Требования к камерам сгорания

К камерам сгорания газотурбинных двигателей предъявля­ются следующие требования:

1. Высокое значение коэффициента полноты сгорания η_г в рабочем диапазона изменения состава смеси и параметров воздуха на входе в камеру. Это требование диктуется желанием иметь высокую экономичность двигателя и большую на­дежность газовой турбины вследствие отсутствия догорания топлива в турбине. Коэффициентом полноты сгорания называет­ся отношение действительного приращения энтальпии газа к теплу, подведенному с топливом.

 

(1.1)

 

где i_г^* и i_в^* - энтальпии продуктов сгора­ния на выходе и воздуха на входу в камеру сгорания, соответственно, кДж/кг. G_т Н_u - теоретическое тепло, которое может быть получено при полном сгорании секундного расхода топлива G_т с тепло­той сгорания Н _u.

На рабочих режимах удается получить значения коэффициента полноты сгорания, который учитывает и потери тепла через стенки жаровой трубы, порядка 0,97 - 0,98 для авиационных и транспортных ГТД, и 0,98 - 1,0 для камер сгорания стационарных ГТУ.

 

 

2. Малая длина и поперечное сечение, то есть малый объем топочного пространства V_ж и, следовательно, высокая теплонапряженность Q_vp. Теплонапряженность является очень важным показателем камеры сгорания и может быть выражена следующим образом:

 

, (1.2)

 

где Q_vp = кДж/м³·ч·МПа; G_Г – расход газа, кг/с; р_к – давление в камере сгорания, МПа; c_p – теплоемкость при постоянном давлении (воздуха или газа).

Секундный расход воздуха для характерного сечения жаровой трубы можно выразить следующим образом:

 

G_в = (p_к/RT_к)·V_ж ·F_ж

 

Объем жаровой трубы можно представить как произведение поперечного сечения жаровой трубы на её длину

 

V_ж = F_ж ℓ_ж

 

После подстановки в (1.2) и сокращений получим

 

β = G_г/G_в; Q_vp = 3600·(β·c_pcp/R)·τ(λ_к)·V_ж/ℓ_ж· (β· Т_г^*/Т_к^* -1) (1.3)

 

Из выражения (1.3) следует, что увеличение теплонапряжённости может быть достигнуто за счёт повышения относительного подогрева газа в камере сгорания, увеличения V_ж, уменьшения F_ж и ℓ_ж. Сравнительные величины теплонапряжённости различных топочных устройств приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1

 

Топливосжигающее устройство	Теплонапряжённость QVp, кДж/м3·ч·Па	Температура Тг*,К	Коэффициент избытка воздуха α
Котельные установки	200 - 600	1000 - 1500	≈1,05
Камеры сгорания стационарных ГТУ	1000 - 1300	900 - 1200	4,0 - 6,0
Камеры сгорания транспортных ГТД	1400 - 1600	1000 - 1100	4,0 - 5,0
Камеры сгорания авиационных ГТД	1600 - 6000	1300 -1450	3,0 - 5,0
Камеры сгорания ПВРД	6000 - 10000		1,0 - 2,5

 

 

3. Малое гидравлическое сопротивление.

Выполнить камеру без гидравлического сопротивления принципиально невозможно, но нужно стремиться получить воз­можно меньшие потери полного давления в камере.

Потери полного давления в камерах сгорания оцениваются коэффициентом гидравлического сопротивления:

 

ξ = p^*_к – p^*_г/(ρ_к·w²_к)/2, (1.4)

 

где индексы к и г относятся к сечениям на входе в камеру и перед турбиной, соответственно, и коэффициентом восстановления полного давления:

 

 

σ = р^*_г/р^*_к = р^*_к - ∆р^*_к.с/р^*_к (1.5)

 

Между коэффициентами σ и ξ имеется взаимосвязь. Опуская промежуточные преобразования, можем получить следующее соотношение:

 

σ = 1-k/2 ξ M²_к π(λ_к) (1.6)

 

 

При больших числах Рейнольдса (Re ≥ 2300) потери полно­го давления растут пропорционально квадрату скорости, а величина коэффициента гидравлического сопротивления не за­висит от скорости потока (числа Маха). Коэффициент восста­новления полного давления σ зависит от скорости потока. При од­ном и том же коэффициенте гидравлического сопротивления при большей скорости будет происходить большая диссипация (рассеивание) энергии и σ будет уменьшаться. Значение коэффициента гидравлического сопротивления для современных камер сгорания колеблется в пределах ξ = 5 - 40.

 

4. Поле температур на выходе из камер сгорания должно иметь определенную эпюру в радиальном направлении, опреде­ляемую предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопат­ках турбины и соплового аппарата. Величина средней темпера­туры газа за камерой сгорания Тг* и конкретный характер эпюры температуры по радиусу лопатки выбираются в зависи­мости от конструктивных особенностей турбины, (величины и формы рабочей лопатки, ее материала, способа охлаждения). Получить точно необходимую эпюру температуры не удается, поэтому в техническом задании оговариваются допустимые отклонения как в радиальном, так и в окружном направлениях. Эти отклонения температуры в данной точке сечения могут составлять ± 30 - 50°.

У корня рабочей лопатки возникают наибольшие напряжения от центробежных и газовых сил, поэтому здесь температура должна быть минимальной. Напряжения по высоте лопатки па­дают, что позволяет повышать температуру газов и превышать среднемассовую температуру. Однако слишком высокая темпе­ратура у конца лопатки может привести к эрозии материала, кроме того, будет перегреваться наружный корпус турбины. По этим причинам температура у конца лопатки должна быть снижена. Максимальноезначение температуры обычно задается на уровне 2/3 ÷ 3/4 высоты лопатки.

Для кольцевой камеры сгорания по окружности на каждом ра­диусе температура должна быть в идеальном случае постоян­ной. Для блочной камеры эта температура снижается вблизи стенок для обеспечения их надежной работы. Эти температу­ры определяются окружной эпюрой поля температур.

Задача получения требуемого профиля температур одна из наиболее сложных и решается она, как правило, эмпирически при стендовых доводочных испытаниях камеры.

Степень неравномерности температурного поля определяет­ся следующим показателем:

 

δ = (Т_г^*_max – T_г^*_min/T_г^*_ср)·100% (1.7)

 

Организация процесса сгорания должна быть такой, чтобы в газах не было сажи и твердых частиц, образования на стен­ках жаровой трубы коксовых отложений, которые, попадая на турбину, приводят к небалансу вращающихся частей и даже к разрушению.

 

5. Процесс сгорания в камере должен быть устойчивым. Камера не должна гаснуть ни при обеднении, ни при обога­щении состава смеси, имеющих место при переходе ГТД на но­вый режим работы, иметь надежный запуск.

 

6. Камера сгорания должна работать без ремонта определенный га­рантированный срок. Ресурс камеры сгорания обусловливается типом ка­меры и всей установки. Для двигателя одноразового действия ресурс может составлять несколько часов. Для транспортного двигателя стремятся получить ресурс камеры в несколько ты­сяч часов. Камеры сгорания стационарных ГТУ могут иметь ре­сурс порядка десятков тысяч часов. Опыт отработки камер сгорания по­казывает, что требования к ним взаимно противоречивы. Так, например, стремление сделать камеру компактной заставляет задавать в ней большие скорости газа, что отрицательно ска­зывается на сопротивлении камеры и полноте сгорания топли­ва. Для увеличения ресурса работы необходимо большую часть холодного воздуха использовать для охлаждения жаровой тру­бы, но при этом возникают трудности с формированием необ­ходимого поля температур на выходе из камеры и т.д.

 

 

 

Рис. 1.7. Радиальная эпюра поля температур перед турбиной

 

Поиски разумного компромисса заставляют прибегать к длительным и дорогостоящим испытаниям.

Для камер сгорания стационарных ГТУ основные требования могут быть дополнены следующими:

- возможность работы на нескольких топливах - жидком и газообразном;

- большая, по сравнению с авиационными ГТД, дешевизна материалов.

 

7. Токсичность вредных выбросов с отработавшими газами камер сгорания должна соответствовать нормам соответствующих стандартов.

 

Контрольные вопросы к главе 1

1. Дайте определение коэффициента избытка воздуха.

2. Укажите на связь теплонапряжённости с ресурсом двигателя.

3. Как оценивается гидравлическое сопротивление камер сгорания.

4. Объясните принцип формирования эпюры температурного поля перед турбиной.