипника рото­ра турбины КВД; 17 — фланец для крепле­ния трубопровода подвода топлива к кол­лектору второго контура форсунок; 18 — фланец для крепления трубопровода под­вода масла к подшипникам; 20 — фланец для крепления трубопровода суфлирования внутренней полости кожуха вала; 21 — фла­нец для крепления комбинированного дат­чика полного давления дифференциального сигнализатора давления ДСД-1.6; 22 — бо­бышка для крепления наружной арматуры; 23 — фланцы для крепления кронштейнов подвески ЗКП; 24 — стаканы для крепления уплотнительных устройств тяг гидроцилин­дров поворота лопаток ВНА,КВД.

7

2

Рис. 6.14. Обтекатели стаканов отбора воздуха: / — направляющие ребра: 2 — воздухозаборник из наружного контура для воздухо-воздушного радиатора самолета; 3—отверстия для ста­канов отбора воздуха; 4— фланец; 5 —окна для выхода воздуха; б —заклепки перегородок; 7 —окна для входа воздуха на охлаждение

Передний и задний наружные корпуса камеры сгорания (рис. 6.11 и 6.12) изготовлены из титанового сплава ОТ4, являются силовыми узлами и образуют -среднюю часть канала наружного контура двигателя. Эти кожухи имеют цилиндрическую форму, слегка деформированную в нижней части для удобного расположения ЗКП агрегатов. Передний кожух (см. рис. 6.11) неразъемный, а задний (см. рис. 6.12) имеет разъем в горизонтальной плоскости, который предусмотрен для монтажа и демонтажа жаровых труб и газосборников в процессе технического обслуживания, а также для ' осмотра и замены других деталей камеры сгорания. Для крепления обеих половин заднего кожуха⁴/ между собой имеются горизонтальные продольные фланцы 8.

Передний и задний наружные кожухи соединены между собой фланцами // (см. рис. 6.П) и образуют жесткую конструкцию, которая крепится спереди фланцем / к разделительному корпусу, а сзади фланцем 3 (см. рис. 6.12)—к наружному кожуху задней опоры двигателя.

На внешней поверхности переднего наружного кожуха приварены фланцы / — 21 и 23 (см. рис. 6.11), бобышка 22 для крепления наружной арматуры и стаканы 24 для крепления уплотнительных уст­ройств тяг гидроцилиндров поворота лопаток ВНА КВД.

На внешней поверхности заднего наружного кожуха (см. рис. 6.12) приварены фланцы 4, 5 и 12, люк 6 для осмотра лопаток турбины и три бобышки 7 для крепления наружной арматуры.

Стаканы отбора воздуха с обтекателями (рис. 6.13 и 6.14). В кольцевой полости, образованной передним наружным кожухом с корпусом КВД и диффузором камеры сгорания, расположены стаканы отбора воздуха за VI ступенью КВД, в ПОС двигателя, а также воздухозаборник для отбора воздуха из наружного контура двигателя 2 (рис. 6.14) в воздухо-воздушный радиатор самолета. Стакан отбора воздуха и воздухозаборник расположены в общем обтекателе. Для уменьшения потерь при отборе воздуха к воздухозаборнику приклеплены направляющие ребра /, одновременно увеличи­вающие жесткость обтекателя. Стакан / (см. рис. 6.13) отбора воздуха VI ступенью КВД состоит из трубы 4, резьбовой втулки 5 со шлицами 6, сильфона 3 и азотированной втулки 2, которая телескопически входит во втулку узла сильфона 3. Сильфон 3 предназначен.для компенсации температур­ных расширений при работе двигателя.

Стаканы отбора воздуха 7, 8 и 9 за XI ступенью КВД и их обтекатели расположены в кольцевой полости заднего наружного кожуха. В верхней части полости расположены стаканы отбора воздуха в ПОС двигателя 8 и на нужды самолетных систем 9. В нижней части полости установлен стакан отбора воздуха на турбину ППО 7. Конструкция стаканов 7 — 9 аналогична конструкции стакана /.

Обтекатели стаканов отбора воздуха за XI ступенью КВД представлены на рис. 6.14. Стаканы 8 и 9 (см. рис. 6.13) расположены в общем обтекателе, а стакан 7 в отдельном обтекателе. Оба обте­кателя имеют окна для входа 7 (см. рис. 6.14) и выхода 5 воздуха, охлаждающего стаканы. Жесткость обтекателей обеспечивается внутренними перегородками, приклепанными заклепками 6. Обтекатели крепятся к корпусам фланцами 4.