книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Снижение эмиссии вредных веществ в мно­ гофорсуночных КС достигается за счет умень­ шения размеров локальных зон с высокой тем­ пературой горения. Пример многофорсуночной КС приведен на рис. 6.27. В этой КС форсуноч­ ные модули 1 расположены в два ряда - по 36 модулей в каждом ряду. Для компенсации те­ пловых расширений наружная 2 и внутренняя 3 стенки жаровой трубы имеют телескопическое соединение 4 с первым сопловым аппаратом. Высокая однородность поля температур газа пе­ ред турбиной обеспечивается благодаря приме­ нению смесительных патрубков 5 в зоне разбав­ ления. Усилия от расположенной под КС опоры ротора ВД передаются на наружную подвеску двигателя с помощью пустотелых силовых сто­ ек 6, связывающих внутренний 7 и наружный 8 корпусы КС.

В КС с гомогенизацией рабочей смеси в пер­ вичную зону подается топливо, предварительно испаренное и полностью перемешанное с возду­ хом. При этом существенно сокращается время, необходимое для полного сгорания топлива. Низ­ кую температуру пламени поддерживают за счет забеднения топливовоздушной смеси. В то же время на режимах малой мощности смесь может оказаться слишком забедненной для устойчивого горения. Поэтому данный подход, как правило, требует организации дежурного пламени и (или) регулирования распределения воздуха. Другим недостатком такой КС является вероятность само­

6.3. Проектирование КС

воспламенения топлива в устройствах подготовки смеси или проскок пламени на режимах с высоки­ ми параметрами воздуха на входе в КС. Тем не ме­ нее ввиду больших потенциальных возможностей по снижению эмиссии NO, такие КС находят все большее применение как в авиационных, так и промышленных ГТД.

Другим способом снижения температуры пламени при сжигании гомогенной топливовоз­ душной смеси является ее забогащение. При этом практически исключается проскок пламени в устройство подготовки смеси. К недостаткам этого способа можно отнести то, что он, во-пер­ вых, требует организации в зоне разбавления бы­ строго перевода продуктов сгорания с избытком топлива в забедненную смесь, что на практике реализовать довольно сложно. Во-вторых, забогащенная первичная зона склонна к нагарообразованию.

В каталитических КС для повышения скоро­ сти горения и снижения температуры продуктов сгорания используются катализаторы. Схема ка­ талитической КС приведена на рис. 6.28. Здесь одна часть топлива поступает через форсунки 1 и предварительно смешивается с воздухом в зоне 2. Подготовленная однородная топливовоздуш­ ная смесь с заданным соотношением топлива к воздуху проходит через катализатор 3. Прохо­ дя через катализатор, топливовоздушная смесь конвертируется в синтез-газ, который имеет по­ вышенную температуру и включает в себя такие

давления на наружной и внутренней стенках жа­ ровой трубы перед входом в жаровую трубу 4 в диффузорах кольцевых КС устанавливают обте­ катели 5, которые разделяют поток по наружному и внутреннему кольцевым каналам (рис. 6.29, б), или выполняют двухканальные диффузоры

сразделителем 6 потока (рис. 6.29, в). В трубча­ то-кольцевых КС потребность в разделителях потока отсутствует, так как воздух после диф­ фузора попадает в общую полость, образован­ ную наружным 2 и внутренним 3 корпусами КС,

ирастекается между отдельными жаровыми трубами (рис. 6.29, а).

Всовременных конструкциях КС все большее предпочтение стали отдавать ступенчатым диф­ фузорам (рис. 6.30 и 6.31). Такой диффузор име­ ет два характерных участка (рис. 6.31): относи­ тельно короткий участок с плавным расширени­ ем проточной части - преддиффузор 1 (участок

сбезотрывным течением) и участок с внезапным расширением 2 (участок со стабилизированным отрывом потока). К преимуществам ступенчато­ го диффузора по сравнению с обычным плавным диффузором можно отнести его небольшую дли­ ну и слабую чувствительность к изменению структуры потока на входе. При этом, однако, он имеет несколько повышенные потери. Разновид­ ностью таких диффузоров являются диффузоры сгфиксированным отрывом, в которых для уменьшения величины вихревых течений размер ступени ограничивается (рис. 6.29, в).

Внекоторых случаях для улучшения аэроди­ намических характеристик диффузоров, имею­ щих отрыв потока, используют управляемую систему отсоса воздуха или сдув пограничного слоя. Однако такие диффузоры не имеют широ­ кого применения.

6.4.Основные конструктивные элементы КС

Взависимости от расположения подшипнико­ вых опор на двигателе через КС могут проходить полые стойки (рис. 6.30). Через стойки прокла­ дываются воздушные и масляные трубопроводы

копорам. В кольцевых КС с целью сокращения длины диффузора стойки располагают в сечении начального (профилированного) участка. Разме­ щение стоек и других загромождающих элемен­ тов в диффузоре приводит к повышению потерь давления и дополнительной неравномерности полей скоростей и давлений перед жаровыми трубами, что может привести к повышенной не­ равномерности поля температур газа на выходе из КС. При профилировании стоек необходимо учитывать возможную крутку потока за спрям­ ляющим аппаратом компрессора. В трубча­ то-кольцевых КС для снижения потерь в диффу­ зоре стойки (перепускные трубы) могут быть расположены за плавной частью диффузора меж­ ду жаровыми трубами (см. рис. 6.9).

При конструировании диффузоров следует обратить внимание на точность соблюдения раз­ меров его проточной части (для обеспечения те­ чения без отрыва потока), а также задавать низ­ кую шероховатость поверхности элементов про­ точной части с целью снижения потерь. Пример задания шероховатости поверхности и точности размеров приведен на рис. 6.30.

6.4.1.1. Расчет диффузора

Кратко рассмотрим главные расчетные пара­ метры наиболее часто встречающегося в совре­ менных конструкциях КС ступенчатого диффу­ зора (рис. 6.31).

Основными геометрическими параметрами диффузора, на которые следует обращать внима­ ние при его проектировании, являются:

Эффективность работы диффузора чаще все­ го оценивают по величине коэффициента восста­ новления полного давления ад, который опреде­ ляется по формуле

где Р* - полное давление на входе в диффузор (на выходе из компрессора);

Рк*н - полное давление в межтрубном канале КС (среднее давление между наруж­ ным и внутренним каналами при коль­ цевой КС).

На рис. 6.33 показана зависимость а д от рас­ стояний между диффузором и головной частью жаровой трубы £,, диффузором и основными от­ верстиями зоны горения L, от высоты канала h2 и диаметра головной части жаровой трубы Дж (обозначения см. рис. 6.31). Из рисунка следует, что уменьшение расстояния А приводит к росту потерь давления.

В современных КС коэффициент восстанов­ ления полного давления в диффузоре составляет 0,980...0,985.

Более подробно аэродинамические характе­ ристики диффузоров исследуются с помощью программных пакетов в трехмерной постановке (рис. 6.34) и при продувке моделей диффузоров на установках.

Рис. 6.32. Границы начала отрыва потока для различных

типов диффузоров

6.4.Основные конструктивные элементы КС

6.4.2.Жаровая труба

После выбора схемы КС при выполнении про­ ектировочных расчетов определяются основные параметры жаровой трубы, которые служат ис­ ходными данными для разработки ее конструк­ ции. К ним относятся:

-объем жаровой трубы (см. подразд. 6.3.2);

-распределение воздуха по длине жаровой трубы (площади проходных сечений фронтового устройства, количество и размеры отверстий зо­ ны горения и смешения, количество поясов охла­

ждения и количество отверстий по поясам) (см. подразд. 6.3.2 и 6.3.3);

-количество форсунок и фронтовых уст­ ройств;

-тип фронтового устройства;

-тип системы охлаждения.

Жаровая труба в трубчатых и трубчато-коль­ цевых КС как правило состоит из двух частей — собственно жаровой трубы и газосборника (см. рис. 6.7, 6.8 и 6.9).

Пример конструкции жаровой трубы двигате­ ля ПС-90А приведен на рис. 6.35. В передней час­ ти жаровой трубы расположено ФУ L Далее по длине жаровой трубы располагается обтекаемая головка 2, за ней стенка, состоящая из секций и гофрированных колец, сваренных между собой точечной сваркой. В конструкции жаровой тру­ бы применена пленочная система охлаждения (рис. 6.44). На поверхности жаровой трубы вы-

Рис. 6.33. Зависимость потерь давления в

диффузоре от расстояния до жаровой

трубы и основных отверстий зоны

горения

Глава 6. Камеры сгорания ГТД

высоких температурах, жаропрочность и отно­ сительно низкая плотность обуславливают их преимущество по сравнению с традиционными материалами.

Отраслевыми институтами ведутся работы над керамическими материалами рабочая темпе­ ратура, которых будет 1500 °С и выше.

6.4.2.1. Фронтовые устройства

Практически все известные КС имеют свои, отличающиеся по конструкции ФУ. Классиче­ скими примерами ФУ в виде плохо обтекаемых тел являются щелевая головка жаровой трубы 1 и конические насадки 2, устанавливаемые в пе­ редней части жаровой трубы (рис. 6.38). Такие ФУ имеют повышенные гидравлические сопро­ тивления, в них недостаточно полно происходит смесеобразование, вследствие чего получаются сравнительно невысокая полнота сгорания и вы­ сокий уровень эмиссии.

Одним из способов получения в первичной зоне КС однородной ТВС является использова­ ние испарительных ФУ (см. рис. 6.11, 6.38).

ВФУ с осевым 4 или радиальным 5 лопаточ­ ными завихрителями (рис. 6.38) размеры зоны обратных токов определяются степенью крутки потока. Степень крутки потока зависит от скоро­ сти истечения воздуха из завихрителя и угла ус­ тановки лопаток. Гидравлические потери взавихрительных ФУ значительно ниже, чем в ще­ левых и конусных.

Внастоящее время в КС в основном применя­ ются комбинированные 6 завихрительные ФУ.

Вних помимо функции стабилизации пламени обеспечивается предварительная подготовка ТВС (распыливание, смешение до нужной кон­ центрации и степени однородности). Современ­ ные завихрительные ФУ состоят из двух и более осевых, струйных 7 и (или) радиальных завихрителей и сопловых насадков 8 различной конфигу-

рации (рис. 6.38). С помощью таких ФУ можно обеспечить практически все предъявляемые в на­ стоящее время требования.

ФУ обычно изготавливают методами точного литья с последующей механической обработкой некоторых поверхностей для обеспечения необ­ ходимой точности и шероховатости обработки поверхности. Материалы для изготовления ФУ - никелевые сплавы.

ФУ крепятся на жаровых трубах трубчатых и трубчато-кольцевых КС при помощи сварки или клепки. В кольцевых КС ФУ крепятся с по­ мощью подвижных соединений, которые ком­ пенсируют температурные расширения и неточ­ ности монтажа форсунок.

Разработка современных ФУ, состоящих из каскада осевых и (или) тангенциальных завери­ телей, струйных смесителей и нескольких сопло­ вых насадков различной конфигурации является сложной задачей. Она решается за несколько по­ следовательных расчетных, конструкторских, исследовательских и экспериментальных шагов, в результате которых должны быть обеспечены заданные характеристики и требования к КС, из­ ложенные в подразд. 6.1.

Во время экспериментов исследуются практи­ чески все характеристики КС:

-тонкость распыла топлива (вместе с фор­ сункой);

-расход воздуха через ФУ;

-структура течения за ФУ, величина зоны

обратных токов;

-отсутствие проскока пламени на всех режи­ мах двигателя;

-отсутствие нагарообразования на всех ре­

жимах двигателя;

-отсутствие пульсационного горения;

-полнота сгорания;

-характеристики розжига и область устой­

чивого горения;

-влияние на поля температур;

-температурное состояние стенок жаро­ вых труб.

ФУ - это именно тот узел, который конструк­ торы КС, создав однажды, стараются не менять, если он обеспечивает требуемые характеристики.

Принцип работы ФУ рассмотрим на примере работы типичного ФУ, образованного лопаточ­ ным завихрителем 1 и переходным конусом 2 ме­ жду завихрителем и цилиндрической частью жа­ ровой трубы. Схематично структура потока, об­ разующаяся за подобным ФУ, показана на рис. 6.39.

Физическая основа стабилизации пламени за­ ключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, которая об­

6.4. Основные конструктивные элементы КС

разуется за счет эжекции газа конической струей воздуха 3, созданной завихрителем. Отток газа изнутри конической струи компенсируется его добавлением из участков, расположенных несколько дальше от ФУ. Вследствие этого обра­ зуется зона обратных токов 4, в которой часть горячих газов движется навстречу основному по­ току воздуха. Распыленное топливо 5 подается форсункой 6 в зону обратных токов. Если смесь в КС воспламенить, то стабилизация пламени 7 осуществляется вблизи внешней границы зоны обратных токов 8.

Структура потока в головной части жаровой трубы, представленная на рис. 6.39 с помощью эпюры скоростей 9, эпюры давлений 10 и линий токов 11, как при холодной продувке, так и на ра­ ботающей КС качественно одинакова. Но зона об­ ратных токов на работающей КС имеет меньшие размеры. Тепловыделение в активном потоке при­ водит к расширению газа, но при наличии стенок газ может расширяться только в направлении

коси КС и основного движения, что и приводит

кподжатию и укорочению зоны обратных токов.

Одно из основных требований к КС, которое обеспечивается в основном с помощью ФУ —ши­ рокие пределы устойчивого горения. Пределы ус­ тойчивого горения обычно представляют в форме

Рис. 6.39. Структура потока и стабилизация пламени за фронтовым устройством камеры ГТД:

1- лопаточный завихритель; 2 - переходный конус; 3 - коническая струя воздуха; 4 - зона обратных токов; 5 - топливный конус;

6 - форсунка; 7 - зона стабилизации пламени; 8 -

граница зоны обратных токов; 9- эпюра осевых скоростей; 10- эпюра давлений; 11- линии токов

Глава 6. Камеры сгорания ГТД

границ стабилизации пламени, которые разделяют область устойчивого и неустойчивого горения. Об­ ласть стабилизации пламени изображается в коор­ динатах коэффициента избытка воздуха а и скоро­ сти в миделевом сечении КС. Таким образом, на ка­ ждой скорости в КС существуют значения а, при которых происходит срыв пламени: «богатый»

скорость, при которой наступает прекращение го­ рения при любом значении а (рис. 6.40).

6.4.2.2. Системы охлаждения жаровой трубы

В процессе горения в КС стенки жаровой тру­ бы нагреваются конвекцией и тепловым излуче­ нием от горячих газов (в основном углекислого газа и водяного пара) и твердых частиц (в основ­ ном сажи). Если стенки жаровой трубы не охлаж­ дать специальным образом, то их охлаждение происходит только за счет конвективного отвода тепла к воздуху, обтекающему жаровые трубы снаружи, и путем излучения на корпуса КС.

При высоких параметрах современных дви­ гателей без специального охлаждения стенки жаровой трубы могут разогреваться до предель­ ных температур и прогорать. Кроме того, в этих условиях нагрев и теплосъем происходят нерав­ номерно, и на поверхности стенок образуется большой градиент температур, что приводит к их короблению. Для обеспечения заданного ресурса жаровой трубы необходимо, чтобы тем­ пература и градиент температур на ее стенке не превышали предельных значений характери­ стик применяемых материалов. Например, для никелевых сплавов максимальная температура составляет 850...900 °С при длительной работе, 1000... 1100 °С при кратковременном нагреве, градиент температур - не более 50 °С/мм. Для выполнения этого условия стенки жаровых труб оснащают системами охлаждения.

Рис. 6.40. Область устойчивого горения (-■-)

и воспламенения (-Ф-)

С помощью систем охлаждения увеличивает­ ся конвективный отвода тепла к обтекающему воздуху. Кроме этого, на внутренней поверхно­ сти жаровой трубы (в большинстве систем охла­ ждения) создается завеса охлаждающего возду­ ха, которая предотвращает нагрев стенок от кон­ вективного тепла горячих газов. В зоне интенсивного теплового излучения, где воздуш­ ная завеса не предохраняет стенки от нагрева, воздушная пелена охлаждающего воздуха кон­ векцией снимает тепло со стенок жаровой трубы. Для направления потока воздуха вдоль внутрен­ ней поверхности выполняют разделение стенок по длине на секции, в соединениях которых вы­ полняют отверстия или щели для прохода охлаж­ дающего воздуха.

Различают системы охлаждения конвектив­ ные, пленочные, конвективно-пленочные. Одна­ ко практически любая из перечисленных систем

вразличной степени является комбинированной

взависимости от преобладающего способа теплосъема.

Внастоящее время чаще встречаются в конст­ рукциях жаровых труб две разновидности кон­ вективной системы охлаждения.

Первая - однослойная (рис. 6.41), где охлаж­ дение стенки жаровой трубы происходит за счет съема тепла потоком воздуха, обтекающего жа­ ровую трубу снаружи. При применении такого охлаждения с внешней стороны стенки жаровых труб выполняют продольные или поперечные ребра (относительно потока охлаждающего воз­ духа) для увеличения теплосъема. Внутреннюю поверхность выполняют гладкой, как правило, с нанесением теплозащитного покрытия.

Вторая - двухслойная (рис. 6.42). Здесь на­ ружная стенка 1 выполняется с мелкими отвер­ стиями 2, через которые охлаждающий воздух 3 струйками натекает и ударяется о внутреннюю стенку 4. Ударное натекание воздуха увеличива­ ет эффективность охлаждения. Часто при ис­ пользовании такой схемы охлаждения для сни­ жения трудоемкости изготовления обе стенки де­ лают гладкими. Но иногда для повышения эффективности теплосъема на внешней стороне внутренней стенки выполняют продольные или поперечные ребра 5.

Вконструкции жаровых труб пленочная систе­ ма охлаждения получила широкое распростране­ ние. Исполнение этих систем охлаждения различ­ но. Остановимся на нескольких конструкциях.

Вранних разработках ГТД на жаровых трубах применялась пленочная система охлаждения сварной конструкции, которая (рис. 6.43) состоит из набора отдельных секций 7, штампованных или выкатанных из листового материала толщи-