Тема № 10. КОМПРЕССОРЫ ГТД. ОСНОВНЫЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД.
Занятие № 2. Основная камера сгорания двигателя
РД-33-2С.
Время: 2 часа.
Цель: Изучить организацию рабочего процесса, конструкцию и основные правила эксплуатации основной камеры сгорания.
Учебные вопросы:
1. Общие сведения о камерах сгорания.
2. Общие представления о процессе горения и организации рабочего процесса в основной камере сгорания.
3. Конструкция и основные правила эксплуатации основной камеры сгорания.
1. Общие сведения о камерах сгорания.
1.1. Назначение и конструктивная схема окс
От совершенства организации рабочего процесса в камере сгорания во многом зависит экономичность и надежность ГТД. Поэтому вопросам проектирования, изготовления, и доводки камер сгорания уделяется постоянное внимание.
Камера сгорания предназначена для повышения энергии поступающего в нее воздуха путем сжигания в ней топлива.
К камерам сгорания предъявляются следующие основные требования:
Высокая полнота сгорания топлива.
Устойчивый процесс горения в широком диапазоне режимов работы двигателя и условий полета самолета.
Малые потери полного давления.
Обеспечение стабильного поля температур на выходе из камеры при заданном законе распределения температуры по радиусу.
Низкий уровень содержания твердых частиц (сажи) в продуктах сгорания. "Дымление" двигателей, приводит к загрязнению атмосферы, нарушению нормального теплового режима деталей проточной части, а также к демаскированию самолета в полете.
Надежный запуск на земле и в воздухе. Основные камеры сгорания ТРД должны надежно запускаться на высотах 6-10 км., а форсажные - на высотах близких к потолку самолета.
Кроме того, к камерам сгорания предъявляются общие требования высокой надежности, большого ресурса, малой массы и габаритов, простоты изготовления, эксплуатационной и ремонтной технологичности.
2. Общие представления о процессе горения и организации рабочего процесса в основной камере сгорания.
Горение - это процесс соединения горючего с окислителем, идущий с выделением значительного количества тепла. В ГТД горючим является керосин, окислителем - кислород воздуха. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1кг керосина:
Действительный состав топливовоздушной смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха:
где Gt и Gb секундные расходы топлива и воздуха в двигателе соответственно. При α=1 смесь называется стехиометрической, при α<1 - богатой топливом, при α >1 – бедной по топливу.
Горение топливовоздушной смеси представляет собой сложный физико-химический процесс, который можно условно разделить на несколько:
распыл топлива;
испарение топлива;
смешение паров топлива с воздухом;
воспламенение образовавшейся горючей смеси;
собственно реакция горения
Распыл - процесс дробления жидкого топлива на мелкие капли. В ГТД распыл происходит при впрыскивании топлива через форсунки. Топливо распадается на капли под воздействием внешних сил сопротивления среды и внутренних сил, обусловленных турбулентным движением возникающим в самой cтpye при её течении. Чем выше сопротивление внешней среды и внутренние силы, тем мельче распыл топлива.
Испарение - процесс перехода горючего из жидкой фазы в газообразную. Сопровождается поглощением тепла. Скорость испарения определяется температурой воздуха, скоростью его движения относительно капли, размером капель, давлением насыщенных паров.
Смешение паров топлива с воздухом. Этот процесс происходит путем диффузии и вследствие турбулентного перемешивания частиц. Скорость протекания процесса определяется распределением капель в воздушном потоке и интенсивностью вихревых течений воздуха.
Воспламенение горючей смеси. При запуске двигателя воспламенение происходит от постороннего источника пламени. В последующем свежая смесь воспламеняется от факела пламени, существующего в камерах сгорания. Область устойчивого воспламенения и горения однородных топливовоздушных смесей находится в пределах от αмин= 0,5...0,6 до αмакс =1,5... 1,7.
Собственно реакция горения сопровождается выделением большого количества тепла и образованием видимого пламени. Надежное воспламенение и горение происходит с α ≈ 1. При этом температура в зоне горения достигает 2600 К. Скорость распространения пламени в основном зависит от характера течения газа. Так для обеспечения устойчивого горения в камере сгорания необходимо, чтобы в зоне горения α≈1, а скорость потока не превышала 30-40 м/с.
При этом возникает три противоречия:
между реальной скоростью потока на выходе из компрессора (для двигателя РД-33 она составляет 130-150 м/с) и потребной для устойчивого горения- 30-40 м/с;
между температурой в зоне горения (2600 К) и максимально допустимой, по условиям прочности, температурой газа перед турбиной (для РД-33 => Тг=1527 К);
между αΣ, достигающим для современных камер сгорания значений порядка 3-5 и потребным α≈1.
Для преодоления этих противоречий организация процесса горения включает следующие мероприятия:
во-первых, поток на входе в камеру сгорания проходит через диффузор, где его скорость уменьшается примерно в два раза;
во-вторых, поток делится на две части:
первичный поток (30-35%);
вторичный поток (65-70%).
Первичный поток непосредственно направляется в зону горения, где обеспечивается α≈1 и Тг=2600 К.
в-третьих, для снижения скорости первичного потока, он подается в зону горения через лопаточный завихритель. В результате возникает зона обратных потоков, которая обеспечивает:
снижение средней скорости потока в жаровой трубе;
возвращение назад раскаленных продуктов сгорания, что позволяет поджигать новые порции смеси;
♦ турбулизацию потока и тем самым увеличивает скорость горения.
в-четвертых, вторичный поток входит в жаровую трубу через специальные отверстия, что обеспечивает:
завершение процесса горения за счет внесения новых порций окислителя в зону горения (увеличивая полноту сгорания);
уменьшение температуры продуктов сгорания;
турбулизацию потока, т.к. более холодные, а следовательно, более плотные струи являются турбулизатором потока;
нужный профиль температуры на выходе из камеры сгорания;
охлаждение стенок жаровой трубы.