Камера сгорания – Combustor – qaz.wiki

Теория Воздушно-Реактивных Двигателей. Курс Киричкова Михаила на Яндекс-Дзен

Компаундный паровой двигатель

[td]Упрощённая схема паровой компаунд-машины тройного расширения:

Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через двигатель, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Большим минусом компаунд-машины, который выявило применение на паровозах, является невозможность трогания, если поршень в цилиндре высокого давления остановился в мертвой точке. Чтобы преодолеть этот недостаток паровозы с компаундной паровой машиной получили сложные приборы трогания, подающие кратковременно свежий пар сразу в два цилиндра.

На паровозах использовалось несколько вариантов компаундов:

  • цилиндры высокого и низкого давления располагаются параллельно один под другим снаружи рамы и работают на общий ползун. Данную схему имели паровозы американской постройки серий «B» и «X»;
  • цилиндры располагаются последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). По такой схеме строились российские паровозы серий «Р» и «П»;
  • Система де Глена — дополнительные цилиндры располагаются внутри рамы и работают на коленчатую ось. По данной схеме выпускались паровозы серии «У», а также опытный чехословацкий паровоз «18-01». В поздних сериях паровозов компаунд-машины не применялись из-за присущих им недостатков, добиваясь экономичности за счет перегрева пара.

Существенный вклад в изучение и применение паровой компаунд-машины на паровозах внёс российский инженер Александр Парфеньевич Бородин.

Класификация

По принципу действия

  • Непрерывного действия (для газотурбинных двигателей (ГТД), турбореактивных двигателей (ТРД), воздушно-реактивных двигателей (ВРД), жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)).
  • Периодического действия (для поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС));

Камеры сгорания непрерывного действия в свою очередь класифицируют:
По назначению

  • Основные;
  • Резервные;
  • Промежуточного подогрева;

По направлению потока воздуха и продуктов сгорания

  • прямоточные;
  • противоточные камеры сгорания (последние применяют редко из-за большого гидравлического сопротивления).

По компоновке

  • Встроенные;
  • Выносные;

По конструктивных особенностях корпуса и жаровой трубы

  • Кольцевые;
  • Трубчато-кольцевые;
  • Трубчатые;

Камеры сгорания периодического действия в свою очередь класифицируют:
По используемому топливу

  • Бензиновые;

По конструкции бензиновые камеры сгорания разделяют:

    • Боковая
    • Центральная
    • Полуклиновая
    • Клиновая
  • Дизельные.

По конструкции дизельные камеры сгорания разделяют:

    • Неразделенные (имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива)
    • Разделенные (разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру)

По способу смесеобразования

    • Обьемное (для неразделенных камер сгорания);
    • Пленочное;
    • Комбинированные.

Камера сгорания непрерывного действия

Камера сгорания непрерывного действия относятся к числу важнейших узлов авиационных и космических двигательных установок, специальных и транспортных газотурбинных установок, которые находят широкое применение в энергетике, химической промышленности, на ж.-д. транспорте, морских и речных судах.

Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki
Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki

Камера сгорания непрерывного действия

1 – Задний корпус

компрессора

2 –

Форсунка

3 – Кожух камеры

4 – Силовая труба

5 – Жаровая труба

6 – Газосборник

7 – Коллектор

8 – Сопловой аппарат I ступени турбины

Принцип работы

Камера сгорания является узлом газотурбинного двигателя (ГТД), в котором происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси. Для приготовления топливовоздушной смеси в камеру сгорания подводится через форсунки топливо и поступает воздух из компрессора. В процессе запуска двигателя поджог топливовоздушной смеси производится электрической искрой (или пусковым устройством), а при дальнейшей работе процесс горения поддерживается непрерывно вследствие контакта образующейся топливовоздушной смеси с раскаленными продуктами сгорания. Образовавшийся в камере сгорания газ направляется в турбину компрессора.

Устойчивость и совершенство процессов в камере сгорания в значительной степени обеспечивают надежную и экономичную работу газотурбинного двигателя.

Требования, предъявляемые к камере сгорания непрерывного действия

  • Устойчивость процесса горения при всех возможных режимах и полетных условиях. Необходимо, чтобы сгорание топлива было непрерывным и не было срыва пламени или пульсационного горения, что может вызвать самовыключение двигателя. В процессе изменения режима работы двигателя и полетных условий изменяется соотношение топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, т.е. изменяется качество смеси.
  • Обеспечение равномерного поля температуры газов перед турбиной. Обычно камеры сгорания имеют несколько форсунок для подвода топлива, поэтому имеется тенденция к получению зон различной температуры на выходе газов из камеры сгорания. Значительная неравномерность поля температур газов может приводить к разрушению турбинных лопаток.
  • Минимальная длина факела пламени, т.е. процесс сгорания, должен заканчиваться в пределах камеры сгорания. В противном случае пламя доходит до лопаток соплового аппарата, что может привести к их прогару.
  • Надежность в эксплуатации, большой срок службы, удобство контроля и технического обслуживания. Обеспечение длительной и надежной работы камеры сгорания достигается как рядом конструктивных мероприятий, так и строгим соблюдением правил летной и технической эксплуатации. Для максимального выполнения перечисленных требований каждому типу двигателя подбирается соответствующий тип камеры сгорания.

Камера сгорания периодического действия

Камера сгорания работающей на бензине

Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki
Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki

Бензиновый двигатель с клиновой камерой сгорания

Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki
Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki

Полусферическая камера сгорания

Конструкции камер сгорания автомобильных двигателей различны. У двигателей с верхним расположением клапанов применяют центральные камеры, а также камеры полуклинового и клинового типов. При нижнем расположении клапанов основной объем камеры сгорания смещен в сторону от оси цилиндра (Г-образная форма); такая конструкция камеры способствует усилению завихрения горючей смеси и улучшает смесеобразование. На современных двигателях широко применяют камеры сгорания полуклинового и клинового типов.

Клиновая камера сгорания – полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери. Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2 – 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.

Широко применявшаяся ранее полуклиновая камера сгорания претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД.

Камера сгорания дизельного топлива

Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki
Камера сгорания - Combustor - qaz.wiki

а

– Полусферическая неразделенная камера сгорания для объемного смесеобразования

б

– тороидальная неразделенная камера сгорания для объемного смесеобразования

г

– Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования

д

– неразделенные камеры сгорания для комбинированного смесеобразования

У дизельных двигателях требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.

Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа.

Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры.

Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.

Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с.

Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий

Камеры сгорания с обьемным смесеобразованием. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.

Требования к камере сгорания ГТД

Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:

  1. Высокое значение коэффициента полноты сгорания η, равного отношению энергии, выделяющейся при сжигании 1 кг топлива к теплотворной способности топлива. Типичные значения η — 0,98..0,99.
  2. Малые потери полного давления delta=frac{p_1^*-p_2^*}{p_1^*}cdot100%, так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6% (прямоточные), 8% (двухконтурные двигатели).
  3. Малые габариты камеры для облегчения веса. При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.
  4. Обеспечение широкого диапазона изменения параметров (расхода воздуха, топлива) — обеспечение возможности работать на разных режимах: 2lealpha=frac{G_{air}}{L_0G_{fuel}}le50, где L0 — стехиометрический коэффициент (количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, принимается ≈0,1488).
  5. Обеспечение заданной эпюры распределения температуры в выходном сечении камеры при минимальной неравномерности этой температуры в окружном направлении (при большой степени неравномерности может сгореть сопловой аппарат).
  6. Надёжный запуск камеры при температурах до -60 °С, в том числе полетный запуск на высоте 7 км.
  7. Малая дымность отработанных газов (для визуальной незаметности).
  8. Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO, CnHm, NOx.
  9. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
  10. Определенный срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).

Выбросы

Одним из движущих факторов современной конструкции газовой турбины является сокращение выбросов, а камера сгорания вносит основной вклад в выбросы газовой турбины. Вообще говоря, существует пять основных типов выбросов газотурбинных двигателей: дым, двуокись углерода (CO 2 ), окись углерода (CO), несгоревшие углеводороды (UHC) и оксиды азота (NO x ).

В первую очередь дымность снижается за счет более равномерного смешивания топлива с воздухом. Как обсуждалось выше в разделе о топливных форсунках, современные топливные форсунки (такие как воздушные форсунки) равномерно распыляют топливо и устраняют локальные карманы с высокой концентрацией топлива. Большинство современных двигателей используют эти типы топливных форсунок и по сути бездымны.

Углекислый газ является продуктом процесса сгорания , и его воздействие в первую очередь снижается за счет сокращения расхода топлива. В среднем при сжигании 1 кг авиакеросина образуется 3,2 кг CO 2 . Выбросы углекислого газа будут продолжать снижаться, поскольку производители делают газотурбинные двигатели более эффективными.

Выбросы несгоревших углеводородов (UHC) и оксида углерода (CO) сильно взаимосвязаны. UHC – это, по сути, топливо, которое не сгорело полностью, и UHC в основном производятся на низких уровнях мощности (когда двигатель не сжигает все топливо). Большая часть содержания UHC вступает в реакцию и образует CO внутри камеры сгорания, поэтому эти два типа выбросов сильно связаны. В результате такой тесной связи камера сгорания, которая хорошо оптимизирована для выбросов CO, по своей сути хорошо оптимизирована для выбросов UHC, поэтому большая часть проектных работ сосредоточена на выбросах CO.

Окись углерода является промежуточным продуктом горения и удаляется путем окисления . СО и ОН реагируют с образованием CO 2 и H . Этот процесс, в котором потребляется CO, требует относительно длительного времени (используется термин «относительно», потому что процесс сгорания происходит невероятно быстро), высоких температур и высокого давления. Этот факт означает, что камера сгорания с низким содержанием CO имеет длительное время пребывания (по существу, количество времени, в течение которого газы находятся в камере сгорания).

Как и CO, в зоне горения образуются оксиды азота (NO x ). Однако, в отличие от CO, он больше всего образуется в условиях наибольшего потребления CO (высокая температура, высокое давление, длительное время пребывания). Это означает, что в целом сокращение выбросов CO приводит к увеличению NO x и наоборот. Это означает, что наиболее успешное сокращение выбросов требует сочетания нескольких методов.

Требования ко всем камерам сгорания двигателя

Основные требованиями для всех камер сгорания непрерывного действия являются:

  • устойчивость процесса горения
  • высокая теплонапряжённость
  • максимальная полнота сгорания
  • минимальные тепловые потери
  • надёжная работа в течение установленного ресурса работы двигателя.

Форсаж

Дожигатель (или повторный нагрев) – это дополнительный компонент, добавляемый к некоторым реактивным двигателям , в первую очередь к военным сверхзвуковым самолетам. Его цель – обеспечить временное увеличение тяги как при сверхзвуковом полете, так и при взлете (поскольку высокая нагрузка на крыло, типичная для конструкций сверхзвуковых самолетов, означает, что скорость взлета очень высока). На военных самолетах дополнительная тяга также полезна в боевых ситуациях. Это достигается за счет впрыска дополнительного топлива в струйную трубу после (то есть после ) турбины и его сжигания. Преимущество форсажного режима – значительно увеличенная тяга; недостатком является его очень высокий расход топлива и неэффективность, хотя это часто считается приемлемым в течение коротких периодов времени, в течение которых он обычно используется.

Реактивные двигатели называются « мокрыми», когда используется дожигание, и « сухими», когда двигатель используется без дожигания. Двигатель, создающий максимальную тягу во влажном состоянии, работает на максимальной мощности или на максимальном повторном нагреве (это максимальная мощность, которую может выдать двигатель); двигатель, производящий максимальную тягу всухую, находится на военной мощности или максимально сухой .

Как и в случае с основной камерой сгорания в газовой турбине, камера дожигания имеет как корпус, так и футеровку, которые служат той же цели, что и их основные камеры сгорания. Одно из основных различий между основной камерой сгорания и камерой дожигания заключается в том, что повышение температуры не ограничивается секцией турбины, поэтому камеры дожигания имеют тенденцию иметь гораздо более высокий рост температуры, чем основные камеры сгорания. Еще одно отличие состоит в том, что камеры дожигания не предназначены для смешивания топлива с первичными камерами сгорания, поэтому не все топливо сгорает в секции дожигания. Форсажные камеры также часто требуют использования пламегасителей, чтобы поддерживать скорость воздуха в форсажной камере и не выдувать пламя. Часто это обрывистые тела или «клиновидные желоба» непосредственно за топливными форсунками, которые создают локальный низкоскоростной поток так же, как купол в основной камере сгорания.

Литература

Михайлов А.И. и др. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей: Труды Московского ордена Ленина авиационного института имени Серго Орджоникидзе, вып.106. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1959.

См.также

  • Камерная топка
  • Камера сгорания котла
  • Слоевая топка

Преимущества и недостатки

Плюсы:

  • повышение КПД мотора за счет более полного использования энергии, содержащейся в рабочем теле (паре или газах);
  • уменьшение температуры и давления отработавшего рабочего тела. Что позволяет уменьшить конденсатор на паровой машине или упростить глушитель на ДВС, а, следовательно, сделать эти элементы конструкции дешевле.

Минусы:

  • существенное усложнение конструкции;
  • возможное уменьшение удельной мощности (зависит от конкретной конструкции) из-за внедрения дополнительных цилиндров в сравнении с двигателем однократного расширения.

Опубликовано 31.03.2014
Наверх

Литература

  • Ионин А.А. основная и форсажная камеры сгорания турбореактивного двигателя / Ненишев А.С., Лебедев В.М.. — Омск: ОмГТУ, 2005. — 92 с.

Примечания

  1. ^ Хотя распыление имеет несколько определений, в данном контексте это означает образование тонкой струи. Это не означает, что топливо распадается на атомарные компоненты.

Источники

  • БСЭ
  • Современный экономичный автомобиль
  • Академик
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...