Лекции по курсу «Конструкция, динамика и прочность ГТД»

Владимира Алексеевича Пономарева

Кафедра «Авиационные двигатели» РГАТА

Раздел 1.6. Конструкция основных камер сгорания наземных и морских гту (2 часа, лекция №15)

Назначение, условия работы и требования к основным камерам сгорания ГТД. Классификация КС. Конструкция основных элементов камеры сгорания. Охлаждение элементов камеры сгорания, борьба с опасным температурными напряжениями.

Лекция №15 План-конспект

Назначение, условия работы и требования к камерам сгорания ГТД.

Классификация КС.

Конструкция основных элементов камеры сгорания.

Охлаждение элементов камеры сгорания, борьба с опасным температурными напряжениями.

Лекция №15

Назначение камер сгорания гту. Условия работы и требования, предъявляемые к камерам сгорания

Камера сгорания ГТУ предназначена для подвода тепла к рабочему телу путем преобразования химической энергии топлива в тепловую. Параметры камеры сгорания в значительной степени влияют на экономичность, надежность и экологические характеристики двигателя.

Камера сгорания работает в весьма сложных условиях:

– высокие температуры газов (в ядре горения температура газа достигает 2300 К);

– высокие температуры элементов камеры (корпусов – до 600…650 К, жаровых труб – до 1000…1200 К) при значительной неравномерности температурного поля (неравномерность температурного поля газового потока достигает 75…100⁰ по окружности и 40…70⁰ по радиусу);

– элементы конструкции камеры сгорания, в особенности жаровые трубы, смесители, омываются химически активными газами при повышенном давлении (до 2,5…4 МПа) и значительных скоростях движения газа.

Неравномерный нагрев элементов конструкции камер сгорания и разделение потока на отдельные струи завихрителями, форсунками и смесителями вызывают их коробление и даже прогары, что еще больше искажает газовый поток, приводя к местным перегревам, вибрации и разрушению конструкции.

В камерах сгорания возможно возникновение вибрационного горения, сопровождающегося периодическим изменением давления в камере с амплитудой 0,05…0,1 МПа и частотой до 1000…5000 Гц, что может привести к разрушению не только элементов камеры, но и некоторых других элементов конструкции двигателя, угрожать целостности станционного оборудования.

Процессы, происходящие в камере сгорания, трудно поддаются теоретическим расчетам, поэтому при создании камер основополагающими являются данные экспериментов с последующей длительной и трудоемкой доводкой изготовленных образцов на специальных стендах.

Конструкция камер сгорания помимо общих требований возможно меньших массы и габаритов (для авиапроизводных ГТУ), максимальной простоты и надежности должна удовлетворять целому ряду специфических требований, основными из которых являются:

– устойчивое горение топлива на всех режимах работы двигателя;

– высокая полнота сгорания топлива (коэффициент полноты сгорания у современных камер составляет на расчетном режиме 0,98…0,995) при минимальных нагреве элементов конструкции двигателя и потерях тепла в окружающую среду;

– экологическая чистота;

– малые гидравлические потери (коэффициент сохранения полного давления в современных камерах сгорания составляет , у камер сгорания авиапроизводных ГТД );

–исключение попадания пламени на сопловые и рабочие лопатки турбины;

– равномерное поле скоростей, температур и давлений газа на выходе из камеры, так как неравномерное поле температур и длинный факел пламени могут привести к местному перегреву и прогару лопаток соплового аппарата и рабочего колеса, а неравномерность полей скорости и давления – к вибрациям рабочих лопаток и их усталостным разрушениям, в стационарных ГТУ коэффициент неравномерности поля температур редко превышает 5 – 10%, в авиационных ГТД =15 – 20 %;

– надежность запуска (розжига) камеры сгорания в любых условиях эксплуатации;

– простота в производстве, при эксплуатации и ремонте, для стационарных ГТУ очень большое значение имеет стоимость конструкционных материалов и изготовления камеры, возможность работы её одновременно или попеременно на нескольких видах топлива (газообразном, жидком леком или тяжелом).

Совершенство камеры по габаритным размерам оценивается ее теплонапряженностью, то есть количеством тепла, которое выделяется при сгорании топлива в 1 м³ объема камеры за один час, отнесенное к единице давления воздуха в камере:

,

где – часовой расход топлива; – теплотворная способность топлива; – объем камеры сгорания; – давление в камере сгорания.

Теплонапряженность современных камер сгорания составляет:

стационарных ГТУ - ,

авиапроизводних ГТУ на базе ГТД II и III поколения -

авиапроизводних ГТУ на базе ГТД IV и V поколения -

Во всех камерах сгорания устойчивое горение обеспечивается, по существу, одним и тем же способом – созданием в камере потока горячих газов, движущихся навстречу основному потоку воздуха и распыленного топлива (зоны обратных токов). При этом происходит перемешивание топлива и воздуха, испарение топлива и воспламенение топливо-воздушной смеси. Встречные токи воздуха и горячих газов организуются стабилизаторами горения (завихрителями), с помощью которых в начале камеры создается зона с пониженным давлением и возникает обратный ток воздуха и горячих газов.

Высокая полнота сгорания топлива обеспечивается подводом к зоне горения такого количества воздуха, чтобы коэффициент избытка воздуха был близок к единице (например, для сжигания 1 кг керосина необходимо подвести 14,8 кг воздуха; такая смесь называется стехиометрической). Повышение температуры в этой зоне до 1800…2300 К способствует лучшему испарению топлива, обеспечивает увеличение скорости химических реакций окисления и делает процесс горения интенсивным, устойчивым и полным.

Обеспечение малых гидравлических потерь достигается соответствующим профилированием проточной части камеры сгорания, отсутствием резких поворотов потока и выступов, способствующих спровоцировать незапланированное турбулентное течение.

Уменьшение осевого размера камеры достигается организацией процесса сгорания топлива в первичной зоне, способствующей уменьшению длины факела пламени, и подводом вторичного воздуха, а также разработкой специальных конструкций камер (например, двухъярусных). Этими же факторами определяется и равномерность температурного поля на выходе из камеры. Наилучшим изменением температуры по длине лопаток турбины следует признать такое, при котором температура газа к корню лопатки уменьшается.