Виды конструкций камер сгорания:

Классификация камер сгорания дизельного двигателя

Камера сгорания двигателя — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.

Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:

Неразделенные камеры сгорания

Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.

Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже — в головке.

На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.

Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — овальная в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном

В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.

Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.

Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.

Разделенные камеры сгорания

Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.

Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.

Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке

Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.

Камеры сгорания двигателей

Камеры сгорания В современных бензиновых двигателях с верхним расположением клапанов преимущественно используются камеры сгорания следующих типов: полусферические, полисферические, клиновые, плоскоовальные, грушевид- ные, цилиндрические. Существуют смешанные варианты камер сгорания. Форма камеры сгорания определяется расположением клапанов, формой днища поршня, расположением свечи, а иногда и двух свечей зажигания, наличием вытеснителей. При проектировании двигателя с учетом применяемого топлива и заданной степени сжатия к камерам сгорания предъявляются следующие требования: обеспечение высоких скоростей сгорания, снижения требований к октановому числу топлива, минимальных потерь с охлаждающей жидкостью, низкой токсичности, технологичности производства. Это определяется следующими условиями:

—компактностью камеры сгорания;
—эффективной турбулизацией смеси во время сгорания;
—минимальным отношением площади поверхности

камеры сгорания к рабочему объему цилиндров. Как уже отмечалось, одним из способов повышения эффективного КПД двигателя является увеличение степени сжатия. Основной причиной ограничения степени сжатия является опасность появления аномальных процессов сгорания (детонации, калильного зажигания, грохота и др.). У современных серийных двигателей, имеющих достаточно высокие степени сжатия, дальнейшее их увеличение даст сравнительно небольшой эффект и связано с необходимостью решения ряда проблем. Прежде всего — это возникновение детонации. Именно она определяет требования к величине степени сжатия и форме камеры сгорания. После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени распространяется по камере сгорания, давление и температура в этой части заряда растут до 50. 70 бар и 2000. 2500 С, в наиболее удаленной от свечи части рабочей смеси происходят предпламенные химические реакции. При невысокой частоте вращения коленчатого вала, особенно в двигателях с большим диаметром цилиндров, время на эти реакции иногда оказывается достаточным, чтобы остаточная часть заряда сгорала с высокими скоростями (до 2000 м/с).

Детонационное сгорание вызывает появление ударных волн, распространяющихся по камере сгорания с высокой скоростью, вызывая металлические стуки, иногда неправильно называемых стуком пальцев. Ударная волна, разрушая пристеночный слой газов с пониженной температурой, способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев и увеличивая тепловые потери в двигателе. Работа с сильной детонацией приводит к общему перегреву двигателя, ухудшению мощностных и экономических показателей. При длительной езде с интенсивной детонацией начинается эрозия стенок камеры сгорания, оплавление и задиры поршня, повышенный износ верхней части цилиндра из-за срыва масляной пленки, поломка перемычек между канавками поршневых колец и задиры зеркала цилиндра, прогар прокладки головки цилиндров. К числу факторов, влияющих на требования к октановому числу топлива, относится компактность камеры сгорания, характеризуемая степенью нарастания объема сгоревшей части смеси (в % к полному объему камеры сгорания) по мере удаления условного фронта пламени от свечи. Наиболее компактными являются полусферические, шатровые камеры сгорания, имеющие пониженные требования к октановому числу. Однако для повышения степени сжатия до 9,5. 10,5 в полусферических или полисферических камерах иногда приходится днище поршня делать выпуклым, что существенно ухудшает степень компактности и соответственно повышает требования к октановому числу, которые возрастают на 3. 5 единиц. В современных двигателях с 4 клапанами в одном цилиндре свеча располагается в центре камеры сгорания. Это обеспечивает максимальную степень нарастания объема.

Другим параметром, характеризующим антидетонационные качества, является степень турбулизации смеси в процессе сгорания. Интенсивность турбулизации зависит от скорости и направления потока смеси на входе в камеру сгорания. Одним из способов создания интенсивной турбулизации является увеличение площади вытеснителя (объема расположенного между днищем поршня и плоскостью головки цилиндров) с целью турбулизации заряда для увеличения скорости сгорания. Вытеснители имеют клиновые, овальные, грушевидные камеры сгорания. При замене плоскоовальной камеры сгорания на грушевидную, увеличении за счет этого площади вытеснителя при одновременном уменьшении его высоты на двигателях автомобилей УАЗ удалось без изменения требований к ОЧ топлива поднять степень сжатия на 0,5, за счет чего расход топлива уменьшился на 5. 7%, а мощность увеличилась на 4. 5%. У двигателей УЗАМ 331 и у некоторых двигателей грузовых автомобилей (ЗИЛ-508.10) для создания вихревого движения заряда перед впускным клапаном канал выполнялся улиткообразным. Однако при высоких скоростях смеси это приводило к увеличению сопротивления и соответственно снижению мощностных показателей. Поэтому последние модели двигателей УЗАМ выпускаются с обычным впускным каналом. Полусферические, полисферических цилиндрические камеры сгорания практически не имеют вытеснителя, поэтому их антидетонационные качества (по индексу детонации) уступают камерам с вытеснителями. При массовом производстве двигателей за счет отклонения размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и объема камеры сгорания фактическая степень сжатия двигателя одной модели может отличаться на значительную величину (в пределах одной единицы). Поэтому для автомобиля одной и той же модели часто требуются бензины с разным октановым числом. Фактическую степень сжатия приблизительно можно определить при помощи компрессометра.

а — полусферическая; б — полусферическая с вытеснителем; в — сферическая; г — шатровая; д — плоскоовальная; е -клиновая; з — цилиндрическая камера сгорания в поршне; ж — полуклиновая с частью камеры в поршне;

3.3. ТИПЫ КАМЕР СГОРАНИЯ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ. ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

Камеры сгорания энергетической ГТУ — устройства, предназначенные для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего тела, имеющего параметры, соответствующие требованиям технологического процесса. Заданный температурный уровень продуктов сгорания перед ГТ обеспечивается подачей воздуха в количестве, превышающем необходимое для полного сгорания топлива.

Тип и конструкция КС зависят от ее назначения, компоновки, направления потоков рабочего тела, числа горелок и др.

Камеры сгорания энергетических ГТУ классифицируются:

по назначению (основные; промежуточного подогрева газов; дожигания топлива — в схемах ПТУ);

компоновке в схеме ГТУ [выносные (рис. 3.4), расположенные рядом с ГТУ и соединенные трубопроводами подвода воздуха, топлива и отвода газов; встроенные (рис. 3.5), имеющие общий корпус с ГТ и компрессором];

конструкции корпуса и пламенных труб [кольцевые (рис. 3.6, а,

Кольцевая КС отличается компактностью и легкостью конструкции и располагается между компрессором и ГТ вокруг вала ГТУ. Ее рабочий объем представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренними и наружными обечайками пламенных труб. Число форсунок выбирается таким, чтобы фронт пламени полностью заполнял сечение кольцевого пространства пламенной трубы.

В трубчато-кольцевой КС внутренний и наружный корпусы, как и в кольцевой КС, — общие. Потоки газов, выходящие из пламенных труб,

Рис. 3.4. Пример компоновки выносных КС энергетической ГТУ (фирмы Siemens):

1 — свежий воздух; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — горелка; 5 — пламенная труба и впускная коробка горячих газов; 6 — турбина; 7— отходящие газы газовой турбины; 8 — генератор

Рис. 3.5. Пример компоновки встроенных КС энергетической ГТУ типа MS6001FA (фирмы General Electric):

обозначения те же, что и на рис. 3.4

Рис. 3.6. Схемы конструкций встроенных КС энергетических Г’ГУ (вид со стороны компрессора):

а, е — кольцевые; б, д — трубчато-кольцевые; в, г — секционные; 1 — вал ротора ГТУ; 2 — наружная обечайка кольцевой пламенной трубы; 3 — наружный (кольцевой) корпус камеры сгорания; 4 — внутренний корпус; 5 — внутренняя обечайка кольцевой пламенной трубы; 6— форсунки: 7 — отдельные пламенные трубы; 8 — патрубок для переброски пламени; 9— корпус; 10 — кожух вала; 11 — пламенная труба; 12 — завихритель

объединяются в кольцевом газосборнике непосредственно перед сопловым аппаратом КС. Число пламенных труб выбирают в зависимости от сечения передней части газовой турбины в пределах от 6 до 12. Пламенные (жаровые) трубы соединены между собой патрубками для переброски пламени этих груб. При пуске ГТУ переброской пламени от горящего факела пусковых горелок обеспечивается воспламенение топлива во всех пламенных трубах. Эти же патрубки способствуют восстановлению горения при срыве факела в одной из пламенных труб и выравниванию давления газов в них.

Секционная КС состоит из отдельных блоков пламенных труб со своими корпусами и переходниками, подводящими газы к сопловому аппарату ГТ. Работа каждого блока автономна, но имеются патрубки для переброски пламени. Число форсунок в каждой секции зависит от габаритных размеров пламенной трубы и ее конструкции. В КС энергетической ГТУ фирмы Siemens (см. рис. 3.4) имеются по пять таких форсунок в каждой пламенной трубе.

Переход от выносных (бункерных) КС к встроенным происходит по следующим причинам:

использование встроенных в конструкцию ГТУ КС позволяет осуществить заводскую сборку, испытания и отгрузку всей установки без промежуточной сборки;

обеспечивается формирование необходимого температурного профиля газов на входе в ГТ, что повышает срок ее службы;

легче проводить текущее обслуживание и ремонт;

переходные участки, соединяющие встроенные КС и ГТ, имеют меньшие размеры. Они менее подвержены механическим повреждениям в результате динамических усилий, возникающих в КС. Меньшая длина системы с большим числом КС обеспечивает более высокие частоты акустических колебаний, что уменьшает вероятность попадания их в резонанс с колебаниями давления горящего газового потока;

Читайте также:  Договор купли-продажи автомобиля в России

во встроенных КС образуется меньшее количество оксидов азота благодаря лучшему перемешиванию и меньшему времени нахождения топливной смеси в камере;

повышение начальной температуры газов Тн т в современных ГТУ позволяет уменьшить размеры КС;

КС с меньшими габаритными размерами могут быть разработаны и полностью опробованы на лабораторных стендах фирмы-производителя. Эго гарантирует совпадение их характеристик с рабочими в процессе эксплуатации.

Способ подачи топлива в КС определяется его видом. Газообразное топливо вводится с помощью горелок в виде колпачка с просверленными дозирующими отверстиями. Горелки бывают регистровыми или диффузионными с выходом газа через круглые или щелевые отверстия, сгруйно- сгабилизаторными, многоканальными и др.

Жидкое топливо дозируется в КС с помощью форсунок центробежного типа, в которых предусмотрено несколько тангенциальных каналов. Сильно закрученный поток топлива выходит из сопла форсунки в виде конической пелены с определенным углом раскрытия.

В энергетических ГТУ обычно используют комбинированные горелки для сжигания газообразного и жидкого топлива.

Ведущие производители энергетических ГТУ непрерывно совершенствуют конструкцию КС, добиваясь высокой эффективности выгорания топлива во всем диапазоне нагрузок при минимальном выбросе вредных веществ.

Процесс горения топлива в КС энергетических ГТУ сложнее, чем в топочных камерах других энергетических установок. При относительно невысоких температурах химическая реакция горения протекает достаточно медленно, а потребление кислорода во много раз меньше возможности его доставки к фронту пламени, который разделяет топливовоздушную смесь (ТВС) и продукты сгорания. Общая скорость реакции ограничена кинетикой химического реагирования на поверхности, эту температурную область реакций называют кинетической областью горения. При высоких температурах процесса общая скорость реакции определяется условием подвода кислорода. Доставляемый диффузией к поверхности кислород мгновенно вступает в реакцию, а его концентрация у поверхности приближается к нулю. Формируется диффузионная область горения. Таким образом, скорость процесса горения при смешении струй топлива с воздухом ограничивается не химической реакцией, а более медленными диффузионными процессами массообмена. Такие КС называют диффузионными.

Диффузионный факел способен устойчиво гореть в смеси, имеющей разный состав, но плотность теплового потока и устойчивость скорости его истечения невелики. Эти недостатки могут быть устранены искусственной стабилизацией горения и интенсификацией смесеобразования. Происходящее при этом смещение процесса горения из диффузионной области в кинетическую сопровождается заметным повышением его чувствительности к избытку воздуха. Становится невозможной работа при большом избытке воздуха. Классическим путем выхода из этого положения является разделение воздуха на первичный и вторичный.

На рис. 3.7 и 3.8 представлены принципиальная схема и конструкция одноступенчатой КС энергетической ГТУ. В ней выделены две зоны: горения и смешения. Рассмотрим основные принципы организации рабочего процесса в такой КС ГТУ.

1. В соответствии с вышеизложенным КС ГТУ разделены на две зоны. Деление осуществляется либо по воздуху (рис. 3.7, а и 3.9, б), либо по топливу (рис. 3.9, а). Температура газов в начале турбины ТНТ находится на уровне 1100—1300 °С и имеет тенденцию к увеличению. Рост температуры ограничен жаропрочностью и жаростойкостью материалов. Для удержания температуры на отмеченном уровне необходимо повышать избыток воздуха в газах, который может колебаться в пределах ак е = = 2,5-г4. Температура воздуха после компрессора в зависимости от сте-

Рис. 3.7. Принципиальная схема (а) одноступенчатой КС энергетической ГТУ и ее конструкция (6):

1 — корпус; 2 — пламенная труба; 3 — форсунка; 4 — завихритель воздуха (регистр); 5 — трубка; б — выдвигаемое запальное устройство (свеча); 7 — сжатый воздух после компрессора (Св); 8 — воздух для сжигания топлива (О,); 9 — охлаждающий воздух (6′охл); 10 — воздух, формирующий температуру газов перед ГТ (С2); 11 — переходный патрубок; 12 — вход в ГТ (сопловые лопатки первой ступени); Скс, б|, Сохл, С2 — расход воздуха, поступающего соответственно в камеру сгорания, через регистр, через щели охлаждения и в смеситель; 6’г — количество продуктов сгорания, поступающих в ГТ; Т — топливо, подающееся в форсунку; Рф — угол раскрытия топливного факела; ЗОТ — зона обратных токов; ?ог — длина зоны горения; ?см — длина зоны смешения

пени повышения его давления составляет 300—350 °С, а скорость потока воздуха доходит до 120 м/с. Ни один вид органического топлива при таких условиях (скорости, температуре потока, избытке воздуха) быстро и качественно гореть не может.

Рис. 3.8. Изменение параметров газов по длине КС (а) и схема диффузионной камеры сгорании (б)

В пространстве, ограниченном корпусом КС (пламенной трубы), выделяют зону горения. В эту зону поступает только часть (6’|) общего количества воздуха. Вместе с топливом эта часть воздуха обеспечивает образование высокореакционной смеси, сгорающей достаточно быстро при высокой температуре. Другая часть воздуха (С-,) подается в зону смешения, где формируется заданная начальная температура газов перед турбиной Тнт. Небольшое количество воздуха Сохл, поступающего через специальные щели и отверстия, охлаждает корпус и детали пламенной трубы. Таким образом, баланс воздуха, подающегося в камеру сгорания ГТУ, можно записать в виде

На рис. 3.10 приведен пример охлаждения стенок КС ГТУ типов БСТ 5-2000Е (ГТЭ-160) и У94.3 фирмы Siemens.

2. Стабильное горение движущейся топливовоздушной смеси возможно при равенстве скоростей потока и распространения пламени. Для

Рис. 3.9. Схемы разделения КС по топливу (и) и по воздуху (6)

этого применяют специальные технические решения. Прежде всего стремятся турбулизировать поток в зоне горения, что интенсифицирует процессы тепло- и массообмена, улучшает смесеобразование и увеличивает скорость распространения пламени. Для турбулизации потока используют лопаточные завихрители или плохо обтекаемые тела, располагаемые во фронтовом устройстве пламенной грубы. За этими элементами возникает зона обратных токов (ЗОТ) с пониженным статическим давлением, создается эжекция газа кольцевой струей, вытекающей из лопаточного завихри- теля. Эго стабилизирует положение фронта пламени и обеспечивает зажигание всей топливной смеси. При такой аэродинамической рециркуляции происходит перенос горящего топлива навстречу поступающим свежим его порциям. За счет теплоты подсасываемых к корню факела продуктов сгорания происходят подогрев, испарение и зажигание свежих порций топлива.

Рис. 3.10. Охлаждение стенок камер сгорания ГТУ 8СТ 5-2000Е (ГТЭ-160) (а) и У94.3 (б) (фирмы Siemens)

  • 3. Подвод первичного воздуха по длине зоны горения осуществляется не сразу, а в определенной последовательности, основанной на теоретических представлениях, экспериментальных и эксплуатационных данных. Средняя температура газов в зоне горения должна быть не ниже 1500 °С.
  • 4. Переход к микрофакельному сжиганию топлива с увеличенным числом горелок (например, в кольцевых камерах сгорания имеются 100—150 горелок) способствует уменьшению длины пламени факелов и общей длины КС.
  • 5. Сжигание топлива в КС энергетических ГТУ характеризуется изменением параметров сжимаемого в компрессоре воздуха, нагрузки и режима работы. Поэтому в таких условиях возможен еще один способ ста-

Рис. 3.11. Влияние впрыска воды (или пара) на эмиссию NOv и СО при 15 %-ной концентрации 02 и при сухом газе — отношение массовых расходов воды (или пара) и топлива)

билизации процесса горения — применение дежурных горелок, являющихся источником постоянного поджигания топлива.

Перечисленные технические решения не всегда позволяют добиться удовлетворительных экологических показателей работы КС энергетических ГТУ, конструкции которых были рассмотрены выше. В определенных режимах их переводят в так называемый «мокрый» режим работы, впрыскивая в поток газов определенное количество воды (пара) (рис. 3.11). Обычно т a GBOfl/i5rT = 0,5ч-1,5. Впрыск воды снижает интенсивность теплообразования и температуру газов приблизительно на 2 %, увеличивая мощность ГТУ примерно на 3 %. При этом удается снизить уровень выбросов оксидов азота NOv приблизительно до 40 ppm и ниже.

Побочными явлениями при таком решении будут:

сокращение периодов между профилактическими техническими осмотрами и срока службы оборудования;

дополнительные затраты на подготовку и впрыск воды (пара) и др.

4. Типы основных камер сгорания гтд и организация процесса горения в них

Рис. 9.3. Типы основных камер сгорания

Основные камеры сгорания авиационных ГТД могут иметь раз­нообразные формы проточной части и различное конструктивное выполнение. Применяются практически камеры сгора­ния трех основных типов (рис. 9.3): а трубчатые (индивиду­альные), б  трубчато-кольцевые и в кольцевые.

Трубчатая (вверху на рис. 9.3) ка­мера сгорания состоит из жаровой трубы 1, внутри которой органи­зуется процесс горения, и корпуса (кожуха) 2. На двигателях обыч­но устанавливалось несколько таких камер. В современных авиационных ГТД трубчатые камеры сгорания практически не используются.

В трубчато-кольцевой камере все жаровые трубы заключены в общий корпус, имеющий внутреннюю и наружную поверхности, охватывающие вал двигателя.

В кольце­вой камере сгорания (внизу на рис. 9.3) жаровая труба имеет в сечении форму коль­ца, также охватывающего вал двигателя.

Расположение и тип форсунок, используемых для подачи топли­ва в камеры сгорания, также могут быть различными. Однако, не­смотря на большое разнообразие схем и конструктивных форм ос­новных камер сгорания, процесс горения в них организуется практически одинаково.

Одной из важнейших особенностей организации процесса горения в основных камерах сгорания ГТД является то, что он должен протекать при сравнительно больших коэффициентах избытка воздуха. При реализуемых в настоящее время температурах газа перед турбиной порядка = 1800. 1600 К и ниже, как уже отмечалось, значение коэффициента избытка воздуха (среднее для всей камеры) должно составлять 2,0…3,0 и более. При таких значенияходнородная топливо-воздушная смесь, как было указано выше, не воспламеняется и не горит. При резком уменьше­нии подачи топлива в двигатель, которое может иметь место в ус­ловиях эксплуатации, коэффициент избытка воздуха может достигать еще существенно больших зна­чений (до 20…30 и более).

Вторая важная особенность этих камер состоит в том, что ско­рость потока воздуха или топливо-воздушной смеси в них (выбираемая с учетом требований к габаритным размерам двигателя) су­щественно превышает скорость распространения пламени. И, если не принять специальных мер, пламя будет унесено по­током за пределы камеры сгорания

Поэтому организация процесса горения топлива в основных ка­мерах ГТД основывается на следующих двух принципах, позволя­ющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших значениях и вы­соких скоростях движения потока в них:

1. Весь поток воздуха, поступающий в камеру сгорания, разделяешься на две части, из которых только одна часть (обычно меньшая) подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устой­чивого горения состав смеси). А другая часть направляется в об­ход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) в так называемую зону смешения (пе­ред турбиной), где смешивается с продуктами сгорания, понижая в нуж­ной мере их температуру;

2. Стабилизация пламени в зоне горения обеспечивается путем создания в ней зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджига­ющими свежую горючую смесь.

Рис. 9.4. Схема основной камеры сгорания

Для примера на рис. 9.4 показана схема одного из вариантов трубчато-кольцевой камеры сгорания. Камера состоит из жаро­вой трубы 1 и корпуса 2. В передней части жаровой трубы, кото­рую называют фронтовым устройством, размещаются форсунка 3 для подачи топлива и лопаточный завихритель 5. Для уменьшения скорости воздуха в камере на входе в нее (за компрессором) выполняется диффузор 4, благодаря которому скорость воздуха перед фронтовым устройством обычно не превышает 50 м/с.

Воздух, поступающий в камеру сгорания из компрессора, делится на две части. Одна часть направляется в зону горения, а вторая часть  в зону смешения. Часть воздуха, поступающая в зону горения, в свою очередь де­лится еще на две части. Первая часть, так называемый первичный воздух (см. рис. 9.4), поступает непосредственно через фронтовое устройство к месту расположения факела распыла топ­ливной форсунки и используется для формирования богатой топливной смеси такого состава, который обеспечивал бы на всех режимах достаточно быстрое и устойчивое сгорание.

Вторая его часть (так называемый вторичный воздух ) через боковые отверстия в жаровой трубе поступает в камеру для завершения процесса горения (первичного воздуха для этого недостаточно). Общее количество воздуха, поступающего в зоны горения (т.е.) обеспечивает в ней коэффициент избытка воздуха порядка= 1,6…1,8, что соответствует устойчивому горению, полному сгоранию и температуре порядка 1800…1900 К.

Если допустимая температура газов перед турбиной ниже этой величины, необходимый для её уменьшения третичный (или смесительный) воздух поступает в жаровую трубу через задние ряды отверстий или щелей, быстро снижая их температуру до допустимой. При этом важно подчеркнуть, что, если какая-то часть топлива не успеет сгореть до попадания в зону смешения, то дальнейшее ее догора­ние практически уже не произойдет, так как коэффициент избытка воздуха возрастает до значений, превы­шающих предел устойчивого горения.

Читайте также:  Вытяжка вмятин

Число, расположение и форма отверстий для подвода третично­го воздуха подбираются таким образом, чтобы обеспечить жела­емое поле температур газа перед турбиной.

Подвод первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу дол­жен быть организован так, чтобы в зоне горения создавалась нуж­ная структура потока. Эта структура должна обеспечить хорошее смешение топлива с воздухом и наличие мощных обратных то­ков, обеспечивающих надежное воспламенение свежей смеси на всех режимах работы камеры.

Рис. 9.5. Зона обратных токов

в основной камере сгорания

Структура потока в передней части жаровой трубы камеры сго­рания с так называемым лопаточным завихрителем показана схематично на рис. 9.5. Воздух поступает сюда через завихритель 1, лопатки которого закручивают поток (подобно лопаткам входного направляющего аппарата компрессора). Далее воздух движется вдоль поверхности жаровой трубы в виде конической вихре­вой струи. Вихревое движения воз­духа приводит к пони­жению давления в области за завихрителем, вследствие чего в эту область устремляется газ из расположенных дальше от фрон­тового устройства участков жаровой трубы. В результате здесь возникает зона обратных токов, граница которой показана на рисунке линией 5. Топливо-воздушная смесь, образовавшаяся за фронтовым устройством, при за­пуске двигателя поджигается огненной струей, создава­емой пусковым воспламенителем 6 (см. рис. 9.4). Но в последую­щем горячие продукты сгорания вовлекаются в зону обратных то­ков и обеспечивают непрерывное поджигание свежей смеси. Кроме того, горячие газы, циркулирующие в этой зоне, являются источником теплоты, необходимой для быстрого испарения топлива.

Могут использоваться и другие схемы основных камер сгорания  с несколькими форсунками (несколькими рядами форсунок), с другими способами создания зоны обратных токов и т.д. Но общие принципы организации рабочего процесса в них остаются такими же.

ФОРСАЖНЫЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

Рис. 9.6. Схема форсажной камеры сгорания

Состав горючей смеси в форсажной камере отличается от такового в основных камерах сгорания прежде всего тем, что на расчетном режиме их работы температура газа на выходе из неё составляет 2000…2300 К, что может быть достигнуто только при суммарном коэффициенте избытка воздуха , уже не требующем снижения для организации процесса горения. Поэтому в форсажной камере отпадает необходимость разделения её на зону горения и зону смешения. Кроме того, температура среды, в которую впрыскивается топливо, здесь выше, чем в основных камерах сгорания, что облегчает процесс испарения топлива и последующего воспламенения смеси. Но скорость потока газа в форсажных камерах по габаритным соображениям приходится иметь значительно более высокой, чем в основных камерах (порядка нескольких сотен м/с). Поэтому для стабилизации процесса горения в них также организуются зоны обратных токов. Кроме того, в связи с тем, что коэффициент избытка воздухав форсажной камере на её расчетном режиме близок к единице, необходимо обеспечит такое распределение впрыскиваемого топлива по пространству камеры, при котором по возможности было бы исключено местное переобогащение смеси, ведущее к неполному сгоранию.

На рис. 9.6 показана типичная схема форсажной камеры сгорания, уста­новленной за турбиной ТРД. На входе в камеру имеется небольшой диффузор 7. За ним расположено фронтовое устройство, состоящее из нескольких стабилизаторов пламени 5 (пластин или колец vобразного сечения) и большого числа (часто нескольких десятков) форсунок 1, объединенных в несколько топливных коллекторов (на рис. 9.6 их два). Большое число форсунок обеспечивает равномерность состава смеси по объему камеры, а наличие нескольких коллекторов позволяет путем их частичного отключения сохранить на пониженных режимах (т.е. при сниженном общем расходе топлива) необходимый для устойчивого горения состав смеси около тех форсунок, которые еще не отключены.

Особенности конструкции и основные типы камер сгорания ГТУ

Интересно хотя бы вкратце проанализировать соображения, которыми обычно руководствуются при выборе конфигурации и основных размеров традиционных камер сгорания. Такого рода данные позволяет понять, как определяются конструктивные основные характеристики, обеспечивающие работу камеры сгорания.

На рис. 3.2(а) показана схе­ма простейшей камеры сгорания – прямой цилиндрический канал, со­единяющий компрессор с турбиной. К сожалению, такое простое устройство непригодно из-за недопустимо больших потерь давления. Потери давления пропорциональна квадрату скорости воздушного потока. Поскольку скорость воздуха на выходе из компрессора близка к 150 м/с, потери давления при этом могут достигать четвертой части общего повышения давления в компрессоре. Для снижения по­терь давления до приемлемого уровня используют, как показано на рис. 3.2(б) диффузор, с по­мощью которого скорость воздуха уменьшают приблизительно в 5 раз.

Рис. 3.2. Стадии развития схемы традиционной камеры сгорания га­зотурбинного двигателяОднако этого недостаточно, так как для предотвращения срыва пламени и поддержания устойчиво­го процесса горения необходимо с помощью обратных токов создать зону малых скоростей. На рис. 3.2(в) показано, как этого можно достичь посредством простой пластины. Такое устройство имеет, однако, один недостаток, кото­рый заключается в том, что необходимое для получения заданной величины повышения температуры отношение топливо-воздух сущест­венно превышает предел воспламеняемости смесей углеводородов с воздухом. В идеальном случае коэффициент избытка воздуха a близок к 1,25, хотя, например, при желании снизить выбросы оки­слов азота, эта величина может быть увеличена до = 1,6. Указанный недостаток может быть устранен, если простой стабилизатор заменить, как показано на рис. 3.2(г), перфорированной жаровой трубой. В жаровой трубе создается зона малых скоростей, в которой процесс горения поддерживается циркуляционным потоком продуктов сгорания, непрерывно поджигающим поступающую в камеру свежую топливовоздушную смесь.

Избыточная (ненужная для горения) часть воздуха вводится в жаровую трубу за зоной горения, где она перемешивается с горячими продуктами сгорания, понижая, таким образом, их температуру до приемлемого для турбины уровня.

Существующие камеры сгорания можно разделить на следующие основные типы: а) индивидуальные; б) секционные (многотрубчатые); в) кольцевые; г) трубчато-кольцевые.

Кроме того, камеры сгорания делятся на прямоточные и противоточные. В прямоточных камерах охлаждающий (вторичный) воздух движется в кольцевом канале между пламенной трубой и корпу­сом в том же направлении, что и продукты сгорания. В противоточных камерах поток охлаждающего воздуха направлен навстречу по­току продуктов сгорания в пламенное трубе. Применение противоточных камер в ряде случаев упрощает общую компоновку ГТУ и поз­воляет сократить длину камеры, но потери давленая в них обычно больше, чем в прямоточных камерах.

Индивидуальные камеры, в свою очередь, бывают выносными во встроенными. Выносная камера в отдельного скомпонованном корпусе устанавливается в ГТУ рядом с турбокомпрессором. Применяют эти камеры в основном в стационарных и значительно реже в передвижных установках. У встроенных камер корпус опирается непосредственно на общий корпус турбокомпрессора или конструктивно с ним совмещён.

Существуют две разновидности индивидуальных камер сгорания:

цилиндрические и угловые. В цилиндрической камера сгорания (рис. 3.3) воздух разделяется на два потока: первичный и вторич­ный. Первичный воздух поступает через воздухо-направляющее уст­ройство 1 в пламенную трубу 4, куда через форсунку 2 (или горел­ку) подается топливо. Расход первичного воздуха регулируется в зависимости от расхода топлива поворотом лопаток воздухо-направляющего устройства 1, что осуществляется посредством специальных рычагов управления. Вторичный (охлаждающий) воздух пропускается через кольцевое пространство между пламенной трубой 4 и корпусом 3 камеры сгорания. При движении он интенсивно охлаждает стенки труби и корпуса. Выходя из кольцевого пространства, вторичный воздух попадает в объем А, где он смешивается с продуктами сго­рания, понижая тем самым их температуру до заданного значения.

Для уменьшения закрутка газового потока на выходе из каме­ры и для лучшего перемешивания вторичного воздуха с продуктами сгорания к пламенной трубе приварены лопатки 5, закручивающие поток вторичного воздуха в направлении, обратном тому, которое придается первичному воздуху.

В цилиндрических камерах можно установить не одну, а нес­колько форсунок, что увеличивает надёжность работы и позволяет регулировать тепловую мощность камеры сгорания изменением числа работающих форсунок. Объемная теплонапряженность этих камер со­ставляет (20-30) · 10 3 кВт/м 3 при давлений 0,4-0,45 МПа, а теп­ловая мощность камеры сгорания достигает 3000 кДж/ч, расход воздуха – 2,5 • 10 5 м 3 /ч.

Рис. 3.3 Схема цилиндрической камеры сгорания

К преимуществам индивидуальных цилиндрических камер сгора­ния относятся простота конструкции и сравнительно малые потери давления, достигающие 1,5-3,0 %. Основными недостатками этих камер являются большие массы а габариты.

Секционные (многотрубчатые) камеры сгорания представляют собой конструкцию, в которой объединено несколько (6-16) парал­лельно работающих цилиндрических камер (секций), часто связанны между собой пламяпередающими патрубками.

Секция многотрубчатой камеры сгорания (рис. 3.4) состоит из пламенной труби и кожуха 8. Пламенная труба включает в себя го­ловку, состоящую из лопаточного завихрителя 3, тарелки 2 и ко­нуса 4, и корпус, состоящий из цилиндрической части 5 и двух ко­нических участков, соединенных между собой конусным кольцом 6.

Рис. 3.4 Секция многотрубчатой камеры сгорания

Первичный воздух поступает через входной кожух 1 в головку пла­менной трубы. Часть его направляется в зону горения через лопа­точный завихритель 3, а оставшаяся часть идет туда через много­численные отверстия в тарелке 2 и конусе 4. Кроме того, на цилиндрической части пламенной труба 5 имеется еще два ряда от­верстий, через которые дополнительно поступает воздух, необхо­димый для горения при полной нагрузке ГТУ. Вторичный воздух идет по кольцевому пространству между пламенное трубой и кожухом 8 и затем поступает в зону смешения через четыре ряда от­верстий в конической части пламенной трубы 7. Наибольшая часть охлаждаемого воздуха входит внутрь пламенной трубы через большое число отверстий малого диаметра в конусном кольце 6.

Секционные камеры сгорания выполняют обычно в виде единого моноблока, в котором все секции заключены в общий корпус. Каж­дая секция имеет одну форсунку, впрыскивающую топливо по направлению потока. Секционные камеры сгорания отличаются компактностью, обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и устой­чиво работают в различных эксплуатационных условиях. Недостат­ком их является сравнительно большие потери давления (2,5-7,5%). Тепловая мощность отдельной секции составляет в среднем (0,7-1,7) · 10 3 кВт, а иногда достигает 3,5 · 10 3 кВт. Объемная теплонапряженность у камер этого типа высокая – (100-160) · 10 3 кВт/м 3 .

В кольцевых камерах сгорания (рис. 3.5) зона горения I имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150-200 м, кото­рая образуется цилиндрами 1 в 2. Два других соосно расположенных цилиндра (9 и 8) составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухопроводящее устройство 4 поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где смешивается о продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру. В воздухоподводящем устройстве 4, на входе в зону горения I по всей окружности расположены форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Число форсунок может достигать 10-20, но иногда это бывает одна вращающаяся форсунка.

Объемная теплонапряженность у кольцевых камер примерно такая же, как и у секционных, а потери давления несколько больше (до 10 %). По сравнению с секционными камерами они имеют меньший рабочий объем и более равномерное поле температур газа на выходе. Зато кольцевые камеры сложнее в изготовлении и доводке, труднодоступны для осмотра в ходе эксплуатации.

Рис. 3.5 Схема кольцевой камеры сгорания

Трубчато-кольцевая камера сгорания представляет собой кон­структивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер. Так же, как и у кольцевой камеры, кожух её образуется наружным и внутренним соосно расположенными цилиндрами. А в кольцевом пространстве между этими цилиндрами размещается ряд отдельных пламенных труб, снабженных форсунками. Трубы соединяются друг с другом пламяпередающими патрубками, которые предназначены для передача пламени, зажигания и выравнивания давления между трубами, Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и потери давления приблизительно такие же, как секционные камеры. Они ком­пактнее кольцевых камер и более просты в доводка. Небольшие раз­меры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

Для работы на жидком топливе в камерах сгорания обычно при­меняют центробежные форсунки (рис. 3.6). Они просты по конструк­ции, надежны в работе и обеспечивают хорошее распиливание топлива. К форсунке топливо подаётся насосом 5 под давлением не менее 1,0-1,5 МПа. Поступает оно сначала в кольцевую полость 1, а за­тем через ряд тангенциально расположенных каналов 2 направляется в вихревую камеру 3, в которой приобретает вращательно-поступательное движение. При выходе из форсунка топливо распыляется под действием центробежных сил.

В центробежных форсунках регулировать расход топлива за счет изменения его давления можно не более чем в 2-2,5 раза, Для обеспечения более широкого диапазона регулирования применя­ют двухступенчатые форсунки и форсунки с перепуском топлива. У двухступенчатых (двухконтурных) форсунок на малых расходах работает лишь одна первая ступень. Для увеличения расхода топли­ва к ней подключается вторая ступень. У форсунок с перепуском топлива вихревая камера 3 соединена о регулируемым клапаном 4, который перепускает часть топлива обратно в подводящий трубо­провод или же в расходами бак 6.

Читайте также:  Госавтоинспекция о сетке на номерных знаках

Рис. 3.6 Центробежная форсунка с перепуском топлива

Камера сгорания. Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7 Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происхо­дит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необхо­димо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300. 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который на­зывается вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а осталь­ная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топли­ва, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.

Дата добавления: 2015-05-03 ; просмотров: 5958 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Камеры сгорания газовых турбин ГТУ

Камеры сгорания газовых турбин в составе газотурбинной установки (ГТУ)

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В современных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кислород воздуха. Воздух повышенного Давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (рабочее тело) направляется в газовую турбину.

Рис.1. Камера сгорания ГТУ:
1 – подвод топлива, 2 – регистр, 3 — пламенная труба,
4 – смеситель, 5 – зона смешения, 6 – зона горения,
7 – корпус, 8 – топливораздающее устройство (форсунка)

Простейшая камера сгорания газотурбинной установки (рис.1) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 подает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания газотурбинных установок зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгорания ГТУ на несколько типов.

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок

Так, камеры сгорания бывают выносные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а встроенные находятся непосредственно в корпусе.

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом.

Рис.2. Газотурбинные установки с выносной (а) и встроенными (б) камерами сгорания:
1 – компрессор, 2 – турбина, 3 – камера сгорания, 4 – регенератор

Расположения выносной камеры сгорания в ГТУ с регенерацией теплоты и встроенной камеры показаны на рис.2,а,б

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными (рис.3,а—в), а также – индивидуальными (см. рис.1). Кольцевые камеры сгорания (рис.3,а) наиболее легки компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора 2.

Рис.3. Встроенные камеры сгорания:
а – кольцевая, б – трубчато-кольцевая, в – секционная;
1, 5 – внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 – ротор,
3,4 – внутренняя и наружная обечайки плененной трубы,
6 – регистры, 7 – патрубки переброски пламени,
в – пламенная труба, 9 – корпус

Рабочий объем кольцевой камеры сгорания представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренней 3 и наружной 4 обечайками пламенной трубы. Кольцевые камеры сгорания, работающие на жидком топливе, применяются преимущественно в авиации, так как при больших размерах они становятся ненадежными. В стационарных ГТУ используются кольцевые микрофакельные камеры сгорания, работающие на газе.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис.3,б) имеют несколько пламенных труб 8, расположенных в общем корпусе вокруг оси турбокомпрессора (обычно их 6-12) и соединенных патрубками 7 для переброски пламени. Это необходимо при пуске, а также случайном погасании факела в одной из пламенных труб. Вторичный воздух омывает пламенные трубы снаружи. Продукты сгорания попадают в общий кольцевой патрубок, а из него – в газовую турбину.

Секционные камеры сгорания газотурбинных установок (рис.3,в) состоят из нескольких одинаковых камер сгорания, расположенных вокруг оси турбокомпрессора в собственных корпусах 9, соединенных патрубками 7. Продукты сгорания попадают в турбину из общего кольцевого коллектора. Секционные камеры сгорания самые большие по габаритам, однако наиболее удобные при ремонте, так как разборки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспортных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие признаки трубчато-кольцевых, секционных и индивидуальных.

Кроме того, камеры сгорания можно разделить по роду сжигаемого топлива – жидкого, газообразного, твердого.

Камеры сгорания, в которых сжигают жидкое и газообразное топливо, отличаются размерами горелочных устройств, а для сжигания твердого топлива имеют дополнительные устройства для удаления золы. Пока камеры сгорания для сжигания твердого топлива находятся в опытной эксплуатации.

По направлению потоков камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразделяются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные (рис.4).

Рис.4. Многогорелочная камера сгорания:
1 – корпус пламенной трубы, 2 – регистры,
3 – каналы для прохода воздуха

Одним из основных элементов любой камеры сгорания является пламенная труба. На рис.5 показана пламенная труба, состоящая из отдельных обечаек, вставленных друг в друга. Между обечайками остается зазор, так как они отделены друг от друга волнистой лентой, приваренной к наружной обечайке контактной сваркой.

Рис.5. Пламенная труба из обечаек:
1 – обечайки, 2 – регистр, 3 – смеситель, 4 – волнистая лента

Рис.6. Двухстенная пламенная труба (а) и схемы ее охлаждения (б,в,г):
1 – регистр, 2,3 – наружная и внутренняя стенки, 4 – смеситель,
5 – ребра, 6 – отверстия для прохода воздуха, 7 – штифты,
8 – гофрированная внутренняя стенка

На рис.6,а показана двухстенная пламенная труба, а на рис.6,б-г различные схемы ее охлаждения. Внутренняя стенка 3 (рис.6,б,в) может иметь ребра 5, на которых держится наружная стенка 2, или не иметь их. Внутренняя стенка может быть также гофрированной <рис.6,г) и крепится к наружной специальными штифтами 7.

Особое внимание обращают на организацию охлаждения пламенной трубы, так как температура среды внутри нее достигает 1500—1800°С. В пламенной трубе, показанной на рис.5, небольшое количество вторичного воздуха проходит в кольцевые щели между обечайками и образует на ее внутренней поверхности защитную пленку, отделяющую стёнку трубы от пламени.

Такой слой создается при любой схеме охлаждения. В стенках двухстенной пламенной трубы (рис.6,а-г) выполняются отверстия 6, через которые проходит охлаждающий воздух, создающий защитную пленку. Кроме того, применяют одновременное охлаждение через кольцевые щели и отверстия.

Теплота передается к стенкам пламенной трубы в основном от светящегося факела пламени лучеиспусканием. Несмотря на охлаждение, стенки пламенных труб имеют высокую температуру и поэтому изготавливаются из жаростойкой стали. Форсунки предназначены для подачи жидкого топлива в камеру сгорания. Эффективность сжигания жидкого топлива в первую очередь зависит от качества распыливания. При плохом распыливании появляется механический недожог, вызывающий снижение экономичности, закоксовывание камер сгорания и опасность разрушения проточной части турбины отрывающимися коксовыми наростами.

Жидкое топливо не горит, горят его пары. Скорость испарения капель пропорциональна их поверхности. Чем лучше распылено топливо, тем больше площадь его соприкосновения с воздухом и тем быстрее оно испаряется и сгорает.

Форсунки должны обеспечивать высокое качество распыливания при всех возможных режимах работы (расход топлива может изменяться от 10 до 100%), иметь простую конструкцию и быть взаимозаменяемыми.

Для распыливания жидкого топлива в ГТУ применяют форсунки двух типов: механические и пневматические. Преимуществом механических форсунок является компактность, малая затрата энергии на распыление и удачное взаимодействие топливного факела с воздухонаправляющим устройством завихривающего типа. В пневматических форсунках топливо дробится с помощью сжатого воздуха или пара, для чего на ГТУ должен иметься их источник. Давление воздуха или пара должно быть намного больше давления в камере сгорания, что является основным недостатком пневматических форсунок.

Рассмотрим принцип действия форсунок различных типов.

Простейшая механическая форсунка (рис.7) имеет распылитель, который выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 и вставки 3.

Рис.7. Механическая форсунка ГТУ:
1 – корпус, 2 – канал для подвода топлива, 3 – вставка,
4 – вихревая камера, 5 – тангенциальный канал, 6 — сопло

Жидкое топливо из камеры, расположенной между корпусом и вставкой, попадает в камеру завихрения 4 через тангенциальные каналы 5, закручивается и в виде кольцевой струи вытекает из сопла 6. Сплошная кольцевая струя I (рис.8), вытекающая из форсунки, неустойчива и при высоких скоростях истечения распадается под действием гидродинамических сил сначала на крупные куски пленки II, а затем на мелкие капли III.

Рис.8. Схема образования капель топлива при вытекании из сопла

Изменять расходы топлива в простейшей форсунке можно, изменяя давление перед ней. Однако от перепада давлений зависит тонкость распыливания. Уменьшение расхода топлива на 60% приводит к увеличению диаметра капли в 1,85 раза. Такое распыливание неудовлетворительно.

Простейшим способом его улучшения является замена односоплового распылителя групповым, состоящим из 3—6 форсунок. При этом изменяют расход в основном отключением отдельных форсунок и регулируют давление в каждой из них в узких пределах.

Рис.9. Механическая форсунка с изменяемым сечением тангенциальных каналов:
1 – корпус, 2 – вставка, 3 – поршень, 4 – тангенциальные каналы, 5 – сопло

Усложнив конструкцию форсунки, можно изменять расход топлива, изменяя сечения тангенциальных каналов (рис.9). Во вставке 2 выполнено несколько отверстий 4 разной длины. При перемещении поршня 3 изменяется площадь их проходного сечения и, следовательно, расход топлива через форсунку.

Рис.10. Механическая форсунка с обратным сливом:
1 – корпус, 2 – вставка, 3 – клапан, 4 – камера отвода топлива,
5 – завихритель, 6 – сопло

Применяется также регулирование расхода топлива с помощью обратного слива (рис.10). В таких форсунках не все топливо, поступающее в них, попадает в камеру сгорания. Часть его из камеры 4 возвращается обратно на всас топливного насоса (на рециркуляцию).

Перемещая клапан 3, можно регулировать количество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют больших циркуляционных расходов топлива.

Рис.11. Пневматическая форсунка:
1 – корпус, 2 – ленточная резьба, 3 – вставка,
4 – отверстия для подвода топлива, 5 – зазор

В корпусе 1 пневматической форсунки (рис.11) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы ленточной резьбы 2, а внутри – отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под большим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каждый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.

Рис.12. Плотность орошения механическими (а) и пневматическими (б) форсунками

Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с конусом распыливания (рис.12,а), а пневматические — в центр факела (рис.12,б), причем по периферии его располагаются более мелкие фракции, что является преимуществом этих форсунок.

Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок.

Горелки всех типов, имеют, внутреннюю и наружную части корпуса, в кольцевое пространство между которыми подается воздух. Газ поступает через полость. Выходит воздух из горелок между лопатками.

Обычно в горелки встраивают форсунки, которые позволяют использовать также жидкое топливо.

Ссылка на основную публикацию