КАМЕРЫ СГОРАНИЯ - MSTUCA

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»
Кафедра двигателей летательных аппаратов
Л.В. Москаленко, Б.П. Умушкин
КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЧНОСТЬ
АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Пособие к лабораторным занятиям
по теме
«КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ»
для студентов III и IV курсов
специальности 160900
по направлению 552000
всех форм обучения
Москва - 2007
2
ББК 0551-021
М82
Рецензент д-р техн. наук, проф. В.А. Пивоваров
Москаленко Л.В., Умушкин Б.П.
М82
Конструкция и прочность авиационных двигателей: Пособие к
лабораторным занятиям по теме «Камеры сгорания газотурбинных
двигателей». – М.: МГТУ ГА, 2007. – 24 с.
Данное пособие издается в соответствии с рабочей программой
учебной дисциплины СД.07 «Конструкция и прочность авиационных
двигателей» по Учебному плану специальности 160900 по направлению
552000 для студентов III и IV курсов всех форм обучения, утвержденному
в 2001 г.
Рассмотрено и одобрено на заседаниях кафедры 07.03.06г. и
методического совета 20.05.06г.
Редактор И.В. Вилкова
Печать офсетная
1,4 усл.печ.л.
Подписано в печать 24.10.06 г.
Формат 60х84/16
Заказ № 210/
1,32 уч.-изд. л.
Тираж 300 экз.
Московский государственный технический университет ГА
125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20
Редакционно-издательский отдел
125493 Москва, ул. Пулковская, д.6а
© Московский государственный
технический университет ГА, 2007
3
Занятие № 4
КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД
1. Цель занятия
Изучение назначения, основных параметров, условий работы камер
сгорания ГТД и требований к их конструкции.
Ознакомление студентов с основными конструктивно-схемными
решениями камер сгорания ГТД.
Изучение принципов подхода к инженерному анализу конструкций камер
сгорания с учетом условий работы и воздействия эксплуатационных факторов.
Ознакомление с методами анализа нарушения работоспособности, поиска
причин отказов конструкции камер и разработки мер по их устранению и
предупреждению.
Приобретение студентами навыков самостоятельной работы по
самостоятельному анализу конструкции камеры сгорания ГДД.
2. Методические основы построения занятия
Занятие проводится по подгруппам в течение четырёх часов учебного
времени в помещениях специализированных классов учебной лаборатории,
оснащённых образцами газотурбинных двигателей, их узлов и агрегатов.
Занятие состоит из рассказа преподавателя и последующей
самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя.
Преподаватель использует при проведении занятия макеты-разрезы
двигателей, их узлы и агрегаты, а также видеотехнику, электронные носители,
слайды, чертежи и плакаты.
Самостоятельная работа студентов проводится под руководством
преподавателя группами, численностью 5 – 6 человек. Каждая такая группа
получает задание на самостоятельную работу по анализу конструкции
компрессора конкретного газотурбинного двигателя с использованием макетаразреза двигателя, его технического описания и чертежа.
Задание содержит вопросы, на которые должны ответить студенты по
результатам самостоятельного анализа конструкции.
3. Основа содержания рассказа преподавателя
3.1. Требования к камерам сгорания
Камера сгорания является тем агрегатом двигателя, где происходит
сгорание топлива в потоке воздуха, поступающего из компрессора.
Образовавшийся в результате газ направляется в турбину.
Конструкция камер сгорания должна удовлетворять следующим основным требованиям:
4
- потери энергии как в процессе преобразования химической энергии
топлива в тепло, так и вследствие теплоотдачи в окружающую среду должны
быть минимальными;
- величина коэффициента полноты сгорания топлива на режимах работы
двигателя, близких к расчетному, должна составлять не менее 0,90—0,98;
-гидравлические потери, приводящие к потере полного напора
и
соответствующему уменьшению работы цикла, должны быть небольшими (на
выполненных современных ГТД потери полного напора составляют 5 - 8°/0)
- процесс горения должен быть устойчивым на всех режимах полета,
включая полеты на больших высотах, когда плотность воздуха в камере
невелика, а уменьшение расхода топлива через форсунки сопровождается
ухудшением распыла;
- обеспечивать равномерность и стабильность по условиям прочности
лопаток турбины поля температур, скоростей и давлений газа на выходе из
камеры;
- в процессе эксплуатации в течение всего ресурса двигателя должна быть
гарантирована надежность работы и неизменность характеристик камеры без
необходимости осмотров отдельных деталей, связанных с большими затратами
времени и труда для проведения регламентных работ;
- запуск двигателя должен обеспечиваться на всех скоростях и высотах
полета, пусковые устройства камер должны быть простыми по конструкции и
удобными в эксплуатации;
- выбор конструкционных материалов, организация охлаждения, а также
назначение размеров и способов крепления деталей должны быть обусловлены
условиями получения минимальной массы при удовлетворении установленных
требований технологичности, надежности и ресурса.
В настоящее время отсутствуют достаточно точные инженерные методы
расчета процессов, происходящих в камере. Поэтому только натурные
испытания отдельных вариантов камер на специальных установках с
последующей проверкой их на двигателе позволяют выяснить качество работы
камеры и определить ее характеристики. При выборе конструкции камеры
должна учитываться возможность экспериментальной проверки ее работы с
наименьшей затратой средств для проведения испытаний.
3.2. Типы камер сгорания и их сравнительная оценка
Камеры сгорания ГТД подразделяются по направлению потока воздуха и
продуктов сгорания на прямоточные и противоточные; по способу подачи
топлива в зону горения — на камеры с подачей топлива в паровой фазе и
камеры с подачей топлива в жидкой фазе (в распыленном виде); по
конструкции — на индивидуальные (отдельные, трубчатые), кольцевые и
трубчато-кольцевые.
5
Рис. 1. Прямоточная трубчато-кольцевая камера сгорания:
1 — форсунка; 2 — завихритель; 3 — наружный корпус камеры; 4 — жаровая труба;
5 - внутренний корпус камеры; 6 — газосборник; 7 — сопловой аппарат турбины
Прямоточные камеры (рис.1) получили в современных двигателях
наибольшее распространение, так как отсутствие двукратного поворота потока
воздуха на 180°, характерного для противоточных камер, позволяет выполнить
камеры с наименьшими гидравлическими потерями и с небольшим
диаметральным габаритным размером.
Недостатком камер этого типа является увеличение расстояния между
турбиной и компрессором, что приводит к увеличению общей длины двигателя,
а главное, к увеличению расстояния между передней и задней опорами ротора
двигателя и соответствующему усложнению конструкции и увеличению веса
ротора и двигателя в целом.
Противоточные камеры позволяют уменьшить длину двигателя и его
ротора, так как элементы камеры могут быть расположены над турбиной и
выходной трубой (рис. 2). В отдельных случаях (рис.3) камера сгорания
размещается между турбиной и компрессором. При этом жаровой трубе
придается такая форма, что расстояние между компрессором и турбиной
сокращается почти в два раза по сравнению с двигателем, имеющим
прямоточную камеру.
Противоточные камеры сгорания целесообразно применять в том случае,
когда решающим является требование уменьшения веса и габаритов по длине
двигателя. К числу таких двигателей нужно отнести в первую очередь
газотурбинные стартеры. Требование упрощения конструкции двигателей для
летательных
аппаратов
одноразового
действия
с
небольшой
продолжительностью полета, а также для самолетов вертикального взлета и
посадки может также привести к целесообразности применения противоточных
камер.
6
Рис. 2. Противоточная индивидуальная камера сгорания:
1 - рабочее колесо компрессора; 2 - газосборник; 3 - кожух камеры; 4 - жаровая труба;
5 - свеча зажигания; 6 - завихритель; 7 - форсунка
Рис. 3. Противоточная кольцевая камера сгорания:
1 - рабочее колесо компрессора; 2 - корпус камеры; 3 - жаровая труба; 4 - форсунка; 5 сопловой аппарат турбины; 6 - рабочее колесо турбины; 7 - выходное устройство
Испарительные камеры с подачей топлива в паровой фазе (рис. 4)
применяются в ГТД сравнительно редко. Это обусловлено в первую очередь
трудностью обеспечения надежно работающей испарительной системы,
представляющей собой набор трубок 1, внутрь которых при помощи форсунок
7
4 подводится топливо, смешиваемое с поступающим в них воздухом. Внутри
испарителей образуется обогащенная смесь с коэффициентом избытка воздуха
0,25- 0,30. Форма и размеры трубок-испарителей должны быть выбраны из
условия предотвращения коксования топлива и обгорания трубок на всех
режимах работы двигателя.
Рис. 4. Прямоточная индивидуальная камера с подачей топлива в паровой фазе:
1 - трубка-испаритель; 2 - воздухоподводяший патрубок; 3 - жаровая труба;
4 - форсунка; 5 - кожух камеры; 6 - диффузор камеры; 7 – газосборник
Рис.5. Прямоточная камера сгорания с подачей топлива навстречу потоку воздуха:
1 - корпус компрессора; 2 - свеча; 3 - форсунка; 4 - жаровая труба; 5 - кожух камеры;
6 - газосборник; 7 - сопловой аппарат турбины
Камеры с подачей топлива в жидкой фазе (распыливанием) применяются
практически на всех известных газотурбинных двигателях. Характерной
особенностью этих камер является наличие топливных форсунок,
обеспечивающих подачу топлива в виде мелких капель.
8
3.3. Конструкции камер сгорания
На рис.6 показана камера сгорания трубчатого типа. Жаровая труба,
сваренная роликовой электросваркой из отдельных частей, выполнена из
листовой стали толщиной 1,2 – 1,4 мм. В передней части жаровой трубы, где
имеется резкая разница в температуре деталей в местах сварки ее частей горловины 3 и передней стенки 8, передней стенки и конической перегородки с
отверстиями 9, сделаны прорези (см. вид А). Для уменьшения концентрации
напряжений каждая прорезь переходит в конце в отверстие, диаметр которого
немного больше ширины прорези. Прорези служат компенсаторами для
устранения тепловых напряжений и облегчают подгонку деталей друг к другу
перед сваркой. Кроме того, струйки воздуха, проходящего через отверстия и
прорези, охлаждают стенки отдельных частей жаровой трубы. Жаровая труба
зафиксирована относительно кожуха в передней части с помощью трех
центрирующих стаканов 11, расположенных под углом 120° друг к другу. Узел
крепления показан на рис. 6 б.
В выходном сечении жаровая труба имеет круглую форму и фиксируется
в отверстии газосборника так, что при тепловом расширении она перемещается
в сторону турбины. Так как эта часть жаровой трубы весьма сильно нагрета, то
при взаимных перемещениях в опорных поверхностях возникают большие
износы. С целью охлаждения опорных поверхностей и уменьшения износа
применяют стеллитовые наплавки 27 (см. рис. 6 в) или применяют приваренное
гофрированное кольцо 28, охлаждаемое струями воздуха.
Узел соединения смежных камер с помощью перебрасывающих пламя
патрубков (так как зажигательные устройства располагаются не в каждой
трубчатой камере) показан на рис. 6 г. Это соединение допускает некоторое
взаимное перемещение соседних камер за счет сдвига двойных патрубков по
поверхностям А и Б.
Центральный канал В двойного патрубка соединяет полости соседних
жаровых труб. Кольцевые каналы Г и отверстия Д соединяют наружные кожухи
соседних камер сгорания. Каналы В и Г соединяются между собой отверстиями
Ж. Такое соединение смежных камер позволяет выравнивать давление между
соседними камерами и осуществить при запуске зажигание смеси в тех
камерах, где нет пусковых устройств.
В креплении камеры сгорания к патрубку центробежного компрессора
(рис.6) благодаря сферической поверхности А кольца 10 возможны некоторые
перемещения камеры от температурных деформаций. Они возникают потому,
что у входного конца камера опирается на патрубки центробежного
компрессора, а у выходного - на газосборник. Положение этих концов камеры
определяется расстояниями от оси двигателя, температурой нагрева деталей и
их материалом.
Соединения частей наружного кожуха показаны на рис. 6 е.
9
Рис. 6. Камера сгорания трубчатого типа:
1 - патрубок компрессора; 2—сферическое стальное кольцо; 3—горловина жаровой
трубы; 4—форсунка; 5 - наружный кожух камеры; 6 - малая коническая перегородка с
отверстиями; 7 - лопаточный стабилизатор; 8 - передняя стенка жаровой трубы;
9 - большая коническая перегородка с отверстиями; 10 - сферическое стальное кольцо;
11 - центрирующий стакан; 12 - цилиндрическая часть жаровой трубы; 13 - коническая
часть жаровой трубы; 14 - соединительное перфорированное кольцо; 15 - задняя
коническая часть жаровой трубы; 16 - секция сварного кожуха; 17 - центрирующее
10
кольцо; 18 -втулка; 19 - жаровая труба; 20 – наружный сварной кожух; 21 – втулка;
22 – фланец; 23 – втулка; 24 - болт; 25 - винт; 26 - отгибая шайба; 27 - наплавка
стеллита; 28 – гофрированное кольцо; 29, 30 – патрубки; 31, 32 – муфты; 33 – отгибная
шайба; 34 – втулка наружного кожуха; 35 – стяжной болт; 36 - втулка; 37 - гайка;
а—соединение секций жаровой трубы; б - соединение жаровой трубы и наружного
кожуха; в – уменьшение износа опорных поверхностей в выходном участке жаровых
труб наплавкой сателлита 27 или гофрированным кольцом 28; г - соединение смежных
камер; д - крепление камеры к патрубку компрессора; е - соединение частей наружного
кожуха с помощью болтов и винтов; А1, Б1—поверхности перемещения патрубков;
В, Г – каналы; Д, Е, Ж—отверстия
На рис. 7 представлена кольцевая камера сгорания ТРД. Кольцевая
полость камеры образована внешним 5 и внутренним 6 кожухами, между
которыми располагается жаровая труба 4. К передней части трубы приварен
роликовой сваркой блок головок 2, каждая из которых имеет лопаточный
стабилизатор 1. Наружная стенка жаровой трубы состоит из двух секций,
соединяемых сваркой. Передняя стенка имеет продольные фрезерованные
ребра, увеличивающие поверхность охлаждения и повышающие ее жесткость.
На внутренней стенке отверстия для вторичного воздуха окантованы
манжетами (пистонами). Жаровая труба крепится в выходном сечении к
корпусу соплового аппарата (узел II) и при нагревании расширяется к
компрессору.
Рис. 7. Кольцевая камера сгорания ТРД:
1 - лопаточный стабилизатор; 2 - блок головок; 3 - дефлектор для выравнивания
потока воздуха (вследствие несимметричного расположения головок по отношению к
каналу за компрессором); 4 - жаровая труба; 5 - внешний кожух; 6 - внутренний кожух
11
Вторым местом фиксации жаровой трубы являются топливные форсунки.
Вследствие того, что осевые и радиальные тепловые расширения и
перемещения жаровой трубы неодинаковы, для обеспечения свободной
деформации ось форсунки располагается под углом к оси камеры, крепление
жаровой трубы в выходном сечении к корпусу соплового аппарата и тепловое
расширение ее к компрессору предпочтительнее, чем крепление со стороны
компрессора. Преимущества связаны с тем, что перемещение незакрепленного
конца жаровой трубы происходит в области низких температур, что вызывает
меньший износ опорных поверхностей форсунок и внутренних колец
лопаточных стабилизаторов в процессе работы двигателя.
Рис. 8. Трубчато-кольцевая камера сгорания ТРД:
1 - форсунка; 2 - жаровая труба; 3 - кожух камеры сгорания; (завихритель)
4 - стабилизатор
На рис. 8 представлена трубчато-кольцевая камера сгорания ТРД. Стенки
жаровой трубы выполнены из нескольких секций, соединенных между собой
сваркой.
В зоне наибольших температур жаровые трубы имеют продольные
фрезерованные ребра. Выходная часть жаровой трубы 2 в поперечном сечении
имеет форму кольцевого сектора. Тепловые удлинения жаровой трубы
происходят в сторону турбины. В передней части жаровая труба опирается на
форсунку 1, корпус которой является силовым.
Для осмотра или замены жаровых труб кожух 3 камеры сгорания (после
отвинчивания болтов и винтов, крепящих фланцы) может быть сдвинут в
сторону турбины.
Полости жаровых труб сообщены между собой соединительными
патрубками, выполняющими ту же роль, что и в индивидуальных.
На рис. 10 показана кольцевая камера сгорания ТВД. Жаровая часть
камеры имеет десять головок, в каждой из которых находится лопаточный
стабилизатор 3, во внутреннее кольцо которого входит форсунка 2. В жаровой
части камеры имеются щели для ввода защитного пристеночного слоя воздуха.
В смесительную область жаровой части камеры воздух подается по
смесительным патрубкам 7 с охлаждаемыми передними стенками. Жаровая
часть камеры фиксируется относительно наружного кожуха радиальными
пальцами 4 и в местах 8 по выходному сечению жаровой части камеры.
12
Жаровая часть камеры показана на рис. 9 и рис. 10.
Рис. 9. Жаровая часть камеры сгорания ТВД:
1 - наружное кольцо завихрителя; 2 - передняя часть диффузора; 3 - задняя часть
диффузора; 4 - вырез головки; 5 - внутреннее кольцо головок; 6 - сопла; 7 - вставки;
8 - внутренний кожух; 9—наружный кожух; 10—кольцо; 11—дистанционные
пластины; 12—кольцо жесткости; 13—наружное кольцо головок; 14—бобышка;
15—отверстие под струйную форсунку
Рис. 10. Внешний вид жаровой камеры сгорания ТВД:
1—лопаточный стабилизатор (завихритель); 2—головка камеры; 3—наружное кольцо;
4 -отверстие смесительного патрубка; 5—наружное кольцо; 6—внутренний кожух;
7—внутреннее кольцо
На рис. 11 показана камера сгорания, применяемая в ТРД с
двухроторным компрессором, в котором для сокращения длины между опорами
внутреннего вала ротора камера сгорания должна быть возможно более
короткой. Укорочение камеры достигается тем, что в каждую жаровую трубу 3
13
топливо подводится через шесть форсунок /, расположенных в торце жаровой
трубы.
Рис. 11. Камера сгорания ТРД с двухроторным осевым компрессором:
1-форсунка; 2—отдельные кольца, образующие наружную стенку жаровой трубы;
3— жаровая труба; 4—труба для подвода воздуха в центральную часть шаровой
трубы; 5—щели для подвода воздуха
Каждая из форсунок подает такое количество топлива, которое успевает
сгореть на длине камеры. Жаровая труба образована из штампованных колец 2,
сваренных между собой так, что между местами сварки образуются щели 5 для
ввода воздуха. В центр жаровой трубы воздух подводится через коническую
трубу 4, сваренную из отдельных колец так же, как и наружная труба, с образованием щелей.
3.4.Основные элементы камер сгорания
Основными элементами камер сгорания являются топливоподающие
устройства, средства розжига камер в процессе запуска, диффузоры, жаровые
трубы и корпусы (кожухи), внутри которых располагаются жаровые
устройства.
К топливоподающим устройствам камер сгорания относятся топливные
коллекторы (трубопроводы), смонтированные, как правило, снаружи
диффузорной части камеры, и топливные форсунки. Подробному
рассмотрению конструкции форсунок посвящено специальное занятие, поэтому
здесь можно лишь отметить то обстоятельство, что иногда корпусы форсунок
могут быть использованы в качестве силовых элементов камер. Так, например,
в трубчато-кольцевых камерах сгорания форсунки воспринимают радиальные
нагрузки, передаваемые с жаровых труб на внешний корпус диффузора.
Средства розжига камер представляют собой свечи или воспламенители.
Воспламенители выполняются в виде малогабаритных камер, предназначенных
14
для создания пусковых факелов. Пусковыми факелами поджигается
топливовоздушная смесь внутри камеры сгорания. В воспламенителях, в свою
очередь, устанавливаются свечи и пусковые форсунки.
В отдельных и трубчато-кольцевых камерах сгорания воспламенители
устанавливаются не на всех камерах или жаровых трубах.
Диффузор камеры сгорания представляет собой расширяющийся канал,
в котором происходит уменьшение скорости воздуха от 120— 160 м/с (на
выходе из компрессора) до 60—70 м/с (на входе в жаровую трубу камеры).
Снижение скорости потока в камере способствует улучшению устойчивости
горения и уменьшению гидравлических потерь.
Рис.12. Отдельная камера сгорания:
1 — жаровая труба; 2 — кожух камеры; 3 — диффузор камеры
Конструктивно диффузоры 3 (см. рис. 12) представляют собой патрубки
(горловины), отлитые из алюминиевого сплава, а в кольцевых и трубчатокольцевых камерах — профилированные литые или стальные сварные горловины. Сварные диффузоры по сравнению с литыми имеют меньший вес и
поэтому получили наиболее широкое распространение на современных ГТД.
Жаровые трубы предназначены для организации в них процессов
горения и смешения продуктов сгорания со вторичным воздухом.
При конструировании жаровых труб должны быть обеспечены:
- стабилизация пламени на всех режимах полета;
- наибольшая полнота сгорания топлива;
- надежное перемешивание газов и воздуха и получение необходимого распределения температуры потока по длине и сечению трубы;
- требуемое охлаждение деталей камеры и предотвращение чрезмерной
неравномерности их нагрева, вызывающей недопустимые температурные напряжения.
Для устойчивого горения керосина с высоким значением коэффициента
полноты сгорания в потоке воздуха необходимо создать наилучшие условия
распыла, перемешивания и испарения топлива, а также обеспечить в зоне
горения среднюю скорость потока не более 15—20 м/с и максимально
возможную температуру газов, т. е. примерно 1900—2000°С.
Наибольшее значение температуры газов получают сжиганием топлива
при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. Последующее
снижение температуры перед турбиной (до температуры, допустимой по
условиям прочности, турбины) производится разбавлением продуктов сгорания
15
вторичным воздухом в зоне смешения. По мере повышения температуры
относительное количество вторичного воздуха уменьшается.
Требуемое снижение скорости потока в передней части жаровых труб
одновременно с улучшением перемешивания топлива с воздухом и
организацией должного подвода тепла для нагрева и испарения топлива
достигается созданием зон обратных токов. Зоны обратных токов возникают за
плохообтекаемым телом (рис. 13 а) или после завихрителя (рис. 13 б). Характер
течения воздуха в зонах обратных токов виден на рисунке, где показаны линии
токов и картина изменения осевых составляющих скоростей потока по сечению
трубы. Границы зон обратных токов выделены пунктирными линиями.
Устройства, с помощью которых создают зоны обратных токов, получили
название стабилизаторов.
Чаще
всего
в
качестве
стабилизаторов основных камер ГТД
применяются завихрители. Гидравлические потери в завихрителях значительно
ниже,
чем
в
других
типах
стабилизаторов. Завихрители (рис. 14 а)
представляют
собой
лопатки,
штампованные из листового материала и
приваренные к наружному и внутреннему
кольцам. Наружное кольцо завихрителя в
свою очередь приваривается к стенке
головки жаровой трубы в передней ее
части, а по внутреннему его кольцу
центрируется
корпус
топливной
форсунки. Через завихрители проходит
примерно 8 – 10% воздуха от общего его
расхода.
Рис. 13. Зоны обратных токов:
а – за пластиной; б – за завихрителем
Размеры зоны обратных токов за завихрителем определяются степенью
интенсивности закрутки воздуха. Закрутка зависит от числа лопаток и угла их
установки.
На применяющихся камерах число лопа- ток завихрителя обычно равно
5—12, а углы установки - 30—80°.
Для стабилизации пламени могут также применяться конусы, устанавливаемые в передней части жаровой трубы так, что за ними образуются
обратные течения воздуха. Такой стабилизатор показан на рис. 14 б.
Основным недостатком стабилизаторов подобного типа является повышенное гидравлическое сопротивление и недостаточная надежность их
работы из-за возможного отложения нагара в пространстве между конусами и
вызванного этим прекращения образования зоны обратных токов.
16
Конструктивно возможно также осуществление стабилизации с образованием обратных токов за передней стенкой жаровой трубы, имеющей
специальные прорези-щели 1 (рис. 15). Щели выполняют способом просечки
стенки и отгибом ее краев. Проходные сечения, форма и взаимное
расположение щелей, определяющие размеры зоны обратных токов,
подбираются экспериментальным путем. Технология изготовления жаровых
труб с такой стабилизацией пламени не вызывает больших затруднений в
производстве, однако в процессе эксплуатации они могут деформироваться
вследствие потери устойчивости при незначительном перегреве или нарушении
охлаждения. Поэтому камеры сгорания с такими стабилизаторами не получили
широкого распространения.
Смешение продуктов сгорания, поступающих из зоны горения, с
потоком вторичного воздуха происходит обычно в задней части жаровых труб.
Подвод вторичного воздуха может осуществляться через окна, имеющиеся в
стенке жаровой трубы, форма и размеры которых могут быть весьма
разнообразными (рис. 16 а, б, в, г, д, е). В кольцевых камерах сгорания для этой
цели часто используются смесительные патрубки (рис. 16 ж, з).
Рис. 14. Стабилизаторы пламени:
а — завихритель; б — система конусов; 1 — наружный конус; 2— внутренний конус;
3 — форсунка
17
Организация подвода воздуха через окна в жаровых трубах выгодна с
точки зрения упрощения конструкции труб. Подбором формы и размеров окон
стремятся обеспечить хорошее перемешивание газа с воздухом и наименьшую
неравномерность нагрева стенок труб.
Обеспечение равномерности нагрева трубы необходимо для уменьшения
термических напряжений. Это достигается применением дополнительных
отверстий небольшого размера (рис. 16 е) между основными окнами трубы или
же окантовкой краев отверстий специальными втулками (рис. 16 е) из
жаропрочного материала.
Неравномерность нагрева стенки трубы, возникающая вследствие более
интенсивного охлаждения материала стенки вблизи отверстий, приводит к
появлению термических напряжений. Это объясняется тем, что менее нагретая
часть трубы мешает расширяться более ее нагретой части. Поэтому на
относительно горячих участках трубы (между отверстиями) возникают
сжимающие напряжения, а на менее нагретых участках (у краев отверстий) растягивающие, способствующие образованию трещин.
К недостаткам, присущим способу подвода воздуха через окна в жаровых
трубах, относится небольшая дальнобойность струи воздуха. В связи с этим
возникает трудность получения необходимого снижения температуры в
центральной части потока, особенно при больших сечениях труб. Именно
поэтому наибольшее распространение получил способ подвода воздуха через
окна в жаровых трубах отдельных и трубчато-кольцевых камер сгорания,
имеющих небольшое поперечное сечение и позволяющих осуществить подвод
воздуха по всему периметру трубы.
В жаровых трубах кольцевых
камер сгорания маломощных двигателей
тоже иногда используют окна для
подвода воздуха в зону смешения; для
обеспечения
хотя
бы
некоторого
увеличения
дальнобойности
струй
воздуха в этом случае применяют окна
продолговатой формы (рис. 16 б).
Применение
смесительных
патрубков (рис. 16 ж, з) для подвода
воздуха в кольцевых камерах позволяет
обеспечить более равномерное поле
скоростей и температур по сечению на
выходе из камеры сгорания.
Рис. 15. Головка жаровой трубы:
1 — щели для прохода воздуха; 2 —втулка
для центрирования форсунки
Установка патрубков в потоке газа с высокой температурой требует
применения специальных мер охлаждения патрубков и защиты их от газовой
18
коррозии, особенно их передней части. Для этой цели обычно повышают
скорость .воздуха, омывающего переднюю стенку патрубка, путем уменьшения
сечения канала при помощи специальной вставки А (рис. 16 а).
Кроме внутреннего охлаждения патрубка возможно также создание
защитного подслоя холодного воздуха, омывающего его наружную поверхность. Для этого перед патрубком устанавливают специальные насадки или
делают щели для подвода охлаждающего воздуха. Для защиты патрубков от
газовой коррозии иногда применяют покрытие их наружной поверхности слоем
жаропрочной эмали.
ж
з
Рис. 16. Форма окон и патрубков для подвода воздуха внутрь жаровых труб:
а, б, в, г, д, е — различные формы окон в стенке жаровой трубы; ж, з — смесительные
патрубки; А — вставка для уменьшения сечения канала патрубка
Охлаждение деталей жаровых труб в целях повышения надежности и
долговечности их работы является одной из важнейших задач, разрешаемых
при конструировании камеры сгорания. Наиболее разогретой частью жаровой
трубы является ее средняя часть, так как в этом месте заканчивается горение и
только начинается смешение газов. Наружное охлаждение стенок трубы
осуществляется потоком вторичного воздуха, проходящим по кольцевой
полости между жаровой трубой и корпусом (кожухом) камеры сгорания.
Нередко внешнее охлаждение оказывается недостаточным и возникает
необходимость организации внутреннего заградительного охлаждения,
сущность которого заключается в создании слоя воздуха между стенкой
жаровой трубы и потоком газов. Для направления потока воздуха вдоль
19
внутренней стенки жаровой трубы в кольцах 1 (рис. 17 а), соединяющих
отдельные секции трубы, имеются отверстия либо наружные щели 2 (рис. 17 б),
выполненные штамповкой в месте соединения секций трубы, либо профильные
кольца 4 (рис. 17 в), приваренные изнутри к жаровой трубе 3.
Неравномерность нагрева жаровых труб как по поверхности, так и по
толщине стенок приводит к возникновению чрезмерных термических
напряжений в трубах или к потере их устойчивости.
Для улучшения эффективности охлаждения жаровые трубы изготовляют
из жаропрочного листового материала с небольшой толщиной стенки (0,8—1,2 мм).
Наибольшей жесткостью и устойчивостью обладают жаровые трубы с
наружными продольными ребрами, выполненными фрезеровкой (рис. 18).
Отбортовкой кромок отверстий во внутрь или наружу трубы (см. рис. 16 г и д), а
также постановкой колец (см. рис. 16 в) можно увеличить жесткость гладких труб.
Увеличение толщины стенки трубы в местах расположения сварных швов
приводит к увеличению термических напряжений, понижения которых можно
добиться введением температурных компенсационных прорезей А (рис. 19).
Для повышения жаростойкости жаровых труб их иногда покрывают
слоем жаропрочной эмали. Материалом для изготовления жаровых труб
обычно служат жаропрочные хромоникелевые сплавы типа ЭИ435, хорошо
сваривающиеся и допускающие большую вытяжку.
Корпусы или кожухи камер сгорания представляют собой
цилиндрические или конические оболочки, внутри которых расположены жаровые трубы. Корпусы камер сгорания в отличие от кожухов включаются в
Рис. 17. Способы подвода охлаждающего воздуха для осуществления заградительного
охлаждения: 1 — кольцо с отверстиями; 2 — щели; 3 — труба; 4 — профильное
кольцо; 5 — кожух
силовую систему двигателя и поэтому дополнительно нагружаются силами и
моментами, возникающими на других узлах двигателя. Кожухи применяются в
отдельных камерах сгорания, а корпусы — в кольцевых и трубчато-кольцевых
камерах.
20
Рис. 18. Жаровая труба с продольными ребрами на наружной поверхности
Рис. 19. Внешний вид жаровой трубы с температурными компенсационными
прорезями А
Рис. 20. Схемы крепления кожухов отдельных камер сгорания:
а—с осевой фиксацией заднего конца; б - с осевой фиксацией переднего конца;
1 —кожух; 2 —газосборник; 3 — корпус; 4 — резиновое кольцо; 5 — втулка;
6 — кольцо; 7 — корпус газосборника; 8 — фланец каморы; 9 — фланец патрубка;
10— сферическое кольцо
Кожухи отдельных камер имеют обычно подвижное телескопическое
соединение переднего (рис. 20 а) или заднего (рис. 20 б) конца. Уплотнение
подвижного соединения передней части кожуха может осуществляться при
21
помощи резинового кольца 4, установленного с небольшим натягом в расточке
корпуса 3 (см. рис. 20 а).
Уплотнение подвижного соединения заднего конца кожуха в наиболее
горячей части камеры осуществить более сложно. Как видно из рис. 20 б, для
этого в конце конической части кожуха приваривается точёное кольцо 6 со
сферической хромированной наружной поверхностью. В корпусе 7
газосборника устанавливается втулка 5 с хромированной внутренней поверхностью.
Соединение кольца 6 и втулки 5 осуществляется с небольшим натягом.
Хромирование соприкасающихся поверхностей уплотняющего устройства
повышает износоустойчивость деталей и предотвращает увеличение зазора в
процессе работы камеры. Соединение неподвижного переднего конца кожуха
выполнено в виде ограниченного шарнира (см. узел А на рис. 20 б). Для этого
фланец 8 камеры крепится к фланцу 9 патрубка компрессора при помощи двух
болтов. Нарушение герметичности соединения при возможном повороте
камеры устраняется установкой кольца 10 со сферической поверхностью контакта.
Корпусы камер современных ГТД представляют собой оболочки с
приваренными к ним фланцами, предназначенными для соединения корпуса с
другими силовыми узлами двигателя. Это соединение, как правило,
осуществлено так, что без существенной разборки двигателя нельзя снять
жаровые трубы для их осмотра или замены. Однако некоторые конструкции
камер позволяют выполнить фланцевое соединение наружного корпуса 1
камеры с корпусом 2 турбины (рис. 21) так, что смещением корпуса 1 назад
представляется возможность не только осмотреть жаровые трубы 3, но и в
случае необходимости произвести их замену без дополнительных работ по
разборке двигателя.
Рис. 21. Узел соединения корпуса камеры сгорания с корпусом турбины:
1— корпус камеры; 2 — корпус турбины; 3 — жаровая труба; 4 — силовое кольцо
Кожухи и корпусы камер сгорания изготовляются из углеродистой стали
Ст10, если температура нагрева их стенок не превышает 300° С, а при большей
температуре применяется хромоникелевая сталь Я1Т (1Х18Н9Т).
22
3.5. Дефекты камер сгорания
При доводке и эксплуатации газотурбинных двигателей в камерах
сгорания встречаются различные дефекты. Укажем некоторые, наиболее
характерные из них.
Отложение нагара на стенках часто приводит к неполадкам в работе
камер и их повреждениям.
Появление нагара в виде толстого слоя сажи и кокса на стенках жаровой
трубы показывает, что в камере имеются зоны с недостаточным количеством
воздуха, вследствие чего происходит неполное сгорание топлива.
Нагар изолирует металлическую поверхность стенки от охлаждающего
воздуха и создает в ней большие местные перегревы. Это влечет за собой
появление местных температурных напряжений и, как следствие, коробление или
растрескивание стенок жаровой трубы.
Примеры коробления стенок жаровой трубы
приведены на рис. 22. В результате
отложения нагара может нарушиться
структура газового потока, что приведет к
прогрессивному
ухудшению
условий
горения
и
неудовлетворительному
распределению температуры газов перед
турбиной.
Рис. 22. Коробление стенок жаровой
трубы в продольном (а) и поперечном
(б) направлениях
Нагар обычно возникает вследствие неправильного подвода воздуха в
жаровую трубу. Место подвода и площади сечений подводящих отверстий
выбираются на основании большого числа опытов, проводимых с камерами
сгорания на специальных установках при различных режимах работы двигателя.
Существенным дефектом камер также является возникновение во время
работы двигателя усталостных трещин в наружных кожухах, секциях жаровых
труб и соединительных патрубках как у сварных швов, так и вдали от места
сварки. Примеры образования трещин в деталях камер сгорания и жаровых
труб показаны на рис. 23.
Если установлено, что в элементах камеры имеет место явление
резонанса, то устранить разрушение камер можно двумя способами. Наиболее
трудным из них является устранение самой причины колебаний, т. е. такая
переделка воздушно-газового тракта двигателя, при которой устраняются или
ослабляются колебания давлений газа, и частота, вызывающая явление
резонанса. Для этого необходима большая работа по внесению изменений в
конструкцию компрессора (в осевом компрессоре — изменение числа рабочих
и спрямляющих лопаток, в центробежном компрессоре — изменение числа
лопаток колеса и диффузора) и другие меры.
23
Рис. 23. Разрушения камер сгорания и жаровых труб:
а—усталостные трещины на наружном кожухе камеры сгорания; б—трещины в
передней части жаровой трубы
Второй способ устранения усталостных трещин заключается в изменении частоты собственных колебаний оболочки (деталей камеры), для чего
бывает достаточно, например, подобрать длину и диаметр кожуха, а также
толщину материала.
В некоторых случаях устраняют колебания камер изменением процесса
сгорания, улучшением стабилизации пламени, изменением системы
распределения воздуха и др.
Могут появляться трещины в жаровой трубе у краев отверстий,
служащих для подачи воздуха, или у места окончания наружных фрезерованных ребер. Эти трещины возникают от частых изменений температурного
режима работы камер. Появлению их могут в значительной мере
способствовать внутренние напряжения, остающиеся после штамповки или
фрезеровки, а также различного рода риски и заусенцы на стенках отверстий.
Главную роль при этом играет эффект концентрации напряжений.
Для получения гладкой поверхности необходимо после сверления
развертывать отверстия и снимать в них зенкером фаски. Это устранит острые
кромки и, кроме того, уменьшит сопротивление входу воздуха.
Трещины могут возникать также вследствие большой разницы
температур у края отверстия, который интенсивно охлаждается, и у мест
стенки, отстоящих на некотором расстоянии от отверстия. Нередко трещина
имеет круговое распространение и, замыкаясь, приводит к тому, что кусок
жаровой трубы отламывается и уносится потоком газов в турбину, вызывая
поломку ее лопаток.
Прогары жаровых труб возникают от местных перегревов (рис. 24).
Перегревы могут быть по разным причинам: при негерметичности форсунок,
при дефектах в работе форсунок, при плохом охлаждении из-за нарушения
величины зазоров между жаровой трубой и кожухом и по другим причинам.
24
Рис. 24. Прогар головки жаровой части кольцевой камеры ТВД:
а—вследствие негерметичной форсунки или горячего состояния форсунки;
б—из-за плохого охлаждения
Дефекты в работе форсунок возникают от закоксования каналов и
фильтров (при установке индивидуальных фильтров перед каждой форсункой).
При этом уменьшается расход топлива через засорившуюся форсунку и
увеличивается расход через менее засоренные и незасорившиеся форсунки. Это
приводит к резкому изменению тепловой нагрузки отдельных камер, приводящему к
изменению теплового режима не только камеры, но и соплового аппарата турбины.
4. Содержание задания на самостоятельную работу
Студент под руководством преподавателя с использованием
технического описания, чертежей, макета разреза двигателя и отдельных камер
сгорания и деталей должен:
- установить тип конструктивно-схемного решения камеры сгорания;
- проанализировать способ организации процесса горения в камере;
- проанализировать назначение отдельных элементов камеры в организации
процесса горения и охлаждении конструкции;
- определить особенности использованных конструктивных приёмов
компенсации сил и моментов, действующих на элементы камеры сгорания;
- сделать краткое заключение о совершенстве, достоинствах и недостатках
конструкции компрессора.
Литература
1.Лозицкий Л.П., Ветров А.Н., Дорошко С.М., Иванов В.П., Коняев Е.А. Конструкция и
прочность авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Воздушный транспорт, 1992.
2. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и
расчёт деталей. – М.: Машиностроение, 1969.
3. Штода А.В., Алещенко С.П., Иванов А.Я. и др. Конструкция авиационных
газотурбинных двигателей. – М.: ВОЕНИЗДАТ МО, 1961.
4. Штода А.В., Алещенко С.П., Гаевский С.А. и др. Конструкция авиационных
двигателей. Ч.1. – М.: ВВИА им. Н.Е, Жуковского, 1969.
5. Косов М.А., Любановский Е.В. Авиационные газотурбинные двигатели. - М., 1960.