Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 7-5-Osnovnyje_elementy_FK

7.5 - Основные элементы ФК

Основными элементами ФК являются смеситель, диффузор, фронтовое устройство с системой топливоподачи, корпуса и экраны с каналами охлаждения.

7.5.1 - Смеситель

Смеситель служит для смешения газовых потоков внутреннего и наружного контуров для обеспечения более равномерных параметров потока перед фронтовым устройством с целью организации эффективного процесса горения и уменьшения влияния изменения параметров потока наружного контура перед фронтовым устройством при изменении полетных условий.

Наиболее широко применяются два основных типа смесителей - кольцевой (см. Рис. 7.12, à) и лепестковый (см. Рис. 7.12, á).

Кольцевой смеситель представляет из себя кольцевую оболочку, разделяющую потоки наружного и внутреннего контуров двигателя. Он обыч- но применяется при низких степенях двухконтурности (m = 0,1…0,3), когда практически весь воздух наружного контура используется на охлаждение корпусов и экранов.

Лепестковый смеситель имеет, как правило, лепестки разной глубины для взаимного проникновения газовых потоков внутреннего и наружного контура друг в друга и применяется при степенях двухконтурности больше 0,3. При выборе количества лепестков принимается компромиссное решение между уровнем гидравлических потерь и степенью перемешивания потоков, необходимой для обеспечения устойчивого процесса горения во всей области эксплуатации двигателя. Иногда при-

меняются лепестковые смесители двухзонного типа, имеющие лепестки не только разной глубины, но и разной длины. Такие смесители имеют больший «смачиваемый» периметр и, следовательно, большие гидравлические потери. Но при этом они более равномерно, в две стадии (в двух зонах по длине) перемешивают потоки наружного и внутреннего контуров, что необходимо, например, для двигателей со степенями двухконтурности больше 1,5 и низкими температурами на входе в ФК по наружному контуру на отдельных режимах.

Разновидностями кольцевых смесителей для промежуточных значений степени двухконтурности могут быть так называемые карманные смесители с карманами-патрубками 1 (см. Рис. 7.13) и смесители с отбортованными отверстиями 1 в разделительной стенке (см. Рис. 7.14) или щелями (см. Рис. 7.8 - двигатель RB.199-34R фирмы «RollsRoyce»).

На корпусе смесителя может устанавливаться коллектор термопар для измерения температуры газа за турбиной и на некоторых двигателях - форсунки системы запуска ФК.

В качестве материала для изготовления корпуса смесителя применяются обычно титановые сплавы, для изготовления собственно смесителя – жаростойкие и жаропрочные сплавы на никелевой основе.

7.5.2 - Диффузоры

Диффузор ФК служит для снижения скорости газового потока перед фронтовым устройством и завершения смешения , что, в конечном итоге, определяет условия для организации устойчивого процесса горения и безотрывного течения с приемлемым уровнем потерь полного давления.

Âпрактике конструирования ФК применяются следующие основные типы диффузоров:

- с криволинейной (изоградиентной) образующей без центрального тела (см. Рис. 7.4) или с - центральным телом (см. Рис. 7.6);

- с прямолинейной (конической) образующей без центрального тела (см. Рис. 7.8) или с центральным телом (см. Рис. 7.5 и 7.7).

Âсовременной авиации чаще применяются диффузоры с центральным телом.

Как правило, на корпусе диффузора располагаются фланцы для крепления фронтового устройства, топливных коллекторов, штатных датчиков (для контроля наличия пламени в ФК, измерения уровня пульсаций давления газа в ФК и некоторых других) и арматуры.

Âкачестве материала для изготовления корпуса диффузора применяются титановые сплавы,

для изготовления экранов диффузора, центрального тела – жаростойкие и жаропрочные сплавы на никелевой основе.

7.5.3 - Фронтовые устройства

Фронтовое устройство служит для стабилизации пламени в ФК. Правильность выбора типа

èконструкции фронтового устройства в значительной степени влияет на организацию устойчивого процесса горения и основные характеристики ФК - полноту сгорания топлива и гидравлические потери полного давления.

Основные типы фронтовых устройств (СПОТ, вихревое и аэродинамическое), представленные в разделе 7.4, рассмотрим более детально.

Наиболее широко в современной авиации распространены фронтовые устройства типа СПОТ.

Фронтовое устройство стабилизаторного типа состоит из (см. Рис. 7.15):

-стабилизаторов пламени 1, представляющих из себя сварной узел и имеющих гофры 2 по краям для снижения температурных напряжений и цапфы 3 с проушинами для крепления пламеперебрасывающих патрубков;

-пламеперебрасывающих патрубков 22 (см. Рис. 7.4), расположенных между стабилизаторами

èимеющих профиль и гофры по краям аналогич- но стабилизаторам;

-крепежных тяг 23;

-топливных коллекторов 9, форсунок 24 и элементов их крепления.

Рисунок 7.15 - Стабилизатор пламени без карбюратора 1 – стабилизатор пламени;

2 – гофры по краям стабилизатора пламени; 3 – цапфы для крепления пламеперебрасывающих патрубков

Стабилизаторы пламени могут быть «глухими» - без подачи ТВС в циркуляционную зону стабилизатора (см. Рис. 7.15) или проточными (с подачей ТВС непосредственно в циркуляционную зону стабилизатора с помощью специальных устройств, называемых карбюраторами – Рис. 7.16). Проточные стабилизаторы пламени с карбюраторами необходимы для повышения устойчивости процесса горения при особо неблагоприятных режимах и условиях эксплуатациии. Как правило, они устанавливаются в зоне ФК, ответственной за ее запуск, и в периферийной части ФК, где для ФК ТРДДФ, например, имеют место самые низкие температуры газового потока. Топливо из форсунки 1 карбюраторного коллектора, имея определенный факел распыла 2, попадает в - заборный патрубок 3 карбюратора, где дробится о некарбюраторный кольцевой коллектор 4, предварительно смешивается с воздухом, испаряется и поступает во внутреннюю полость 5 карбюратора. Через отверстия 6 в карбюраторной пластине 7 топливовоздушная смесь попадает в циркуляционную зону 8.

На Рис. 7.17 для примера показана конструкция кольцевого проточного стабилизатора пламени с карбюратором (двигатель Д-30Ф6 разработки ОАО «Авиадвигатель»).

Рисунок 7.16 - Схема стабилизатора пламени с карбюратором

1 - форсунка карбюраторного кольцевого коллектора; 2 - факел распыла карбюраторного топлива; 3 - заборный патрубок карбюратора; 4 - некарбюраторный кольцевой коллектор; 5 - внутренняя полость карбюратора; 6 - отверстия в кар-

бюраторной пластине; 7 - карбюраторная пластина; 8 - циркуляционная зона стабилизатора

Рисунок 7.17 - Конструкция кольцевого стабилизатора пламени с карбюратором 1 – форсунка карбюраторного коллектора; 2 – поток воздуха; 3 – карбюраторный кольцевой кол-

лектор; 4 – распыленное топливо; 5 – некарбюраторный кольцевой коллектор; 6 – внутренняя полость карбюратора; 7 – ТВС; 8 – отверстия в карбюраторной пластине; 9 – карбюраторная пластина; 10 – кольцевой стабилизатор пламени

Рисунок 7.18 - Конструкция радиально-кольце- вого стабилизатора пламени с карбюратором

Для подачи топлива в ФК применяют два основных типа форсунок: шнековые (подробно описаны в разделе 6.4.3) и струйные. Для улучшения степени перемешивания с воздухом, шнековые форсунки, как правило, расположены перед стабилизаторами пламени, подают распыленное топливо навстречу газовому потоку, работают во всех условиях эксплуатации и обеспечивают надежное горение ТВС в циркуляционных зонах фронтового устройства. Струйные форсунки представляют из себя отверстия диаметром 0,4…0,7 мм в кольцевых коллекторах или пальцевых распылителях, подают топливо под углом к газовому потоку и работают, как правило, при больших расходах форсажного топлива (в земных условиях). В качестве материала для изготовления элементов фронтового устройства (стабилизаторов, пламеперебрасывающих патрубков, тяг, коллекторов и форсунок) применяются жаростойкие и жаропрочные сплавы на никелевой основе.

7.5.4 - Корпусы и экраны

Корпусы ФК - корпус 6 (см. Рис. 7.4) смесителя 13, корпус диффузора 3 и корпус 1 непосредственно ФК входят в силовую схему ФК и имеют между собой фланцевые болтовые соединения. Фланцевым болтовым соединением корпус смесителя крепится к наружному силовому кольцу 16 задней опоры двигателя. Вниз по потоку к корпусу ФК крепится регулируемое сопло.

Корпусы ФК (см. Рис. 7.22) имеют закрепленные на нем с помощью подвесок 2 и пальцев 3 теплозащитные и антивибрационные экраны 4. Аналогичные экраны имеет часто в своей нижней по потоку части и диффузор. Экраны диффузора вместе с экранами корпусов ФК образуют канал 5 охлаждения.

Для увеличения жесткости в продольном направлении и податливости в поперечном направлении экраны канала охлаждения имеют продольные гофры. В некоторых ФК экраны имеют поперечные гофры (см. Рис. 7.23). В этом случае тепловые перемещения экранов обеспечиваются в осевом направлении за счет деформации в гофрах, в радиальном направлении – за счет радиальной деформации подвесок. Крепление экранов 1 канала 2 охлаждения к корпусу 3 обычно выполняется при помощи ленточной гофрированной подвески 4. При этом первый и последний экраны крепятся, как правило, в двух поясах, промежуточные экраны – в одном поясе. Подвески приклепываются к экранам, экраны с подвесками при помощи пальцев 5 крепятся к корпусу приваркой или развальцовкой пальцев.

Рисунок 7.22 - Продольные гофры экранов 1 – корпус; 2 – подвеска; 3 – пальцы

крепления подвески к корпусу; 4 – экраны; 5 – канал охлаждения

Экраны имеют два пояса подвесок и крепятся к корпусу в первом поясе неподвижно, во втором - через овальные отверстия, за счет которых экран с подвеской могут перемещаться в осевом направлении при тепловых расширениях. В радиальном направлении при нагреве экраны и подвески деформируются за счет гофров.

Экраны могут иметь и один пояс подвески, который крепится к корпусу неподвижно и тепловое расширение экранов при нагреве происходит свободно в обе стороны от подвески.

Соединение экранов между собой телескопи- ческое. Зазор в телескопическом соединении обеспечивается минимально возможным для исключе- ния утечки охлаждающего воздуха из канала охлаждения.

Кроме функции охлаждения часть экранов выполняет и антивибрационные функции для подавления радиальных и радиально-тангенциальных колебаний давления газа в ФК с частотой f ≥ 600 Гц в случае их возникновения. При более низких час-

Рисунок 7.23 - Поперечные гофры экранов 1 – экраны; 2 – канал охлаждения;

3 – корпус; 4 – ленточная гофрированная подвеска; 5 – пальцыкрепления подвесок к корпусу

тотах, как правило, эффективность подавляющих свойств антивибрационных экранов значительно уменьшается.

Для создания пленочно-заградительного охлаждения экраны канала охлаждения имеют мелкую перфорацию отверстиями диаметром ~1,0…1,5 мм. Для подавления колебаний с частотой f ≥ 600 Гц антивибрационные экраны имеют более крупную перфорацию - диаметром ~3,5…6,5 мм.

ÂТРДФ для канала охлаждения используется газ, вытекающий из турбины, имеющий относительно высокую температуру и, соответственно, относительно низкие охлаждающие свойства. Расход газа на входе в канал охлаждения составляет обычно 15…20%, а на выходе из канала охлаждения - 6…10% от суммарного расхода газа через двигатель.

ÂТРДДФ для канала охлаждения используется воздух наружного контура, имеющий относительно низкую температуру и, соответственно, относительно высокие охлаждающие свойства. Расход

воздуха на входе в канал охлаждения составляет обычно 10…12%, а на выходе из канала охлаждения – 3…5% от суммарного расхода газа через двигатель. Экраны канала охлаждения по длине ФК обычно начинаются после фронтового устойства, где уже идет процесс горения и необходимо охлаждение корпусов. Охлаждение створок и проставок регулируемого сопла обеспечивается при этом специальными экранами 12 створок (см. Рис. 9.23) и 6 проставок (см. Рис. 9.26) сопла, которые образуют продолжение канала охлаждения ФК.

Корпус ФК и экраны канала охлаждения изготавливаются из жаростойких и жаропрочных сплавов на никелевой основе.

7.6 - Управление работой ФК

Управление работой ФК в общем виде приведено в главе 12. В данном разделе описаны основные функции системы автоматического управления (САУ) работой ФК.

7.6.1 - Розжиг ФК

Надежный розжиг ФК должен быть обеспечен во всем требуемом эксплуатационном диапазоне высот и скоростей полета с первой попытки без потери при этом газодинамической устойчивости компрессора. Это особенно важно для ТРДДФ, поскольку в этом случае возникающие в ФК при розжиге возмущения могут оказывать непосредственное влияние на КНД через воздушный поток в наружном контуре двигателя. Как правило, в технических условиях на двигатель задаются минимальные скорости полета и соответствующие им высоты, при которых ФК должна надежно разжигаться.

В настоящее время существуют следующие основные системы розжига ФК:

-самовоспламенение топлива (для ФК ТРДФ при температуре газа за турбиной ÒÒ > 950 0Ñ);

-с помощью традиционной свечи зажигания (при более низких температурах газа за турбиной);

-с помощью специальной «форкамеры» (для ФК ТРДДФ - Рис. 7.24);

-с помощью системы «огневая дорожка» (см. Рис. 7.25).

Розжиг ФК с помощью специального устройства, называемого «форкамерой», применяется для ТРДДФ со смесителем кольцевого типа. «Форкамера» располагается обычно в наружном контуре двигателя или на границе контуров, служит для воспламенения ТВС от свечи зажигания и поддер-