Рабочий процесс камер сгорания
Рабочий процесс сгорания топлива в камерах сгорания ГТД и ГТУ настолько сложен, что затрудняет разработать методику теоретического расчета, однако ряд научных исследований позволили инженерам располагать достаточно обширным материалом, позволяющим выполнять основные расчеты и правильно выбирать конструктивные параметры камер сгорания. Составляющими рабочего процесса в камерах сгорания являются аэродинамика течения газа, характер подачи топлива, стабилизация пламени, условия тепло- и массообмена, тепловыделение по длине жаровой трубы. Воздух, поступающий в камеру сгорания, имеет высокую скорость, порядка 200 м/с, снижение скорости происходит в диффузоре камеры, после которого она составляет для стационарных ГТУ величину 30-60 м/с и для авиационных ГТД до 120 м/с. Головная часть жаровой трубы называется фронтовым устройством. Фронтовое устройство формирует поток определённой структуры, оно должно обеспечить быструю подготовку свежей смеси и надёжную стабилизацию факела пламени во всём диапазоне изменения параметров воздуха и топлива при эксплуатации двигателя. Конструкция фронтового устройства обусловливает особенности рабочего процесса в жаровой трубе и основные характеристики камеры сгорания – по срыву пламени и по полноте сгорания.
Наибольшее распространение получили камеры сгорания с фронтовыми устройствами, образованными лопаточными завихрителями с последующим переходным конусом, соединяющимся с цилиндрической частью жаровой трубы. После торможения в диффузоре поток разветвляется, меньшая часть идет во фронтовое устройство (первичный воздух), остальная часть воздуха в рубашку камеры сгорания, откуда поступает в жаровую трубу через отверстия для вторичного воздуха, отверстия или щели для создания пелены, охлаждающей стенки жаровой трубы и в отверстия смесителя. Фронтовое устройство должно обеспечить безотрывность течения закрученной струи вдоль стенок переходного конуса. Это условие ставится для уменьшения гидравлических потерь в камере из-за вихреобразования и паразитных течений, возможного прогара стенок ввиду стабилизации пламени в вихре на стенке и нагарообразования.
Лопаточный завихритель образуется прямыми или профилированными лопатками, выходная сторона которых наклонена к оси камеры сгорания под углом φ , вследствие чего поток воздуха, выходящий из завихрителя, оказывается закрученный. Введение закрутки в поток вызывает центробежный эффект, который заключается в том, что появляется разрежение на оси камеры, и возникающие при этом силы уравновешивают силы, зазванные вращением жидкости. В свою очередь эжектирующее действие струй и турбулентность, развивающаяся в поле течения, вызывают радиальные перетекания жидкости. В результате в головной части жаровой трубы появляется зона обратных токов, а в поле течения кроме осевых скоростей появляются ещё тангенциальные и радиальные составляющие скорости. Схема головной части камеры сгорания с лопаточным завихрителем показана на рис.4.1 а. В головной части камеры сгорания, показанной на рис.4.1 б, также образуется зона обратных токов, но причиной ее появления является эжектирующей действие струек воздуха, истекающих из выштампованных отверстий вдоль стенки полусферической головки, и турбулентность потока.
На рис 4.2 а - г показаны схемы различных лопаточных завихрителей. На рис. 4.3 в верхней части камеры показаны поля осевых скоростей Wx . Границей зоны обратных токов является геометрическое место точек, на котором осевая скорость равняется нулю. Диаметр и длина зоны обратных токов зависят величины закрутки, т.е. от конструкции завихрителя, угла наклона стенки переходного конуса, отношения радиуса жаровой трубы к радиусу завихрителя.
Внешняя поверхность закрученного потока, истекающего из лопаточного завихрителя, определяется конструктивными параметрами завихрителя и переходного конуса. Характер взаимодействия потока со стенкой переходного конуса должен учитываться при проектировании камеры сгорания.
Рис.4.1. Фронтовые устройства камер сгорания: а – с лопаточным завихрителем, б – с полусферической головкой; 1 – воздухозаборник, 2 – лопаточный завихритель, 3 – переходный конус, 4 – полусферическая щелевая головная часть жаровой трубы
Рис.4.2. Лопаточные завихрители: а – плоский, б – полуконический, в – конический, г – цилиндрический, д – комбинация завихрителей камеры сгорания стационарного ГТУ ГТ-700-4, е – комбинация завихрителей камеры сгорания ГТУ ГТК-10
Рис.4.3. Структура потока во фронтовом устройстве камеры сгорания с лопаточным завихрителем
В камерах сгорания ГТД и ГТУ может сжигаться жидкое или газообразное топливо различных сортов. Процесс сгорания в камере существенно зависит от вида топлива и способов подачи в жаровую трубу. Жидкое топливо подается центробежными форсунками, а газообразное -специальными газогорелочными устройствами.
Рассмотрим схему организации рабочего процесса на примере широко распространенной и довольно хорошо изученной камеры сгорания авиационного типа, работающей на жидком топливе. Схема рабочего процесса в камере сгорания с лопаточным завихрителем представлена на рис. 4.3.
Топливо с углом конуса распыла 2α вводится форсункой в кольцевую струю воздуха вблизи зоны обратных токов, где образуется смесь, состоящая из паров и капель топлива и воздуха. По мере удаления от завихрителя происходит перемешивание топлива с воздухом, концентрация выравнивается, и величина её максимума в сечении уменьшается. Мелкие капли и пары следуют по линиям тока, а крупные капли топлива могут отклоняться от линий тока воздуха и даже достигать стенок жаровой трубы, что нежелательно из-за возможности нагарообразования.
Факел пламени в жаровой трубе стабилизируется на геометрическом месте точек СТ, образующих кольцо, расположенное около границы зоны обратных токов, которая при горении несколько уменьшается. В точке СТ должно выполняться условие равенства скорости подвода смеси к точке С и местной скорости распространения пламени, то есть Wxc = UТС. Около зоны обратных токов Wx стремится к нулю и поэтому условие стабилизации -выполняется.
В реальной камере сгорания точка СТ все время колеблется вокруг некоторого среднего положения. От этой точки вниз по потоку формируется зона турбулентного горения, граница которой, косой фронт пламени, со скоростями UТi, определяемыми местными условиями, распространяется в сторону свежей смеси.
В настоящее время еще не создано единой теории стабилизации. Рассматривавшиеся до сих пор соображения в основном касались аэродинамической и кинетической стороны вопроса. Существуют однако теории, в которых полагается, что срыв пламени обусловливается нарушением теплового баланса процесса воспламенения. В частности, некоторые исследователи рассматривают зону обратных токов как сильно нагретое тело, определяющее условия зажигания свежей смеси. Однако несомненно, что турбулентность является основным звеном явлений, определяющих стабилизацию фронта пламени, и одним из определяющих факторов является скорость турбулентного горения UT.
В камерах сгорания газотурбинных двигателей наряду с другими элементами, определяющими стабилизацию пламени в пограничном слое, как главный фактор стабилизации выступает термическая рециркуляция, когда к корню факела пламени, то есть к точке стабилизации, возвращается часть сильно нагретых продуктов сгорания. Эти газы подогревают свежую смесь и обеспечивают её воспламенение.
Аэродинамической основой этого процесса является зона обратных токов, образующаяся в закрученном потоке за лопаточным завихрителем или за плохообтекаемым телом. В качестве плохообтекаемых тел чаще всего используются конические или уголковые стабилизаторы. Топливо и воздух вводятся в камеру раздельно, и смешиваясь за стабилизатором, образуют горючую смесь. От быстроты их перемешивания зависит протекание процесса стабилизации. Топливо вводится в камеру сгорания форсунками, причем конус топлива из сопла форсунки должен входить в поток около внешней границы зоны обратных токов. После поджигания смеси воспламенителем он может быть погашен, и дальнейшая стабилизация будет обеспечиваться самим процессом.
Если не все капли топлива в смеси испарились, то процесс приближается к случаю горения двухфазной смеси. По мере выгорания смеси от передней границы фронта к задней его границе температура возрастает, а концентрация топлива падает. В зоне обратных тонов температура максимальна, а концентрация стремится к нулю.
В камерах сгорания авиационных и транспортных ГТД, работающих в широком диапазоне режимов, процесс организуется таким образом, что основное выгорание топлива происходит на струях вторичного воздуха, а в головной части жаровой трубы тепловыделение достигает всего 15 ÷ 25 % . Продольные разрезы блочной и кольцевой камер сгорания показаны на рис. 4.4.
Рис.4.4. Камеры сгорания ГТД: а – трубчато-кольцевая (блочная), б – кольцевая; 1 – диффузор, 2 – форсунка, 3 – лопаточный завихритель, 4 – жаровая труба, 5 – наружный кожух, 6 – первичный воздух, 7 – фронтовое устройство, 8 – вторичный воздух
Для полного выгорания топлива важна правильная дозировка воздуха в начальной части жаровой трубы. Для многорежимных камер коэффициент избытка воздуха за завихрителем выбирают в пределах αI = 0,3 ÷ 0,5. Расход воздуха через завихритель используется для образования горючей смеси и стабилизация факела пламени. Резкое изменение режима работы при такой величине α1 не приводит к срыву горения.
Баланс расходов воздуха, проходящего через камеру, имеет вид:
,
где GвΣ – общий расход, проходящий через камеру сгорания, Gвсг – воздух для сгорания, Gвохл – воздух, идущий на охлаждение стенок жаровой трубы; Gвсм – воздух, предназначенный для охлаждения продуктов сгорания и формирования температурного поля перед турбиной; GвохлТ – расход воздуха, служащего для охлаждения турбины.
Для обеспечения процесса сгорания идёт следующий расход воздуха:
Gвсг= GвI + GвIIсг + Gвохлфр,
где GвI – расход воздуха через фронтовое устройство, GвII – часть вторичного воздуха, идущего для сгорания топлива; Gвохлфр – воздух для охлаждения фронтового устройства. Остальной вторичный воздух идёт на разбавление продуктов сгорания в зоне смешения и на охлаждение стенок жаровой трубы. Коэффициент избытка воздуха, идущего на сгорание топлива:
Если общий коэффициент избытка воздуха равен 4, то величина расходов в процентном отношении к общему расходу воздуха составляет примерно следующие величины:
GвI ≈ 10%, GвIIсг ≈ 25%, Gвохл ≈ 25%, Gвсм ≈ 35%, GвохлТ ≈ 5%
В камерах сгорания стационарных ГТУ отверстий для вторичного воздуха в жаровой трубе часто не делается, поскольку весь воздух, необходимый для сгорания, подаётся через фронтовое устройство. Конструкция смесителя может быть выполнена дырчатой или сопловой, когда воздух в жаровую трубу подается из рубашки по патрубкам или по соплам, увеличивающим глубину проникновения струй. В некоторых камерах сгорания, например в трехрегистровой камере сгорания НЗЛ, смеситель лепесткового типа. В камерах сгорания Невского завода использовались также вихревые смесители.
Рабочий процесс любой камеры сгорания во многом определяется её конструкцией, которая в свою очередь зависит от назначения двигателя или установки в целом.