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

Глава 7. Форсажные камеры

- соответствие термодинамических характе­ ристик заданным величинам степени форсирова­ ния, полноты сгорания топлива в ФК уровню по­ терь полного давления на бесфорсажных режи­ мах и форсированных режимах;

- обеспечение надежного и безотказного,

спервой попытки, розжига в требуемом диапазо­ не высот и скоростей полета с выходом на пол­ ный форсированный режим в течение заданного промежутка времени (обычно от 3 до 8 секунд

смомента установки ручки управления двигате­ лем на полный форсированный режим);

-обеспечение надежной, устойчивой работы

без срывов пламени, вибрационного горения и нарушения газодинамической устойчивости двигателя на стационарных и переменных фор­ сированных режимах.

7.4. Схемы ФК

Схема ФК выбирается в зависимости от типа двигателя, заданных характеристик и условий эксплуатации. Рассмотрим подробнее признаки, по которым ФК могут быть условно классифици­ рованы.

По типу двигателя. ФК могут применяться на ТРДФ или ТРДЦФ. До середины 70-х годов про­ шлого века ФК применялись, в основном, для ТРДФ. А позднее ФК стали применятся и для ТРДЦФ (см. рис. 7.3). Применению ФК в составе ТРДЦФ способствует:

-наличие достаточного количества кислорода (за счет воздуха, поступающего в ФК из наружного контура двигателя), дающее возможность получе­ ния более высоких степеней форсирования;

-наличие в периферийной части ФК доста­ точного количества относительно холодного воз­ духа наружного контура, облегчающее организа­ цию охлаждения корпусов и экранов;

-возможность более экономичного использо­ вания форсажного топлива на различных режимах от крейсерского до полного форсированного.

Вто же время в ФК ТРДЦФ необходимо при­ менение смесительного устройства, что увеличи­ вает длину и вес ФК, и двигателя в целом. Кроме этого, для ФК ТРДЦФ характерна «прямая» аэро­

динамическая связь через наружный контур с КНД, повышающая чувствительность КНД к возникающим возмущениям давления в ФК на переменных режимах.

К положительным особенностям применения ФК в составе ТРДФ можно отнести:

- относительно равномерные поля парамет­ ров потока газа на входе (температур, давлений и скоростей);

-высокое значение температуры потока газа на входе, повышающее интенсивность испаре­ ния топлива и облегчающее розжиг ФК;

-отсутствие необходимости применения смесителя, что сокращает длину и вес ФК.

К отрицательным особенностям применения ФК в составе ТРДФ можно отнести:

-пониженное содержание кислорода на вхо­ де из-за наличия балластных газов после основ­ ной КС, что приводит к ограничению по величи­ не степени форсирования и необходимости обес­ печения более тщательного распределения топлива по сечению для организации устойчиво­ го процесса горения при околостехиометрических соотношениях воздух/топливо;

-отсутствие на периферии камеры относи­ тельно холодного воздуха наружного контура, что затрудняет организацию охлаждения корпу­ сов и экранов ФК.

По уровню параметров газа на входе ФК ТРДФ аналогичны основным КС, отличаясь от

них более низкими концентрацией кислорода и давлением и, как правило, более высокой тем­ пературой.

По месту подвода тепла. В современных дви­ гателях наиболее часто применяются ФК с подво­ дом тепла за турбиной (см. рис. 7.3). Для ТРДЦФ теоретически возможен подвод тепла в наружном контуре двигателя (такие ФК в современных дви­ гателях практически не применяются).

По способу стабилизации пламени:

- за счет плохообтекаемых тел (см. подразд. 7.4.1);

- с вихревой стабилизацией пламени (см. подразд. 7.4.2);

- с аэродинамической стабилизацией пламе­ ни (см. подразд. 7.4.3).

По типу смесителя (для ТРДЦФ) (подробнее см. подразд. 7.5.1):

-с кольцевым смесителем;

-с лепестковым смесителем.

По способу подачи топлива (подробнее см. подразд. 7.5.3):

-с предварительной подготовкой ТВС в спе­ циальных устройствах;

-с непосредственной подачей топлива в зону горения с помощью форсунок и коллекторов.

7.4.1. ФК со стабилизацией плохообтекаемыми телами

ФК со стабилизацией пламени с помощью пло­ хообтекаемых тел (СПОТ) получили наибольшее распространение в современной авиации. Поэто­ му в качестве примеров на рис. 7.4-7.8 показаны конструкции ФК отечественных и зарубежных

Глава 7. Форсажные камеры

Рис. 7.10. Схема вихревой ФК модификации двигателя F-100 с раздельной закруткой потоков наружного и внутреннего контуров:

1 - лопатки для закрутки потока наружного контура; 2 - лопатки для закрутки потока внутреннего контура; 3 - кольцевая форкамера;

4 - топливные коллекторы; 5 - наружный контур; 6 - внутренний контур

Whitney. Как видно из рисунка, для закрутки по­ токов на входе в ФК установлены лопатки (7 - наружного контура и 2 - внутреннего контура)

суглом закрутки от 20 до 35 градусов. При этом данные лопатки являются поворотными, занимая на бесфорсажном режиме положение, при кото­ ром гидравлические потери полного давления минимальны. В качестве постоянного источника воспламенения топлива и поддержания устойчи­ вого горения ТВС на периферии ФК установлена вспомогательная кольцевая «форкамера» 5, кото­ рая непрерывно работает на околостехиометрических соотношениях воздух/топливо на всех форсированных режимах. Топливо подается в за­ крученный поток воздуха и газа из концентрично расположенных коллекторов 4 непосредственно за закручивающими поток воздуха лопатками. Закрученный поток воздуха наружного контура 5, смешанный с топливом, поданным из коллек­ торов, поступает на периферию, где смешивается

сгорящими газами форкамеры, имеющими тем­ пературу -2000 К. Воспламененная смесь сме­ шивается с закрученным потоком ТВС внутрен­ него контура 6. Фронт пламени в результате такого течения приобретает форму конуса с вер­ шиной, расположенной в сторону турбины.

7.4.3.ФК с аэродинамической стабилизацией

Еще одним способом повышения эффектив­ ности работы ФК и снижения гидравлических потерь полного давления в ФК является примене­

ние ФК с аэродинамической стабилизацией пла­ мени. Основным отличием такой ФК от ФК со СПОТ является стабилизация пламени за счет втекания под углом к основному газовому пото­ ку веерных струй предварительно подготовлен­ ной ТВС.

Преимуществами такой схемы стабилизации пламени по сравнению со СПОТ являются:

-снижение гидравлических потерь и мас­ сы ФК;

-расширение диапазона устойчивого горе­ ния в области «бедных» смесей;

-более «слабая» зависимость характери­ стик ФК от параметров воздушного потока на входе.

Основным недостатком такой схемы является необходимость отбора воздуха высокого давле­ ния из компрессора двигателя для создания веер­ ных струй предварительно подготовленной ТВС,

что ухудшает характеристики компрессора и КПД двигателя в целом.

На рис. 7.11 представлена ФК перспективно­ го двигателя поколения 5+ с аэродинамической стабилизацией пламени за счет веерных струй. Как видно из рисунка, фронтовое устройство ФК состоит из одного центрального 1 и шести периферийных 2 аэродинамических стабилиза­ торов пламени. Центральный аэродинамиче­ ский стабилизатор пламени расположен в зад­ ней охлаждаемой части затурбинного кока 3 на оси камеры.

Для организации аэродинамической стабили­ зации пламени с помощью веерных струй воздух высокого давления в центральный и периферий­ ные аэродинамические стабилизаторы пламени подается из компрессора двигателя по двум тру­ бопроводам 4. Кроме этого, дополнительно, в трубопроводы через специальные форсунки 5 подается топливо в количестве 4... 8 % от расхода на полном форсированном режиме для его пред­ варительного смешения с воздухом с целью под­ готовки ТВС в виде веерных струй.

С помощью аэродинамических стабилизато­ ров пламени реализуется минимальный форси­ рованный режим и обеспечивается устойчивое горение на других режимах по мере увеличения степени форсирования, на которых основное форсажное топливо подается в ФК через систему основных топливных коллекторов 6 и разжигает­ ся устойчиво горящими веерными струями. Затурбинный кок конструктивно состоит из двух частей - передней антивибрационной 7 и задней охлаждаемой, воздух в которую поступает из на­ ружного контура двигателя по специальному коллектору 8 с помощью расположенных в на­ ружном контуре воздухозаборников 9.