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

7

Рис. 6.68. Жаровая труба КС двигателя RB211-535G [6.27]:

1 - дежурная зона; 2 - центральная диффузионная форсунка; 3 - основная зона; 4 -радиальные завихрители; 5 - подвод топлива в дежурную зону;

6 - смесительный канал основной зоны; 7 - подвод топлива в основную зону

Electric, приведенная на рис. 6.69. Фронтовое устройство этой камеры состоит из трех кольце­ вых рядов горелок 7, разделенных кольцевыми перегородками 2. Внешняя 3 и средняя 4 кольце­ вые зоны имеют по 30 горелок каждая, внутрен­ няя кольцевая зона 5 - 1 5 горелок. Такое распо­ ложение 75 горелок облегчает поэтапную подачу топлива при работе двигателя на режимах час­ тичной нагрузки. Кроме этого, большое число го­ релок способствует созданию однородного тем­ пературного поля перед первым сопловым аппа­ ратом турбины 6. Горелки каждой зоны имеют собственный канал подачи топливного газа 7. КС имеет укороченный диффузор 8 с разделитель­ ными перегородками. Крепление жаровой трубы осуществляется с помощью кронштейна 9. С це­ лью повышения эффективности конвективного съема тепла со стенок жаровой трубы предусмот­ рены наружный 10 и внутренний 11 дефлекторы. Для удобства сборки и технического обслужива­ ния наружный корпус 12 выполнен разъемным.

Схема горелки приведена на рис. 6.70. Воздух проходит через внутренний 1 (5 лопаток) и внеш­ ний 2 (10 лопаток) завихрители, закручивающие его в противоположных направлениях. Получаю­ щийся турбулентный поток интенсивно смеши­ вает топливо (природный газ) и воздух. Обратная закрутка делается для устранения возможности формирования зон обратных токов в приосевой зоне горелки. С этой же целью внутри горелки размещается центральное тело 3. Топливо из кол­ лектора подается в закрученный воздушный по­

6.6. Особенности КС двигателей наземного применения

ток через отверстия 4, расположенные на выход­ ной кромке лопаток завихрителя. Остаточный вихрь на выходе из сопла горелки помогает ста­ билизировать горение бедной предварительно перемешанной ТВС за срезом сопла.

Порядок подключения горелок в зависимости от режима работы ГТД показан на рис. 6.71. При работе на полной нагрузке топливо поступает во все горелки (рис. 6.71, г). По мере снижения на­ грузки поддержание необходимой температуры

взоне горения обеспечивается за счет уменьше­ ния расхода воздуха через КС посредством регу­ лируемого входного направляющего аппарата

иклапанов перепуска воздуха из компрессора. При дальнейшем снижении нагрузки сначала прекращается подача топлива в горелки внутрен­ него кольца, и это топливо распределяется между горелками наружного и среднего колец с одно­ временным закрытием клапанов перепуска воз­ духа (рис. 6.71, в), а затем перекрываются 30 го­ релок наружного кольца и открываются 15 горе­ лок внутреннего кольца (рис. 6.71, б). На низких режимах работы ГТД топливо подается только

вгорелки среднего кольца (рис. 6.71, а). Приме­ нение такой технологии регулирования позволя­ ет поддерживать температуру в зоне горения не­ намного отличающуюся от расчетной величины во всем рабочем диапазоне нагрузок ГТД.

На рис. 6.72 приведен общий вид КС ГТД GT-10, разработанной фирмой АВВ, с кольце­ вой жаровой трубой 1 и горелками 2 предвари­ тельного смешения оригинальной конструкции. Эти горелки получили название ЕУ-горелки

Рис. 6.69. КС ГТД LM6000 [6.28]:

1- горелка (75 шт.); 2 - разделительные перегородки; 3 - внешняя зона горения; 4 -

средняя зона горения; 5 - внутренняя зона горения; 6- первый сопловый аппарат турбины; 7 - подвод топливного газа; 8 - диффузор; 9 - кронштейн крепления жаровой трубы;

10- наружный дефлектор;

11- внутренний дефлектор; 12- корпус КС

и имеет обратный слив 6. С целью снижения обра­ зования NOx при работе на жидком топливе или с диффузионной форсункой на газе, в горелке предусмотрен подвод 7 воды или пара, осуществ­ ляемый с помощью соответствующих насадок 8 или 9. В центральной части горелки установлен осевой завихритель 10, благодаря которому улуч­ шается перемешивание воздуха с топливным га­ зом, выходящим из дежурной 11 и диффузионной 12 форсунок, и паром (водой). Подвод воздуха 13 для образования предварительно подготовленной ТВС 14 осуществляется через диагональный за­ вихритель 15. Топливный газ для смешения пода­ ется с помощью гомогенной форсунки на вход

вдиагональный завихритель.

Впериод пуска ГТД работают дежурные фор­ сунки и часть диффузионных, на которые пода­ ется повышенное количество топлива. Подклю­ чение гомогенных форсунок происходит при относительной нагрузке ~0,437VHOM.При этом рас­ ход топлива в диффузионной форсунке отключа­ ется, а в дежурных форсунках поддерживается на минимально возможном уровне. Чем меньше от­ носительный расход топлива в дежурную зону, тем меньше выбросы N0*. На установившихся режимах работы ГТД относительный расход топ­ лива через дежурную форсунку поддерживается на уровне 3...4 %. При появлении неустойчиво­ сти горения в дежурную форсунку подается больше топлива (до 25 %). Дополнительным фак­ тором, позволяющим снизить эмиссию NOr и по­ высить устойчивость горения, является возмож­ ность изменения расхода воздуха через горелки

спомощью регулируемого входного направляю­ щего аппарата и поворотного кольца, перекры­ вающего отверстия вторичного воздуха в жаро­ вой трубе (на выносных жаровых трубах). При включении гомогенных форсунок ВНА прикрыт, отверстия вторичного воздуха открыты. При по-

14 5 12 11

Рис. 6.74. Схема гибридной горелки фирмы Siemens [6.33]:

1 - подвод газа на диффузионную форсунку;

2 - подвод газа на гомогенную форсунку;

3 - подвод газа на дежурную форсунку;

4 - подвод жидкого топлива; 5 - форсунка жидкого топлива; 6 - слив жидкого топлива из форсунки; 7 - подвод воды или пара; 8 - насадок для подачи воды; 9 - насадок для подачи пара;

10 - осевой завихритель; 11 - подача газа из дежурной форсунки; 12 - подача газа из диффузионной форсунки; 13 - подвод воздуха для смешения с топливом; 14 - подготовленная ТВС; 15 - диагональный завихритель

вышении нагрузки до 0,5JVHOMотверстия вторич­ ного воздуха перекрываются, после чего начинается открытие ВНА, которое заканчивает­ ся при полной нагрузке.

Гибридные горелки фирмы Siemens при рабо­ те на природном газе позволяют получать выбро­ сы N0X< 50 мг/нм3 и СО < 12 мг/нм.

Технология малоэмиссионного горения по схеме RQQL не требует такой сложной системы автоматического управления КС, как схема LPP. В основу схемы RQQL положен метод двухсту­ пенчатого сжигания топлива. Для этого в КС кон­ структивно организовывают три последователь­ но расположенные зоны (рис. 6.75).

Глава 6. Камеры сгорания ГТД

В первой зоне 1 формируется горение «бога­ той» ТВС с коэффициентом избытка возду­ ха а кс = 0,6...0,8. В эту зону подается все топли­ во 2, а необходимое соотношение топлива к воз­ духу обеспечивается подачей воздуха 3. Ввиду недостатка свободного кислорода и низкой тем­ пературы горения количество окислов азота, об­ разующихся в первой зоне, невелико.

Во второй зоне продукты неполного сгорания топлива из «богатой» зоны интенсивно смешива­ ются с большим количеством воздуха 4 (зона рез­ кого разбавления). Смешение продуктов непол­ ного сгорания из «богатой» зоны с «холодным» воздухом понижает температуру и увеличивает коэффициент избытка воздуха в смеси, посту­ пающей в зону 5. В этой зоне происходит горение «бедной» ТВС с коэффициентом избытка возду­ ха а кс ~ 2,0 образовавшейся на выходе из зоны резкого разбавления. Концентрация N0^ в про­ дуктах сгорания 6 здесь ограничивается невысо­ кой температурой пламени и малым временем пребывания.

Основной источник образования NOx в схеме RQQL - зона резкого разбавления, в которой воз­ можно образование локальных стехиометриче­ ских очагов горения. Поэтому очень важно орга­ низовать процесс разбавления таким образом, чтобы перемешивание продуктов сгорания «бо­ гатой» зоны с воздухом происходило как можно быстрее и равномерно по всему поперечному се­ чению жаровой трубы.

Достоинствами схемы RQQL является про­ стота системы регулирования, так как для подачи топлива может быть задействован только один коллектор, и хорошая устойчивость горения во всем диапазоне режимов работы ГТД. К недос­ таткам этой схемы можно отнести то, что на практике она имеет ограниченные возможности по получению низких уровней выбросов N 0, (менее 50 мг/нм3). Наиболее рационально схему горения RQQL использовать в ГТД с низкими

исредними параметрами рабочего цикла. Технология горения по схеме RQQL широко

используется в ОАО «Авиадвигатель», в частно­ сти, на ГТД семейства ПС-90ГП, созданных на базе газогенератора авиационного серийного двигателя ПС-90А. На рис. 6.76 приведена КС двигателя ПС-90ГП-1, предназначенного для привода компрессора на газоперекачивающих станциях. Параметры воздуха на входе в КС дви­ гателя ПС-90ГП-1 на номинальном режиме со­ ставляют: Р* = 16,2кгс/см2, Т* =686 К. Диапа­ зон изменения коэффициента избытка воздуха на выходе КС от режима холостого хода до номи­ нального - от 4,41 до 2,96. КС имеет двенадцать цилиндрических жаровых труб 1 и общий коль-

4

ч Ц /

Рис. 6.75. Схема жаровой трубы, работающей по принципу RQQL:

1 - зона «богатого» горения; 2 - подача топлива;

3 - подвод воздуха в «богатую зону»; 4 - подвод воздуха в зону смешения; 5 - зона «бедного» горения; 6 - продукты сгорания

цевой газосборник 2. Фронтовое устройство жа­ ровой трубы включает в себя газовую форсунку 3 с большим количеством отверстий для лучшего перемешивания топлива с воздухом и радиаль­ ный завихритель 4. В зону «богатого» горения 5 поступает около 20 % воздуха, в «бедную» зону б- около 70 %. Воздух в зону разбавления посту­ пает через восемь крупных отверстий 7. Розжиг КС при запуске осуществляется с помощью све­ чи зажигания 8. При изменении режима работы двигателя от холостого хода до номинального коэффициент избытка воздуха в «богатой» и «бедной» зонах меняется соответственно от 0,9 до 0,6 и от 3,1 до 2,1. Такое изменение коэффици­ ента избытка воздуха позволяет обеспечить ус­ тойчивое горение во всем рабочем диапазоне ГТД и в то же время получить низкие выбросы вредных веществ.

В случае применения воды или пара для сни­ жения уровня выбросов NOx КС должна иметь «запас» по полноте сгорания для того, чтобы впрыск влаги не привел к недопустимому росту выбросов СО и СН или срыву пламени. Отсюда следует, что впрыск воды (пара) в камеру, рабо­ тающую на бедной гомогенной смеси по концеп­ ции LPP, нецелесообразен. Он применяется, как правило, при сжигании околостехиометрических ТВС в диффузионном режиме. Для получения выбросов N0* на уровне 50 мг/нм3 расход пара должен составлять не менее 100... 150 % от рас­ хода топлива. При впрыске воды, в соответствии с тепловым балансом, ее требуется в 1,62 раза больше по сравнению с паром для достижения одинакового эффекта по снижению NOx. По­ скольку впрыск воды или пара подавляет образо­ вание NOx по термическому механизму, очень важно для уменьшения расхода воды (пара) по­ давать ее в область максимальных температур

вместе с топливом. Очевидно, что лучший спо­ соб добиться желаемого - это подготовить

исжечь водно-топливную эмульсию.

Кнедостаткам способа с впрыском воды (па­ ра) можно отнести:

- снижение ресурса из-за возникающих пульсаций давления в камере и высокого гради­ ента термических нагрузок, особенно при впры­ ске воды;

- усложнение конструкции ГТД (иногда тре­ буются изменения первого соплового аппарата турбины с целью повышения его пропускной способности);

- значительные эксплуатационные расходы, связанные с качественной подготовкой воды (же­ сткость не более 0,005 мгэ/л). Дорогостоящая во­ да затем безвозвратно теряется вместе с выхлоп­ ными газами.

Несмотря на указанные недостатки, способ подачи воды или пара в КС широко используется

вГТД многих фирм, особенно за рубежом. Перспективным направлением в решении

проблем по снижению выбросов вредных ве­

6.6. Особенности КС двигателей наземного применения

ществ является разработка каталитических КС. С их помощью можно получить ультранизкие выбросы. Так, на фирме General Electric в стендо­ вых условиях при параметрах, характерных для двигателей серии F были получены выбросы: NOx = 0,5 ppm; СО = 0,8 ppm; НС = 1,7 ppm.

Работы по каталитическим КС проводятся уже длительное время практически на всех фир­ мах, занимающихся разработкой ГТД. Некото­ рые из этих камер находятся в стадии натурных испытаний или опытной эксплуатации (ГТД 501 фирмы Allisson, ГТД Frame-9E (PG9171E) фир­ мы Pratt&Whitney совместно с фирмой Catalytic, ГТД MlА-13А фирмы Kawasaki и др.). Разработ­ чики считают, что применение каталитических систем приведет к уменьшению капитальных

иэксплуатационных затрат (рис. 6.77). Исполь­ зование катализа позволяет получать в натурных условиях выбросы NOx менее 12 мг/нм3, а СО

иСН - менее 7 мг/нм3. Поскольку широкое ком­ мерческое применение каталитических КС сдер­ живается их ограниченным ресурсом, то основ­ ные работы в настоящее время ведутся по опти-

хорошим сцеплением с основным материалом жаровой трубы и стойкостью к термоциклам.

Для каталитических КС основной проблемой является повышение теплостойкости и долговеч­ ности катализатора.

К перспективному направлению в плане созда­ ния малоэмиссионных КС относится создания гибких автоматизированных систем управления, позволяющих контролировать эмиссию (как пра­ вило, по косвенным параметрам) в процессе рабо­ ты ГТД и при изменении условий воздействовать на регулирующие элементы. В качестве регули­ рующих элементов могут выступать топливные коллекторы, перепускные трубы и (или) фронто­ вые устройства изменяемой геометрии. Такие сис­ темы позволяют поддерживать минимальный уровень эмиссии во всем диапазоне работы ГТД и предотвращать пульсационное горение и про­ скок пламени в смесительное устройство.

С целью сокращения времени на создание перспективной КС большая роль отводится рас­ четным работам. Здесь необходимы надежные методики расчета, использующие, как правило, трехмерные модели и апробированные предыду­ щими испытаниями.

Контрольные вопросы

1.Для чего предназначен диффузор камеры сгорания?

2.С какой целью воздух, поступающий в ка­

меру сгорания разделяют на первичный и вто­ ричный?

3. В чем достоинства и недостатки кольцевых камер сгорания по сравнению с трубчатыми

итрубчато-кольцевыми?

4.В чем достоинства и недостатки противо-

точных камер сгорания по сравнению с прямо­ точными?

5.Эмиссия каких веществ при работе двигате­ ля ограничивается международными и отечест­ венными стандартами?

6.Какие факторы определяют выброс оки­ слов азота?

7.Каким образом достигается снижение эмис­ сии вредных веществ при применении двухзон­ ных камер сгорания?

8.В чем достоинства и недостатки ступенча­ тых диффузоров перед плавными?

9.Каким образом обеспечивается свобода те­ пловых расширений жаровых труб трубчато­ кольцевой камеры сгорания в осевом направле­ нии?

10.Какие материалы применяют для изготов­ ления жаровых труб камер сгорания?

Англо-русский словарь-минимум

11.Какие функции выполняет фронтовое уст­ ройство камеры сгорания?

12.Каким образом реализуется снижение тем­ пературы стенок жаровой трубы при конвектив­ но-пленочной схеме охлаждения?

13.Как реализуется транспирационная схема охлаждения жаровых труб?

14.Каким нагрузкам подвергается при работе двигателя наружный корпус камеры сгорания? Внутренний корпус?

15.Каким образом осуществляется воспла­ менение топливо-воздушной смеси в камере сгорания?

16.Поясните принцип работы двухсопловой форсунки.

17.Для чего в камеры сгорания наземных га­ зотурбинных установок подают водяной пар?

Англо-русский словарь-минимум

air spray type fuel spray nozzle - топлицная форсунка с воз­ душным распылом

annular combustion chamber - кольцевая КС burning - сжигание, горение

carbon - углерод

carbon dioxide - двуокись углерода carbon monoxide - окись углерода chamber - камера

cooling - охлаждение combustion - горение, сгорание

combustion chamber - камера сгорания (КС) combustion efficiency - эффективность горения combustion intensity - интенсивность горения combustion stability - стабильность горения dilution zone - зона смешения

electric spark - электрическая искра emissions - эмиссия

flame - пламя

flame tube - жаровая труба flare - горелка

fuel manifold - топливный коллектор fuel supply - подача топлива

fuel spray nozzle - топливные распиливающие форсунки ignition - воспламенение

interconnecter - пламеперебрасывающий патрубок multiple combustion chamber - индивидуальная КС oxides of nitrogen - окиси азота

pollution - вредные выбросы

pre-vaporization - предварительное испарение primary zone - первичная зона

smoke - дым snout - заборник

swirl - завихритель

thrust engine - тяга двигателя

tubo-annular combustion chamber - трубчато-кольцевая КС

Глава 7. Форсажные камеры

Рис. 7.2. Цикл ТРДФ (ТРДЦФ):

площадь 4ТФ54 - сумма внешнего тепла и тепла трения, лежащая под линией ТФ

реального подвода тепла в ФК (g); площадь 4 Т ’Ф54* - внешнее тепло (g i), определенное тем же интервалом температур

(Тг-Тш) с учетом полноты сгорания; площадь 4ТФТ’4 ’ - тепло трения в реальном процессе подвода тепла в ФК

8ФК, определяемую как отношение снижения пол­ ного давления газа в ФК от входного до выходно­ го сечения к полному давлению газа на входе. Эти потери характеризуют аэродинамическое и тер­ модинамическое совершенство ФК и состоят из двух основных частей: гидравлических потерь и потерь, связанных с подводом тепла.

Основные характеристики рабочего процесса ФК условно могут быть разделены на две основ­ ные взаимосвязанные группы:

- характеристики, определяющие эффектив­ ность работы ФК (степень форсирования Дф, пол­ нота сгорания топлива т|ФК, потери полного дав­ ления в ФК в целом 8ФК и в отдельных ее элемен­ тах);

- характеристики, определяющие условия для организации процесса горения (суммарный коэффициент избытка воздуха, температура, дав­ ление и скорость газового потока перед подачей в него форсажного топлива).

По основным характеристикам, большинст­ во из которых определяются из расчета двигате­ ля в целом, рассчитываются и выбираются ос­ новные геометрические характеристики ФК длины смесителя, диффузорного участка, зоны горения, миделевый (максимальный) диаметр ФК DMHa, относительная степень загромождения сечения фронтовым устройством Fiarp и некото­ рые другие.

Относительная степень загромождения сече­ ния фронтовым устройством определяется по формуле

гдеF3arp -площадь загромождения сечения фронтовым устройством, см2;

РФК -площадь ФК в сечении загроможде­ ния, см2.

К параметрам, определяющим эффективность работы ФК, относятся следующие.

Степень форсирования характеризует уве­ личение реактивной тяги двигателя при включе­ нии ФК и находится по следующей формуле:

R6ф -тяга двигателя на максимальном бесфорсажном режиме, приведенная по параметрам на входе в двигатель (Гвх, Рвх) и давлению воздуха за КВД (Рк) к соответствующему форсированному режиму, кгс.

Для большинства современных отечественных и зарубежных двигателей 4,5 и 5+ поколений сте­ пень форсирования на полном форсированном ре­ жиме в земных условиях находится в диапазоне от 1,4 до 1,7. Эффективность применения форсиро­ ванных режимов возрастает с увеличением скоро­ сти полета и степени двухконтурности.

Полнота сгорания топлива т|ФК в ФК - харак­ теризует степень совершенства организации про­ цесса горения. Определяется как отношение фак­ тического количества тепла, выделенного при сгорании одного килограмма топлива, к его теп­ лотворной способности и зависит от параметров газового потока перед подачей в него форсажно­ го топлива. Это такие параметры, как температу­ ра, давление, скорость, а также коэффициентов избытка воздуха в зонах горения. Снижение тем­ пературы газового потока отрицательно сказыва­ ется на полноте сгорания топлива (поскольку при этом уменьшается скорость испарения, увеличи­ вается время задержки воспламенения топлива, замедляются реакции горения и уменьшается скорость распространения фронта пламени). Снижение давления в газовом потоке также не­ благоприятно сказывается на полноте сгорания, поскольку при этом: увеличиваются размеры ка­ пель; возрастает необходимое для испарения и сгорания время; ухудшается соотношение сил, вызывающих турбулентное перемешивание, и сил вязкости; возрастают энергия и температу­ ра воспламенения топлива; усиливается тенден­ ция к затуханию пламени; уменьшается скорость химической реакции в смеси топлива с воздухом. Повышение скорости газового потока также сни-