Элементов камер сгорания

Во многих авиационных двигателях скорость воздуха на выходе из компрессора может достигать 150 м/с, а иногда и большей величины. Сжигание топлива в потоке воздуха с такой скоростью нецелесообразно не только ввиду больших трудностей в осуществлении процесса ropения, но и вследствие чрезмерно больших по­терь полного давления. Для уменьшения скорости воздуха, поступающего в KС u снижения потерь давления до приемлемого уровня применяются диффузоры.

Назначение диффузора не ограничивается только снижением скорости, он должен также обеспечить преобразование скоростно­го напора в давление с минимальными потерями и создать устойчивое равномерное поле скорости перед жаровой трубой. На рис.2 представлены два принципиально различных подхода к проектиро­ванию диффузора, В настоящее время нашли применение безотрывной (плавный) диффузор (рис. 2, а), обеспечивающий максимальную степень преобразования скоростного напора в давление, а также срывной диффузор (рис. 2, б), в котором имеет место резкое расширение сечения со срывом потока. Срывной диффузор значи­тельно короче безотрывного. Существенным его недостатком явля­ются повышенные потери давления.

В настоящее время широко используются диффузоры обоих типов. Однако постепенно большее предпочтение конструкторы начинают отдавать срывным диффузорам. Это объясняется в основном технологическими трудностями, связанными с изготовлением безотрыв­ных диффузоров.

В качестве перспективной в настоящее время исследуется кон-струкция диффузора, в котором поток управляется с помощью вихря (рис. 2, в). Это диффузор с внезапным расширением, в котором для предотвращения отрыва потока используется эффективная сис­тема отсоса воздуха. В диффузорах с углами раскрытия 15° и 30° можно вдвое уменьшить потери давления при отсосе через щель на стенке от 4 до 10% расхода массы основного потока. При отсосе 4 % расхода воздуха в диффузоре с углом раскрытия 35° потери давления могут быть уменьшены до такого уровня, как в обычном диффузоре с углом 12°. Отсасываемый воздух может быть использован для охлаждения лопаток турбин.

Задача № 2. Сравнить между собой диффузоры КС изучаемых двигателей и выполнить эскиз диффузора двигателя Д-36.

От конструкции фронтового устройства (ФУ) зависят температура газа на выходе из камеры, тепловое состояние стенки жаро­вой трубы, уро-вень дымления и надежность работы камеры. Разли­чают ФУ с форсунками, подающими топливо непосредственно в зону обратных токов, и ФУ, у которых топливо предварительно смешивается или распыливается в некотором количестве воздуха до попадания смеси в полость жаровой трубы.

Рис. 2. Схемы диффузоров: а) кольцевой плавный диффузор: 1 –«успокоительный» участок; 2 - области торможения потока; 3 -воздухосборник (фронтовое устройство); б) кольцевой диффузор с внезапным расширением: 1 – «успокоительный» участок, 2 -участок диффузорного течения; в) диффузор, управляемый с помощью вихря: 1 - турбулентная область; 2 – отсос воздуха; 3 -вихревая камера.

ФУ первого типа широко применялись в КС первых ГТД. Разли­чают ФУ " терочного типа" (КС двигателя Д-30, АЛ-7), а также с завихрителем для воздуха (КС двигателя АИ-20)

Этим ФУ присущ ряд существенных недостатков: повышенная склонность к короблению; высокий уровень дымления; высокая плотность теплового излучения факела пламени на стенки жаровой трубы.

Указанные недостатки не позволяют применять эти ФУ для перспектив-ных двигателей с большим значением температуры воз­духа за компрессо-ром. ФУ второго типа с предварительной аэрацией топливного факела пер-вичным воздухом используют кинети­ческую энергию воздушного потока для распыла топлива (КС дви­гателя Д-36, КС двигателя НК-8-2). ФУ с пневматическим распылом позволяют снижать давление в системе топливоподачи.

Кроме рассмотренных вариантов конструкций существуют КС, которые по типу ФУ называются испарительными. Для них характерна невысокая надежность работы испартельной трубки, расположенной в зоне горе­ния.

Задача № 3. Сравнить между собой ФУ КС изучаемых двигате­лей и выполнить эскиз ФУ КС двигателя Д-36.

В современных ГТД средняя скорость потока воздуха на входе в КС всегда превышает скорость распространения пламени, поэтому для обеспечения устойчивого процесса горения должны быть пре­дусмотрены меры, обеспечивающие стабилизацию пламени. Стабили­зация осуществля-ется путем создания в их головной части (в ФУ) местных зон с малыми скоростями топливовоздушной смеси и обрат­ными токами продуктов сгорания. Рециркулирующие течения обычно организуются путем постанов­ки в ФУ завихрителей первичного потока воздуха или плохо обте­каемых тел, созданием струйных пристеночных течений - стабили­заторов (рис. 3).

Наиболее распространенные конструкции стабилизаторов - это лопаточные стабилизаторы, которые выполняют обычно с числом лопаток 10-14 (двигатели ВК-1 и РД-9Б). Также широко применяются конические стабилизаторы, которые ра­ботают как теплообтекаемые тела, и поток завихряется за кром­ками конусов, в результате чего возникают обратные токи (двигатель АИ-25).

ФУ " терочного типа", имеющие множество мелких отверстий или просечек в торцевой стенке КС, работают как струйные стабили­заторы, Малые площади отверстий для подвода воздуха по сравне­нию с площадью поперечного сечения жаровой трубы приводят к появлению в центре пониженного давленая и зоны обратных токов (двигатель Д-30).

Задача № 4. Занести в отчет по лабораторной работе типы стабилиза-торов КС двигателей, представленных на чертежах.

Жаровые трубы работают в очень тяжелых условиях, так как процесс сгорания происходит при высоких температурах (до 1275 К) в окислительной среде. Наличие больших температурных градиентов, рез­кие тепловые удары при запуске, остановке и изменении режима работы двигателя приводят к возникновению больших температурных напряжений в деталях жаровой тру-бы, а наличие свободного кислорода при высокой температуре - к газовой коррозии и прогару стенок. Именно ресурс жаровых труб определяет ресурс всей КС.

Для обеспечения нужного ресурса жаровой трубы просматри­вается следующий ряд конструктивно-технологических мероприятий.

Рис.3. Схемы конического (а), лопаточного (б) и струйного

стабилизаторов: 1 – угол конуса распыла топлива; 2- зоны

обратных токов; 3 – воздушный вихрь.

1. Жаровые трубы не включать в силовую схему двигателя.

2. Для изготовления жаровых труб применяются высококачественные жаропрочные и жаростойкие никельхромистые сплавы (Х20Н80Т, ХН60В, ХН70Ю, ХН38ВТ, Х24Н25Т). Для КС, работающих при температуре 900°С, можно применять материалы Х20Н80Т, ХН38ВТ, ХН75МВТЮ, при темпера-туре 950-1100°С – ХН60В. Эти сплавы имеют высокую прочность, стойкость к газовой коррозии, хорошо переносят вибрации, обес­печивают достаточную пластичность, легкость штамповки, волочения, сгибания и сварки.

Задача №5. Нарисовать схему подвески жаровой трубы двигателя АИ-25.

3. Связь между отдельными элементами жаровой трубы выполняется с малой жесткостью («температурные швы»), чтобы умньшить до возможного минимума температурыне напряжения, возникающие из-за неодинакового нагрева этих элементов во время работы двигателя.

4. На местах возможной концентрации температурных напряже­ний (кроме отверстий, просечки) производится отбуртовка с пос­ледующим притуплением и полировкой кромок, закатка пистонов или утолщение стенок за счет приварки накладок.

Задача №6. На двигателях АЛ-7Ф и ВК-1 посмотреть отбуртовку отверстий и постановку пистонов.

5. Стенки жаровой трубы защищаются от нагрева со стороны факела пламени путем создания пристеночной завесы из сравнительно холодного " вторичного'' воздуха. Основным недостатком системы пленочного охлаждения является использование в ней только около 5% хладоресурса охлаждающего воздуха, поступаю­щего из компрессора.

Рис.4. Элементы жаровых труб: а – оребренная поверхность, б – щели, в, г – отверстия, д, з – отверстия и направляющие козырьки: 1, 2, 3 – секции жаровой трубы, е- отверстия для двойного расширения, ж – прорези, и - образование защитного слоя, к – соединение секций заклепками: 1 – шайба, 2 – заклепка; л – сотовый материал: 1, 3 – стенки, 2 – гофрированный заполнитель.

Совершенствование газотурбинных двигателей происходит в на­правлении снижения удельного расхода топлива и уровня эмиссия вредных веществ. В свою очередь, это затрудняет охлаждение жа­ровых труб КС, что обусловлено повышением температуры и давле­ния воздуха на входе в КС.

В настоящее время проводятся исследования новых, более эф­фективных систем охлаждения таких, как пленочное охлаждение с орошением, перфорированное охлаждение с орошением, конвективно-пленочное охлаждение (рис. 6).

Рис.5. Элементы подвода воздуха: а) пистон и отбуртовка, б) щелевые патрубки с защитой передних кромок от прогара; в) зависимость глубины проникновения вторичного воздуха от диаметра отверстия: 1 - стенка жаровой трубы; 2 -пистон; 3 -отбуртовка; 4- газовый поток; 5 - поток вторич­ного воздуха.

Увеличение теплоотвода посредством продольных ребер, распо­ложенных на наружной поверхности трубы, применяется весьма редко, что объясняется малой эффективностью конвективного охлаждения по сравнению с пленочным, а также увеличением массы трубы. Кроме того, изготовление оребренной секции - задача трудоемкая.

В стенке жаровой трубы КС помимо отверстий, обеспечивающих тепловую защиту конструкции, выполняются отверстия для подво­да " первичного" и " вторичного" воздуха. Недостатком простейшего подвода через круглое отверстие является большой темпера­турный градиент между кромками отверстия и зоной, расположенной вокруг него. Это явление способствует возникновению значительных термических напряжений, часто приводящих к трещинам и поломкам жаровых труб. Глубина проникновения " вторичного" воздуха в полость

Рис. 6. Системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания.

а) пленочное охлаждение с орошением; б) перфорирован­ное

охлаждение с орошением; в) конвективно-пленочное охлаждение; 1 –

газовый поток; 2 - отверстия для подвода и отвода охлаждающего

воздуха; 3 - внутренняя стенка жаровой трубы

жаровой трубы зависит от диаметра отверстия, скорости течения в отверстии. Глубина проник­новения может бить увеличена перемещением среза отверстия внутрь трубы посредством щелевого патрубка. Недостатком такой конструкции является частое оплавление или обгорание патрубков. Для устранения указанного дефекта применяется конструкция патрубка, обеспечивающая охлаждение его передней кромки специально подводимым воздухом.

Задача № 7. Используя чертежи КС и макеты двигателей, озна­комиться с системами охлаждения и подхода " вторичного" возду­ха. На примере двигателей АИ-20, АИ-25, Д-36 изучить, как развивались конструктивные элементы, создающие холодный пограничный слой на внутренней стенке жаровой трубы. В журнале лабораторных ра­бот нарисовать эскизы элементов, создающих холодный пограничный слой.

6. Стенки жаровой трубы покрывают по внутренней поверхности слоем жаростойких эмалевых покрытий. Такое покрытие с низкой теплопроводностью обеспечивает снижение температуры стенки благодаря своим теплоизолирующим свойствам и частичному отражению излучения от продуктов сгорания. Для типичных режимных условий работы КС керамическое покрытие толщиной 1 мм с коэффициентом теплопроводности α = 0, 66 Вт/(мг·К) обеспечи­вает снижение температуры стенки камеры на 100 К. Кроме того, эмалевое покрытие защищает металл жаровой трубы от окисления при высоких температурах. Для сплава ХН60В применяется эмаль типа ЭВ-55, основными компонентами которой являются ди­оксид кремния и оксид хрома (бла-годаря последнему эмаль имеет зеленый цвет). Жаростойкие эмали значительно снижают скорость окисления металлов при повышенных температурах. Так, покрытия ЭВ-55 уменьшают скорость окисления сплава 1Х18Н9Т в 6...8 раз. Существенными недостатками эмалевых покрытий являются их низ­кие термостойкость и прочность к удару.

При эксплуатации КС эмалевое покрытие может полностью или частично изнашиваться за счет эрозионного уноса газовым пото­ком и восстанавливаться вторичным нанесением при ремонте дви­гателя.

Задача № 8. Перечислить в журнале изучаемые двигатели, на которых применено эмалевое покрытие стенок жаровой трубы.

7. Производится тщательный пооперационный контроль техноло­гического процесса изготовления жаровой трубы и ее элемента.

8. Для соединения отдельных элементов жаровых труб применя­ется или клепка со специальными проставками, или сварка (электроконтактная, аргоно-дуговая, атомно-водородная) по специальной технологии.

Кожух КС работает в более легких условиях. Он часто включа­ется в силовую схему двигателя, и кроме того на него воздейству­ет значительный перепад давления между окружающей средой и внутренней полостью камеры сгорания. Поэтому он изготавливает­ся из более дешевых материалов, таких как Х18Н9Т или ВЖ102 и к нему не предъявляются столь жесткие требования со стороны технологии, как к жаровым трубам.