Конструктивные схемы основных камер сгорания ГТД

Основные камеры сгорания ГТД классифицируются по нескольким признакам:

– по направлению потока воздуха и продуктов сгорания – прямоточные (Д-36, АМ-3, Р-11 и др.), противоточные (ГТД-350) и смешанные (петлевые – АИ-9, АИ-450 и полупетлевые – ГТД-3Ф);

– по способу подачи жидкого топлива в зону горения: испарительные (топливо подается в паровой фазе – ВСУ ТА-6, турбовальный ГТД T-700-GE-700 фирмы Дженерал Электрик, США) и распыливающие (топливо подается в жидкой фазе в виде капель – АЛ-7, АИ-25 и др.).

Конструкция камеры сгорания зависит от назначения, условий работы и конструктивной схемы ГТУ, вида топлива, цикла и параметров установки. Камера сгорания ГТД чаще всего является частью его конструкции и реже расположена вне ГТУ, соединяясь с компрессором и турбиной только трубопроводами. В первом случае камеру сгорания называют встроенной, во втором – выносной.

Выносную камеру применяют в стационарных ГТУ, реже в транспортных. Встроенная камера в зависимости от конструктивного исполнения может быть следующих типов:

секционные – ГТ-6-750, РД-45, РД-500, Walter M-701;

трубчато-кольцевые – ГТ-100-750, АМ-3, Д25В, АЛ-21;

кольцевые – НК-16СТ, НК-12СТ, АЛ-7, АИ-25, Д-36, РД-33, АЛ-31);

индивидуальные (ГТД-350, Д049,)

Прямоточные осевые камеры сгорания получили наибольшее распространение на современных авиапроизводных ГТД, как имеющие минимальные гидравлические потери. Их диаметральные габариты обычно не превосходят диаметров компрессоров и турбин.

Недостатком таких камер сгорания является увеличенный осевой размер, что приводит к увеличению общей длины двигателя, расстояния между опорами ротора и, соответственно, к усложнению и утяжелению конструкции двигателя.

Осевые размеры можно уменьшить при применении петлевых или полупетлевых камер, однако гидравлические потери в них выше, чем в осевых камерах.

Противоточные камеры значительно уменьшают расстояния между опорами ротора. Они находят применение на малоразмерных ГТД или вспомогательных силовых установках, то есть они целесообразны тогда, когда решающим является требование уменьшения массы и габаритов двигателя, даже если это приводит к повышенным гидравлическим потерям в камере.

Испарительные камеры (подача топлива осуществляется в паровой фазе) обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и экологическую чистоту двигателя. Однако они применяются сравнительно редко из-за сложности испарительной системы, представляющей собой набор трубок, расположенных в зоне горения. В трубках происходит испарение топлива и его частичный термический крекинг, что может привести к коксованию тяжелых фракций топлива в трубках, перегреву и прогару трубок. При прогаре трубки, в ней может образоваться обогащенная топливо-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха , что может привести к взрыву двигателя.

Распыливающие камеры (подача топлива осуществляется в жидкой фазе) получили преимущественное распространение в современных ГТД. Топливо в зону горения подается через форсунки по потоку в распыленном состоянии с диаметром капель 40…100 мкм. В ранних конструкциях ГТД, когда процесс смесеобразования был изучен недостаточно, для улучшения качества распыла топлива и его лучшего смешения с воздухом, оно подавалось против потока воздуха, отчего форсунки интенсивно нагревались и топливо на выходе из них коксовалось.

В современных ГТД (например, в Д-36, Д-136, НК-8, НК-22, НК-144 и др.) топливо из центробежной форсунки распыливается не сразу в зону горения, а под колпачок, в котором организовано интенсивное смешение топлива с горячим воздухом, поступающим из-за компрессора. Под колпачком происходит испарение до 75% топлива и из него в зону горения выходит не только топливо-воздушная, но и паро-воздушная смесь. Применение такого способа подачи топлива улучшает полноту сгорания и экологическую чистоту камеры.

Секционные камеры состоят из жаровых труб, расположенных внутри отдельных кожухов. Число таких камер на двигателе – от 6 до 22 штук. Располагаются камеры равномерно по окружности двигателя по его оси или под углом к оси вплоть до 90^о. Отдельные камеры соединяются между собой пламяперебрасывающими патрубками для передачи пламени в камеры от пусковых воспламенителей или из соседних работающих камер. Такие камеры сгорания хорошо компонуются с центробежным компрессором. Так как объем одной камеры небольшой, то это облегчает доводку камеры при создании двигателя. Индивидуальные камеры обеспечивают двигателю высокую живучесть и удобны в эксплуатации и ремонте.

К недостаткам трубчатых камер относятся большая масса комплекта (до 12…15% от массы двигателя), необходимость в газосборнике, большое число соединений, требующих герметичности, повышенное гидравлическое сопротивление. Кроме того, трубчатые камеры не включаются в силовую схему статора двигателя, что требует в конструкции статора применения дополнительных силовых элементов.

Кольцевые камеры сгорания конструктивно состоят из одной жаровой трубы, имеющей кольцевое сечение, и внешнего и внутреннего кожухов, обычно являющихся силовыми элементами статора двигателя. Эти камеры компактны, хорошо вписываются в габариты двигателя. В них наиболее рационально используется объем камеры. По массе они составляют всего 6…8% от массы двигателя.

Число форсунок кольцевой камеры выбирают таким, чтобы фронт пламени заполнял сечение кольцевого рабочего пространства жаровой трубы полностью.

Поле температур, скоростей и давлений газов на выходе из кольцевой камеры имеет наибольшую равномерность. Кольцевая камера обладает малыми гидравлическими потерями, проще, чем в индивидуальной камере, решается задача герметичных соединений.

Недостатки кольцевых камер:

– трудность доводки по обеспечению устойчивого горения, жесткости и прочности, особенно при больших размерах жаровых труб и больших расходах воздуха при его высоком давлении;

– сложность осмотра и ремонта жаровой трубы в эксплуатации.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания сочетают в себе некоторые преимущества кольцевых и трубчатых камер. Конструктивно они состоят из отдельных жаровых труб (от 9 до 14 штук), расположенных в кольцевой полости, образованной внешним и внутренним корпусами камеры, включенными обычно в силовую схему статора двигателя. Диаметральные размеры внешнего корпуса обычно не превосходят диаметров компрессора и турбины.

Зазоры между жаровыми трубами выбираются обычно из условия обеспечения простоты сборки и в выполненных конструкциях находятся в пределах

,

где – диаметр жаровой трубы.

При расположении жаровых труб стремятся обеспечить равномерный расход воздуха по сечению камеры, для чего площади и делают примерно одинаковыми.

По своим массовым характеристикам, удобству эксплуатации и ремонта, сложности доводки эти камеры занимают промежуточное положение между кольцевыми и трубчатыми камерами сгорания.

Индивидуальная камера, входящая в общую силовую схему двигателя, иногда при развитых формах соединительных патрубков, приближается по конструкции к выносным. Она состоит из жаровой трубы, расположенной внутри кожуха. Число таких камер на двигателе – от 1 до 2 штук. Индивидуальные встроенные камеры сгорания позволяют сократить расстояние между компрессором и турбиной, уменьшить число форсунок. Последнее обстоятельство особо важно для ГТД небольшой мощности, у которых расходы топлива и воздуха невелики и применение кольцевых или нескольких жаровых труб, а тем более камер нежелательно, так как форсунки будут иметь настолько малые размеры, что они могут часто засорятся или их работа будет невозможна без исключительно высокой степени очистки топлива, повышающей эксплуатационные расходы.

Дата добавления: 2014-01-07