Камера сгорания. Назначение презентация

химическая энергия топлива
преобразуется в тепловую
энергию сжатого газа.

Требования к КС

Обеспечение устойчивых процессов горения на всех режимах
работы двигателя.
Обеспечение надежного запуска и хорошей приемистости.
Простота обслуживания и длительность срока службы.
Минимальные гидравлические потери
Минимальные потери тепла при сжигании топлива.
Минимальная масса и габариты.
Минимальное дымление и выделение окислов азота и углерода.

- Полное давление за компрессором

- Полное давление за КС

σ

Коэффициент
восстановления
полного давления

Эти коэффициенты связаны очевидным соотношением

Малые гидравлические потери обеспечивают максимальную удельную тягу и минимальный удельный расход топлива

ПОТЕРИ ТЕПЛА

Они характеризуются коэффициентом полноты сгорания

тепло, выделившееся
при сгорании
единицы массы топлива

теплотворная способность
топлива.

На основных режимах работы

Иногда используется понятие
коэффициента недожога

на токсичность АД и ЭУ оказывают окислы азота – до 95%. Токсичность их на порядок выше токсичности угарного газа.
В результате фотохимических реакций в атмосфере с участием окислов азота образуется «смог». Они также способствуют разрушению озонового слоя атмосферы Земли.

окислы азота NOx,
окись углерода CO (угарный газ)
несгоревшие углеводороды СnHm .

Однако и окись углерода, и несгоревшие углеводороды также очень токсичны. К тому же они определяют дымность и сажеобразование.

ОКИСЛЫ АЗОТА

ОКИСЬ УГЛЕРОДА И НЕСГОРЕВШИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Влияние NOx на человека

При концентрации NOx 20мг/нм3 у человека через 2…3 часа наступает
легкое отравление с раздражением слизистых оболочек,
при 100 – серьезное отравление наступает через 30 минут,
Концентрация 150мг/нм3 – опасна для жизни человека и животных
при кратковременном до 5 минут воздействии.

атмосферы является автомобильный транспорт (58%), авиация находится на последнем месте (2%). Однако в зоне аэропорта концентрация вредных веществ может превысить допустимые нормы (в больших аэропортах суточные выбросы оцениваются в десятки тонн).

В нашей стране нормирование выбросов рекламируется государственным стандартом - ГОСТ 177.22.04-86 «Двигатели газотурбинные гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ», который соответствует нормам ИКАО.

преобладают оксид азота NOX и твердые частицы сажи, дым.

преобладают продукты неполного сгорания топлива, оксид углерода CO, и несгоревшие углеводороды CnHm,

При работе на режиме больших тяг

Нормы

Примеры

За одни сутки в Лос-Анжелесе выпадает до 2000кг выбросов
от авиационных двигателей
За время взлетно-посадочного цикла самолета Боинг 747 выделяется
примерно 100кг продуктов несгоревшего топлива

Основные источники загрязнения атмосферы

Пк выражает массу вещества, выделяемую двигателем в течении стандартного взлетно-посадочного цикла, и является мерой загрязнения атмосферы в окрестностях аэродрома.

Нормы ICAO и показатели двигателей по выбросам NOx

взлетом 19 мин,
работа на взлетном режиме 0,7 мин,
набор высоты до 1000м 2.2 мин,
заход на посадку 4 мин,
руление после посадки 7 мин.

метод, основанный на определении степени почернения
стандартного фильтра, через который пропускается стандартный объем
исследуемого газа. В результате определяется число дымности

Где

– коэффициенты отражения чистого
и загрязненного сажей фильтра.
Для видимой границы дыма D=25…30.

Зависимость степени дымления
D от относительной тяги

1 – Т-56; 2 – JT3D; 3 – JT-8D.

нормы 1976-81гг

выделяются токсичные
вещества, состав которых изменяется в зависимости от тяги. При малых
относительных значениях тяги преобладают продукты неполного
сгорания топлива – СО, СnHm, при работе вблизи максимальной тяги –
оксиды азота NOx и дым.

Для снижения СО, СnHm необходимо увеличивать время пребывания ТВС в жаровой трубе, однако это ведет к повышенному образованию
окислов азота, поскольку для снижения NOx время пребывания должно быть сведено к минимуму. Таким образом, ограничение эмиссии токсичных веществ представляет новую и противоречивую задачу.

с вращающейся форсункой
(радиальная КС)

каждая камера
легко демонтируется

Недостатки

Невозможность включения в силовую схему двигателя
Большая масса
Неравномерность поля температур и давления (необходим газосборник)
Увеличенный мидель

В современных ГТД практически не применяется.

Пример – ТРД ВК-1

Жаровая труба

корпус

Наружный и внутренний корпусы
включаются в силовую схему двигателя
Малый мидель
Малая масса (6…8)% массы двигателя
При срыве пламени
одной из форсунок легко воспламеняется
от соседней
Нет газосборника на входе в турбину

Сложность доводки (нужно изготавливать
специальные отсеки)
Трудность организации процесса горения
Сложность ремонта и замены

Такие камеры применяют на современных
высокотемпературных двигателях

Наружный корпус

Внутренний корпус

Жаровая
труба

установленных в кольцевом корпусе

Достоинства

Недостатки

Наличие отдельных ЖТ облегчает доводку
Корпуса включены в силовую схему двигателя.

увеличенная масса двигателя
необходим газосборник
Усложнен запуск
(необходим пламяперебрасыватель)
Повышенная окружная
неравномерность температур

Наружный корпус

Внутренний
корпус

Жаровые
трубы

габариты

Применяется в турбовальных двигателях
с осецентробежным компрессором

Крыльчатка
осецентробежного
компрессора

Сопловой аппарат
турбины

Форсунка
подачи
топлива

воздух

Жаровая
труба

прямоточной, так и противоточной схем. Противоточные КС и камеры с вращающейся форсункой преимущественно применяются в малоразмерных ГТД с осецентробежным компрессором. В этом случае общая компоновка
ГТД является наиболее компактной.

Вращающаяся форсунка
подачи топлива

воздух

Крыльчатка
осецентробежного
компрессора

Диск
турбины

Сопловой аппарат
турбины

Недостаток: конструктивная сложность подачи топлива во вращающийся вал

Тгор=2700…3000°К,
а на входе в турбину требуется Т*=1200…1700°К.
Скорость распространения топливно-воздушной смеси
в зоне горения Са=60…80м/с, а скорость на выходе из
компрессора Свых=200…250м/с.
Диапазон горения по составу смеси составляет от α=0,6 до α=1,5.

Состав смеси определяется коэффициентом избытка воздуха α

α=Lв/Lв0,

Lв – фактическое количество воздуха, необходимое для сжигания
1 кг топлива,
Lв0 –теоретически необходимое минимальное количество воздуха
для полного сгорания 1 кг топлива.

где

α>1 - «бедная» топливом смесь, α<1 – «богатая» топливом смесь

Воздух, поступающий в КС, разделяется на две части: первичный,
составляющий 20…40% от всего подаваемого воздуха, и вторичный.
Первичный воздух необходим для сгорания основной массы топлива.
Вторичный воздух обтекает КС снаружи, охлаждает ее элементы
и подмешивается к продуктам сгорания для снижения температуры газа
до требуемых значений.

с горячими газами, называется зоной смешения.

ФУ – фронтовое устройство

компрессор

СА первой ступени
турбины

Подвод
топлива

завихритель

Вторичный
воздух

Первичный
воздух

Зона обратных
токов

Смесительные
патрубки

Наружный
корпус

Внутренний
корпус

сущности говоря, одним и тем же способом –
созданием в камере потока горячих газов (ОБРАТНЫХ ТОКОВ),
движущихся навстречу основному потоку.
Благодаря этому происходит перемешивание топлива и воздуха,
испарение топлива и воспламенение смеси.
Конструктивно это реализуется введением специальных
устройств - стабилизаторов.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ

снижения скорости воздуха после компрессора.
Фронтовое устройство – входная часть жаровой трубы, где
располагаются форсунки и каналы подвода воздуха для обеспечения начального очага пламени.
Форсунка служит для распыла топлива с целью уменьшения протяженности зоны горения и увеличения полноты сгорания.
Жаровая труба – в ней осуществляется горение топлива
и смешивание продуктов сгорания с воздухом. Внутри ее образуется рабочая зона, или зона горения.
Смесительные патрубки, или карманы совместно с газосборником
образуют зону смешения, где формируется профиль температур
по высоте лопатки.
Наружный и внутренний корпусы КС позволяют включить ее в силовую схему двигателя.

виде компактной струи
с углом распыла 5…20° и большой дальнобойностью.
Мелкость распыла зависит от перепада давлений на форсунке,
равного разности давлений на входе в форсунку и в самой камере
сгорания, и составляет более 100мкм.

Центробежная форсунка распыляет топливо, используя закрутку струи
в камере форсунки перед выходным соплом. На выходе из сопла струя
преобразуется в пустотелый тонкостенный конус, который распадается
на капли различного диаметра. При действии аэродинамических сил
капли дробятся еще и диаметр их составляет 50…100мкм. Угол распыла
у таких форсунок составляет 30…120°.

струйная
форсунка

Центробежная
форсунка

Тангенциальные отверстия

сопло

через вращающиеся форсунки. Топливо от насоса через
систему уплотнений подводится к пустотелому вращающемуся валу
(следующий слайд) и выбрасывается центробежными силами через
сопла в стенке вала.
Рекомендуется начинать использование такой форсунки с частоты
вращения n=20000 об/мин. То есть такую систему рационально применять
в малоразмерных высокооборотных двигателях. Эквивалентное давление
подачи топлива получается очень высоким в сотни кПа.
Число сопел 8-16 с диаметром 2..6 мм. Используются в ТВД М601 и ГТД-3Ф.

ВРАЩАЮЩИЕСЯ ФОРСУНКИ

Достоинства

инертность (запаздывание изменения расхода при изменении режима из-за большой длины магистрали подвода).
Трудности с высотным запуском: из-за низких оборотов авторотации
снижается качество распыливания.

простота топливоподачи
малая стоимость
низконапорный топливный насос

Недостатки

счет увеличения глубины
проникновения струй смесительного воздуха
в сносящий поток, что улучшает смешение воздуха с
продуктами сгорания и повышает равномерность
температуры на вход в турбину.

более 1000 часов необходимо, чтобы местная
температура стенок не превышала 900…950°С при градиенте
температур не более 50°С/мм.

Применяется комбинированное конвективно-пленочное охлаждение.
Охлаждающий воздух подается через стенку ЖТ для устранения
непосредственного контакта горячих газов со стенкой
(пленочное охлаждение), а с «холодной» стороны стенки охлаждаются
за счет конвекции тепла, отбираемого воздухом, протекающим в
кольцевых каналах.

Терочное охлаждение

Охладитель подается
перпендикулярно
скорости горячего газа
(перфорированная стенка)

Послойное охлаждение

Охладитель подается параллельно
скорости горячего газа
(струйное охлаждение, или пленочное)

охлаждение.
В ряде конструкций используют эффект теплопроводности
материала стенки за счет дополнительного оребрения (РД-3М).

напряжений после механической обработки используют раззенковку
отверстий, отбортовку или их окантовку. Для снижения термических
напряжений, приводящих к терморастрескиванию, используются
специальные компенсаторы.

Трещины и прогары чаще всего обнаруживаются осмотром с помощью
специальных приборов – эндоскопов. При значительном повреждении
жаровых труб их кусочки могут повредить СА или РК. Их меняют или
ремонтируют подваркой.
Термоповреждения имеют место не только при работе в зоне высоких
температур, но и в результате частых смен температур термоусталости.

компенсаторы

окантовка

отбортовка

Термокомпенсирующие швы

восприятие осевых, окружных
и радиальных усилий
Система крепления должна компенсировать радиальные и осевые
термические деформации.

Для фиксации ЖТ в осевом направлении используются радиальные
штифты, которые крепят ЖТ к внешнему корпусу. Они также
обеспечивают сохранение центровки во время работы. В качестве второй
опоры обычно применяются телескопические направляющие.

Осевая
фиксация

Радиальная
подвеска

Тяги осевой
фиксации

в энергетических установках. Имеет две зоны –
дежурную и основную. Дежурная зона обеспечивает низкий уровень
выбросов СО и СН на режимах малой тяги. Основная зона позволяет
получить низкий уровень выбросов NOx на режимах большой тяги за
счет большого α (≈2) и малого времени пребывания.