Войти
A Камера сгорания - это компонент или участок газовой турбины, ПВРД, или воздушно-реактивный двигатель двигатель, где происходит сгорание. Он также известен как горелка, камера сгорания или стабилизатор пламени . В газотурбинном двигателе в камеру сгорания или камеру сгорания подается воздух высокого давления системой сжатия. Затем камера сгорания нагревает этот воздух при постоянном давлении. После нагрева воздух проходит из камеры сгорания через направляющие лопатки сопла в турбину. В случае прямоточного или прямоточного воздушно-реактивного двигателя воздух подается непосредственно в сопло.
Камера сгорания должна обеспечивать и поддерживать стабильное горение, несмотря на очень высокий расход воздуха. Для этого камеры сгорания тщательно спроектированы так, чтобы сначала смешивать и воспламенять воздух и топливо, а затем подмешивать больше воздуха для завершения процесса сгорания. В ранних газотурбинных двигателях использовалась однокамерная камера сгорания, известная как камера сгорания. Сегодня существует три основных конфигурации: банка, кольцевая и канюльная (также называемая балкой, кольцевой трубкой, кольцевой). Камеры дожигания часто считаются еще одним типом камер сгорания.
Камеры сгорания играют решающую роль в определении многих рабочих характеристик двигателя, таких как топливная эффективность, уровни выбросов и переходные характеристики (реакция на изменение условий, таких как расход топлива и скорость воздуха).
Камеры сгорания на турбореактивном двигателе Rolls-Royce Nene Назначение камеры сгорания в газовой турбине - добавить энергии в систему для питания турбин и произвести высокоскоростной газ для выпуска через сопло в самолетах. Как и в случае любой другой инженерной задачи, для решения этой задачи необходимо уравновесить многие конструктивные соображения, такие как следующее:
Источники:
Достижения в технологии камер сгорания сосредоточены в нескольких различных областях; выбросы, рабочий диапазон и долговечность. Ранние реактивные двигатели производили большое количество дыма, поэтому первые разработки камер сгорания в 1950-х годах были направлены на уменьшение дыма, производимого двигателем. После того, как дым был практически устранен, в 1970-х годах усилия были направлены на сокращение других выбросов, таких как несгоревшие углеводороды и окись углерода (более подробную информацию см. В разделе «Выбросы» ниже). В 1970-е годы также улучшилась долговечность камеры сгорания, поскольку новые методы производства увеличили срок службы футеровки (см. Ниже «Компоненты») почти в 100 раз по сравнению с предыдущими. В 1980-х годах камеры сгорания начали повышать свою эффективность во всем рабочем диапазоне; камеры сгорания имели тенденцию быть высокоэффективными (99% +) при полной мощности, но эта эффективность снижалась при более низких настройках. Разработка за это десятилетие повысила эффективность на более низких уровнях. В 1990-е и 2000-е годы вновь стали уделяться внимание сокращению выбросов, особенно оксидов азота. Технология камеры сгорания все еще активно исследуется и совершенствуется, и многие современные исследования направлены на улучшение тех же аспектов.
Корпус представляет собой внешнюю оболочку камеры сгорания и представляет собой довольно простой состав. Кожух обычно не требует особого ухода. Корпус защищен от тепловых нагрузок потоком воздуха, поэтому его тепловые характеристики не вызывают особого беспокойства. Однако кожух служит сосудом высокого давления, который должен выдерживать разницу между высоким давлением внутри камеры сгорания и более низким давлением снаружи. Эта механическая (а не тепловая) нагрузка является определяющим фактором конструкции корпуса.
Назначение диффузора - замедлять движение высокоскоростного сильно сжатого воздуха от компрессора до скорость, оптимальная для камеры сгорания. Снижение скорости приводит к неизбежной потере общего давления, поэтому одна из задач проектирования - максимально ограничить потерю давления. Кроме того, диффузор должен быть спроектирован таким образом, чтобы максимально ограничивать искажение потока, избегая эффектов потока, таких как разделение пограничного слоя. Как и большинство других компонентов газотурбинного двигателя, диффузор спроектирован как можно более коротким и легким.
Гильза содержит процесс сгорания и вводит различные воздушные потоки (промежуточные, разбавляющие и охлаждающие, см. Воздушный поток. пути ниже) в зону горения. Лайнер должен быть спроектирован и изготовлен таким образом, чтобы выдерживать длительные циклы высоких температур. По этой причине футеровки обычно изготавливают из суперсплавов, таких как Hastelloy X. Кроме того, даже если используются сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками, гильзы необходимо охлаждать воздушным потоком. В некоторых камерах сгорания также используются термобарьерные покрытия. Однако воздушное охлаждение все же требуется. В общем, существует два основных типа охлаждения гильзы; пленочное охлаждение и транспирационное охлаждение. Пленочное охлаждение осуществляется путем нагнетания (одним из нескольких методов) холодного воздуха снаружи лайнера внутрь лайнера. Это создает тонкую пленку из холодного воздуха, которая защищает футеровку, снижая температуру на футеровке, например, с примерно 1800 кельвина (K) до примерно 830 K. Другой тип охлаждения футеровки, транспирационное охлаждение, представляет собой более современный подход, в котором для футеровки используется пористый материал. Пористая футеровка позволяет небольшому количеству охлаждающего воздуха проходить через нее, обеспечивая преимущества охлаждения, аналогичные пленочному охлаждению. Двумя основными отличиями являются результирующий температурный профиль футеровки и количество необходимого охлаждающего воздуха. Транспирационное охлаждение приводит к более равномерному температурному профилю, так как охлаждающий воздух равномерно вводится через поры. Воздух пленочного охлаждения обычно подается через ламели или жалюзи, что приводит к неровному профилю, где он холоднее на ламелях и теплее между ламелями. Что еще более важно, при транспирационном охлаждении используется гораздо меньше охлаждающего воздуха (порядка 10% от общего потока воздуха, а не 20-50% для пленочного охлаждения). Использование меньшего количества воздуха для охлаждения позволяет использовать больше воздуха для сгорания, что все более и более важно для высокопроизводительных двигателей с большой тягой.
Рыло является продолжением купола (см. Ниже), которое действует как разделитель воздуха, отделяющий первичный воздух от вторичных потоков воздуха (промежуточный, разбавляющий и охлаждающий воздух; см. раздел «Пути воздушных потоков» ниже).
Купол и завихритель являются частью камеры сгорания, первичный воздух (см. Пути воздушного потока ниже) проходит через него, когда он входит в зону горения. Их роль заключается в создании турбулентности в потоке для быстрого смешивания воздуха с топливом. Ранние камеры сгорания, как правило, использовали купола с обтекаемым корпусом (а не завихрители), в которых использовалась простая пластина для создания турбулентности в следе для смешивания топлива и воздуха. Однако большинство современных конструкций имеют стабилизацию завихрения (используйте завихрители). Завихритель создает локальную зону низкого давления, которая заставляет некоторые продукты сгорания рециркулировать, создавая высокую турбулентность. Однако чем выше турбулентность, тем выше будет потеря давления в камере сгорания, поэтому купол и завихритель должны быть тщательно спроектированы так, чтобы не создавать большей турбулентности, чем необходимо для достаточного смешивания топлива и воздуха.
Топливные форсунки вихревой камеры сгорания на ТРДД Pratt Whitney JT9D Топливная форсунка отвечает за подачу топлива в зону сгорания и, вместе с завихрителем (см. Выше), отвечает за смешивание топлива и воздуха. Есть четыре основных типа топливных форсунок; форсунки для распыления под давлением, продувки воздухом, испарения и предварительного смешивания / предварительного испарения. Топливные форсунки с распылением под давлением полагаются на высокое давление топлива (до 3400 килопаскалей (500 фунтов на квадратный дюйм)) для распыления топлива. Преимущество этого типа топливной форсунки в том, что она очень проста, но у него есть несколько недостатков. Топливная система должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать такое высокое давление, а топливо имеет тенденцию неоднородно распыляться, что приводит к неполному или неравномерному сгоранию с большим количеством загрязняющих веществ и дыма.
Второй тип топливной форсунки является форсунка воздушной струи. Этот инжектор «взрывает» лист топлива потоком воздуха, распыляя топливо на однородные капли. Этот тип топливной форсунки привел к появлению первых бездымных камер сгорания. Используемый воздух - это такое же количество первичного воздуха (см. «Пути воздушного потока» ниже), которое направляется через инжектор, а не через завихритель. Этот тип инжектора также требует более низкого давления топлива, чем тип распыления под давлением.
Испарительный топливный инжектор, третий тип, похож на инжектор воздушного потока в том, что первичный воздух смешивается с топливом при его впрыске. в зону горения. Однако топливно-воздушная смесь проходит по трубке в зоне горения. Тепло из зоны горения передается топливно-воздушной смеси, при этом часть топлива испаряется (лучше перемешивается) до того, как оно сгорит. Этот метод позволяет сжигать топливо с меньшим тепловым излучением, что помогает защитить гильзу. Однако трубка испарителя может иметь серьезные проблемы с долговечностью из-за низкого расхода топлива внутри нее (топливо внутри трубки защищает трубку от тепла сгорания).
Форсунки с предварительным смешиванием / предварительным испарением работают путем смешивания или испарения топлива прежде, чем он достигнет зоны горения. Этот метод позволяет очень равномерно смешивать топливо с воздухом, уменьшая выбросы из двигателя. Одним из недостатков этого метода является то, что топливо может самовоспламеняться или иным образом сгорать до того, как топливно-воздушная смесь достигнет зоны сгорания. В этом случае камера сгорания может быть серьезно повреждена.
Большинство воспламенителей в газовых турбинах представляют собой электрические искровые воспламенители, похожие на автомобильные свечи зажигания. Воспламенитель должен находиться в зоне сгорания, где топливо и воздух уже смешаны, но он должен располагаться достаточно далеко вверх по потоку, чтобы не повредить его самим сгоранием. Как только воспламенитель начинает горение, оно становится самоподдерживающимся, и воспламенитель больше не используется. В кольцевых камерах сгорания и камерах сгорания (см. «Типы камер сгорания» ниже) пламя может распространяться из одной зоны сгорания в другую, поэтому воспламенители не нужны в каждой из них. В некоторых системах используются вспомогательные средства зажигания. Одним из таких методов является впрыск кислорода, когда кислород подается в зону воспламенения, помогая топливу легко сгорать. Это особенно полезно в некоторых самолетах, где может потребоваться перезапуск двигателя на большой высоте.
Это основной воздух для горения. Это сильно сжатый воздух из компрессора высокого давления (часто замедляемый через диффузор), который подается через основные каналы в куполе камеры сгорания и первый набор отверстий в гильзе. Этот воздух смешивается с топливом, а затем сгорает.
Промежуточный воздух - это воздух, вводимый в зону сгорания через второй набор отверстий гильзы (первичный воздух проходит через первый набор). Этот воздух завершает процессы реакции, охлаждая воздух и разбавляя высокие концентрации окиси углерода (CO) и водорода (H2).
Разбавляющий воздух - это воздушный поток, впрыскиваемый через отверстия в лайнер на конце камеры сгорания, чтобы помочь охладить воздух до того, как он достигнет ступеней турбины. Воздух осторожно используется для получения желаемого равномерного температурного профиля в камере сгорания. Однако по мере совершенствования технологии лопастей турбины, позволяющей им выдерживать более высокие температуры, разрежающий воздух используется меньше, что позволяет использовать больше воздуха для горения.
Охлаждающий воздух - это воздушный поток, который впрыскивается через небольшие отверстия в гильзе для создания слоя (пленки) холодного воздуха для защиты футеровки от температур сгорания. Подача охлаждающего воздуха должна быть тщательно продумана, чтобы он не взаимодействовал напрямую с воздухом для горения и технологическим процессом. В некоторых случаях до 50% поступающего воздуха используется в качестве охлаждающего воздуха. Существует несколько различных методов нагнетания этого охлаждающего воздуха, и этот метод может влиять на температурный профиль, которому подвергается футеровка (см. Футеровку выше).
Расположение камер сгорания баночного типа для газотурбинный двигатель, смотрящий на ось, через выхлоп. Синий указывает путь охлаждающего потока, оранжевый указывает путь потока продуктов сгорания. Камеры сгорания жестяные представляют собой автономные цилиндрические камеры сгорания. Каждая «канистра» имеет свой топливный инжектор, воспламенитель, гильзу и кожух. Первичный воздух из компрессора направляется в каждую канистру, где он замедляется, смешивается с топливом и затем воспламеняется. Вторичный воздух также поступает из компрессора, где он подается за пределы гильзы (внутри которой происходит горение). Затем вторичный воздух подается, обычно через прорези в гильзе, в зону сгорания для охлаждения гильзы посредством тонкопленочного охлаждения.
В большинстве случаев вокруг центральной оси двигателя размещается несколько баллонов, и их общий выхлоп подается на турбину (ы). Камеры сгорания баночного типа наиболее широко использовались в первых газотурбинных двигателях из-за простоты их проектирования и тестирования (можно тестировать одну банку, а не всю систему). Камеры сгорания баночного типа просты в обслуживании, поскольку необходимо снимать только одну банку, а не всю камеру сгорания. В большинстве современных газотурбинных двигателей (особенно для самолетов) не используются камеры сгорания, поскольку они часто весят больше, чем альтернативы. Кроме того, перепад давления в баллоне обычно выше, чем в других камерах сгорания (порядка 7%). Большинство современных двигателей, в которых используются камеры сгорания, - это турбовалы с центробежными компрессорами.
Канальные камеры сгорания для газотурбинного двигателя, ось обзора через выхлоп Следующий тип камера сгорания - канальная камера сгорания; термин - портмоне или "кольцевая банка". Подобно камере сгорания баночного типа, камеры сгорания с кольцевым кольцом имеют дискретные зоны сгорания, содержащиеся в отдельных вкладышах с собственными топливными инжекторами. В отличие от камеры сгорания, все зоны горения имеют общий кольцевой (кольцевой) корпус. Каждая зона горения больше не должна служить сосудом высокого давления. Зоны горения также могут «сообщаться» друг с другом через отверстия в гильзе или соединительные трубки, которые позволяют некоторому количеству воздуха проходить по окружности. Выходной поток из канальной камеры сгорания обычно имеет более однородный температурный профиль, что лучше для турбинной секции. Это также устраняет необходимость в каждой камере иметь собственный воспламенитель. Как только огонь загорится в одной или двух банках, он может легко перекинуться на другие и зажечь их. Этот тип камеры сгорания также легче, чем тип камеры сгорания, и имеет меньший перепад давления (порядка 6%). Однако трубчатую камеру сгорания может быть труднее обслуживать, чем баночную камеру сгорания. Примеры газотурбинных двигателей, использующих канальную камеру сгорания, включают турбореактивный двигатель General Electric J79 и Pratt Whitney JT8D и Rolls-Royce Tay ТРДД.
Кольцевая камера сгорания для газотурбинного двигателя, ось при взгляде через выхлоп. Маленькие оранжевые кружки - это форсунки для впрыска топлива. Последний и наиболее часто используемый тип камеры сгорания - это камера сгорания полностью кольцевого типа. Кольцевые камеры сгорания избавляются от отдельных зон горения и просто имеют сплошную футеровку и кожух в кольце (кольцевом пространстве). У кольцевых камер сгорания есть много преимуществ, включая более равномерное сгорание, меньший размер (следовательно, меньший вес) и меньшую площадь поверхности. Кроме того, кольцевые камеры сгорания обычно имеют очень однородную температуру на выходе. У них также самый низкий перепад давления из трех конструкций (порядка 5%). Кольцевая конструкция также проще, хотя для испытаний обычно требуется полноразмерный испытательный стенд. Двигатель, в котором используется кольцевая камера сгорания, - это двигатель CFM International CFM56. Практически все современные газотурбинные двигатели используют кольцевые камеры сгорания; аналогично, большинство исследований и разработок камер сгорания сосредоточено на улучшении этого типа.
Одним из вариантов стандартной кольцевой камеры сгорания является двойная кольцевая камера сгорания (DAC). Как и кольцевая камера сгорания, DAC представляет собой сплошное кольцо без отдельных зон горения по радиусу. Разница в том, что камера сгорания имеет две зоны горения вокруг кольца; пилотная зона и основная зона. Пилотная зона действует как зона одиночной кольцевой камеры сгорания и является единственной зоной, работающей на низких уровнях мощности. При высоких уровнях мощности также используется основная зона, увеличивая поток воздуха и массовый расход через камеру сгорания. Внедрение GE этого типа камеры сгорания направлено на сокращение выбросов NOx и CO2. Хорошая диаграмма DAC доступна в Purdue. Расширяя те же принципы, что и у камеры сгорания с двойным кольцом, были предложены и даже запатентованы камеры сгорания с тройным кольцом и с несколькими кольцами.
Одним из движущих факторов в конструкции современной 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, диоксид углерода (CO 2), оксид углерода (CO), несгоревший углеводороды (UHC) и оксиды азота (NO x).
Дым в первую очередь смягчается за счет более равномерного смешивания топлива с воздухом. Как обсуждалось в разделе топливных форсунок выше, современные топливные форсунки ( топливные форсунки) равномерно распыляют топливо и устраняют локальные очаги высокой концентрации топлива. Большинство современных двигателей используют эти типы топливных форсунок и практически бездымны.
Двуокись углерода является продуктом процесса сжигания, и его последствия в первую очередь смягчаются за счет сокращения расхода топлива. В среднем, при сжигании 1 кг авиационного топлива образуется 3,2 кг CO 2. Выбросы диоксида углерода будут продолжать снижаться поскольку производители делают газотурбинные двигатели более эффективными.
Выбросы несгоревших углеводородов (UHC) и оксида углерода (CO) тесно связаны. UHC - это, по сути, топливо, которое s не полностью сгорают, 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 взаимосвязи камера сгорания, которая хорошо оптимизирована для выбросов CO, по своей природе хорошо оптимизирована для выбросов UHC, поэтому большая часть проектных работ сосредоточена на выбросах CO.
Окись углерода является промежуточным продуктом сгорания, и это устраняется окислением. CO и OH 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).
Подобно CO, оксиды азота (NO x) являются производится в зоне горения. Однако, в отличие от CO, он больше всего образуется в условиях наибольшего потребления CO (высокая температура, высокое давление, длительное время пребывания). Это означает, что, как правило, снижение выбросов CO приводит к увеличению NO x и наоборот. Этот факт означает, что наиболее успешное сокращение выбросов требует сочетания нескольких методов.
Дожигатель (или повторный нагрев) - это дополнительный компонент, добавляемый к некоторым реактивным двигателям, в первую очередь на военных сверхзвуковых самолетах. Его цель - обеспечить временное увеличение тяги как для сверхзвукового полета, так и для взлета (поскольку высокая нагрузка на крыло, типичная для конструкций сверхзвуковых самолетов, означает, что скорость взлета очень высока.). На военном самолете дополнительная тяга также полезна в боевых ситуациях. Это достигается путем впрыскивания дополнительного топлива в струйную трубу после (т.е. после) турбины и ее сжигания. Преимущество форсажа - значительно увеличенная тяга; недостатком является 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 форсаж, и "сухими", когда двигатель используется без дожигания. Двигатель, производящий максимальную тягу во влажном состоянии, работает на максимальной мощности или на максимальном повторном нагреве (это максимальная мощность, которую может производить 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 и корпус, и гильзу, 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. Другое отличие состоит в том, что камеры дожигания не предназначены для смешивания топлива с первичными камерами сгорания, поэтому не все топливо сгорает в секции дожигания. Для форсажных камер также часто требуется использование пламегасителей, чтобы поддерживать скорость воздуха в форсажной камере и не выдувать пламя. Часто это обрывистые тела или «желоба» непосредственно за топливными форсунками, которые создают локальный низкоскоростной поток так же, как купол в основной камере сгорания.
ПВРД отличаются во многом от традиционных газотурбинных двигателей, но большинство из тех же принципов. Одним из основных отличий является отсутствие вращающегося оборудования (турбины) после камеры сгорания. Выхлоп из камеры сгорания подается непосредственно в сопло. Это позволяет камерам сгорания ПВРД гореть при более высокой температуре. Другое отличие состоит в том, что во многих камерах сгорания ПВРД не используются футеровки, как в камерах сгорания газовых турбин. Более того, некоторые камеры сгорания ПВРД являются самосвальными, а не более традиционными типами. В камерах сгорания самосвалов впрыскивается топливо, и в них используется рециркуляция, создаваемая большим изменением площади камеры сгорания (а не завихрителями во многих камерах сгорания газовых турбин). При этом многие камеры сгорания ПВРД также похожи на традиционные камеры сгорания газовых турбин, такие как камера сгорания в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, используемом в ракете RIM-8 Talos, в которой использовалась камера сгорания тарного типа.
Схема, иллюстрирующая ГПВРД. Обратите внимание на изолирующую секцию между впускным патрубком сжатия и камерой сгорания. (Иллюстрация из Летный эксперимент Hy-V Scramjet.)Scramjet (сверхзвуковой двигатель внутреннего сгорания ПВРД ) представляет собой совершенно иную ситуацию для камеры сгорания, чем обычные газотурбинные двигатели (ГПВРД не являются газовыми турбинами, поскольку они обычно имеют мало движущихся частей или вообще не имеют). Хотя камеры сгорания ГПВРД могут физически сильно отличаться от обычных камер сгорания, они сталкиваются со многими из тех же конструктивных проблем, как смешивание топлива и удержание пламени. Однако, как следует из названия, ГПВРД должна решать эти проблемы в среде сверхзвукового потока. Например, для ГПВРД, летящего со скоростью Мах 5, воздушный поток, входящий в номинальная скорость камеры сгорания должна составлять 2 Маха. Одна из основных проблем в ГПВРД - предотвращение распространения ударных волн, генерируемых камерой сгорания, на входе во впускной канал. Если это произойдет, двигатель может отключиться., что приводит к потере тяги, среди прочих проблем. Чтобы предотвратить это, scramje В двигателях обычно имеется изолирующая секция (см. изображение) непосредственно перед зоной горения.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Камерами сгорания. |
