Камера сгорания. Назначение

1.

КАМЕРА СГОРАНИЯ
Назначение
Q
Р
КС служит для подвода тепла
к рабочему телу. В ней
химическая энергия топлива
преобразуется в тепловую
энергию сжатого газа.
*
- Полное давление за компрессором
2
Р2*
Р*3
Р
Р3*
- Полное давление за КС
Требования к КС
0
V
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.

2.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Малые гидравлические потери обеспечивают максимальную удельную
тягу и минимальный удельный расход топлива
Иногда используется
*
*
* -Коэффициент
Р
Р
коэффициент
2
3
d
=
3
восстановления
*
потери
Р
*
полного давления
2
полного давления
2
Эти коэффициенты связаны очевидным соотношением d=1-
=0,9…0,99 (ТРД);
=0,94…0,96 (ТРДД)
Р
=
Р
ПОТЕРИ ТЕПЛА
Они характеризуются коэффициентом полноты сгорания
-тепло, выделившееся
- при сгорании
единицы массы топлива
-теплотворная способность
T топлива.
Иногда используется понятие
г
коэффициента недожога
Q
Q
1
На основных режимах работы
г = 0,98...0,99
Q
г =
QT

3.

ЭМИССИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ КС
В результате работы камеры образуются вредные вещества
• окислы азота NOx,
• окись углерода CO (угарный газ)
• несгоревшие углеводороды СnHm .
ОКИСЛЫ АЗОТА
Наибольшее влияние 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.
ОКИСЬ УГЛЕРОДА И НЕСГОРЕВШИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Однако и окись углерода, и несгоревшие углеводороды также очень
токсичны. К тому же они определяют дымность и сажеобразование.
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.

4.

ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
При работе на режиме малого газа
преобладают продукты неполного сгорания топлива, оксид углерода
CO, и несгоревшие углеводороды CnHm,
При работе на режиме больших тяг
преобладают оксид азота NOX и твердые частицы сажи, дым.
Основные источники загрязнения атмосферы
Основным источником загрязнения 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).
Нормы
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.
• За одни сутки в Лос-Анжелесе выпадает до 2000кг выбросов Примеры
от авиационных двигателей
• За время взлетно-посадочного цикла самолета Боинг 747 выделяется
примерно 100кг продуктов несгоревшего топлива

5.

ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ДЛЯ АД
Для качественной оценки выбросов используют параметр эмиссии Пк
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

6.

ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫЙ ЦИКЛ
включает следующие режимы работы двигателя (за время 22,9мин):
руление перед взлетом
работа на взлетном режиме
набор высоты до 1000м
заход на посадку
руление после посадки
19 мин,
0,7 мин,
2.2 мин,
4 мин,
7 мин.

7.

МИНИМАЛЬНОЕ ДЫМЛЕНИЕ
Для количественных оценок дымности проектом норм ИКАО оговорен
фильтрационный метод, основанный на определении степени почернения
стандартного фильтра, через который пропускается стандартный объем
исследуемого газа. В результате определяется число дымности
RW RS
D=
100%
RW
Где
RW , RS
– коэффициенты отражения чистого
и загрязненного сажей фильтра.
Для видимой границы дыма D=25…30.
Зависимость степени дымления
D от относительной тяги
нормы 1976-81гг
1 – Т-56; 2 – JT3D; 3 – JT-8D.

8.

ВЫДЕЛЕНИЕ ОКИСЛОВ АЗОТА И УГЛЕРОДА
При работе двигателя на любом режиме выделяются токсичные
вещества, состав которых изменяется в зависимости от тяги. При мал
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.
NOx,
CO
NOx
СO,
CH
Время пребывания

9.

ТИПЫ КС
• Трубчатые
• Кольцевые
• Трубчато-кольцевые
• Противоточные
• КС с вращающейся форсункой
(радиальная КС)

10.

ТРУБЧАТЫЕ КС
Жаровая труба
корпус
Достоинства
• простота доводки
(отдельные трубы)
• простота организации
процесса горения
• 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

11.

ТРУБЧАТАЯ КАМЕРА ТРД ВК-1
Корпус жаровой трубы
Жаровые трубы
Газосборник

12.

НЕРАВНОМЕРНОСТЬ РАБОТЫ
ЖАРОВЫХ ТРУБ ТРД ВК-1

13.

КОЛЬЦЕВЫЕ КС
Имеет одну жаровую трубу, выполненную в виде кольца
Достоинства
Наружный корпус
• Наружный и внутренний корпусы
включаются в силовую схему двигателя
• Малый мидель
Жаровая
• Малая масса (6…8)% массы двигателя
труба
• При срыве пламени
одной из форсунок легко воспламеняется
от соседней
• Нет газосборника на входе в турбину
Внутренний корпус
Недостатки
• Сложность доводки (нужно изготавливать
специальные отсеки)
• Трудность организации процесса горения
• Сложность ремонта и замены
Такие камеры применяют на современных
высокотемпературных двигателях

14.

КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА ТРДД НК-8
Внутренний
корпус
Жаровая
труба
Наружный корпус
ФРАГМЕНТ РАЗРЕЗА КС В СБОРЕ

15.

ФОТОГРАФИЯ КС ТРДД НК-8
Испытательный отсек кольцевой КС

16.

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЖТ ТРДД АИ-25

17.

ФОТОГРАФИЯ КС ТРДД АИ-25
диффузор
Корпус КС
ЖТ

18.

КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА ДРДД JT-9
Наружный корпус
Внутренний корпус
Жаровая труба

19.

ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВЫЕ КС
Конструкция состоит из нескольких ЖТ,
расположенных по окружности и
установленных в кольцевом корпусе
Наружный корпус
Достоинства
• Наличие отдельных ЖТ облегчает доводку
• Корпуса включены в силовую схему двигателя.
Недостатки
• увеличенная масса двигателя
• необходим газосборник
• Усложнен запуск
(необходим пламяперебрасыватель)
• Повышенная окружная
неравномерность температур
Жаровые
трубы
Внутренний
корпус

20.

ПРИМЕР КОНСТРУКЦИИ
ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ
Жаровая труба
Наружный корпус
газосборник
Внутренний
корпус

21.

ТРДД TYNE 22
Жаровые трубы

22.

ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КС
ТРДД TYNE 22
Внутренний корпус
газосборник
Наружный
корпус
Жаровая
труба

23.

ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КС ТРД Р11Ф2-300
Наружный корпус
газосборник
Внутренний
корпус
Жаровые
трубы
пламяперебрасыватель

24.

ПРОТИВОТОЧНЫЕ КС
Достоинства
Уменьшается длина
двигателя
Недостатки
• Повышенное гидравлическое сопротивление
• Увеличенные диаметральные габариты
воздух
Крыльчатка
осецентробежного
компрессора
Форсунка
подачи
топлива
Жаровая Сопловой аппарат
турбины
труба
Применяется в турбовальных двигателях
с осецентробежным компрессором

25.

КС С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ФОРСУНКОЙ
(РАДИАЛЬНАЯ КС)
Эта камера содержит элементы как 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.
Недостаток: конструктивная сложность подачи топлива во вращающийся вал
воздух
Сопловой аппарат
турбины
Крыльчатка
осецентробежного
компрессора
Диск
турбины
Вращающаяся
форсунка

26.

ПРИМЕР РАДИАЛЬНОЙ КС
С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ФОРСУНКОЙ

27.

ТВаД ГТД 3Ф

28.

ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КС
Состав смеси определяется коэффициентом избытка воздуха
=Lв/Lв0,
где
Lв – фактическое количество воздуха, необходимое для сжигания
1 кг топлива,
Lв0 –теоретически необходимое минимальное количество воздуха
для полного сгорания 1 кг топлива.
>1 - «бедная» топливом смесь,
<1 – «богатая» топливом смесь
• Температура в зоне горения составляет 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 =0,6 до =1,5.
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.

29.

ОСНОВНЫЕ ЗОНЫ КС
Подвод завихритель
топлива
Зона обратных
токов
Наружный
корпус
СА первой ступени
турбины
Смесительные
патрубки
компрессор
Первичный
воздух
Вторичный
воздух
Внутренний
корпус
ФУ – фронтовое устройство
Зона, где происходит ввод вторичного воздуха и смешение
его с горячими газами, называется зоной смешения.

30.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ
Во всех КС устойчивое горение при больших скоростях потока
обеспечивается, в 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.

31.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КС
Диффузор – коническая часть корпуса, служащая для
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.

32.

КОНСТРУКЦИЯ ДИФФУЗОРОВ
Диффузор с
регламентированным
срывом
ТРДД ПС-90А
ТРДД ТЭЙ
Безотрывный
диффузор

33.

ФОРСУНКИ
Форсунки выполняются струйными и центробежными
Тангенциальные отверстия
струйная
форсунка
сопло
Центробежная
форсунка
Струйная форсунка подает топливо в 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°.

34.

ВРАЩАЮЩИЕСЯ ФОРСУНКИ
В радиально-кольцевых КС малоразмерных ГТД используются подача
топлива 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.
Достоинства
• простота топливоподачи
• малая стоимость
• низконапорный топливный насос
Недостатки
• 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.

35.

КОНСТРУКЦИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ
ФОРСУНОК
ТВД М601
ГТД-3Ф
ВАЛ

36.

СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ПАТРУБКИ
Служат для создания равномерного температурного поля.
Это осуществляется за 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.

37.

ОХЛАЖДЕНИЕ ЖТ
С учетом свойств современных материалов для обеспечения
ресурса ЖТ 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)

38.

ОХЛАЖДЕНИЕ ЖТ
Двойной экран
Охлаждение ребрами
(конвективное)
Наибольшее распространение получило струйное охлаждение.
В ряде конструкций используют эффект теплопроводности
материала стенки за счет дополнительного оребрения (РД-3М).

39.

БОРЬБА С РАСТРЕСКИВАНИЕМ
Для устранения трещин, образующихся в результате концентрации
напряжений после механической обработки используют раззенковку
отверстий, отбортовку или их окантовку. Для снижения термических
напряжений, приводящих к терморастрескиванию, используются
специальные компенсаторы.
компенсаторы
окантовка
отбортовка
Термокомпенсирующие швы
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.

40.

УСТАНОВКА ЖАРОВЫХ ТРУБ В КС
Требования к установке
• Крепление ЖТ должно обеспечить 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

41.

КРЕПЛЕНИЕ ЖТ ТВД АИ-24
ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЕ
СОЕДИНЕНИЕ

42.

КРЕПЛЕНИЕ ЖТ КС ТРДД Д-20П
ЖТ
Телескопическое
соединение
газосборник

43.

КРЕПЛЕНИЕ ЖТ ТРДД АИ-25
ЖАРОВАЯ
ТРУБА
ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЕ
СОЕДИНЕНИЕ
ГАЗОСБОРНИК

44.

ДВУХЗОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ
Используется для снижения выбросов токсических веществ
преимущественно 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.