И некоторые конструктивные мероприятия по повышению надежности работы камер

Наиболее частым дефектом жаровых труб являются местные перегревы, приводящие к короблению и прогару стенки. При­чины перегревов следующие: неисправная работа форсунок (кок­сование, неравномерный размыв сопла, засорение), коксование топлива на поверхности стенки, при котором ухудшается ее охла­ждение, и различные нарушения процесса горения на неустановив­шихся и на нерасчетных режимах камеры.

Часто выявляются трещины сварных швов в зоне отверстий и щелей для подвода вторичного воздуха, на охлаждающих ребрах, а также в переходных элементах гофров и в ме­стах других концентраторов напряжений. Трещины могут вы­являться и в местах больших короблении стенок, вызванных пере­гревом. Общей причиной появления трещин является термоуста­лость. Концентраторы ускоряют появление трещин, особенно при различных отклонениях от технологии, например на острых кромках в отверстиях и на кромках элементов, сваренных вна­хлестку. Частой причиной перегревов и трещин являются ме­стные обогащения смеси вследствие нарушений смесеобразова­ния. Ускорению появления тре­щин в этих случаях способст­вует понижение предела выно­сливости материала при повы­шенных температурах.

Перегревы могут появлять­ся также при запусках. Во время так называемых «забросов» тем­пературы, при которых темпе­ратура за короткий промежуток времени может достигать мак­симальной величины, относи­тельно тонкие стенки прогре­ваются быстро и неравномерно.

Жаровые трубы, детали фрон­тового устройства, газосборники и форсунки омывают газы, имеющие высокую температуру и содержащие пары воды, угле­кислый газ, сернистый ангидрид, соединения ванадия и других элементов, агрессивно действующих на материалы. Это также может быть причиной различных дефектов, например разрушения стенок. Такие дефекты предотвращаются подбором жаростойких материалов. Деформации жаровых труб спо­собны привести к различным искажениям температурного поля перед турбиной и неисправной работе лопаток.

Уменьшение дымления и выделения окислов азота и углерода явля-ется требованием, предъявляемым к работе камер сгорания в связи с борь-бой против загрязнения окружающего простран­ства. Экспериментально установлено, что дым реактивного вы­хлопа состоит из частиц свободного углерода размером в доли микрона, образующихся в зоне горения на участках обогащен­ной смеси вследствие охлаждения вторичным воздухом или отно­сительно холодными стенками жаровой трубы. Исследование влияния многих факторов на дымление показало, что радикаль­ным мероприятием является обеднение обогащенных участков. Выявлено также, что это мероприятие одновременно уменьшает выделение окислов.

Отложение нагара на стенках КС часто приводит к неполадкам в работе КС и повреждениям КС. Нагар изолирует стенку от охлаждающего воздуха и способствует перегреву. Нагар часто возникает из-за неправильного подвода воздуха в жаровую трубу. Для правильного назначения места подвода воздуха и выбора площади сечения подводящих отверстий должны учитываться результаты экспериментальных исследований, проводимых с КС на специальных установках на различных режимах работы двигателя.

Трубчатая камера отличается осесимметричным потоком воз­духа, с которым хорошо сочетается конус распыла топлива.

В кольцевой камере поток близок к двухмерному и конус распы­ленного топлива плохо «вписывается» в кольцевой поток, что ве­дет к увеличению окружной неравномерности температуры. Одно из решений — испари-тельный подвод топлива посредством Т-образных патрубков 6 (рис.11), расположенных по окружности жаровой трубы, причем их выходные горлови-

Рис. 11. Камера сгорания с испари­тельным подводом топлива:

/ — подвод первичного воздуха; 2 — го­ловка; 3 — жаровая труба; 4 — вихри, генерирующие обратные токи; 5 — под­вод вторичного воздуха: 6 — испаритель­ный патрубок: 7— воздушный канал; в — выход смеси; 9 — форсунка

ны направлены против ядра потока воздуха. Патрубок обеспечивает предва-рительное испа­рение топлива, так что в нем образуется карбюрированная смесь. Камеры такого типа мало чувствительны к изменениям скорости и да-вления воздуха на выходе из компрессора, устой­чиво работают на нерас-четных режимах и обеспечивают вырав­нивание температурного поля на выходе из камеры.

Температурное состояние жаровой трубы и других узлов и деталей зависит от многих факторов и не может быть оценено расчетом, но дает возможность установить причины дефектов, связанных с перегревами.

Одним из способов оценки температуры являются термоинди­каторные краски, наносимые на поверхность изучаемой детали. Деталь проходит испытание на двигателе и по изменению цвета краски оценивают зональные температуры.

Другим узлом, от которого в значительной мере зависит надежность работы КС является форсунка. Повышение температуры корпуса и распы-ливающих деталей форсунки приводит к коксованию их поверхностей, что ведет к деформации конуса распыла, ухудшению качества распыла и другим дефектам. Поэтому форсунки охлаждаются продувкой первичным воздухом, протекающим по пазам, выполненным на колпачке, или по отверстиям в стабилизаторе.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Механизм образования загрязняющих веществ в продуктах сгорания газотурбинных двигателей

Оксид углерода Если топливовоздушная смесь в первичной зоне КС ГТД богатая, то СО образуется в большом количество вследствие нехватки кис­лорода для завершения реакции окисления углерода до СО₂. Если же смесь в первичной зоне стехеометрическая или умеренно бед­ная, то значи-тельное количество СО образуется вследствие диссоциации СО₂. Можно снизить концентрацию СО посредством тща­тельно сбалансированного подвода дополнительного воздуха за первичной зоной с тем, чтобы обеспечить постепенное снижение температуры продуктов сгорания.

Образование СО в КС может быть вызвано следующими причинами:

1) низкая скорость горения в первичной зоне вследствие не­достатка топлива и (или) нехватки времени пребывания;

2) недостаточное перемешивание топлива и воздуха, в резуль­тате чего образуются зоны, в которых смесь настолько бедна, что­б в них не поддерживается горение;

3) «замораживание» продуктов горения, вовлекаемых в слои воз­духа, охлаждающие стенки жаровой трубы (кольцевые КС, у которых отношение поверхности жаровой трубы к объему меньше, выбрасы­вают СО меньше, чем трубчатые камеры).

Несгоревшие углеводороды К несгоревшим углеводородам относят как топливо, выбрасыва­емое из камеры в виде капель или пара, так и продукты разложе­ния исходного топлива на углеводороды меньшей молекулярной массы.

Наличие СН на выходе из КС вызывается плохим распылом топлива, недостаточно высокой скоростью горения и " замораживанием" продуктов неполного сгорания в охлаждающем воздухе вблизи стенок жаровой трубы. Изменение режима работы двигате­ля в сторону увеличения тяги (мощности) приводит к уменьшению выброса СН.

Оксид азота образуется в результате окисления азота, находящегося в атмосферном воздухе в высокотемпературных зонах КС. Этот процесс эндо-термичен и идет с заметной скоростью только при температурах выше 1800 К. Поэтому в отличие от СО и СН оксид азота образуется только в го-рячих центральных зонах камеры и максимум концентрации достигается на режиме наибольшей тяги. Выброс зависит от температуры воздуха, поступа-ющего в камеру. С увеличением температуры выброс увеличивается.

Оксид азота окисляется до диоксида (NO₂), как только достигается требуемая для этого низкая температуре в выхлопных газах двигателя. На режиме большой тяги доля NO₂, образующегося в камере, очень мала, но на режимах малого газа со­держание NO₂ в одексидах азота (NO +NO₂) может достигать 50%.

Дым Дымность выхлопных газов связана с образованием частиц са­жи и богатых топливом участках пламени. В случае центробежных форсунок основная сажеобразущая область располагается внутри факела распыливания топлива в центре камеры.

Сажа состоит в основном из углерода (96%) и смеси соединений, содержащих водород и кислород. Образование сажи и дымление усиливаются при высоких давлениях и повышении температуры в камерах

ПРИЛОЖЕНИЕ 2