Организация процесса горения в основных КС ГТД

Условия организации процесса горения в основных КС имеют следующие особенности. Во-первых, допустимая температура газов на выходе из КС Т*_г ,ограничиваемая прочностью турбины, составляет для современных двигателей 1400-1600 К. Для снижения температуры продуктов сгорания до этих значений в КС необходимо подавать воздуха значительно больше теоретически необходимого количества. Величина коэффициента избытка воздуха при этом будет составлять α = 2,5-4,0. Горение однородной горючей смеси при таком ее обеднении невозможно. Во-вторых, скорость потока воздуха на выходе из ОК существенно превышает скорость горения. Без принятия специальных мер для торможения потока пламя, возникшее в КС, будет выносится за ее пределы.

С учетом этих особенностей процесс горения организуется не во всем объеме КС, а в определенной зоне, называемой зоной горения. Кроме того, обеспечивается разделение всего потока воздуха, поступающего в КС, на первичный (Gв₁), подаваемый в зону горения, и вторичный (Gв₂), используемый для понижения температуры продуктов сгорания до уровня, допустимого по условиям работы турбины, и стабилизация пламени посредством организации вихревого движения воздуха в зоне горения.

Указанные принципы организации процесса горения реализуются с помощью определенных конструктивных мероприятий.Передняя часть корпуса КС выполняется расширяющейся. В ней скорость воздуха, поступающего из ОК, снижается от 120-150 до 50-80 м/c. В головке жаровой трубы устанавливается топливная форсунка и завихритель, обычно лопаточного типа.

Зона горения организуется в передней трети жаровой трубы, непосредственно у топливной форсунки. Первичный воздух поступает в зону горения через завихритель. За счет гидравлического сопротивления скорость потока снижается до значения меньшего, чем скорость горения. Величина G_в1 выбирается из условия обеспечения в зоне горения значенияα = 0,8 - 0,9 и составляет 25-35% расхода воздуха через двигатель. Скорость горения за счет этого достигает максимума, температура в зоне горения достигает 2300-2500 К, что обеспечивает быстрое и достаточно полное сгорание топлива.Вторичный воздух, обтекая жаровую трубу снаружи, поступает внутрь через задние ряды отверстий. Здесь он подмешивается к продуктам сгорания и понижает их температуру до требуемой.

Организация процесса горения в форсажных камерах

    При сжигании топлива в основной КС расходуется не более 25 – 35% кислорода, поступающего в двигатель с воздухом. Оставшийся кислород может быть использован для сжигания дополнительного топлива в форсажной камере (ФК), расположенной за турбиной перед реактивным соплом. Это позволяет увеличить температуру газа и, следовательно, скорость его истечения, обеспечивая существенный прирост тяги двигателя.

    Условия организации процесса горения в ФК имеют свои особенности. Газ, поступающий в ФК после расширения в турбине, имеет температуру 1100 – 1200 К, что облегчает процесс подготовки ТВС и ее воспламенение. Поток газа на входе в ФК имеет скорость до 300 м/с, поэтому задача стабилизации фронта пламени является здесь более трудной, чем в основной КС.

Для снижения скорости потока на входе в ФК устанавливается диффузор, в котором скорость газа снижается до 150 – 200 м/с. Температура продуктов сгорания в ФК достигает 2100 К. Среднее значение коэффициентаα в ФК составляет 1,1 – 1,7, следовательно, нет необходимости выделения в ней специальной зоны горения. Вместе с тем, повышаются требования к равномерному распределению топлива по сечению ФК в целях вовлечения в процесс горения всего оставшегося кислорода. Эта задача решается путем установки в ФК нескольких топливных коллекторов с большим количеством форсунок.

Рис. 28.Схема форсажной камеры сгорания

1 – топливные форсунки; 2 – теплозащитный экран; 3 – капот; 4 –корпус камеры сгорания; 5 – стабилизаторы пламени; 7 – диффузор

    Для создания зон обратных токов в ФК непосредственно за топливным коллектором устанавливаются стабилизаторы пламени. Они выполняются в виде колец или радиально расположенных полос V-образного сечения.

    Впрыскивание топлива форсунками осуществляется против потока, что способствует его хорошему распыливанию и перемешиванию с газом. Топливо, попадающее на стабилизатор, стекает с его кромок в зону обратных токов, образуя область обогащенной смеси. Здесь создаются наиболее благоприятные условия для воспламенения смеси и ее горения. Области выгорания смеси за стабилизаторами объединяются в одну зону горения, занимающую весь объем ФК.

    Вследствие больших скоростей потока в ФК и ограниченной ее длины окончательное догорание топлива происходит обычно за пределами выходного устройства двигателя. Это приводит к появлению факела пламени на выходе из сопла, особенно заметного во время ночных полетов. (Отсветы этого пламени на остеклении фонаря могут быть ошибочно приняты пилотом за признаки пожара в двигателе).

    Первичное воспламенение в ФК обеспечивается с помощью специальных устройств. Они представляют собой небольшие отдельные КС. Для образования ТВС в этих устройствах используется воздух, отбираемый за ОК. Воспламенение происходит от электрической свечи. Продукты сгорания в виде мощного факела пламени направляются в зону обогащенной смеси за стабилизаторами пламени и поджигают ее. В дальнейшем воспламенитель отключается, либо продолжает работать, обеспечивая дежурный факел пламени в ФК, повышающий надежность ее работы.