7.8. Назначение камер смешения и основные требования к ним

Камеры смешения применяются в двухконтурных турбореактивных двигателях. Особенностью любого двухконтурного двигателя является разделение потока воздуха, поступающего в двигатель, на две части.

Часть воздуха, поступающая во внутренний контур, после сжатия её в компрессоре участвует затем в процессе горения топлива. При последующем расширении продуктов сгорания в турбине за счет уменьшения их полной энтальпии обеспечивается получение работы (и мощности), необходимой для вращения компрессора.

Другая часть воздуха после компрессора низкого давления (вентилятора) поступает в наружный контур.

Отношение расхода воздуха через наружный контур к расходу через внутренний контурназываетсястепенью двухконтурности двигателя

.

У двигателей со смешением потоков (ТРДДсм) потоки газа, выходящего из турбины, и воздуха, проходящего через наружный контур, перемешиваются за турбиной в специальной камере, называемой камерой смешения, и истекают далее из двигателя через общее сопло.

Исследования показывают, что при достаточно полном перемешивании потоков, вытекающих из внутреннего и внешнего контуров, можно получить некоторое увеличение удельной тяги и соответственно улучшение экономичности двигателя по сравнению с двигателем без смешения потоков.

Назначением камер смешения в ТРДДсм является обеспечение достаточно полного смешения потока воздуха из наружного контура с газовым потоком, вытекающим из турбины.

Однако указанный положительный эффект от смешения потоков в ТРДДсм может наступить только при незначительном уровне гидравлических потерь, сопровождающих процесс смешения, а для полного перемешивания потоков, если не принимать специальных мероприятий, обычно требуется камера смешения, длина которой значительно превышает её диаметр. Поэтому основными требованиями к камерам смешения являются высокая полнота смешения при незначительных потерях полного давления и минимальных габаритных размерах.

7.9. Схемы камер смешения и картина течения в них

Камеры смешения отличаются большим разнообразием схем. Две типичные из них показаны на рис.7.9.

Наиболее простой является схема с цилиндрическим разделителем потоков (рис. 7.9,а). В такой камере перемешивание потоков за счет турбулентного обмена происходит первоначально только на цилиндрической поверхности с диаметром, близким к диаметру разделителя потоков, и только на значительном расстоянии от него в процесс смешения вовлекаются слои газа и воздуха, далекие от неё. Поэтому для достаточно полного перемешивания потоков такая камера должна иметь довольно большую длину.

а)б)
Рис. 7.9. Схемы камер смешения: а) – с цилиндрическим разделителем потоков;б) – с гофрированным разделителем

В схеме на рис. 7.9, бдля ускорения перемешивания потоков воздуха и газа на входе в камеру смешения установлено устройство(смеситель),ускоряющее проникновение струй воздуха в область пространства, занятую газом, и наоборот. Наибольшее распространение получили смесители так называемоголепесткового типа, в которых поверхность разделителя потоков на входе в камеру искусственно увеличивается, например, путем её гофрирования и при этом поток воздуха из наружного контура скашивается в направлении оси камеры смешения, а поток газа за турбиной – в сторону ее внешней поверхности. Такие схемы обеспечивают более быстрое перемешивание потоков в сравнительно коротких камерах смешения, хотя имеют несколько более высокие гидравлические потеривследствие увеличения площадей поверхности контакта двух смешиваемых потоков.

Рассмотрим теперь более подробно процессы, протекающие в камере смешения. Возьмем простейшую цилиндрическую камеру смешения, схема которой приведена на рис. 7.10. Сечения на входе газа в камеру смешения из внутреннего контура обозначим I-I,воздуха из наружного контура – II-II, а сечение на выходе из камеры смешения –см-см.

Рис. 7.10.Картина течения в цилиндрической камере смешения

Сразу при входе потоков в камеру вследствие явлений диффузии и турбулентности начинается перемешивание потоков и возникает слой смешения.В некотором граничном для этого процесса сечениигр-грслой смешения охватывает все поперечное сечение камеры, но параметры потока по сечению еще неравномерны. Полное перемешивание потоков и выравнивание их параметров достигается в сечениисм-см.

Отметим, что в камерах смешения реальных двигателей полное смешение потоков не реализуется, так как для полного выравнивания потоков потребовалось бы иметь камеру смешения с длиной, в несколько раз большей её диаметра. В реально выполненных конструкциях длина камер смешения обычно не превосходит одного её диаметра из-за необходимости снижения массы и габаритов двигателей.