Введение

Камера сгорания – это компонент или область газотурбинного, прямоточного воздушно-реактивного или гиперзвукового прямоточного двигателя, где происходит сгорание. Она также известна как горелка, секция камеры сгорания, камера сгорания или стабилизатор пламени. В газотурбинном двигателе система сжатия подает воздух высокого давления в камеру сгорания. Камера сгорания затем нагревает этот воздух при постоянном давлении по мере сгорания топливно-воздушной смеси. В процессе сгорания топливно-воздушная смесь нагревается и быстро расширяется. Отработавшие газы выводятся из камеры сгорания через направляющие аппараты сопла к турбине. В случае прямоточного или гиперзвукового прямоточного двигателя выхлопные газы направляются непосредственно через сопло. Камера сгорания должна обеспечивать и поддерживать стабильное сгорание, несмотря на очень высокие скорости потока воздуха. Для этого камеры сгорания тщательно проектируются для первоначального смешивания и воспламенения воздуха и топлива, а затем для добавления дополнительного воздуха для завершения процесса сгорания. Ранние газотурбинные двигатели использовали одну камеру, известную как камеру сгорания канистрового типа. Сегодня существует три основные конфигурации: канистрового, кольцевого и канулярного (также называемого кольцево-трубным). Форсажные камеры часто рассматриваются как еще один тип камеры сгорания. Камеры сгорания играют решающую роль в определении многих рабочих характеристик двигателя, таких как топливная эффективность, уровень выбросов и переходные характеристики (реакция на изменяющиеся условия, такие как расход топлива и скорость воздуха).

История

Прогресс в технологии камер сгорания был сосредоточен на нескольких отдельных областях: выбросах, рабочем диапазоне и долговечности. Ранние реактивные двигатели производили большое количество дыма, поэтому первые усовершенствования камер сгорания в 1950-х годах были направлены на снижение задымленности выхлопа двигателя. После того как дым был практически устранен, в 1970-х годах усилия были сосредоточены на сокращении других выбросов, таких как несгоревшие углеводороды и оксид углерода (подробности см. в разделе «Выбросы»). В 1970-х годах также была улучшена долговечность камер сгорания, поскольку новые методы производства увеличили срок службы облицовки (см. раздел «Компоненты») почти в 100 раз по сравнению с облицовками ранних моделей. В 1980-х годах камеры сгорания начали повышать свою эффективность во всем рабочем диапазоне; как правило, камеры сгорания демонстрировали высокую эффективность (99% и более) при полной мощности, но эта эффективность снижалась при более низких настройках. Разработки в течение этого десятилетия улучшили эффективность при низких нагрузках. В 1990-х и 2000-х годах вновь возрос интерес к снижению выбросов, особенно оксидов азота. Технология камер сгорания продолжает активно исследоваться и совершенствоваться, и значительная часть современных исследований направлена на улучшение тех же аспектов.

Может

Консервные камеры сгорания представляют собой автономные цилиндрические камеры сгорания. Каждая "банка" имеет свой топливный инжектор, запальник, облицовку и корпус. Первичный воздух от компрессора направляется в каждую отдельную банку, где он замедляется, смешивается с топливом и затем воспламеняется. Вторичный воздух также поступает от компрессора и подается за пределы облицовки (внутри которой происходит сгорание). Затем вторичный воздух, как правило, через щели в облицовке, подается в зону сгорания для охлаждения облицовки посредством тонкопленочного охлаждения. В большинстве конструкций несколько банок расположены вокруг центральной оси двигателя, а их общий выхлоп направляется в выхлопную систему. Камеры сгорания консервного типа широко использовались в ранних газотурбинных двигателях благодаря простоте проектирования и испытаний (можно испытать отдельную банку, а не всю систему целиком). Камеры сгорания консервного типа легко обслуживать, так как для замены требуется снять только одну банку, а не всю секцию сгорания. Большинство современных газотурбинных двигателей (особенно для авиационного применения) не используют камеры сгорания консервного типа, поскольку они часто тяжелее альтернативных конструкций. Кроме того, перепад давления в банке обычно выше, чем в других камерах сгорания (порядка 7%). Большинство современных двигателей, использующих камеры сгорания консервного типа, – это турбовальные двигатели с центробежными компрессорами.

Клетка для ручек

Следующий тип камеры сгорания – "кольцевой банковый" комбастор. Как и в случае с банковыми комбасторами, кольцевые банковые комбасторы имеют отдельные зоны горения, заключенные в отдельные линеры с собственными форсунками топлива. В отличие от банкового комбастора, все зоны горения имеют общий кольцевой корпус (аннулярное кольцо). Каждая зона горения больше не обязана выполнять функцию сосуда, работающего под давлением. Зоны горения также могут "взаимодействовать" друг с другом через отверстия в линерах или соединительные трубки, обеспечивающие циркуляцию воздуха по окружности. Выходной поток из кольцевого банкового комбастора обычно характеризуется более однородным температурным профилем, что благоприятно для секции турбины. Это также устраняет необходимость в отдельном зажигателе для каждой камеры. После воспламенения в одной или двух банках, огонь может легко распространиться и воспламенить остальные. Этот тип комбастора также легче банкового и имеет меньшее перепадение давления (порядка 6%). Однако кольцевой банковый комбастор может быть сложнее в обслуживании, чем банковый. Примерами газотурбинных двигателей, использующих кольцевой банковый комбастор, являются турбореактивный двигатель General Electric J79 и турбовентиляторные двигатели Pratt & Whitney JT8D и Rolls Royce Tay.

Кольцевая

Последний и наиболее часто используемый тип камеры сгорания – это кольцевая камера сгорания. Кольцевые камеры сгорания отказываются от отдельных зон горения и имеют просто непрерывную внутреннюю и внешнюю оболочки в виде кольца (тора). Кольцевые камеры сгорания обладают множеством преимуществ, включая более равномерное сгорание, меньшие габариты (следовательно, меньший вес) и меньшую площадь поверхности. Кроме того, в кольцевых камерах сгорания обычно наблюдается очень однородная температура выхлопных газов. Они также имеют наименьшее падение давления из трех конструкций (порядка 5%). Кольцевая конструкция также проще, хотя для испытаний обычно требуется полноразмерный стенд. Двигатель, использующий кольцевую камеру сгорания, – это CFM International CFM56. Почти все современные газотурбинные двигатели используют кольцевые камеры сгорания; таким же образом, большая часть исследований и разработок в области камер сгорания сосредоточена на улучшении этого типа.

Двойной кольцевой комбюстатор

Одним из вариантов стандартного кольцевого комбюстора является двухкольцевой комбюстор (DAC). Как и кольцевой комбюстор, DAC представляет собой непрерывное кольцо без отдельных зон горения по радиусу. Отличие заключается в том, что комбюстор имеет две зоны горения вокруг кольца: пилотную и основную. Пилотная зона функционирует аналогично зоне горения в однокольцевом комбюсторе и является единственной зоной, работающей на низких уровнях мощности. На высоких уровнях мощности используется также основная зона, что увеличивает расход воздуха и массы через комбюстор. Разработка GE этого типа комбюстора направлена на снижение выбросов и . Хорошая схема DAC доступна в Purdue. На основе тех же принципов, что и у двухкольцевого комбюстора, были предложены и даже запатентованы трехкольцевые и "многокольцевые" комбюсторы.

Выбросы

Одним из ключевых факторов при проектировании современных газовых турбин является снижение выбросов, при этом камера сгорания вносит наибольший вклад в выбросы газовой турбины. Как правило, выделяют пять основных типов выбросов от газотурбинных двигателей: дым, углекислый газ (CO2), угарный газ (CO), несгоревшие углеводороды (UHC) и оксиды азота (NOx). Дым в основном устраняется за счет более равномерного смешивания топлива с воздухом. Как было описано в разделе о топливных форсунках, современные форсунки (например, воздушные форсунки) обеспечивают равномерное распыление топлива и исключают локальные области с высокой концентрацией топлива. Большинство современных двигателей используют такие форсунки и практически не производят дым. Еще одно отличие заключается в том, что форсажные камеры не предназначены для такого же эффективного смешивания топлива, как основные камеры сгорания, поэтому не все топливо сгорает в форсажной секции. Для поддержания горения в форсажной камере часто требуется использование стабилизаторов пламени, предотвращающих сдувание пламени потоком воздуха. Обычно это дефлекторы или "V-образные желоба", расположенные непосредственно за топливными форсунками, которые создают локальные зоны замедленного потока, аналогично тому, как это делает купол в основной камере сгорания.

Рамджеты

Двигатели прямоточных воздушно-реактивных двигателей во многом отличаются от традиционных газотурбинных двигателей, но большинство основополагающих принципов остаются теми же. Одно из главных отличий – отсутствие вращающихся механизмов (турбины) после камеры сгорания. Выхлопные газы из камеры сгорания подаются непосредственно в сопло. Это позволяет камерам сгорания прямоточных двигателей работать при более высокой температуре. Другое отличие заключается в том, что многие камеры сгорания прямоточных двигателей не используют облицовку, как это делают камеры сгорания газотурбинных двигателей. Более того, некоторые камеры сгорания прямоточных двигателей являются камерами сбросного типа, а не более традиционными. Камеры сбросного типа впрыскивают топливо и полагаются на рециркуляцию, создаваемую резким изменением площади поперечного сечения в камере сгорания (в отличие от вихреобразователей, используемых во многих камерах сгорания газотурбинных двигателей). Тем не менее, многие камеры сгорания прямоточных двигателей также схожи с традиционными камерами сгорания газотурбинных двигателей, например, камера сгорания в прямоточном двигателе, используемом ракетой RIM 8 Talos, которая использовала камеру сгорания цилиндрического типа.

Скрамджеты

Скрамджетные двигатели (сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым сгоранием) создают для камеры сгорания совершенно иную ситуацию, чем обычные газотурбинные двигатели (скрамджеты не являются газотурбинами, поскольку обычно не имеют движущихся частей). Хотя камеры сгорания скрамджетов могут физически сильно отличаться от традиционных, они сталкиваются со многими теми же задачами проектирования, такими как смешивание топлива и стабилизация пламени. Однако, как следует из названия, камера сгорания скрамджета должна решать эти задачи в условиях сверхзвукового потока. Например, для скрамджета, летящего на скорости 5 Махов, поток воздуха, входящий в камеру сгорания, будет составлять примерно 2 Маха. Одной из основных проблем в скрамджетном двигателе является предотвращение распространения ударных волн, генерируемых камерой сгорания, вверх по потоку к воздухозаборнику. Если это произойдет, двигатель может выйти из режима устойчивой работы, что приведет к потере тяги и другим проблемам. Чтобы этого избежать, скрамджетные двигатели обычно оснащаются изолирующей секцией (см. рисунок), расположенной непосредственно перед зоной сгорания.