Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 7-4-Skhemy_FK

выполняют теплозащитную и антивибрационную (гасят пульсации давления) функции в ФК и обеспечивают «транспортирование» воздуха для охлаждения элементов проточной части регулируемого

сопла 10.

7.3 - Требования к ФК

Общие требования, предъявляемые к ФК по массе, габаритам, надежности, ресурсу и т.д., аналогичны требованиям, предъявляемым к другим узлам ГТД.

Однако, для ФК есть и специфические требования, основными из которых являются:

- соответствие термодинамических характеристик – заданным величинам степени форсирования, полноты сгорания топлива в ФК, уровню потерь полного давления на бесфорсажных режимах

èфорсированных режимах;

-обеспечение надежного и безотказного, с первой попытки, розжига в требуемом диапазоне высот

èскоростей полета с выходом на полный форсированный режим в течение заданного промежутка времени (обычно от 3 до 8 секунд с момента установки ручки управления двигателем на полный форсированный режим);

-обеспечение надежной, устойчивой работы без срывов пламени, вибрационного горения и нарушения газодинамической устойчивости двигателя на стационарных и переменных форсированных

режимах.

7.4 - Схемы ФК

Схема ФК выбирается в зависимости от типа двигателя, заданных характеристик и условий эксплуатации. Рассмотрим подробнее признаки, по которым ФК могут быть условно классифицированы.

По типу двигателя. ФК могут применяться на ТРДФ или ТРДДФ. До середины 70-х годов прошлого века ФК применялись, в основном, для ТРДФ. А позднее ФК стали применятся и для ТРДДФ (см. Рис. 7.3). Применению ФК в составе ТРДДФ способствует:

-наличие достаточного количества кислорода (за счет воздуха, поступающего в ФК из наружного контура двигателя), дающее возможность получения более высоких степеней форсирования;

-наличие в периферийной части ФК достаточ- ного количества относительно холодного воздуха наружного контура, облегчающее организацию охлаждения корпусов и экранов;

-возможность более экономичного использо-

вания форсажного топлива на различных режимах от крейсерского до полного форсированного.

В то же время в ФК ТРДДФ необходимо применение смесительного устройства, что увеличи- вает длину и вес ФК и двигателя в целом. Кроме этого, для ФК ТРДДФ характерна «прямая» аэродинамическая связь через наружный контур с КНД, повышающая чувствительность КНД к возникающим возмущениям давления в ФК на переменных режимах.

Êположительным особенностям применения ФК в составе ТРДФ можно отнести:

- относительно равномерные поля параметров потока газа на входе (температур, давлений и скоростей);

- высокое значение температуры потока газа на входе, повышающее интенсивность испарения топлива и облегчающее розжиг ФК;

- отсутствие необходимости применения смесителя, что сокращает длину и вес ФК.

Êотрицательным особенностям применения ФК в составе ТРДФ можно отнести:

- пониженное содержание кислорода на входе из-за наличия балластных газов после основной КС, что приводит к ограничению по величине степени форсирования и необходимости обеспечения более тщательного распределения топлива по се- чению для организации устойчивого процесса горения при околостехиометрических соотношениях воздух/топливо;

- отсутствие на периферии камеры относительно холодного воздуха наружного контура, что затрудняет организацию охлаждения корпусов

èэкранов ФК.

По уровню параметров газа на входе ФК ТРДФ аналогичны основным КС, отличаясь от них более низкими концентрацией кислорода и давлением и, как правило, более высокой температурой.

По месту подвода тепла. В современных двигателях наиболее часто применяются ФК с подводом тепла за турбиной (см. Рис. 7.3). Для ТРДДФ теоретически возможен подвод тепла в наружном контуре двигателя (такие ФК в современных двигателях, практически, не применяются).

По способу стабилизации пламени:

-за счет плохообтекаемых тел (см. раздел

7.4.1);

-с вихревой стабилизацией пламени (см. раздел 7.4.2);

-с аэродинамической стабилизацией пламени (см. раздел 7.4.3).

По типу смесителя (для ТРДДФ) (подробнее см. раздел 7.5.1):

-с кольцевым смесителем;

Двигатели ТРДДФ M53-P2 (фирмы SNECMA) и F100-PW-229 (фирмы Pratt&Whitney) с частичными разрезами приведены на Рис. 3.5 и 3.13 в разделе 3.1.2, двигатель F110-GE-100 (фирмы General Electric) - на Рис. 7.9.

7.4.2 - Вихревые ФК

Одним из способов стабилизации пламени

âФК является вихревой. В вихревых ФК устойчи- вая стабилизация горения осуществляется за счет закрученных струй основного газового потока.

Такая схема стабилизации пламени по сравнению со СПОТ дает:

-снижение гидравлических потерь;

-снижение массы ФК;

-расширение диапазона устойчивого горения

âобласти «бедных» смесей;

-более «слабую» зависимость характеристик ФК от параметров воздушного потока на входе;

-увеличение скорости тепловыделения и существенное увеличение скорости распространения пламени в зоне горения за счет движения объемов сгорающей ТВС через «свежую» ТВС под воздействием сильного поля центробежных сил.

Рисунок 7.10 - Схема вихревой ФК модификации двигателя F-100 с раздельной закруткой потоков наружного и внутреннего контуров 1 - лопатки для закрутки потока

наружного контура; 2 - лопатки для закрутки потока внутреннего контура; 3 - кольцевая форкамера; 4 - топливные коллекторы; 5 - наружный контур; 6 - внутренний контур

На Рис. 7.10 для примера приведена схема ФК с раздельной закруткой потоков наружного и внутреннего контуров, характерная для одной из модификации двигателя F-100 фирмы Pratt&Whitney. Как видно из рисунка, для закрутки потоков на входе в ФК установлены лопатки (1 - наружного контура и 2 - внутреннего контура) с углом закрутки от 20 до 35 градусов. При этом данные лопатки являются поворотными, занимая на бесфорсажном режиме положение, при котором гидравлические потери полного давления минимальны. В качестве постоянного источника воспламенения топлива и поддержания устойчивого горения ТВС на периферии ФК установлена вспомогательная кольцевая «форкамера» 3, которая непрерывно работает на околостехиометрических соотношениях воздух/топливо на всех форсированных режимах. Топливо подается в закрученный поток воздуха и газа из концентрично расположенных коллекторов 4 непосредственно за закручивающими поток воздуха лопатками. Закрученный поток воздуха наружного контура 5, смешанный с топливом, поданным из коллекторов, поступает на периферию, где смешивается с горящими газами форкамеры, имеющими температуру ~2000 К. Воспламененная смесь смешивается с закрученным потоком ТВС внутреннего контура 6. Фронт пламени в результате такого течения приобретает форму конуса с вершиной, расположенной в сторону турбины.

7.4.3 - ФК с аэродинамической стабилизацией

Еще одним способом повышения эффективности работы ФК и снижения гидравлических потерь полного давления в ФК является применение ФК с аэродинамической стабилизацией пламени. Основным отличием такой ФК от ФК со СПОТ является стабилизация пламени за счет втекания под углом к основному газовому потоку веерных струй предварительно подготовленной ТВС.

Преимуществами такой схемы стабилизации пламени по сравнению со СПОТ являются:

-снижение гидравлических потерь и массы ФК;

-расширение диапазона устойчивого горения

âобласти «бедных» смесей;

-более «слабая» зависимость характеристик ФК от параметров воздушного потока на входе.

Основным недостатком такой схемы является необходимость отбора воздуха высокого давления из компрессора двигателя для создания веерных струй предварительно подготовленной ТВС, что ухудшает характеристики компрессора и к.п.д. двигателя в целом.