3.2. Камеры сгорания гту

Камера сгорания ГТУ (КС) – это устройство, предназначенное для сжигания топлива и повышения энергии рабочего тела с целью использования ее в проточной части турбины.

На рис 3.1 приведена схема камеры сгорания ГТУ. Поток воздуха после компрессора, поступающий в КС, разделяется на первичный воздух G_В1 и вторичный – G_В2. Первичный воздух, подаваемый в количестве не менее стехиометрического, служит для полного сгорания топлива, а вторичный – для снижения температуры про­дуктов сгорания до требуемого уровня. Весь объем камеры сгорания делится на зоны горения и смешения.

Рис. 3.1 Конструкция камеры сгорания.

Воздухонаправляющее устройство (регистр) I служит для распределения и турбулизации первичного воздуха с целью улучше­ния смесеобразования для создания условий устойчивого процесса горения.

Запальное устройство 2 служит для зажигания топлива в ка­мере сгорания в момент пуска.

Горелочное устройство 3 предназначено для подачи топлива в КС и равномерного распределения по объему зоны горения.

Пламенная (жаровая) труба 4 служит для ограничения огне­вого пространства и восприятия тепловых нагрузок.

Силовой корпус 5 воспринимает нагрузки внутреннего давле­ния в камере сгорания.

Смесители 6 перемешивают вторичный воздух с продуктами сго­рания с целью получения на выходе заданного температурного по­ля.

Устойчивое горение топлива в КС обеспечивается следующими факторами: 1) подачей воздуха в количестве, необходимом для создания смеси нужного состава; 2) созданием нужного температурного режима; 3) наличием зоны стабилизации фронта пла­мени. Для обеспечения необходимого уровня температур и поля скоростей организуется зона обратных токов.

3.2.1. Требования к камерам сгорания и их характеристики

Камеры сгорания ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок. Они должны иметь малые габариты, массу, быть работоспособным при сжигании различных видов топлива. Кроме того, КС должны обеспечить допустимый уровень вредных выбросов с продуктами сгорания (окислов азота, серы). Особые требования к КС предъяв­лялся с точки зрения эксплуатационной надежности, так как они находятся в тяжелых температурных условиях.

Кроме того, камеры сгорания должны иметь:

• высокий коэффициент полноты сгорания;

• малые потери давления;

• малые габариты, т.е. большую теплонапряженность;

• заданное поле температур;

• быстрый и надежный пуск;

• достаточно большой ресурс;

• достаточное удобство монтажа и профилактического обслуживания.

Коэффициент полноты сгорания (или К.П.Д. камеры сгорания) определяется как:

; (3.9)

где Q₁ – количество тепла, фактически выделившееся в рабо­чем объеме камеры; Q₂ – полное количество тепла, которое тео­ретически могло бы выделяться при полном сгорании топлива.

3.3. Фронт пламени горения

Факел в камере сгорания, развивающийся в условиях вынужденного дви­жения с центральным подводом топлива состоит из трех основных зон: внутренняя зона I, зона смесеобразования и горения II, и зона III - зона наружного воздуха рис. 3.2.

В зоне II 0 ≤ α ≥ ∞. Во внутренней зоне воздух отсутствует α = 0.

В зоне 2 осуществляется смесеобразование и горение. Она делится условно на две: внутренняя - а, и внешняя - б.

Внутренняя зона заполнена смесью из горючего газа и продуктов сгорания, а наружная смесью продуктов сгорания и воздуха. Граница между зонами – фронт пламени горения. В этом промежутке имеются все области от α = 0 до α = ∞. В толще фронта горения α = 1; топливо, перемещаясь от корня к хвосто­вой зоне, разбавляется продуктами сгорания, а воздух насыщается продуктами сгорания. Это приводит к тому, что в зоне сгорания теплота сгорания топлива уменьшается, т.е. уменьшается количество теплоты,

Рис. 3.2. Фронт пламени горения.

приходящееся на единицу поверхности фронта сгорания, условия сгорания ухудшаются вплоть до воз­можного загасания пламени и выноса части несгоревшего топлива. Следует иметь в виду, что этот процесс характерен для неограниченного пространства. В реальных КС характер горения, в связи с тем, что поток ограничен, в значи­тельной мере определяется аэродинамическими свойствами КС. Причем в зо­не горения поддерживается высокая температура, что приводит к сгоранию смеси с весьма высокими скоростями, в этом случае скорость сгорания опреде­ляется в первую очередь скоростью смесеобразования, т.к. скорость химиче­ских реакций будет во много раз больше, чем скорость смесеобразования. Такой процесс называется диффузионным горением. Он легко управляется за счет изменений условий смесеобразования, который, в свою очередь, можно изме­нять конструкционными мероприятиями - использованием лопаточных кольце­вых решеток в качестве турбулизаторов и др.

Одной из главных характеристик камеры сгорания является величина теплового напряжения, которое представ­ляет собой отношение количества теплоты, выделившегося в камере сгорания, к ее объему при давлении сгорания.

, Дж/м² МПа (3.10)

где Р_КС – давление рабочего тела в камере сгорания, МПа; V – объем камеры сгорания, м³.

На основа­нии величины удельной теплонапряженности определяется объем камеры сго­рания.

(3.11)

Для создания устойчивого горения во всем диапазоне рабочих режимов важ­на организация процесса горения, которая характеризуется поверхностью фронта пламени горения и определяется из уравнения:

(3.12)

где U_Т – турбулентная скорость распространения пламени она, как правило, при­нимается в интервале (40 ÷ 60 м/с); F_ф – фронт пламени горения; – теплота сгорания смеси; ρ_см - плотность смеси.

Низшая теплота сгорания смеси определяется из уравнения:

(3.13)

Плотность смеси определяется из уравнения Менделеева-Клайперона:

(3.14)

где Т_КС – температура смеси в камере сгорания.

Фронт пламени горения по уравнению:

(3.15)

Устойчивое горение возможно при F_тф ≥ F_ф .

Контрольные вопросы.

1. Каковы основные характеристики топлив для ГТУ?

2. Что характеризует стехиометрический коэффициент?

3. Перечислите основные элементы камеры сгорания.

4. Для чего производят разделение потока воздуха в камере сгорания?

5. Из каких зон состоит фронт пламени горения?

34