Файл: Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие.pdf

Индивидуальные (трубчатые) камеры сгорания располага­ ются вокруг корпуса двигателя (рис. 3.1, а). Число камер сгора­ ния у двигателя обычно бывает от 6 до 12. В корпусе 1 камеры сгорания (рис. 3.2) находится жаровая труба 2, в которой разме­ щается стабилизатор пламени 3, топливная форсунка 4 и завих­ ритель 5. Форсунка, обычно центробежного типа, предназначена

Рис. 3.1. Схема расположения камер сгорания в поперечном сечении газотурбинного двигателя: А — зона горения; Б — зона

,вторичного воздуха. •

для распыла топлива, которое ' подается под давлением 60— 90 дан!см2. Воздух, поступающий в камеру сгорания, имеет отно­ сительно большую скорость (100ч-120 м/сек). С целью уменьше­ ния габаритов камеры сгорания и лучшей организации рабочего

Рис. 3.2. Схема индивидуальной камеры сгорания.

процесса поток воздуха во вхддной части (диффузоре) камеры притормаживается до 50—70. м/сек, а затем разделяется на два потока. Одна часть воздуха (от 20 до 40%) поступает во внутрь жаровой трубы (первичный воздух), а остальная направляется в пространство между корпусом камеры и жаровой трубой (вто­ ричный воздух). Первичный воздух обеспечивает сгорание рас­ пыленного топлива. Он подается в таком количестве, которое позволяет получить наилучшую полноту сгорания топлива (а = = 1,1—1,8). При эуих условиях достигаются высокие скорости

29

горения и максимальное тепловыделение. Первичный воздух по­ ступает внутрь жаровой трубы через завихритель 5 и отверстия в стабилизаторе пламени 3. Завихритель 5 выполняется в виде системы неподвижных лопаток, установленных под некоторым углом к потоку воздуха. Воздушный поток закручивается перед поступлением к району форсунки, что создает условия для полу­ чения более тесной и однородной смеси воздуха с мельчайшими капельками топлива. Стабилизатор пламени 3 позволяет полу­ чить в зоне горения токи газа обратного направления, которые создают предпосылки для устойчивого и короткопламенного го­ рения. Для предотвращения срыва пламени скорость воздушного потока в зоне горения снижается до величины, не превышающей скорость горения (15—30 м/сек). Горение топлива протекает в потоке воздуха, в основном, в головной части жаровой трубы. Температура в зоне горения при сжигании углеводородного топ­ лива доходит до 2200—2500° К. Поэтому продукты сгорания имеют высокое значение энтальпии.

Вторичный воздух при движении охлаждает элементы камеры сгорания и, пройдя через отверстия в жаровой трубе, смешива­ ется с продуктами горения, обеспечивая догорание топлива и охлаждение продуктов сгорания до температуры, допустимой на выходе из камеры сгорания. Уровень этой температуры опреде­ ляется в газотурбинных двигателях жаропрочностью материа­ лов, из которых изготовлены лопатки газовой турбины. Для ис­ пользуемых в настоящее время материалов, из которых изготов­ ляются неохлаждаемые лопатки турбины, предельное значение температуры газов на выходе из камеры сгорания не должно пре­ вышать 1100-т-1250° К. Воспламенение топлива осуществляется электрическим разрядом, возникающим между электродами свечи при запуске двигателя. Одна свеча с пусковой форсункой устанавливается на 2—3 камеры. Так как камеры сгорания со­ единены между собой патрубками, то возникающее горение рас­ пространяется на смежные камеры.

Индивидуальные камерң сгорания при необходимости легко заменяются без разборки двигателя. Однако суммарный вес ин­ дивидуальных камер сгорания, навешенных на двигатель, и диа­ метральный размер двигателя оказываются относительно боль­ шими.

Рабочий процесс в кольцевой и трубчато-кольцевой камерах сгорания организован подобным образом. Однако устройство их

30

мера сгорания органически вписывается в конструкцию двига­ теля. Компактность и малый вес — существенные ее преимуще­ ства.

Трубчато-кольцевая камера сгорания (рис. 3.1, в) имеет инди­ видуальные жаровые трубы 2, которые располагаются в кольце­ вом канале, ограниченном корпусом 1 и экраном 3. В этот коль­ цевой канал поступает воздух из компрессора. Внутри каждой жаровой трубы находится форсунка 4 и завихритель. Трубчато­ кольцевая камера сгорания сочетает достоинства индивидуаль­ ной (хорошая организация рабочего процесса) и кольцевой (ма­ лые габариты и вес) камер сгорания.

§ 2. Основные показатели и зависимости для камеры сгорания

Совершенство камеры сгорания оценивается по теплонапря­ женности. Теплонапряженность qKC камеры сгорания выражает количество тепла, которое выделяется за единицу времени в еди­ нице объема, и отвечает единичному давлению в камере сгорания

(3.1)

где ттч— часовой расход топлива; Ни — теплотворность топ­ лива; £— коэффициент выделения тепла; Ккс — объем камеры сгорания; р* — давление в камере сгорания.

В камере сгорания на повышение энтальпии продуктов сго­ рания расходуется лишь часть тепла от того количества, которое могло быть получено при полном сгорании топлива. Это связано с неполнотой сгорания топлива и с отдачей тепла в окружающую среду. Отмеченные потери тепла учитываются коэффициентом выделения тепла £. У выполненных основных камер сгорания тур­ бореактивных двигателей £= 0,96—0,98. Высокая теплонапряжен­ ность позволяет иметь небольшие по размерам и малые по весу камеры сгорания. Теплонапряженность камер сгорания сущест­

вующих турбореактивных двигателей весьма значительна ркс=

кдж

= (1304-200) ■10е —— и превосходит теплонапряженность,

например, котельных установок в 8—10 раз. Давление в камере сгорания по потоку газа несколько падает в связи с гидравличе­ скими сопротивлениями и подогревом газа. Потеря давления • в камере сгорания оценивается коэффициентом сохранения пол­

ного давления

*

где р* и р* — полное давление соответственно на выходе и на входе в камеру сгорания.

31

Для основных камер сгорания акс= 0,92—0,97.

Суммарный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

где т — суммарный расход воздуха; /пт — расход топлива; Lp — теоретическое количество воздуха, потребное для полного сгора­ ния 1 кг топлива.

У современных камер сгорания а2= 3,5—5,0. Значение тем­ пературы Т% на выходе из камеры сгорания можно определить

из уравнения баланса тепла

ттН,^==піср(Т І— ТІ),

где Ср— теплоемкость газа при постоянном давлении; Т* — тем­ пература воздуха на входе в камеру сгорания; Т* = Т* +

Уравнение (3.5) показывает, что при неизменных условиях полета (Г* =const) температура Т* на выходе из камеры сгора­

ния, во-первых, однозначно определяется коэффициентом из­ бытка воздуха «г, во-вторых, регулирование ее или коэффици­ ента избытка воздуха as можно осуществлять за счет изменения подачи топлива.

Глава IV

/ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

§1. Устройство и принцип действия газовой турбины

Газовая турбина является тепловым двигателем. В турборе­ активных двигателях устанавливаются как одноступенчатые, так и многоступенчатые газовые турбины. Последние применяются

32

в тех случаях, когда возникает потребность в получении большой мощности.

Одноступенчатая осевая газовая турбина (рис. 4.1) состоит из соплового аппарата (СА ), образованного лопатками 1 статора и рабочего колеса (РК) 2, несущего лопатки 3 и сочлененного с валом 4. Лопатки соплового аппарата и рабочего колеса изго­ тавливаются из жаропрочной стали и соответствующим образом профилируются. Каналы, образованные лопатками соплового ап­ парата и рабочего колеса, имеют определенный профиль сечения. В процессе движения газа по каналам происходит преобразова­ ние энергии. Неподвижные лопатки соплового аппарата обра­ зуют сужающиеся каналы с косым срезом (рис. 4.2). При движе­ нии газа по таким каналам без теплообмена техническая работа не производится, но возрастает скорость от Сз до-сз' за счет уменьшения энтальпии на величину із — із' в соответствии с пер­ вым законом термодинамики. В этом процессе газ расширяется, его давление и температура падают до значений рзг и Ты Из со­ плового аппарата газ направляется в межлопаточные каналы ра­ бочего колеса, которое вращается с окружной скоростью и. Ка­ налы, образованные лопатками рабочего колеса, могут иметь профиль с постоянным сечением (рис. 4.2, а) или профиль сопла с косым срезом (рис. 4.2, б). Относительная скорость ѵоы, с кото­ рой газ поступает в каналы рабочего колеса, равна геометриче­ ской разности абсолютной скорости Сз' и окружной скорости и. Если межлопаточные каналы рабочего колеса имеют постоянное сечение (рис. 4.2, а), относительная скорость газа на участке ка­ нала не изменяется, т. е. w3'=wlt остаются постоянными энталь­ пия, температура и давление газа (гУ=й, Тз' = Ть ры=рі)- Абсо­ лютная скорость с.і газа на выходе из рабочего колеса, равная геометрической сумме относительной скорости шц и окружной скорости и, оказывается меньше чем на входе сы. Газовый поток, обтекая лопатки.рабочего колеса, меняет свое направление и ак­ тивно воздействует на лопатки, возникает окружное усилие на лопатках рабочего колеса и крутящий момент на валу турбины. Ступени турбины, в которых ускорение газового потока за счет падения энтальпии происходит только в сопловом аппарате, на­ зываются активными.

Если межлопаточные каналы рабочего колеса выполнены в форме сопла с косым срезом (рис. 4.2, б), газовый поток уско­ ряется: относительная скорость газа увеличивается от w3' до гщ за счет уменьшения энтальпии на величину г>— г>, при этом про­ исходит расширение газа и уменьшение давления и температуры до значений р4 и Ті. Абсолютная скорость с4 на выходе из рабо­ чего колеса имеет меньшее значение чем на входе, что следует' из треугольников скоростей.

Окружное усилие на лопатках рабочего колеса (рис. 4.3), обусловливающее появление крутящего момента на валу турбины,