книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Минимальные потери полного давления в КС.

Потери характеризуются коэффициентом вос­ становления полного давления:

В современных КС коэффициент восстанов­ ления полного давления составляет 0,94...0.96.

Широкие пределы устойчивого горения. Пре­ делы устойчивого горения определяются усло­ виями эксплуатации самолета. Пламя не должно гаснуть в заданном диапазоне изменения отно­ шения топлива/воздух, давления, скорости и при попадании на вход двигателя воды, льда и посто­ ронних предметов.

Надежный розжиг топлива в земных и вы­ сотных условиях. В земных условиях розжиг должен быть обеспечен в диапазоне температур от минус 40° до плюс 40 °С. Должен быть обеспе­ чен розжиг топлива в условиях высокогорного аэродрома - до высоты 4,5 км. Высотность роз­ жига для гражданских самолетов - 9 км.

Отсутствие пульсаций давления (вибрацион­ ного горения).

Поле температур на выходе из КС. Поле температур должно в радиальном направлении иметь эпюру, определяемую предельно допус­ тимыми напряжениями в рабочих лопатках тур­ бины и соплового аппарата. Конкретный харак­ тер эпюры температур по радиусу лопатки вы­ бирают в зависимости от конструктивных особенностей турбины (величины и формы ра­ бочей лопатки, ее материала, способа охлажде­ ния и т.д.).

Рабочая лопатка турбины при своем враще­ нии воспринимает среднюю температуру за КС. Поэтому для оценки неравномерности поля тем­ ператур, воздействующих на рабочие лопатки, необходимы температуры, осредненные на /-м радиусе. Такая неравномерность задается ради­ альной эпюрой (рис. 6.3) относительных средних избыточных температур (определения даны в со­

где 0/ср - относительная средняя избыточная температура газа на /-м радиусе выход­ ного сечения КС;

Т* - средняя температура на i радиусе;

Т* -средняя температура газа на выходе из КС;

Т* - температура воздуха на входе в КС. Кроме того, для обеспечения работы лопаток

соплового аппарата турбины задается радиаль­ ная эпюра максимальных относительных избы-

6.2. Схемы КС

Относительная избыточная температура газа 6

Рис. 6.3. Радиальные эпюры температур газа за КС: -эпюра максимальных относительных

избыточных температур газа; -*— эпюра относительных средних избыточных температур газа

точных температур газа на выходе из КС, кото­ рая определяется как

Максимальная неравномерность поля темпе­ ратуры газа за КС характеризуется величиной, называемой максимальной относительной избы­ точной температурой газа 0 ^ , и определяется выражением:

е™=(т ;^ -т ;)/(т ; -г;) (6.5)

где Т*^ - максимальное значение температуры газа за КС.

Уровень выбросов. Уровень выбросов дыма (SN (Smoke number)), несгоревшего топлива и га­ зообразных веществ, загрязняющих атмосферу - оксидов азота (NOx), оксидов углерода (СО), не­ сгоревших углеводородов (НС) - должен соот­ ветствовать международным нормам ИКАО [6.2] и Авиационным правилам [6.3].

На элементахконструкцииКС не должен от­ кладываться нагар.

Способность работать на различных топливах как отечественных, так и зарубежных.

6.2. Схемы КС

При всем разнообразии конструкций КС ее схему и происходящие в ней процессы мож­ но представить следующим образом (рис. 6.4

ния 6. Кроме этого, воздух также поступает в от­ верстия 7 для охлаждения горячих стенок жаро­ вой трубы. Топливо подается в жаровую трубу через форсунки 8. В первичной зоне с помощью фронтового устройства (ФУ) 9 организуется зона с малыми скоростями. В этой зоне процесс горе­ ния поддерживается за счет циркуляционного те­ чения продуктов сгорания, непрерывно поджи­ гающих свежую топливовоздушную смесь (ТВС). При запуске двигателя воспламенение ТВС в КС осуществляется с помощью электриче­ ской свечи 10 или воспламенителя (см. подразд. 6.4.5).

Циркуляционное течение в первичной зоне обеспечивает стабильность и эффективность го­ рения. Отношение расхода топлива и воздуха в первичной зоне является важнейшим факто­ ром, влияющим на процесс горения и рабочие ха­ рактеристики КС. Для обеспечения устойчивого процесса горения на всех режимах работы двига­ теля в первичную зону подается только часть воздуха. В зависимости от способа сжигания топ­ лива это количество воздуха может меняться (см. подразд. 6.3.2.). На рис. 6.4 приведено рас­ пределение воздуха в жаровой трубе для типич­ ной КС, где 20 % воздуха поступает во ФУ, а 80 % в жаровую трубу (20 % в зону горения, 20 % в зону смешения и 40 % на охлаждение сте­ нок). Иногда первичную зону (зону горения) раз­ деляют на две зоны - зону циркуляции и зону до­ горания топлива (промежуточную зону).

В зоне смешения продукты сгорания разбав­ ляются воздухом до требуемой температуры, тем самым на выходе из КС формируется стабильное и оптимальное поля температур для обеспечения работоспособности турбины.

6.2.1. Основные схемы КС

Наибольшее распространение в ГТД получи­ ли три схемы КС - трубчатые, трубчато-кольце­ вые и кольцевые.

В трубчатой КС каждая жаровая труба имеет отдельный корпус и образует индивидуальную трубчатую КС (рис. 6.6). В авиационных ГТД КС такой схемы выполняют в виде блока из несколь­ ких индивидуальных трубчатых КС. На рис. 6.6 показана трубчатая КС с восемью индивидуаль­ ными трубчатыми КС, расположенными вокруг внутреннего корпуса 1двигателя. Корпуса 2 каж­ дой индивидуальной КС соединяются с выходом компрессора при помощи фланца 3. Между со­ бой корпуса индивидуальных КС и жаровые тру­ бы соединены муфтами 4 для переброса пламени при розжиге ТВС и выравнивания давления меж­ ду жаровыми трубами. Кроме того, корпуса КС

6.2. Схемы КС

соединены между собой дренажными трубами 5 для слива топлива при неудавшемся запуске дви­ гателя. Холодная передняя часть КС, в которой расположена система подачи топлива, отделена от горячей задней части и горячих корпусов тур­ бины, при соприкосновении с которыми может воспламениться топливо, противопожарной пе­ регородкой 6.

Топливо в КС подается через форсунки 7. То­ пливо к форсункам подается через коллектор 8 первого контура и коллектор 9 второго контура. На входе в КС расположен диффузор 10. Жаро­ вые трубы 1 (рис. 6.7) для фиксации от переме­ щения в радиальном направлении опираются

впередней части на форсунку 2, вставленную

взавихритель 3, а в осевом направлении фикси­ руются подвесками 4. Воздух через воздухоза­ борник 5 поступает в первичную зону жаровых труб и далее через перфорацию - во ФУ 6 и за­ вихритель. Для обеспечения необходимого соот­ ношения между расходом воздуха и топлива че­ рез отверстия 7 дополнительно под водится воз­ дух. Воздух в зону смешения поступает через отверстия 8. Стенки жаровых труб охлаждаются воздухом, проходящим через гофрированные щели 9. Выходная часть жаровых труб 10 теле­ скопически входит в индивидуальные газосборники 1 (рис. 6.8), образующие кольцевой вход

впервый сопловой аппарат 2 турбины.

Трубчатые КС применялись на ранних ГТД фирмы Rolls-Royce (Nene), Allison (J-33), General Electric (J-47), ФГУП «Завод им. ВЯ. Климова» (BK-1) и др.

Трубчато-кольцевая КС также состоит из не­ скольких отдельных жаровых труб и газосборников, но располагаются они в общем кольцевом канале между корпусами. На рис. 6.9 показана трубчато-кольцевая КС двигателя ПС-90А. КС комбинированного типа с двенадцатью жаровыми трубами и кольцевым газосборником. Примене­ ние кольцевого газосборника отличает представ­ ленную КС от обычных схем трубчато-кольцевых КС с индивидуальными газосборниками.

Рассмотрим конструкцию КС двигателя ПС-90А более подробно.

Наружный 1и внутренний 2 корпусы образуют кольцевой канал, в котором располагаются жаро­ вые трубы 3 и кольцевой газосборник, состоящий из наружного 4 и внутреннего 5 колец. Кроме то­ го, наружный и внутренний корпусы вместе со скрепляющими их двенадцатью силовыми стой­ ками 6 входят в силовую схему двигателя. На вхо­ де в КС наружное кольцо 7и внутреннее 8 диффу­ зора образуют кольцевой диффузорный канал с безотрывным течением в начальном участке и с внезапным расширением потока на выходном

Глава 6. Камеры сгорания ГТД

ния. За прототип может быть выбрана ранее спроектированная КС с известными характери­ стиками, наиболее близко отвечающая предъяв­ ляемым требованиям. Следует отметить, что соз­ дание КС с нужными характеристиками, надеж­ но работающей в течение заданного ресурса, требует проведения значительного объема экспе­ риментально-доводочных работ как на установ­ ках, так и в системе двигателя. Это также застав­ ляет при проектировании новых КС стремиться в максимальной степени использовать опыт соз­ дания и доводки предшествующих образцов.

6.3.1. Исходные данные для проектирования КС

В перечень исходных данных для выполнения проекта входят:

-общие требования к двигателю и его узлам (см. подразд. 2.3);

-специальные требования к КС (см. под­

разд. 6.1); - результаты термодинамического расчета

двигателя на режимах условного цикла взлет­ но-посадочных операций в соответствии со стан­ дартом ИКАО;

-характеристики воздушного потока на входе

вКС (интенсивность и масштаб турбулентности, распределение давления, температуры и вектора скорости в окружном и радиальном направлениях);

- максимальное располагаемое давление

итемпература топлива на входе в КС;

-экстремальные соотношения «топливо/воздух» на режимах приемистости и сброса газа;

-требования к величине отборов воздуха из КС: на охлаждение турбины, противообледенительную систему, систему кондиционирования воздуха и перепусков на запуске;

-требования к количеству, расположению

ипроходным сечениям воздушных, масляных

исуфлирующих магистралей, если они проходят через КС.

6.3.2. Определение основных размеров КС

Для определения основных размеров КС вы­ полняется проектировочный расчет, который ба­ зируется на основных положениях теории рабоче­ го процесса и практическом опыте, накопленном при создании КС авиационных ГТД.

6.З.2.1. Объем жаровой трубы

Объем жаровой трубы рассчитывается из ус­ ловия обеспечения заданной полноты сгорания с помощью обобщенной зависимости полноты сгорания топлива от критерия форсирования

г|г Расчет обычно выполняется для макси­ мального режима работы ГТД.

Параметр форсирования Кутюсвоему физиче­ скому смыслу характеризует отношение времени химической реакции ко времени пребывания то­

GK,P*,Т* - расход, давление и температура воздуха на входе в КС.

При выборе объема жаровой трубы необходи­ мо учесть следующее.

Во-первых, объем жаровой трубы определяет время пребывания продуктов сгорания при высо­ ких температурах в КС, что, в свою очередь, влияет на выбросы вредных веществ. С целью уменьшения выбросов NOx необходимо умень­ шать время пребывания продуктов сгорания при высоких температурах на взлетном режиме, т.е. уменьшать объем жаровой трубы.

Во-вторых, для обеспечения работы КС на ре­ жиме малого газа, низких выбросов СО и НС и обеспечения высотного розжига требуется уве­ личение объема жаровой трубы, т.к. на этих ре­ жимах резко снижается полнота сгорания и уве­ личивается критерий форсирования Kv. Оконча­ тельный объем жаровой трубы определяется путем нескольких последовательных расчетов, конструкторских проработок и проведения экс­ периментов на модельных установках, включаю­ щих имитацию высотных режимов.

6.3.2.2. Распределение воздуха в жаровой трубе

После определения объема жаровой трубы выполняется «аэродинамическое проектирова­ ние», цель которого обеспечить:

-безотрывность течения воздуха в преддиффузоре;

-оптимальное распределение воздуха в меж­ трубном пространстве или кольцевых каналах;

-заданные потери давления;

-оптимальное распределение подвода воз­ духа в жаровую трубу по ее длине с точки зре­ ния организации процесса горения для обеспе­ чения высокой полноты сгорания топлива, норм на выбросы вредных веществ и формирования требуемой радиальной эпюры температур газа на выходе.

Весь воздух, поступающий в жаровую трубу, можно условно разделить на отдельные харак­ терные составляющие: на систему охлаждения,

вФУ, в зону горения и в зону смешения.