Особенности расчета кольцевой камеры сгорания

Кольцевые камеры сгорания широко применяются в авиационных ГТД благодаря таким преимуществам, как минимальная длина и масса, надёжный запуск, равномерное поле температур перед турбиной. К этому следует добавить, что в качестве стационарных ГТУ используются также авиационные двигатели, отработавшие свой лётный ресурс.

1. Выбор параметров рабочего процесса и определение основных габаритных размеров камеры сгорания.

Исходные данные для расчета аналогичны рассмотренным выше для трубчато-кольцевой камеры. При определении основных габаритных размеров камеры сгорания можно задаваться и варьировать в рекомендованных пределах такими параметрами, как удельная теплонапряжённость жаровой трубы Q_vp , длина жаровой трубы ℓ_ж, длина диффузора ℓ_д,отношение средних скоростей в камере и жаровой трубе w_кс/w_ж, отношение внутреннего диаметра рубашки к наружному диаметру турбины D_рвн/D_тн

От выбора этих параметров зависит общая длина камеры, её наружный диаметр, степень расширения и форма диффузора, общая конфигурация камеры. Удовлетворительной компоновкой камеры сгорания можно считать такую компоновку, когда при допустимых длине и наружном диаметре получается диффузор, близкий к симметричному, с умеренной степенью расширения и наименьшим числом поворотов потока между конечным сечением диффузора и началом цилиндрической части камеры. При этом камера будет иметь меньшие потери напора в начальной части и более стабильное поле скоростей, так как будут менее вероятными срывы потока в диффузоре, в начале рубашки и сопутствующее им нежелательное перераспределение воздуха между наружной и внутренней рубашками. В осуществленных камерах сгорания кольцевого типа отношение w_кс/w_ж = 0,65 - 0,75 (больше, чем у камер сгорания блочного типа). Следовательно, при той же теплонапряженности и длине среднюю скорость в рубашке кольцевой камеры сгорания выбирают больше, так как наружная и внутренняя рубашки разделены и перетекания воздуха между ними не происходит. Проходное сечение жаровой трубы может быть получено по схеме, аналогичной блочной камере

w_кс/w_ж= 0,65 - 0,75

D_рвн/D_тн ≈ 0,6 → D_рвн; Q_vp (задаемся) → w_ж → w_кс

Полученное проходное сечение жаровой трубы может быть обеспечено при различных значениях наружного и внутреннего диаметров жаровой трубы. Для того чтобы процесс дожигания топлива и условия охлаждения обечаек были одинаковыми, необходимо подавать на единицу длины окружности наружной и внутренней обечаек равное количество воздуха, при этом скорости на входе в наружную и внутреннюю рубашки должны быть равны (w_рн = w_рвн). Отсюда вытекает условие, что проходные сечения наружной и внутренней рубашек должны быть пропорциональны соответствующим расходам воздуха и диаметрам внутренней и наружной обечаек жаровой трубы:

(4.56)

Теперь можно написать:

(4.57)

(4.58)

Откуда

(4.59)

Подставляя значение D_жнв (4.57), получим

(4.60)

Если учесть расход воздуха, который идет на охлаждение турбины и не попадает в жаровую трубу, то есть:

G_жн + G_жвн = G_в∑ - G_в1 - G_охлтн - G_охлтвн,

где G_охлтн и G_охлтвн– воздух, перепускаемый на охлаждение турбины из наружной и внутренней рубашек, соответственно, то равенство (4.60) приобретает следующий вид:

, (4.61)

где

Величина G_в1=G_T L₀ α₁. Обычно для кольцевых камер α_фр = α₁ = 0,5 - 0,7. Величина G_ox_л.т. ≈ 0,03 - 0,07. Уравнение (4.61) решается относительно D_жвнграфически, строится график левой части при различных значениях D_жвни находится точка пересечения с горизонталью, которая определяется константой правой части. В соответствии с отношением расходов определяется положение средней линии камеры сгорания. При дальнейшем расчете все расходы воздуха, кроме отводимого на формирование температурного поля перед турбиной, распределяются между наружной и внутренней обечайками жаровой трубы в соответствии с величиной отношения:

(4.62)

Рис.4.32. Принципиальная расчётная схема кольцевой камеры сгорания

2. Средняя скорость воздуха в отверстиях жаровой трубы и расчёт первого пояса отверстий, подводящих воздух для сгорания.

Отверстия первого пояса должны иметь относительный шаг по окружности t = 1,4 - 2,0. Число отверстий на наружной и внутренней обечайках должно быть для симметрии течения одинаковым и кратным числу головок жаровой трубы. Параметры втекающей струи должны обеспечить относительную глубину проникновения в сносящий поток = 0,3 - 0,5 (рис.4.32). Выбор параметров отверстий облегчаемся при использовании номограмм (Г.М. Горбунов, "Выбор параметров и расчёт основных камер сгорания ГТД"). Там же представлен подробный расчёт камеры сгорания гипотетического ГТД. Расчёт потерь в жаровой трубе, параметров газа и параметров фронтового устройства в целом аналогичен расчётам трубчато-кольцевых камер сгорания.