Общая характеристика камеры сгорания двигателя ПС-90А

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГТД

Предъявляемые требования и особенности рабочего

Процесса

Камера сгорания предназначена для преобразования химической энергии впрыскиваемого топлива в тепловую энергию рабочего тела. Теплота выделяется при протекании химической реакции окисления (горения) впрыскиваемого топлива кислородом воздуха. В результате полная энергия (температура) рабочего тела перед турбиной увеличивается.

Камера сгорания - один из наиболее теплонапряженных узлов газотурбинного двигателя, совершенство которого определяет высокий уровень экономичности и надежности двигателя в целом. Поэтому камера сгорания должна удовлетворять широкому кругу требований. Общими для всех камер сгорания являются следующие требования:

1. Высокая полнота сгорания топлива на всех режимах работы двигателя, характеризуемая коэффициентом полноты сгорания

hг=q/qвн,

где q – действительно выделившееся количество теплоты; qвн – максимально возможное количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. Для лучших камер сгорания hг³0,99.

2. Минимальные потери полного давления, оцениваемые коэффициентом сохранения полного давления

s*кс=p*г/p*к,

где p*г и p*к - соответственно полные давления на выходе и на входе в камеру сгорания. Для современных камер сгорания s*кс=0,94...0,97.

3. Широкий диапазон устойчивой работы без срыва пламени и вибрационного горения в любых условиях эксплуатации как на стационарных, так и на переходных режимах работы двигателя.

4. Надежный запуск на земле и в полете.

5. Равномерное поле давлений и температур перед турбиной в окружном направлении и оптимальный профиль температуры в радиальном направлении, а также стабильность этих профилей при изменении режима работы двигателя.

6. Низкий уровень эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу с продуктами сгорания. К таким веществам, прежде всего, относятся: окись углерода (СО), несгоревшие углеводороды (НС), окислы азота (NOх) и дым. Предельное содержание загрязняющих веществ в продуктах сгорания регламентируется международными нормами ICAO и национальным ГОСТом.

7. Достаточная прочность и жесткость узла при малой массе и заданном ресурсе.

8. Эксплуатационная технологичность.

9. Минимальная стоимость конструкции.

Основными факторами, влияющими на протекание реакции горения топлива в камере, являются состав топливовоздушной смеси, температура и давление воздуха на входе.

Состав смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха a, который представляет собой отношение действительного расхода воздуха Gв через камеру к теоретически необходимому для полного сгорания топлива Gвт:

a=Gв/Gвт=Gв/(L0 Gт)=1/(L0qт),

где L0- количество воздуха, необходимое для сжигания 1кг топлива (для керосина L0=14,5 кг воздуха на 1 кг топлива); Gт - секундный расход топлива, кг/с; qт=Gт/Gв - относительный расход топлива.

При стехиометрическом составе смеси (a=1,0) и ее полном (совершенном) сгорании температура продуктов сгорания достигает значений 2300...2500К. При избытке топлива в смеси (a<1,0) смесь называется богатой, при недостатке топлива (a>1,0) - бедной.

Температура продуктов сгорания, скорость и устойчивость процесса горения в существенной степени зависят от значения a в зоне реакции. Наибольшая полнота сгорания, скорость реакции и температура газов достигаются при a»1,0. При обогащенной смеси (a<1,0) несгоревшие капли топлива будут отбирать тепло от горючих газов на свое испарение. При обедненной смеси (a>1,0) избыток относительно холодного воздуха, не участвующего в реакции, будет охлаждать продукты сгорания, смешиваясь с ними. Существуют предельно допустимые значения для богатых (amin) и бедных (amax) смесей, ниже (выше) которых наступает срыв пламени (процесса горения) в камере (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость температуры продуктов сгорания

от коэффициента избытка воздуха

Увеличение входных значений температуры, давления и интенсивности турбулентности потока положительно влияет на скорость сгорания топлива. А чем выше скорость горения, тем меньше потребный объем камеры, ее габариты и масса.

Современный уровень жаропрочности материалов и технологии производства лопаток турбин позволяет выдерживать значения температур перед турбиной 1600...1750К. По сравнению со стехиометрическим составом это соответствует значениям a=2,2...4,0, т.е. таким, при которых организация устойчивого горения практически невозможна. Данное обстоятельство является одним из основных, определяющих организацию устойчивого рабочего процесса камеры сгорания: она должна содержать зону горения, в которой a=1,1...1,4 и зону смешения, в которой избыточный воздух подмешивается к продуктам сгорания, снижая температуру рабочего тела до допустимого уровня.

Принципиальная схема камеры сгорания представлена на рис. 2. К основным элементам камеры сгорания следует отнести: диффузор 1, рабочую форсунку 5, жаровую трубу 4 с фронтовым устройством 2, наружный и внутренний 3 корпуса, являющиеся элементами силовой схемы двигателя.

Рис. 2. Принципиальная схема камеры сгорания

1 – диффузор; 2 – фронтовое устройство; 3 – корпус; 4 – жаровая труба;

5 – топливная форсунка; I – зона горения; II – зона смешения

Диффузор камеры сгорания предназначен для снижения скорости воздуха со 110...150 м/с на входе до 50...80 м/с на выходе из него. Один из вариантов диффузора современных камер сгорания - диффузор с фиксированным отрывом применен на двигателе ПС-90А.

Поступающий в камеру сгорания воздух принято разделять на первичный (30...50% от суммарного расхода), непосредственно участвующий в организации процесса горения, и вторичный (50...70%), участвующий в организации процессов охлаждения стенок жаровой трубы, смешения с продуктами сгорания и формирования заданных полей параметров рабочего тела перед турбиной.

Процесс устойчивого горения топлива в камере сгорания обеспечивается за счет организации и поддержания зоны обратных токов (3ОТ) в головной части жаровой трубы, как одного из способов аэродинамической стабилизации пламени. Первичный воздух через фронтовое устройство и отверстия жаровой трубы поступает в зону реакции (горения), приобретая при этом интенсивную закрутку, смешиваясь с распыляемым форсункой топливом и дробя его капли. Часть первичного воздуха через фронтовое устройство поступает непосредственно в начало зоны горения. Закрученный воздух движется по спирали между ЗОТ и жаровой трубой. Реакция окисления топлива осуществляется в периферийной части ЗОТ. В центральной ее части горячие продукты сгорания перемещаются навстречу свежей топливовоздушной смеси, испаряя капли топлива, подогревая и поджигая свежую смесь.

Поступление вторичного воздуха через отверстия в стенке жаровой трубы обеспечивает ее охлаждение, а интенсивное его поступление в жаровую трубу через отверстия большого диаметра обеспечивает быстрое охлаждение и прекращение реакции горения, ограничивая тем самым продольные размеры ЗОТ. Далее оставшаяся часть воздуха также подмешивается к продуктам сгорания, формируя необходимое поле температур и давлений перед турбиной.

По конструктивным схемам камеры сгорания современных авиадвигателей разделяются на трубчатые (индивидуальные), кольцевые и трубчато-кольцевые.

Несмотря на высокую эксплуатационную технологичность, трубчатые камеры сгорания на современных авиационных двигателях практически не применяются, прежде всего, по неудовлетворительным габаритным и массовым характеристикам.

Кольцевые камеры сгорания имеют хорошие габаритные и массовые характеристики, обеспечивают незначительную окружную неравномерность температуры газа, характеризуются хорошими пусковыми свойствами и небольшими потерями полного давления. Однако они обладают низкой эксплуатационной технологичностью, а также требуют значительных затрат при испытаниях, доводке и создания для этого натурных испытательных стендов.

В трубчато-кольцевых камерах сгорания отдельные жаровые трубы расположены в кольцевом пространстве между наружным и внутренним корпусами. По сравнению с кольцевыми данный тип камер обладает повышенной эксплуатационной технологичностью, а также включает в себя ряд других преимуществ как трубчатых, так и кольцевых камер сгорания. Основные характеристики трубчато-кольцевых камер сгорания не уступают кольцевым камерам сгорания.

 

Общая характеристика камеры сгорания двигателя ПС-90А

Камера сгорания расположена между компрессором высокого давления (КВД) и турбиной высокого давления (ТВД) и включена в силовую схему двигателя.

Камера сгорания (КС) двигателя ПС-90А выполнена по трубчато-кольцевой схеме, но отличается от традиционной схемы наличием кольцевого газосборника. Такая схема позволяет снизить окружную неравномерность поля температур газа перед турбиной за счет выравнивания температур газа в кольцевом газосборнике и сохранить преимущества трубчато-кольцевых камер сгорания по лучшей согласованности полей течения топлива и воздуха в отдельных жаровых трубах, хорошей механической прочности и меньшим затратам при стендовых испытаниях.

Детали камеры сгорания работают в условиях высоких температур, повышенной химической активности газов, а также под воздействием сил газового потока, неравномерного нагрева и вибраций. В связи с этим предъявляются особые требования к конструкции узлов камеры сгорания и к применяемым материалам.