УДК 629.7.036.34 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КАМЕР СГОРАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И.О. Бобарика1, С.В. Скоробогатов2 Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. Рассмотрены способы совершенствования конструкции камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) с целью увеличения экономичности ГТД и снижения эмиссии вредных веществ. На основании анализа конструкций камер сгорания авиационных ГТД, а также требований, предъявляемых к ним, были сформулированы основные пути развития по конструктивному совершенствованию камер сгорания. В ходе исследования были рассмотрены различные методы охлаждения жаровых труб камер сгорания. Приведены результаты исследований Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) по разработке двигателя VI поколения. Ил. 2. Библиогр. 3 назв. Ключевые слова: газотурбинный двигатель; камера сгорания; стехиометрическое горение; эмиссия вредных веществ; расход воздуха. DEVELOPMENT PROSPECTS OF COMBUSTION CHAMBERS IN AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES. EMISSIONS REDUCTION OF AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES Bobarika I., Skorobogatov S. National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074 The article focuses on the ways of improving the design of combustion chambers of aircraft gas turbine engines (GTE) in order to increase the efficiency of GTE and reduce emissions of harmful substances. Based on the analysis combustion chambers as well as the requirements for them it suggests the main ways to develop constructively the combustion chamber. The study examines different methods of cooling flame tubes of combustion chambers. The work presents the results of the Central Aviation Motors Institute investigations in the development of the sixth generation engine. Illustrations: 2 pics. Sources: 3 refs. Keywords: gas turbine engine, combustion chamber, stoichiometric combustion, emission of harmful substances, air consumption Камера сгорания газотурбинного двигателя – устройство, в котором в результате сгорания топлива осуществляется подвод тепла к рабочему телу. От того, насколько удачной будет конструкция камеры сгорания, зависит ряд параметров, таких как: надёжность, КПД, экономичность и экологическая безопасность двигателя, его ремонтопригодность и.т.д. Камеры сгорания выполняются по прямоточной, противоточной и радиально-кольцевой схемам. Прямоточные камеры сгорания, в свою очередь, разделяются на трубчатые, трубчатокольцевые и кольцевые. Прямоточные схемы камер сгорания определяются сохранением осевого направления движения рабочего тела от входа к выходу и отличаются минимальными гидравлическими потерями, высокими выходными параметрами (полнота сгорания, малая длина и масса) и малой эмиссией вредных веществ. 1 Бобарика Игорь Олегович, канд. техн. наук, доцент кафедры самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, e-mail: MegusMC@mail.ru Bobarika Igor, Candidate of Engineering, Associate Professor of Aircraft Construction and Aeronautical Equipment Operation Department, e-mail: MegusMC@mail.ru. Скоробогатов Сергей Викторович, студент Института авиамашиностроения и транспорта, e-mail: maestro.ru@mail.ru Skorobogatov Sergey, a student of Aircraft and Machine Construction and Transport Institute, e-mail: maestro.ru @ mail.ru 2 1 Трубчатая камера сгорания представляет собой набор из нескольких жаровых труб, каждая из которых имеет свой корпус, соединенный с общим кольцевым корпусом, в котором расположен газосборник, собирающий горячий газ от всех жаровых труб перед первым сопловым аппаратом турбины. Легкосъемная камера сгорания имеет фронтальное устройство, состоящее из завихрителей и форсунки. Обтекатель-воздухозаборник образует с коническим корпусом кольцевой диффузор. Переброс пламени от двух запальных устройств в другие жаровые трубы происходит через соединительные патрубки. Такие камеры использовались на низкотемпературных ГТД первых поколений, их преимуществом являлась возможность замены жаровых труб в эксплуатации, что при малых ресурсах горячих деталей имело немаловажное значение. Именно на таких камерах сгорания осуществлялась экспериментальная отработка процессов горения. В качестве недостатков трубчатой камеры сгорания выделяют следующие: увеличение веса двигателя из-за нарушения наружной силовой связи между компрессором и турбиной, имеющейся при других схемах камер сгорания; высокие значения неравномерности поля температур и гидравлических потерь из-за разделения, а затем соединения газового потока перед первым сопловым аппаратом; большие площади охлаждения стенок жаровых труб; большая длина и масса. Трубчато-кольцевая камера сгорания отличается от трубчатой тем, что отдельные жаровые трубы заключены в общий корпус. Наружный кожух корпуса камеры сгорания включен в силовую схему двигателя, что позволяет снизить вес камеры сгорания и двигателя в целом и обеспечить связь с опорой. Основные недостатки трубчато-кольцевых камер сгорания аналогичны недостаткам трубчатых камер сгорания Кольцевая камера сгорания представляет собой одну жаровую трубу с общим фронтальным устройством, состоящим из набора форсунок (от 8 до 140 шт.). По результатам анализа, выполненного В.Е. Резником [1], поверхность охлаждаемых стенок жаровых труб в трубчато-кольцевой камере сгорания по сравнению с кольцевой (устанавливаемых в одинаковый корпус) больше в 1,4 раза, а отношение объемов зон горения составляет 0,715, это, в свою очередь, означает, что время пребывания топливовоздушной смеси (ТВС) в зоне горения трубчато-кольцевой камеры сгорания меньше, чем в кольцевой примерно на 30 %. Таким образом, для того, чтобы время пребывания ТВС в зоне горения трубчато-кольцевой камеры сгорания стало равным времени пребывания ТВС в зоне горения кольцевой камеры сгорания, длина зоны горения в трубчато-кольцевой камере должна быть увеличена в 1,4 раза. При этом меньшая площадь охлаждения стенок жаровых труб и, следовательно, меньший расход охлаждающего воздуха, дефицит которого повышается с ростом параметров цикла, возможность более тонкой настройки эпюры температур на выходе, малая длина и вес, а также возможность выполнить требования по эмиссии вредных веществ обеспечили использование кольцевой камеры сгорания во всех современных турбореактивных двухконтурных двигателях (ТРДД). Противоточная камера сгорания используется обычно в сочетании с центробежным или осецентробежным компрессором и связана с поворотом потока на 360°. Такая компоновка двигателя позволяет снизить его длину и вес, и может использоваться при проектировании ТРДД со степенью двухконтурности т ≥ 3 (пример LF507), где объем, ограниченный внутренней стенкой канала второго контура, достаточен для размещения центробежной ступени и камеры сгорания. Противоточная камера сгорания широко применяется на турбовальном двигателе (ТВаД) для вертолетов, ВСУ (вспомогательная силовая установка), где нет жестких ограничений на диаметральные габариты. Радиально-кольцевая камера сгорания выполнена в виде кольцевой жаровой трубы, сформированной двумя стенками, располагающимися под углом 90° к валу двигателя с распылением вращающимися форсунками топлива, поступающего через вал. Как и в случае с противоточной камерой сгорания такая компоновка двигателя позволяет снизить его длину и вес. Основным недостатком противоточной и радиально-кольцевой камер сгорания является большая величина отношения площади поверхности жаровых труб к объему, что вызывает затруднения с охлаждением стенок. Этот недостаток усугубляется тем, что вторичный воздух, вводимый в жаровую трубу, подходит к наружной и внутренней стенкам с различными потерями полного давления, т.к. путь воздуха к внутренней стенке больше. В связи с этим, проблематично обеспечить необходимое направление и глубину проникновения струй воздуха, проходящих через наружную и внутренние стенки. Основными требованиями, предъявляемыми к камерам сгорания, являются: высокая полнота сгорания топлива; низкие потери полного давления; 2 устойчивое горение в широком диапазоне по составу смеси; устойчивый розжиг камеры сгорания на земле и в полёте; эмиссия вредных веществ в пределах норм ИКАО; высокая надёжность; технологическое совершенство; минимальные габариты и масса. Однако даже самые современные конструкции камер сгорания далеки от совершенства. И речь идёт не только о применяемых при изготовлении материалов и передовых технологий. На данном этапе развития имеется возможность существенно улучшить экономичность двигателя путём переработки или модернизации конструкции камер сгорания. Как известно, для обеспечения устойчивого процесса горения на всех режимах работы двигателя в первичную зону подаётся только часть воздуха. В среднем в камере сгорания лишь 20 % воздуха, нагнетаемого компрессором, поступает в зону горения, остальные 80 % – в зону смешения и охлаждения стенок (рис. 1). И это обусловлено не только жаропрочностью стенок жаровых труб. На данном этапе развития человечество располагает материалами, способными выдерживать высокие тепловые нагрузки (Тг≥2000К) без необходимости охлаждения. Рис. 1. Общая схема и распределение воздуха в камере сгорания Так, например, фирма Rolls-Royce применяет систему охлаждения типа «трансплай» с «толстым» (500...600 мкм) теплозащитным покрытием стенок жаровой трубы. От исходного уровня расход воздуха на охлаждение уменьшается почти в два раза. Фирмы General Electric и Pratt&Whitney внедрили технологию конвективного охлаждения также с «толстым» теплозащитным покрытием, что дало возможность исключить расход воздуха на пленочное охлаждение, а использовать его в процессе низкотемпературного горения. Фирма Siemens на своих больших цилиндрических камерах применяет керамические плитки, не связанные жестко с основной конструкцией, а в газосборнике – металлические плитки, покрытые керамикой. В результате межремонтный ресурс камеры сгорания достигает 100000 часов [2]. Устойчивое горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания может происходить только в том случае, если скорость потока воздуха за диффузором камеры сгорания находиться в определённых пределах. Данное условие не позволяет увеличить расход воздуха более 20 % и, вследствие этого, большая часть воздуха не участвует в создании ТВС с последующим горением. Одним из вариантов решения этой проблемы является изменение/модернизация конструкции жаровых труб путём размещения в них ряда специальных устройств, обеспечивающих торможение потока. Это могут быть как уголковые стабилизаторы, так и завихрители, которые расширяют зону обратных токов, тем самым обеспечивая наиболее оптимальный и экономичный режим горения, при котором вещества реагируют друг с другом в определённых пропорциях для полного сгорания (стехиометрическое горение). Путём применения такого конструктивного решения в сочетании с современными жаропрочными материалами, количество воздуха, отводимое на охлаждение стенок жаровых труб и в зону смешения, можно свести к минимуму, тем самым увеличив экономичность двигателя. 3 В Центральном институте авиационного моторостроения ведутся разработки двигателя VI поколения. Уже сейчас создана высокотемпературная камера сгорания (Тг>2100 ºК) для газотурбинных двигателей с повышенным ресурсом и низким уровнем эмиссии вредных веществ, многофорсуночное фронтальное устройство обеспечивает высокую полноту сгорания стехиометрических топливных смесей и малую эмиссию вредных веществ. Многократное увеличение ресурса обеспечивается благодаря применению двустенной перфорированной или сегментной жаровой трубы. Существенное (в 2 раза) уменьшение расхода охлаждающего воздуха обеспечивает снижение неравномерности поля температуры газа на выходе из камеры сгорания, что в свою очередь обуславливает высокий ресурс турбины [3]. Помимо экономичности, немалое внимание уделяется обеспечению низкого уровня выброса вредных веществ. Для обеспечения минимального уровня эмиссии вредных веществ при организации процесса горения в камере сгорания любого типа необходимо обеспечить следующие условия: качественную мелкодисперсионную ТВС с высокой однородностью; максимально возможную скорость реакции горения; температуры в зоне горения 700... 1500 °С; отсутствие локальных высокотемпературных зон; постоянного во всем диапазоне работы двигателя состава смеси в зоне горения; оптимальное распределение вторичного воздуха; оптимальный состав смеси в смесительных устройствах или в первичной зоне камеры сгорания. К основным конструктивным схемам низкоэмиссионных камер сгорания можно отнести следующие схемы: двухзонные; изменяемой геометрии; многофорсуночные; с гомогенизацией ТВС; каталитические. Принцип действия всех низкоэмиссионных камер сгорания, так или иначе, основан на поддержании температуры в зоне (зонах) горения в достаточно узком интервале на всех эксплуатационных режимах двигателя. Пример двухзонной камеры сгорания с параллельным расположением зон представлен на рис. 2. Дежурная зона этой камеры сгорания (внутренняя зона) выполнена рациональной для обеспечения высокой полноты сгорания и низких выбросов окиси углерода и не сгоревших углеводородов на режимах, близких к малому газу, тогда как основная зона (внешняя зона) создает бедную смесь, рациональную для наименьших выбросов окиси азота на режимах большой мощности. Дежурная зона обеспечивает также устойчивость горения основной зоны при ее подключении. Рис. 2. Двухзонная камера сгорания фирмы SNECMA 4 К недостаткам двухзонной камеры сгорания можно отнести сложность обеспечения ее надежной работы на переменных режимах работы двигателя, когда требуется быстрое отключение или подключение основной зоны. Библиографический список 1. Некоторые вопросы проектирования авиационных газотурбинных двигателей / Е.А. Гриценко, В.П. В.П. Данильченко, С.В. Лукачёв [и др.]. – Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2002. – 342 с. 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / А.А. Гриценко, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандратский [и др.]. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 132 с. 3. Электронный ресурс. Режим доступа: http://engine.aviaport.ru/issues/01/page40.html 5