Теоретическое введение

В камерах сгорания ГТУ осуществляется нагрев рабочего тела до заданной температуры за счет сжигания топлива в потоке сжатого воздуха.

Камеры сгорания современных ГТУ работают на газообразном топливе (в основном на природном газе) и на различных сортах жидкого топлива: газойле, керосине, дизельном топливе, соляровом масле, дистилляте.

Рис. 11. ТРД ВК-1 КБ Климова, с центробежным компрессором и трубчатой камерой сгорания. Использовался на самолетах МиГ-17.

Требования к камере сгорания

Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:

1. Высокое значение коэффициента полноты сгорания, равного отношению энергии, выделяющейся при сжигании 1 кг топлива к теплотворной способности топлива. Типичные значения — 0,98..0,99.

2. Малые потери полного давления. Типичные значения: 3% (противоточные камеры), 6% (прямоточные), 8% (двухконтурные двигатели).

3. Малые габариты камеры для облегчения веса. При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.

4. Обеспечение широкого диапазона изменения параметров (расхода воздуха, топлива) — обеспечение возможности работать на разных режимах: α = 2-50.

5. Обеспечение заданной эпюры распределения температуры в выходном сечении камеры при минимальной неравномерности этой температуры в окружном направлении (при большой степени неравномерности может сгореть сопловой аппарат).

6. Надёжный запуск камеры при отрицательных температурах.

7. Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO, CnHm, NOx.

8. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).

9. Определенный срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20000 часов всего — это порядка 20 лет).

Классификация кс

1. По назначению:

а) основные, б) промежуточного подогрева в) резервные.

2. По компоновке:

а) выносные, б) встроенные.

3. По конструкции корпуса и пламенной трубы:

а) секционные, б) блочные, в) кольцевые.

4. По направлению потоков воздуха и продуктов сгорания:

а) прямоточные, б) противоточные.

5. По количеству горелок в одной пламенной трубе:

а) одногорелочные, б) многогорелочные.

6. По роду  сжигаемого топлива:

а) газообразного типа, б) жидкого, в) комбинированного

Основные показатели работы камер сгорания

1. Тепловая мощность камеры, кВт

Тепловая мощность Q_кс выражается количеством тепла, которое выделяется в единицу времени при полном сгорания топлива:

, (24)

где: В - расход сжигаемого топлива, кг/с; - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

2. Объемная теплонапряженность q, кВт/м³, характеризующая компактность, а значит, и эффективность использования объема:

, (25)

где: - объем камеры сгорания, м³, принимается обычно равным объему пламенной (жаровой) трубы.

С повышением давленая в камере мощность и теплонапряженность её увеличиваются, так как при этом возрастает массовый расход воздуха через камеру, а, следовательно, и расход сжига­емого топлива. Поэтому при оценке камер сгорания их объемную теплонапряженность обычно берут относительно к давлению в ка­мера, т.е.:

, (26)

где: - давление на входе в камеру, МПа.

Потери энергия в камере сгорания состоят из тепловых по­терь и потерь давления.

3. Тепловой к.п.д., камеры сгорания, учитывающий все тепло­вые потери:

, (27)

где: – потери теплоты от неполного сгорания топлива (химический и физический недожог). У современных камер сгорания эти потери не должны превышать 1-5 % общего расхода теплоты при работе на всем диапазоне рабочих нагрузок и 1-3 % при ра­боте на расчетной нагрузке; – потери за счет отдачи теплоты, в окружающее пространство нагретой поверхностью камеры и примыкающих к ней трубопроводов. Эти потери обычно бывают не более 0,5 % расхода теплоты.

В существующих камерах сгорания тепловой к.п.д. при рабо­те на расчетном режиме:

4. Полные потери давления в камере сгорания складывается из следующих составляющих:

а) гидравлических потерь, которые возникают без подвода теплота в камере в результате потерь на трения при прохождении газового потока и местных сопротивлений от воздухо-направляющих ребер, завихрителей и т.д. Эти потери определяются при холод­ной продувке камеры:

б) дополнительных потерь давления, вызванных нагревом га­за при сгорании топлива в камере. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового потока увеличивается. Процесс снижения давления в газовом потоке при подводе теплоты подроб­но рассматривается в курсе газовой динамики.

Полные потери давления принято выражать в долях и про­центах по отношению к давлению полного торможения воздуха на

входе в камеру:

, (28)

где: - полная потеря давления в камере; - давлений полного торможения газов на выходе из камеры.

Давление полного торможения воздуха я газа:

, (29)

где: - статическое давление воздуха на входе и газа на выходе, МПа; _В _Г - плотность воздуха и газа, кг/м³; _В _Г – средние скорости воздуха во входном сечении и газа в выходном сечения камеры, м/с.

В современных конструкциях камер сгорания полные потери давления обычно бывают в пределах = 1-3 %.

Потери давления в камере сгорания снижают к.п.д. ГТУ. Это можно учесть с помощью аэродинамического к.п.д. камеры сгорания , который обычно составляет: . Общий к.п.д. камеры сгорания можно выразить в виде произ­ведения:

. (30)

У современных камер сгорания .

5. Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания:

, (31)

где: и - соответственно расход воздуха и топлива в ка­мере, кг/с; - теоретически необходимое количество возду­ха для сжигания 1 кг топлива рассчитывается элементарному составу топлива.

Как уже отмечалось в современных ГТУ  = 4-8.

Непосредственно в процессе сгорания участвует не все ко­личество воздуха G_B, а только часть его – первичный воздух, поступающий в зону горения:

, (32)

где: ₁ - коэффициент избытка первичного воздуха, зависящий от конструкции камеры сгорания и вида сжигавшего топлива. Обыч­но .