Требования к камерам сгорания и их характеристики
Камеры сгорания ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок. Они должны иметь малые габариты, массу, быть работоспособным при сжигании различных видов топлива. Кроме того, КС должны обеспечить допустимый уровень вредных выбросов с продуктами сгорания (окислов азота, серы). Особые требования к КС предъявлялся с точки зрения эксплуатационной надежности, так как они находятся в тяжелых температурных условиях.
Кроме того, камеры сгорания должны иметь:
· высокий коэффициент полноты сгорания;
· малые потери давления;
· малые габариты, т.е. большую теплонапряженность;
· заданное поле температур;
· быстрый и надежный пуск;
· достаточно большой ресурс;
· достаточное удобство монтажа и профилактического обслуживания.
Коэффициент полноты сгорания (или К.П.Д. камеры сгорания) определяется как:
; (4.9)
где Q1 – количество тепла, фактически выделившееся в рабочем объеме камеры; Q2 – полное количество тепла, которое теоретически могло бы выделяться при полном сгорании топлива.
Фронт пламени горения
Факел в камере сгорания, развивающийся в условиях вынужденного движения с центральным подводом топлива состоит из трех основных зон: внутренняя зона I, зона смесеобразования и горения II, и зона III - зона наружного воздуха рис. 4.2.
В зоне II 0 ≤ α ≥ ∞. Во внутренней зоне воздух отсутствует α = 0.
В зоне 2 осуществляется смесеобразование и горение. Она делится условно на две: внутренняя - а, и внешняя - б.
Внутренняя зона заполнена смесью из горючего газа и продуктов сгорания, а наружная смесью продуктов сгорания и воздуха. Граница между зонами – фронт пламени горения. В этом промежутке имеются все области от α = 0 до α = ∞. В толще фронта горения α= 1; топливо, перемещаясь от корня к хвостовой зоне, разбавляется продуктами сгорания, а воздух насыщается продуктами сгорания. Это приводит к тому, что в зоне сгорания теплота сгорания топлива уменьшается, т.е. уменьшается количество теплоты,
Рис. 4.2. Фронт пламени горения.
приходящееся на единицу поверхности фронта сгорания, условия сгорания ухудшаются вплоть до возможного загасания пламени и выноса части несгоревшего топлива. Следует иметь в виду, что этот процесс характерен для неограниченного пространства. В реальных КС характер горения, в связи с тем, что поток ограничен, в значительной мере определяется аэродинамическими свойствами КС. Причем в зоне горения поддерживается высокая температура, что приводит к сгоранию смеси с весьма высокими скоростями, в этом случае скорость сгорания определяется в первую очередь скоростью смесеобразования, т.к. скорость химических реакций будет во много раз больше, чем скорость смесеобразования. Такой процесс называется диффузионным горением. Он легко управляется за счет изменений условий смесеобразования, который, в свою очередь, можно изменять конструкционными мероприятиями - использованием лопаточных кольцевых решеток в качестве турбулизаторов и др.
Одной из главных характеристик камеры сгорания является величина теплового напряжения, которое представляет собой отношение количества теплоты, выделившегося в камере сгорания, к ее объему при давлении сгорания.
, Дж/м2 МПа (4.10)
где РКС – давление рабочего тела в камере сгорания, МПа; V – объем камеры сгорания, м3.
На основании величины удельной теплонапряженности определяется объем камеры сгорания.
(4.11)
Для создания устойчивого горения во всем диапазоне рабочих режимов важна организация процесса горения, которая характеризуется поверхностью фронта пламени горения и определяется из уравнения:
(4.12)
где UТ – турбулентная скорость распространения пламени она, как правило, принимается в интервале (40 ÷ 60 м/с); Fф – фронт пламени горения; 
– теплота сгорания смеси; ρсм - плотность смеси.
Низшая теплота сгорания смеси определяется из уравнения:
(4.13)
Плотность смеси определяется из уравнения Менделеева-Клайперона:
(4.14)
где ТКС – температура смеси в камере сгорания.
Фронт пламени горения по уравнению:
(4.15)
Устойчивое горение возможно при Fтф ≥ Fф .