Особенности расчета двухступенчатых форсунок

Расход воздуха при работе ГТД может меняться в несколько раз, в стационарных ГТУ на пусковых режимах и режиме холостого хода расход может составлять 10 - 25 % от номинального. Авиационные и транспортные ГТД работают в широком диапазоне режимов. В соответствии с формулой расхода отношение предельных перепадов давления подачи топлива для одноканальной форсунки имеет вид

(4.42)

Давление подачи топлива определяется типом насоса и обычно не превышает 60 - 90 МПа. При большем давлении трудно обеспечить полную герметичность и надежность работы системы подачи топлива. Гидравлическое сопротивление магистрали снижает начальное давление топливного насоса на 5 ÷ 10 %. Минимальный перепад давлений по условиям удовлетворительного распыливания не должен быть меньше 0,3 – 0,5 МПа. Таким образом, из равенства (4.42) следует, что примерно четырехкратное увеличение расхода топлива, вызванное переходом ГТД с режима холостого хода на номинальный режим, потребовало бы увеличения перепада давления на форсунке в 16 раз. С целью увеличения диапазона регулирования подачи топлива в современных авиационных ГТД применяют двухступенчатые или двухканальные форсунки, которые состоят из двух соосно расположенных форсунок, объединенных в один блок. Сопло форсунки первой ступени находится внутри сопла второй ступени. Каждая ступень имеет самостоятельные камеры закручивания и тангенциальные каналы. Топливо в обе ступени двухсопловых форсунок подводится по отдельным каналам и отдельно регулируется. При малых нагрузках подача топлива осуществляется только через первую ступень форсунки. При увеличении нагрузки при некотором ∆p_{ф вкл}происходит включение в работу второй ступени и топливо распыливается через оба сопла форсунки. Применение двухступенчатых форсунок обеспечивает работу ГТД в широком диапазоне режимов (расходов) при хорошем качестве распыливания. Схема двухступенчатой двухсопловой форсунки и расходная характеристика показаны на рис.4.16 и рис.4.17. Величина ∆p_{ф вкл}должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить удовлетворительное распыливание топлива через второе сопло.

Если весь расход, пропускаемый при ∆p_{ф вкл}через оба канала, попытаться пропустить только через первый канал, то потребовался бы перепад давления ∆p_{ф макс1}=∆p_фмакс· ε_т. Величина ε_т называется степенью зажатия первой ступени.

Запишем следующие соотношения:

(4.43)

, (4.44)

Откуда следует выражение для расхода через вторую ступень на максимальном (номинальном) режиме.

(4.45)

Рис.4.16. Схема двухступенчатой двухсопловой

форсунки: 1 и 2 - вихревые камеры первой и второй

ступени; 3 - клапан – распределитель

Рис.4.17. Расходная характеристика двухступенчатой форсунки: 1 – характеристика первой ступени, 2 – характеристика при работе двух ступеней, 3 – момент включения второй ступени

При расчёте второй ступени величиной ε_т обычно задаются в пределах ε_т = 7 - 50 из условия хорошего распыливания, приемлемого давления в топливной магистрали и из конструктивных соображений. Основной расчёт форсунки второй ступени с целью выбора r_c и проверка ∆p_ф проводится аналогично вышеизложенному для одноканальной форсунки. В конце расчёта должна быть проведена проверка по коэффициенту живого сечения второго сопла с целью выполнения условия r_m₂≥ r_ε₁, чтобы сопло первой ступени вписывалось в размер воздушного вихря сопла второй ступени. Условная схема расчёта двухступенчатой форсунки выглядит следующим образом:

Конструктивное исполнение форсунок может быть самым разнообразным. Одна из широко применяющихся конструкций представлена на рис. 4.18.

Рис.4.18. Распыливающая головка двухступенчатой механической форсунки: 1 – завихритель первой ступени, 2 – сопло первой ступени, 3 – завихритель второй ступени, 4 – сопло второй ступени

В качестве распылителей тяжёлого топлива применяются также пневмоцентробежные форсунки (рис. 4.19), распыливание топлива в которых улучшается за счёт взаимодействия топливного факела с воздушной струей, истекающей из воздушного завихрителя той же форсунки.

Рис.4.19. Распыливающая головка пневмомеханической форсунки: 1 – распределительная шайба, 2 – топливный завихритель, 3 – воздушный завихритель