Форма камеры сгорания двс. Основные типы камер сгорания дизельных двигателей и их устройства. Разделенные камеры сгорания

Гидравлические потери в свою очередь можно разделить на составляющие потери: в диффузоре в кольцевых каналах на втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства ФУ на смешение струй. её объем характеризуются величиной удельной теплонапряженности Qv которая равна отношению количества тепла выделившегося в единицу времени к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС: где низшая теплотворная способность топлива Дж кг; секундный расход топлива кг с; объем жаровой трубы м; давление...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 5

КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД

В «простом» термодинамическом цикле ГТД к потоку рабочего тела подводится тепло. В ГТД этот процесс осуществляется в камере сгорания (КС). Тепло подводится за счет сгорания топлива, то есть преобразования химической энергии топлива в тепловую, при этом температура рабочего тела возрастает от значения Т * к (за компрессором) до Т * г (на входе в турбину).

Реальный процесс в КС отличается от идеального наличием потерь давления. Потери давления в КС складываются из гидравлических потерь (потерь трения) и потерь от подвода тепла к потоку рабочего тела. Гидравлические потери, в свою очередь, можно разделить на составляющие потери:

В диффузоре,

В кольцевых каналах,

На втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства (ФУ),

На смешение струй.

Кроме потерь давления процессы в КС сопровождаются потерями тепла за счет его рассеивания в окружающее пространство и за счет неполного сгорания топлива. Потери тепла в окружающее пространство по сравнению с количеством тепла, подводимым к рабочему телу, в КС ТРД составляют 0,005...0,01 %.

Экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания топлива. В современных ГТД процесс сгорания топлива в КС достаточно хорошо организован, поэтому полнота сгорания топлива в них достигает величины =0,995...0,999.

5.1. Требования к КС

К КС кроме общих требований предъявляются специфические требования. Рассмотрим их подробнее.

Минимальные габаритные размеры КС . Они влияют на продольные и поперечные размеры двигателя, и следовательно, на его массу. Обычно габариты КС (т.е. её объем) характеризуются величиной удельной теплонапряженности Q v , которая равна отношению количества тепла, выделившегося в единицу времени, к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС:

где - низшая теплотворная способность топлива (Дж / кг );

Секундный расход топлива (кг / с );

Объем жаровой трубы (м );

Давление воздуха (Па ).

Чем больше теплонапряженность при заданном расходе топлива, тем меньше объем КС. Теплонапряженность КС современных ГТД составляет (3,5...6,5)10 6 (Дж/ч·м 3 ·Па).

Высокая полнота сгорания топлива на всех режимах работы двигателя. Полнота сгорания топлива характеризуется коэффициентом полноты сгорания, под которым обычно понимают отношение количества тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива, к его теплотворной способности.

Минимальные потери полного давления в КС. Потери характеризуются коэффициентом восстановления полного давления:

В современных КС коэффициент восстановления полного давления составляет 0,94...0.96.

Широкие пределы устойчивого горения . Пределы устойчивого горения определяются условиями эксплуатации самолета. Пламя не должно гаснуть в заданном диапазоне изменения отношения топлива/воздух, давления, скорости и при попадании на вход двигателя воды, льда и посторонних предметов.

В земных условиях розжиг должен быть обеспечен в диапазоне температур от минус 40° до плюс 40 °С.

Отсутствие пульсаций давления (вибрационного горения).

Поле температур на выходе из КС. Поле температур должно в радиальном направлении иметь эпюру, определяемую предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины и соплового аппарата. Конкретный характер эпюры температур по радиусу лопатки выбирают в зависимости от конструктивных особенностей турбины (величины и формы рабочей лопатки, ее материала, способа охлаждения и т.д.).

Уровень выбросов дыма (SN (Smoke number)), несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу - оксидов азота (NOx), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (НС) - должен соответствовать международным нормам ИКАО.

На элементах конструкции КС не должен откладываться нагар .

Наземные ГТД должны иметь возможность работы на жидких и газообразных топливах самых различных сортов и должны обеспечивать повышенное удобство в техническом обслуживании и высокую ремонтопригодность.

5.2. Схемы КС

При всем разнообразии конструкций КС ее схему и происходящие в ней процессы можно представить следующим образом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Общая схема и распределение воздуха в КС:

1 - диффузор; 2 - кольцевые каналы; 3 - корпус КС; 4 - жаровая труба;

5 - отверстия первичной зоны; 6 - отверстия зоны смешения; 7 - отверстия охлаждения;

8 - топливная форсунка; 9 - фронтовое устройство; 10 - свеча зажигания

Воздух поступает из компрессора в КС с большой скоростью - в современных двигателях до 150 м / с . Потери полного давления в КС при подводе тепла к потоку, движущемуся с такой скоростью, были бы недопустимыми и достигали бы четвертой части повышения давления воздуха в компрессоре. Для снижения потерь давления и преобразования части кинетической энергии в прирост статического давления скорость воздушного потока после компрессора должна быть значительно снижена. Поэтому на всех ГТД после компрессора располагается диффузор 1. Далее воздух поступает в кольцевые каналы 2 между корпусом 3 и жаровой трубой 4, а затем в жаровую трубу. В жаровой трубе воздух распределяется по отверстиям двух условных зон - зоны горения 5 (первичная зона) и зоны смешения 6. Кроме этого, воздух также поступает в отверстия 7 для охлаждения горячих стенок жаровой трубы. Топливо подается в жаровую трубу через форсунки 8. В первичной зоне с помощью фронтового устройства (ФУ) 9 организуется зона с малыми скоростями. В этой зоне процесс горения поддерживается за счет циркуляционного течения продуктов сгорания, непрерывно поджигающих свежую топливовоздушную смесь (TBC). При запуске двигателя воспламенение TBC в КС осуществляется с помощью электрической свечи 10 или воспламенителя.

Циркуляционное течение в первичной зоне обеспечивает стабильность и эффективность горения. Отношение расхода топлива и воздуха в первичной зоне является важнейшим фактором, влияющим на процесс горения и рабочие характеристики КС. Для обеспечения устойчивого процесса горения на всех режимах работы двигателя в первичную зону подается только часть воздуха. В зависимости от способа сжигания топлива это количество воздуха может меняться. На рис. 5.1 приведено распределение воздуха в жаровой трубе для типичной КС, где 20 % воздуха поступает во ФУ, а 80 % в жаровую трубу (20 % в зону горения, 20 % в зону смешения и 40 % на охлаждение стенок). Иногда первичную зону (зону горения) разделяют на две зоны - зону циркуляции и зону догорания топлива (промежуточную зону).

В зоне смешения продукты сгорания разбавляются воздухом до требуемой температуры, тем самым на выходе из КС формируется стабильное и оптимальное поля температур для обеспечения работоспособности турбины.

5.2.1. Основные схемы КС

В зависимости от назначения ГТД наземного применения, вида используемого топлива, параметров рабочего цикла и тепловой схемы применяются КС различных конструкций. С точки зрения расположения на двигателе КС можно условно разделить на две группы: выносные и встроенные.

Выносные КС размещаются в отдельном силовом корпусе с одной жаровой трубой параллельно или под углом к продольной оси ГТД (рис. 5.3).

Рис. 5.3. КС двигателя фирмы «Rolls-Royce»:

1 - жаровая труба; 2 - газосборник; 3 - турбина высокого давления; 4 - завихритель;

5 - форсунка; 6 - воспламенитель; 7 - диффузор; 8 - воздушный канал

Здесь каждая жаровая труба 1 имеет наружный силовой корпус 2, который легко отсоединяется от общего корпуса КС. Благодаря этому жаровую трубу можно извлечь и осмотреть, а также можно осмотреть сопловой аппарат первой ступени турбины. Жаровая труба телескопически соединена с газосборником 3, который закреплен с помощью опоры 4. Жаровая труба имеет фронтовое устройство 5 с топливной форсункой 6 и свечу зажигания 7. Для обеспечения равномерной подачи воздуха в жаровую трубу и улучшения условий охлаждения ее стенки предусмотрен дефлектор 8. Часть воздуха 9 после компрессора поступает в жаровую трубу в качестве охлаждающего воздуха 10.

Выносные КС с отдельными жаровыми трубами удобно обслуживать и ремонтировать, они проще в доводке, удешевляют разработку различных устройств, уменьшающих образование вредных выбросов. Кроме этого, длинные газосборники между жаровыми трубами и турбиной создают хорошие условия для перемешивания продуктов сгорания. К недостаткам выносных КС можно отнести большие размеры с развитой поверхностью охлаждения и более сложные условия для компенсации тепловых расширений газосборников.

Встроенные КС позволяют уменьшить общие габариты и массу ГТД, снизить количество модулей.

Наибольшее распространение в ГТД получили три схемы КС - трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые.

В трубчатой КС каждая жаровая труба имеет отдельный корпус и образует индивидуальную трубчатую КС (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Трубчатая КС:

1 - внутренний корпус двигателя; 2 - корпус; 3 - фланец соединения с компрессором;

4 - пламеперебрасывающая муфта; 5 - дренажная труба; 6 - противопожарная перегородка; 7 - форсунка; 8 - коллектор первого контура; 9 - коллектор второго контура;

10 - диффузор; 11 - заборник первичного воздуха

В ГТД КС такой схемы выполняют в виде блока из нескольких индивидуальных трубчатых КС. Трубчатая КС с индивидуальными трубчатыми КС, расположенными вокруг внутреннего корпуса 1 двигателя. Корпуса 2 каждой индивидуальной КС соединяются с выходом компрессора при помощи фланца 3. Между собой корпуса индивидуальных КС и жаровые трубы соединены муфтами 4 для переброса пламени при розжиге TBC и выравнивания давления между жаровыми трубами. Кроме того, корпуса КС соединены между собой дренажными трубами 5 для слива топлива при неудавшемся запуске двигателя.

Топливо в КС подается через форсунки 7. Топливо к форсункам подается через коллектор 8 первого контура и коллектор 9 второго контура. На входе в КС расположен диффузор 10.

Трубчато-кольцевая КС также состоит из нескольких отдельных жаровых труб и газосборников, но располагаются они в общем кольцевом канале между корпусами. На рис. 5.3 показана трубчато-кольцевая КС.

Рис. 5.3. Трубчато-кольцевая камера сгорания:

1 - наружный корпус КС; 2 - внутренний корпус КС; 3 - жаровая труба; 4 - наружное кольцо газосборника; 5 - внутреннее кольцо газосборника; 6 - силовая стойка;

7 - наружное кольцо диффузора; 8 - внутреннее кольцо диффузора; 9 - полость отборов воздуха; 10 - фланцы отбора воздуха; 11 - форсунка; 12 - топливный коллектор первого контура; 13 - топливный коллектор второго контура; 14 - трубопроводы подвода топлива к форсунке; 15 - свечи зажигания; 16 - пламеперебрасывающий патрубок;

17-пламеперебрасывающая муфта; 18 - подвеска жаровой трубы; 19 - отверстия первичной зоны; 20 - отверстия зоны смешения; 21 - рамочный фланец жаровой трубы;

22 - сопловой аппарат ТВД; 23 - перепускная труба; 24 - лючок осмотра

КС комбинированного типа с двенадцатью жаровыми трубами и кольцевым газосборником. Применение кольцевого газосборника отличает представленную КС от обычных схем трубчато-кольцевых КС с индивидуальными газосборниками.

Наружный 1 и внутренний 2 корпусы образуют кольцевой канал, в котором располагаются жаровые трубы 3 и кольцевой газосборник, состоящий из наружного 4 и внутреннего 5 колец. Кроме того, наружный и внутренний корпусы вместе со скрепляющими их двенадцатью силовыми стойками 6 входят в силовую схему двигателя. На входе в КС наружное кольцо 7 и внутреннее 8 диффузора образуют кольцевой диффузорный канал с безотрывным течением в начальном участке и с внезапным расширением потока на выходном участке. Наружное кольцо 7 диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 9, з которой через фланцы 10 осуществляется отбор воздуха на агрегаты системы автоматического регулирования двигателя.

На корпус КС устанавливается двенадцать топливных форсунок 17, коллекторы первого 12 и второго 13 контуров с двадцатью четырьмя трубопроводами 14 подвода топлива к форсункам. Для розжига TBC в КС в двух жаровых трубах установлены по одной свече зажигания 15. Воспламенение топлива в других жаровых трубах происходит через пламеперебрасывающие патрубки 16, соединенные пламеперебрасывающими муфтами 17.

Жаровые трубы фиксируются от перемещения в радиальном направлении в передней части при помощи форсунок, а в задней - опираются на кольца газосборника. В осевом направлении десять из двенадцати жаровых труб фиксируются при помощи подвесок 18, а две жаровые трубы - при помощи свечей зажигания. В стенках жаровых труб выполнено два ряда отверстий 19 и 20 для подвода воздуха в первичную зону и зону смешения, соответственно. По боковым поверхностям фланцев 21 жаровые трубы стыкуются между собой, а по верхним и нижним поверхностям телескопически сопрягаются с кольцами газосборника. Кольца газосборника образуют кольцевой канал, в котором происходит формирование на выходе из КС газового потока с наименьшей неравномерностью температур и давлений по окружности и необходимой радиальной эпюрой. Задняя часть кольца газосборника наружного является корпусом соплового аппарата 22 ТВД.

На фланцы наружного корпуса установлены двенадцать перепускных труб 23, которые проходят через проточную часть КС и вставляются во втулки на корпусе внутреннем. Через перепускные трубы проходят трубопроводы масляной, воздушной и суфлирующей систем двигателя, а также сообщается с наружным контуром полость, расположенная под корпусом внутренним. Для эндоскопического контроля КС на наружном корпусе расположены двенадцать лючков 24.

В кольцевой КС (рис. 5.4) между образующими кольцевой канал наружным 1 и внутренним 2 корпусами устанавливается одна жаровая труба 3.

Корпуса КС вместе с направляющим аппаратом 4 компрессора входят в силовую схему двигателя. На выходе из направляющего аппарата компрессора установлено кольцо диффузора наружное 5, которое вместе со стенкой внутреннего корпуса образует кольцевой диффузор.

Рабочий объем жаровой трубы представляет собой кольцевое пространство между наружной 6, внутренней 7 стенками и фронтовой плитой 8.

Рис. 5.4. Кольцевая КС:

1 - наружный корпус; 2 - внутренний корпус; 3 - жаровая труба; 4 - направляющий аппарат компрессора; 5 - кольцо диффузора наружное; 6 - наружная стенка жаровой трубы; 7 - внутренняя стенка жаровой трубы; 8 - фронтовая плита; 9 - подвеска жаровой трубы; 10 - пояс системы охлаждения; 11 - отверстия перфорации; 12 - отверстия подвода воздуха в первичную зону; 13 - отверстия зоны смешения; 14 - козырек; 15 - втулка;

16 - топливная форсунка; 17- топливный коллектор; 18 - полость отборов воздуха;

19 - фланец отбора воздуха; 20 - внутренняя стенка наружного корпуса; 21 - сопловой аппарат турбины

От перемещения вдоль оси двигателя жаровая труба зафиксирована подвесками 9. Стенки жаровой трубы изготовлены точением. Воздух на охлаждение стенок подается через несколько поясов отверстий 10. Кроме того, для местного охлаждения в стенках имеется перфорация 11 из мелких отверстий. Для организации горения воздух в жаровую трубу поступает во ФУ, в отверстия 12 первичной зоны и отверстия 13 зоны смешения. Для увеличения пробивной способности струй воздуха в отверстия установлены козырьки 14 и втулки 15. Топливо в КС подается через форсунки 16 с воздушным pacпылом. Топливо к форсункам поступает по коллекторам 17. Наружное кольцо диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 18, из которой через фланцы 19 отбирается воздух.

Наружный корпус КС имеет двойную стенку. Внутренняя стенка 20 образует проточную часть КС и предохраняет наружную стенку от потока тепла от горячей жаровой трубы. Наружная стенка корпуса - силовая. Она воспринимает усилия от внутреннего давления и осевых сил. Между стенками корпуса проходит воздух, отбираемый из КС, на охлаждение турбины.

Кроме рассмотренных основных схем существует большое количество КС, которые имеют особенности конструкции для удовлетворения требований, предъявляемых к конкретной КС.

Так, по конструкции ФУ жаровых труб различают КС испарительные и многофорсуночные .

Испарительные КС отличаются от обычных только наличием специального испарительного устройства, в которое форсункой подается топливо и небольшое количество воздуха, чтобы TBC не воспламенилась в испарительном устройстве.

В зависимости от направления проходящего через КС потока, они делятся на прямоточные , (все рассмотренные выше) и противоточные , в которых поток меняет свое направление.

В промышленных ГТД широкое применение находят трубчато-кольцевые КС, поскольку в данном случае одно из первых мест занимает требование по эксплуатационной технологичности (возможности замены узлов КС в эксплуатации вплоть до замены жаровых труб).

5.3. Основные конструктивные элементы КС

КС состоит из следующих основных конструктивных и функциональных элементов: диффузора, жаровых труб, форсунок, корпусов, системы зажигания. Несмотря на общность функций, существует большое разнообразие конструктивных исполнений КС и составляющих элементов. Каждое техническое решение имеет объективные обоснования. Немаловажное значение имеют традиции и опыт фирм-разработчиков.

Конструкцию КС разрабатывают на основе выбранной схемы и исходных данных. К исходным данным относятся:

Данные, определенные проектировочным расчетом КС;

Параметры диффузора;

Размеры жаровой трубы и воздушных каналов;

Количество форсунок;

Расположение основных отверстий для подвода воздуха в жаровую трубу;

Распределение воздуха по жаровой трубе;

Присоединительные размеры проточной части и корпусов компрессора и турбины;

Силовая схема двигателя (расположение подшипниковых опор);

Схема вторичных потоков двигателя (прохождение через КС трубопроводов, обеспечивающих работу опор двигателя, системы охлаждения и др.);

Требования к креплению двигательных агрегатов и узлов на корпусе КС.

5.3.1. Диффузор

Диффузор представляет собой расширяющийся канал, в котором скорость потока снижается и часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную, что выражается приростом статического давления.

Диффузоры должны удовлетворять следующим требованиям:

Иметь минимальные гидравлические потери;

Иметь минимальную длину;

Обеспечивать устойчивое поле скоростей и давлений перед входом в жаровую трубу (т.е. отсутствие отрыва потока).

В трубчатых КС диффузоры выполняются в виде индивидуальных для каждой жаровой трубы патрубков с изоградиентным увеличением площади проходного сечения.

В трубчато-кольцевых и кольцевых КС ранее применялись диффузоры 1 в виде профилированных кольцевых каналов, образованных наружным 2 и внутренним 3 корпусами КС, также с изоградиентным изменением площади (рис. 5.5, а). Такие диффузоры обеспечивают наименьшие потери полного давления, наиболее равномерное поле скоростей на выходе, но имеют достаточно большую длину. Еще одним недостатком таких диффузоров является то, что они не могут работать без отрыва потока на всех режимах работы двигателя.

Для обеспечения требуемых расходов воздуха в каналах кольцевых КС и одинакового перепада давления на наружной и внутренней стенках жаровой трубы перед входом в жаровую трубу 4 в диффузорах кольцевых КС устанавливают обтекатели 5, которые разделяют поток по наружному и внутреннему кольцевым каналам (рис. 6.29, б), или выполняют двухканальные диффузоры с разделителем 6 потока (рис. 6.29, в).

Рис. 5.5. Диффузоры КС:

а - с изоградиентным изменением площади; б - с разделителем потока;

в - двухканальный с фиксированным отрывом потока;

1 - диффузор; 2 - корпус наружный; 3 - корпус внутренний; 4 - жаровая труба;

5 - обтекатель; 6 - разделитель потока

В современных конструкциях КС все большее предпочтение стали отдавать ступенчатым диффузорам. Такой диффузор имеет два характерных участка (рис. 5.5, г): относительно короткий участок с плавным расширением проточной части - преддиффузор 1 (участок с безотрывным течением) и участок с внезапным расширением 2 (участок со стабилизированным отрывом потока). К преимуществам ступенчатого диффузора по сравнению с обычным плавным диффузором можно отнести его небольшую длину и слабую чувствительность к изменению структуры потока на входе. При этом, однако, он имеет несколько повышенные потери.

5.3.2. Жаровая труба

После выбора схемы КС при выполнении проектировочных расчетов определяются основные параметры жаровой трубы, которые служат исходными данными для разработки её конструкции. К ним относятся:

Объем жаровой трубы;

Распределение воздуха по длине жаровой трубы (площади проходных сечений фронтового устройства, количество и размеры отверстий зоны горения и смешения, количество поясов охлаждения и количество отверстий по поясам);

Количество форсунок и фронтовых устройств;

Тип фронтового устройства;

Тип системы охлаждения.

Жаровая труба в трубчатых и трубчато-кольцевых КС как правило состоит из двух частей - собственно жаровой трубы и газосборника (рис. 5.6).

Рис. 5.6 Жаровая труба:

а – тубчато-кольцевой КС: 1 - фронтовое устройство; 2 - обтекаемая головка;

3 - система охлаждения; 4 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения;

5 - кронштейн; 6 - пламеперебрасывающий патрубок;

б – кольцевой КС: - фронтовое устройство; 2 - наружная кольцевая стенка; 3 - внутренняя кольцевая стенка; 4 - фронтовая плита; 5 - обтекатель; 6 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения; 7-кронштейн.

В передней части жаровой трубы расположено ФУ 1 (рис. 5.6, а). Далее по длине жаровой трубы располагается обтекаемая головка 2, за ней стенка, состоящая из секций и гофрированных колец, сваренных между собой точечной сваркой.

В конструкции жаровой трубы применена пленочная система охлаждения. На поверхности жаровой трубы выполняют отверстия для подвода воздуха в зону горения и в зону смешения. От осевых перемещений жаровая труба фиксируется за корпус КС с помощью кронштейна 5. Кронштейн расположен в передней части рядом с ФУ и форсункой, чтобы уменьшить влияние тепловых перемещений жаровой трубы относительно форсунки для обеспечения стабильных параметров распыла и перемешивания топлива с воздухом в ФУ. Для переброса пламени из одной жаровой трубы в другую в момент розжига трубы соединены между собой пламеперебрасывающими патрубками 6 и муфтами.

Газосборники в трубчатых КС выполняют для каждой жаровой трубы отдельно, а в трубчато-кольцевых КС они могут быть как отдельными, так и кольцевыми, в которые вставляются все жаровые трубы двигателя по кольцу. Для компенсации температурных расширений жаровые трубы соединяются с газосборником с помощью телескопического соединения. Задним фланцем газосборники обычно крепятся за корпус первого соплового аппарата турбины. Стенки газосборника оснащают системой охлаждения.

Жаровая труба (рис. 5.6, б) состоит из фронтового устройства 7, наружной 2 и внутренней 3 кольцевых стенок, фронтовой плиты 4. Для снижения гидравлического сопротивления и необходимого распределения воздуха по кольцевым каналам в передней части жаровой трубы расположен обтекатель 5.

На стенках выполнена система охлаждения. На наружной и внутренней стенках выполнены отверстия 6, для подвода воздуха в зоны горения и смешения. От осевых и радиальных перемещений жаровая труба закрепляется за корпус КС с помощью нескольких кронштейнов 7. Соединение с корпусом coплового аппарата выполняется телескопическим для компенсации тепловых расширений.

Для изготовления жаровых труб и газосборников применяют следующие материалы:

Нержавеющую сталь - до температуры 800 °С;

Жаростойкие сплавы на никелевой и хромистой основе - до температуры 900...1100 °С.

5.3.2.1. Фронтовые устройства

Практически все известные КС имеют свои, отличающиеся по конструкции ФУ.

Классическими примерами ФУ в виде плохо обтекаемых тел являются щелевая головка жаровой трубы 1 и конические насадки 2, устанавливаемые в передней части жаровой трубы (рис. 5.7). Такие ФУ имеют повышенные гидравлические сопротивления, в них недостаточно полно происходит смесеобразование, вследствие чего получаются сравнительно невысокая полнота сгорания и высокий уровень эмиссии.

Одним из способов получения в первичной зоне КС однородной TBC является использование испарительных ФУ (см. рис. 5.7).

В ФУ с осевым 4 или радиальным 5 лопаточными завихрителями (см. рис. 5.7) размеры зоны обратных токов определяются степенью крутки потока. Степень крутки потока зависит от скорости истечения воздуха из завихрителя и угла установки лопаток. Гидравлические потери в завихрительных ФУ значительно ниже, чем в щелевых и конусных.

Рис. 5.7. Фронтовые устройства КС:

1 - щелевая головка; 2 - конический насадок; 3 - испарительное ФУ;

4 - осевой лопаточный завихритель; 5 - радиальный лопаточный завихритель;

6 - комбинированное завихрительное ФУ; 7 - струйный завихритель; 8 - сопловой насадок

В настоящее время в КС в основном применяются комбинированные 6 завихрительные ФУ. В них помимо функции стабилизации пламени обеспечивается предварительная подготовка TBC (распыливание, смешение до нужной концентрации и степени однородности).

Современные завихрительные ФУ состоят из двух и более осевых, струйных 7 и (или) радиальных завихрителей и сопловых насадков 8 различной конфигурации (рис. 5.7). С помощью таких ФУ можно обеспечить практически все предъявляемые в настоящее время требования.

Одно из основных требований к КС, которое обеспечивается в основном с помощью ФУ - широкие пределы устойчивого горения.

Принцип работы ФУ рассмотрим на примере работы типичного ФУ, образованного лопаточным завихрителем 7 и переходным конусом 2 между завихрителем и цилиндрической частью жаровой трубы. Схематично структура потока, образующаяся за подобным ФУ, показана на рис. 5.8.

Физическая основа стабилизации пламени заключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, которая образуется за счет эжекции газа конической струей воздуха 3, созданной завихрителем. Отток газа изнутри конической струи компенсируется его добавлением из участков, расположенных несколько дальше от ФУ. Вследствие этого образуется зона обратных токов 4, в которой часть горячих газов движется навстречу основному потоку воздуха. Распыленное топливо 5 подается форсункой 6 в зону обратных токов.

Рис. 5.8. Структура потока и стабилизация пламени за фронтовым устройством камеры ГТД:

1 - лопаточный завихритель; 2 - переходный конус; 3 - коническая струя воздуха;

4 - зона обратных токов; 5 - топливный конус; 6 - форсунка; 7 - зона стабилизации пламени; 8 - граница зоны обратных токов; 9 - эпюра осевых скоростей;

10 - эпюра давлений; 11 - линии токов

Структура потока в головной части жаровой трубы, представленная на рис. 5.8 с помощью эпюры скоростей 9, эпюры давлений 10 и линий токов 77, как при холодной продувке, так и на работающей КС качественно одинакова.

5.4. Топливные форсунки

Среди большого многообразия конструкций форсунок наибольшее распространение в основных КС ГТД получили центробежные форсунки.

Схема простейшей центробежной форсунки приведена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Схема центробежной форсунки:

1 - тангенциальные каналы; 2 - камера закручивания;

3 - сопло; 4 - воздушный вихрь

Топливо в такой форсунке поступает в тангенциальные каналы 1 камеры закручивания 2 и приобретает начальную закрутку. В камере закручивания при уменьшении диаметра крутки увеличивается окружная составляющая скорости, возникают значительные центробежные силы. В выходном сопле 3 образуется тонкая пленка кольцевого сечения, которая на выходе из форсунки распадается на мельчайшие капли, создающие коническую пелену распыленного топлива. Вдоль оси форсунки при этом образуется воздушный (газовый) вихрь 4. Чем выше скорость топлива на выходе из сопла форсунки, тем более мелкими получаются капли, и тем caмым достигаются более выгодные условия для создания однородной TBC.

Величина скорости топлива на выходе из сопла определяется перепадом давления на форсунке. В общем виде перепад давления и расход топлива через форсунку связаны соотношением:

G T = K (Δ P ) 0,5

где К - коэффициент расхода, учитывающий геометрические параметры форсунки и размерность величин G T и Δ P ,

Δ P - перепад давления на форсунке.

Применяемые в настоящее время топливные насосы обеспечивают максимальное давление перед форсунками, примерно равное 75...80 кг / см 2 .

Пример конструкции центробежной двух-контурной двухсопловой форсунки двигателя ПС-90А приведен на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Форсунка:

1 - корпус форсунки; 2 - стакан; 3 - кожух обдува торцев распылителей; 4 - распылитель второго контура;

5 - распылитель первого контура; 6 - переходник-распылитель топлива;

7 - уплотнительное кольцо;

8 - трубка; 9 - втулка; 10- втулка; 11 - пайка; 12 - уплотнительное кольцо; 13 - теплоизоляция;

14 - кожух теплозащитный;

15 - штуцер первого контура;

16 - штуцер второго контура;

17- топливные фильтры;

18 - топливный канал первого контура; 19 - топливный канал второго контура

Форсунка состоит из корпуса 7, стакана 2, сваренного с кожухом 3, который направляет воздух для обдува торцев распылителей. Стакан с помощью резьбы прижимает к корпусу с большим моментом затяжки пакет элементов подачи топлива: распылитель 4 второго контура, распылитель 5 первого контура, переходник-распределитель 6 топлива и уплотнительное кольцо 7. Резьбовое соединение загерметизировано электронно-лучевой сваркой. Разделение топливных каналов внутри корпуса выполнено при помощи трубки 8 и втулок 9 и 10. Уплотнение трубки 8 и втулки 9 с корпусом сделано высокотемпературной пайкой 77, а втулки 10 - аргонно-дуговой сваркой и уплотнительным кольцом 12 из терморасширенного графита. Корпус форсунки снаружи теплоизолирован стеклотканью 13, которая защищена от воздушного потока кожухом 14. В штуцерах 15 и 16 соответственно первого и второго контура установлены фильтры 17. Для исключения коксования топлива в малорасходном первом контуре его канал 18 практически на всем протяжении выполнен внутри канала 19 большерасходного второго контура.

5.5. Системы зажигания ГТД

Для воспламенения TBC в КС двигателя применяется система зажигания.

Система зажигания обеспечивает:

Первоначальное воспламенение TBC при запуске двигателя;

Подвод тепловой энергии к TBC при работе в тяжелых климатических условиях (осадки, туман, сильный ветер и т.п.), на максимальных или аварийных режимах, а также по командам с пульта управления.

Система зажигания двигателя состоит, как правило, из одного - двух агрегатов зажигания (рис. 5.11), двух свечей (рис. 5.12), низковольтных и высоковольтных проводов с устройствами их подключения к агрегатам и свечам зажигания.

Рис. 5.11. Агрегат зажигания:

1 - соединитель «Питание»; 2 - соединитель «Контроль»; 3 - разъемы для подключения высоковольтных проводов; 4 - кронштейн; 5 - корпус; 6 - крышка

Кроме общих требований к системам зажигания предъявляются дополнительные требования:

Надежность воспламенения TBC в заданной области эксплуатации;

Взрывобезопасность.

Рис. 5.12. Свеча зажигания в защитном кожухе:

1 - центральный электрод; 2 - боковой электрод; 3 - изолятор; 4 - корпус свечи зажигания; 5 - шестигранник; 6-защитный кожух; 7 - фланец; 8 - разрядная полость; 9 - отражатель кожуха; 10 - окно для забора воздуха

Всего в мире производится более 190 типов систем зажигания, которые можно классифицировать следующим образом:

По назначению (для запуска двигателя на земле и в полете);

По принципу действия (емкостные, плазменные, лазерные);

По питающему току (на постоянном токе, на переменном токе);

По источнику питания (от автономного источника питания - электромашинный генератор или аккумуляторная батарея);

По режиму работы (длительный, повторно-кратковременный, двухрежимный с различными уровнями разрядной энергии);

По величине напряжения, поступающего от агрегата зажигания на свечи (низковольтные - выходное напряжение агрегата зажигания от 2 до 10 кВ, высоковольтные - выходное напряжение агрегата зажигания более 10 кВ);

По накопленной энергии (малой энергии - до 10 Дж, большой энергии - более 10 Дж);

По количеству каналов (одноканальные, двухканальные);

По типу используемых свечей зажигания (со свечами накаливания, с искровыми свечами);

По способу включения свечей зажигания в разрядную цепь (с параллельным включением свечей зажигания, с последовательным включением свечей зажигания);

По способу воспламенения камеры сгорания (с воспламенением КС непосредственно от свечи зажигания - с непосредственным воспламенением, с воспламенением КС пусковым воспламенителем);

По способу получения искрового разряда (с разрядником; с тиристорным коммутатором энергии);

По управляемости агрегата зажигания (управляемый, со встроенной системой контроля, неуправляемый);

По типу разряда свечи зажигания (колебательный, апериодический).

Системы зажигания некоторых ГТД имеют в своем составе пусковые воспламенители (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Воспламенитель:

1 - свеча зажигания; 2 - форсунка; 3 - камера сгорания

Пусковой воспламенитель состоит из свечи 1 зажигания, форсунки 2 и камеры 3 сгорания, собранных в одном корпусе. Распыленное форсункой топливо смешивается в камеpe сгорания воспламенителя с воздухом, полученная TBC поджигается от свечи зажигания.

Образованный пусковым воспламенителем факел пламени направляется в КС двигателя. Эффективность работы воспламенителя зависит от места его расположения на КС, а также от температуры и глубины проникновения факела внутрь жаровой трубы. Пусковой воспламенитель устанавливается таким образом, чтобы его факел попадал в область жаровой трубы, где концентрация топлива достаточно высокая, а скорость слоя сносящего потока воздуха наименьшая.

PAGE \* MERGEFORMAT 12

Главное достоинство дизельных двигателей - это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах заметно дешевле бензина.

К числу недостатков дизеля по сравнению с бензиновыми двигателя ми относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.

Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные .

Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателям и с непосредственным впрыском.

Дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно - высокий уровень шума.

Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре - так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных дизельных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном. В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте дизельных двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки дизельного двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и прокруткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.

Пуск дизельного двигателя:

У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой.

Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателей с непосредственным впрыском.

Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания. Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.

В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а бензиновые двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализатор ами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.

Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами:

Первый из них - низкая эффективность каталитических нейтрализаторов . Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО.

Второй фактор - повышенный выброс на некоторых режимах , особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий - частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели - ограничение выброса углеводородов и твердых частиц.

Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей следующие:

Низкое качество топлива,

Нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива),

Повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы,

В двигателях с турбонаддувом - слишком низкое давление наддува.

Одна из главных характеристик дизельного топлива - это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению.

Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания.

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.

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.

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.

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
• разделенные

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.

Конструкция корпуса камеры.

Конструкцию камеры двигателя (рис. 6.1) технологически можно разделить на две части: корпус 1 и смесительную (форсуночную) голов­ку 2.

Корпус состоит из цилиндрической части 3 и сопла 4.

Исходными данными для конструирования камеры являются преж­де всего геометрические размеры и газодинамический профиль (рис. 6.2), которые определяются при газодинамическом расчёте. Затем производит­ся расчет смесеобразования и форсунок, расчет тепловых потоков и решаются задачи теплозащиты стенки, выбираются основные материалы.

Большинство камер ЖРД имеет наружное охлаждение, при кото­ром осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, об­разованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания и сопла. С ростом давления в камере и повышением энергетических характеристик двигателя для обеспечения надежной теп­лозащиты стенок камеры требуется интенсификация наружного про­точного охлаждения. Это достигается увеличением скорости течения. охладителя, развитием теплоотдающей поверхности стенки с помощью её оребрения, турбулизацией потока, например путём создания искусственной шероховатости тракта. Кроме того, при интенсивном наружном охлаждении требуется, чтобы внутренняя стенка была достаточно тонкой и изготовлена из теплопроводных,материалов, например, из медных сплавов.

Однако с повышением давлений в камере и охлаждающем тракте, которые доходят до десятков мегапаскалей, очень сложно обеспечить высокую прочность конструкции при тонкой стенке из теплопроводных, как правило, малопрочных материалов.

Поэтому наиболее сложным этапом создания камеры является проек­тирование и разработка конструкции охлаждающего тракта, который име­ет много разных форм и силовых связей. Заметим, что от конструкции охлаждающего тракта зависит облик всей конструкции камеры, ee прочность, надежность охлаждения и массовые характеристики. Таким образом, самым главным элементом конструкции камеры сгорания является конструкция охлаждающего тракта. Наиболее простым является охлаждающий тракт, выполненный в виде гладкого щелевого канала, образованного зазором между внутренней и наружной оболочками (рис. 6.3, а и 6). Однако при малом количестве охладителя для обеспечения требуемой скорости те­чения необходимо иметь очень малый зазор щели – меньше 0,4…0,5 мм, что технически выполнить очень трудно. Кроме того, при большом давле­нии в охлаждающем тракте, тонкая внутренняя оболочка легко теряет ус­тойчивость - деформируется из-за недостаточной ее жесткости.

От этих недостатков избавлены охлаждающие тракты с так называ­емыми связанными оболочками, т.е. прочно скрепленными. Впервые их разработал известный советский конструктор А.М. Исаев в 1946 г. (двига­тели У-400 и У-1250). Конструктивных схем охлаждающих трактов со свя­занными оболочками имеется в настоящее время много.

На рис. 6.3, в показан тракт, образованный соединением оболочек электросваркой по специальным выштамповкам - круглым или овальным, выполненным на наружной оболочке.

На рис. 6.4 оболочки соединены пайкой либо через ребра, выфрезеро­ванные на внутренней оболочке (рис. 6.4, а), либо пайкой через специаль­ные гофрированные проставки (рис. 6,4, 6).

В американских двигателях распространены трубчатые конструкции камер. В них корпус камеры сгора­ния и сопла набирается из специальных тонкостенных (до 0,3…0,4 мм) профилированных трубок, изготовленных из теплопроводных материалов, часто на никелевой основе. Трубки соединяются между собой пайкой (рис. 6.5). Для обеспечения прочности трубчатых камер снаружи устанавливаются специальные силовые бандажи, как на отдельных участках, так и в виде сплошной силовой. В некоторых случаях трубки могут размещаться в два слоя. Разновидностью трубчатой конструкции может служить использование U-образных профилей, припаянных к силовой наружной оболочке.

В качестве охладителя в современных двигателях используются окис­литель или горючее, либо оба компонента. Кроме того, для удобства ком­поновки, уменьшения длины подводящих охладитель трубопроводов, а также снижения гидравлического сопротивления охлаждающего тракта охладитель иногда разделяют на несколько расходов, каждый из которых охлаждает какую-либо часть камеры сгорания или сопла. Особенно это характерно при использовании в качестве охладителя водорода. Причем часто для охлаждения камеры вполне достаточно только одной его части расхода. На рис. 6.6 показаны некоторые схемы подвода охладителя в охлаждающий тракт камеры.

Схема а - наиболее простая - весь расход охладителя проходит от среза сопла к головке камеры сгорания. В схеме б концевая часть сома охлаждается частью расхода, так как здесь более низкие тепловые потоки. Эта схема позволяет несколько снизить гидравлические потери в охлаж­дающем тракте, массу и габаритные размеры камеры уменьшением дли­ны подводящих трубопроводов и применением менее габаритного коллектора. Схемы в и г - конструктивно более сложные, но позволяют так­же уменьшить длину подводящих трубопроводов, снизить гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта, подавать в области с наибольшими тепловыми потоками (дозвуковая и критическая части сопла) охлади­тель с более низкой температурой.

Схема д - Противоположна схеме а. Здесь охладитель поступает в охлаждающий тракт со стороны смесительной головки. Достоинство схе­мы - уменьшение длины подводящих трубопроводов. Эта схема особен­но хорошо компонуется при трубчатой конструкции камеры. В этом слу­чае охладитель по одной части трубок направляется к срезу сома, а по другой - возвращается к смесительной головке. .

Важным конструктивным элементом камеры является обеспечение равномерного втекания охладителя в охлаждающий тракт по его пери­метру. Для этого устраивают специальные входные коллекторы (рис. 6.7) .

Одно наружное проточное охлаждение камеры не всегда может обес­печить необходимый для надежной работы температурный режим стен­ки на всем ее протяжении. Поэтому, как правило, наряду с наружным охлаждением применяют и внутреннее охлаждение. Оно осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа (заградительное охлаждение) или жидкой пленки (завесное охлаждение) на отдельных участках внутренней поверхности стенки.

Заградительное охлаждение стенки осуществляется соответствующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на перифе­рии головки. В этом случае в пристеночном слое создается избыток ка­кого-либо компонента (обычно горючего), что приводит к понижению температуры продуктов сгорания возле стенки. Завесное охлаждение реализуется подачей жидкого компонента (обычно горючего) непосред­ственно на внутреннюю поверхность стенки через отверстия и щели в спе­циальной конструкции - поясе завесы охлаждения. Жидкая пленка и продукты ее разложения, двигаясь по стенке, хорошо ее защищает от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания.

Наиболее распространенной конструкцией охлаждающих трактов являются каналы, образованные ребрами (см. рис. 6.4, а) или гофрирован­ными проставками (см. рис. 6.4, б). При таких конструкциях трактов оболочки имеют большое число связей, которые обеспечивают повышен­ную жесткость и прочность камеры. Минимальный шаг между связями t min определяется технологией производства, а максимальный t max - проч­ностью. Уменьшение высоты охлаждающего тракта δ охл часто использу­ется для повышения скорости течения охладителя. Однако из техноло­гических соображений сделать высоту тракта δ охл меньше 1,5 ... 1,8 мм не рекомендуется, так как при пайке может произойти перекрытие сечения канала припоем. Поэтому для повышения скорости течения охладителя, чтобы не уменьшать высоты канала, применяют спиральные винтовые связи (рис. 6.8). Если θ - угол наклона ребер с осью камеры, то скорость течения охладителя W охл ≈ 1/cosθ. Подбирая угол наклона ребер, можно в определенных пределах влиять на скорость течения.

Учитывая, что в соответствии с газодинамическим профилем диаметр сечения сопла непрерывно изменяется, а число связей на определенном участке должно оставаться постоянным, то в соответствии с изменением диаметра сечения сопла будет изменяться на участке и шаг между связя­ми (рис. 6.9).

а) при тракте с ребрами t min = 2,5 мм, t max = 4 ... 6 мм - при пайке твердыми припоями. при диф­фузионной пайке tmin = 2 мм, при­чем допустимую высоту охлаждаю­щего тракта здесь можно снизить до 8 0х כ = 1,2 .. .1,5 мм. Минимальная толщина ребер 8 р = 1 мм;

б) при тракте с гофрами t min =3,5, t max = 5 ... 7 мм. Минимальная толщина гофра 8 г =0,3 мм.

Таким образом, число связей вдоль камеры постоянно будет Изменять­ся, причем при ребрах - ступенями (рис. 6.11, а), а при гофрах _ отдель­ными секциями (рис. 6. 11, б). Технология Изготовления ребер фрезеро­ванием требует удвоения числа ребер в каждой следующей секции: преды­дущие ребра не прерываются, а между ними фрезеруются новые. Число связей - гофр - в соседних секциях произвольное, лишь в начале каждой секции должно быть t ≥ t min , а в конце - t≤ t max.

Естественно, выбор максимальных значений шага между ребрами или гофрами на каждой секции или участке должен быть обоснован прочностными расчетами.

Для одновременного удовлетворения требований надежного охлажде­ния и Прочности внутреннюю стенку камеры сгорания часто приходится изготавливать из разных материалов. Например, на наиболее теплонапряженных участках дозвуковой и критической частей сопла для стенки применяют медные сплавы, а на остальных сталь.

Наконец, сравнивая два вида связей оболочек - с ребрами и гофра­ми, можно отметить следующее.

1. Ребра имеют только один спай - с наружной оболочкой, в то вре­мя как у гофров - два спая, с наружной и внутренней стенками. Учиты­вая, что последний спай "горячий", то, естественно, его прочность меньше "холодного". Следовательно, при использовании гофров прочность связи оболочек при прочих равных условиях будет меньше, чем при применении ребер.

2. Производство ребер путем их фрезерования на внутренней оболоч­ке много проще и надежнее, чем изготовление гофрированных секций.

З. Качество соединения стенки, спаянной с ребрами, легче проконтро­лировать (например, легче расшифровать снимки, полученные на рент­геновской установке). Это объясняется тем, что при гофрах эта работа сильно усложняется из-за накладки одного и другого рядов спаев, а также из-за деформации и перемещения гофров при сборке, вакуумировании, пайке и т.п.

4. При уменьшении шага между ребрами и гофрами гофры в большей степени загромождают проходное сечение охлаждающего тракта, чем реб­ра. Это хорошо видно из рис. 6.12. Заметим, что под коэффициентом загромождения понимается отношение площадей сечения "свободного" охлаждающего тракта, т.е. без загромождающих элементов, к реальному, т.е. загроможденному сечению данного тракта той же высоты.

Большое загромождение проходного сечения охлаждающего тракта требует для обеспечения заданной скорости течения охладителя соответ­ствующего увеличения высоты охлаждающего тракта, что, естественно, увеличит массу камеры. Кроме того, охлаждающий тракт с большим за­громождением будет иметь и повышенное гидравлическое сопротивление.

Все это приводит к тому, что большинство камер двигателей в настоя­щее время имеет в качестве связей фрезерованные ребра, в том числе у даже на сверхзвуковых участках сопла, изготавливаемых из стали.

Главная » Тормоза » Форма камеры сгорания двс. Основные типы камер сгорания дизельных двигателей и их устройства. Разделенные камеры сгорания