КАМЕРА СГОРАНИЯ С ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ
COMBUSTION CHAMBER WITH OPTIMUM OPERATING MODE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках.
Известна камера сгорания, содержащая корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива, например камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя (С.А.Вьюнов, Ю.И.Гусев, А.В.Карпов и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1989, стр.388).
Недостатками известной камеры сгорания является то, что из-за крайней сложности и недостаточной изученности протекающих в ней процессов, значения геометрических и газодинамических критериев камеры сгорания не обеспечивают оптимальный режим ее работы.
Известна также принятая за прототип камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя ТВ7-117, содержащая корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения, фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива (Рекламный проспект TV7-117S Turboprop Engine, Москва, Aviation Publishing Hourse, 1993).
Жаровая труба камеры сгорания двигателя ТВ7-117 выполнена со следующими значениями геометрических и газодинамических критериев:
- отношение площади поперечного миделевого сечения жаровой трубы к суммарной эффективной площади всех отверстий в ней
относительная пропускная способность завихрителей
3
где µF - эффективная площадь завихрителей фронтового устройства,
- суммарная эффективная площадь всех отверстий в жаровой трубе;
- интенсивность закрутки потока воздуха завихрителями фронтового устройства
t
a
где W и W - средние по сечению тангенциальная и осевая составляющие скорости воздуха на выходе завихрителя;
коэффициент скорости потока в отверстиях жаровой трубы
кр
где W - скорость потока в отверстиях жаровой трубы, а - критическая скорость звука.
Однако принятые значения геометрических и газодинамических критериев не обеспечивают оптимальный режим работы камеры сгорания, при котором обеспечивается максимальная экономичность, надежность и ресурс двигателя.
Задачей настоящего изобретения является определение значений геометрических и газодинамических критериев камеры сгорания, обеспечивающих оптимальный режим ее работы. Под оптимальным режимом работы понимается удовлетворение главным требованиям, предъявляемым в эксплуатации:
- максимальной полноты сгорания топлива и кпд термодинамического цикла двигателя;
- минимальной неравномерности поля температуры газа на выходе из камеры сгорания (на входе в турбину);
- максимального предела срыва пламени при максимальном обеднении топливовоздушной смеси.
Указанная задача достигается тем, что в камере сгорания, содержащей корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива, жаровая труба выполнена со следующими оптимальными значениями геометрических и газодинамических критериев:
Оптимальные значения указанных критериев установлены в результате расчетного анализа и обобщения данных более 300 испытаний камер сгорания газотурбинных двигателей различных схем и размеров.
На фиг.1 представлена конструктивная схема камеры сгорания.
На фиг.2 показана зависимость характеристик камеры сгорания от отношения критерия  к его оптимальному значению
min
На фиг.3 показано отношение недожога топлива (1-η) к его минимальному значению (1-η) в зависимости от отношения значения  к его оптимальному значению
min
На фиг.4 приведено отношение недожога топлива (1-η) к его минимальному значению (1-η) в зависимости от отношения  к ее оптимальному значению
На фиг.5 показаны границы устойчивого горения (без срыва пламени) в камере при максимальном обеднении смеси топлива с воздухом.
ж
ж
Камера сгорания содержит корпус 1, жаровую трубу 2 с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения 3, фронтовое устройство с завихрителями воздуха 4 и форсунками подачи топлива 5. Площадь поперечного миделевого сечения жаровой трубы определяется ее высотой Н и диаметром D.
Камера сгорания работает следующим образом. Сжатый в компрессоре воздух поступает в полость корпуса 1, из которой воздух поступает в жаровую трубу 2 через множество отверстий подвода воздуха в зоны горения и смешения 3 и через завихрители воздуха 4. Через форсунки 5 в камеру сгорания подводится под давлением жидкое или газообразное топливо.
Рабочий процесс в камере сгорания газотурбинной установки характеризуется многообразием одновременно протекающих и взаимосвязанных физико-химических превращений в турбулентном потоке газа со сложной аэродинамической структурой и значения критериев  как показывают исследования, играют определяющую роль в этом процессе.
Процессы смешения топлива с окислителем (воздух), взаимодействия холодных и горячих турбулентных струй, оказывающих существенное влияние на протекание химических реакций и выравнивание температур в камере, управляются важнейшим критерием . Существенное влияние критерия на характеристики камеры показано на фиг.2.
e
max
max
min
По оси абсцисс на графике отложены значения критерия , отнесенные к его оптимальному значению  обеспечивающему максимальную величину эффективного кпд термодинамического цикла (η) и минимальную величину коэффициента максимальной окружной неравномерности поля температур газа (θ).
По оси ординат отложены следующие величины:
е
е
max
- кпд термодинамического цикла двигателя η, отнесенные к его максимальному значению (η) (кривая 1);
max
max
min
- коэффициенты максимальной окружной неравномерности поля температуры газа θ, отнесенные к его минимальному значению (θ) (кривая 2);
min
- недожога топлива в камере сгорания (1-η), отнесенные к ее минимальному значению (1-η), для которого оптимальное значение критерия  (кривая 3).
e
max
max
min
max
Из графика следует некоторая противоречивость влияния критерия  на максимальный кпд термодинамического цикла двигателя (η), минимальную неравномерность поля температур газа на выходе из камеры сгорания (θ) и минимальную величину недожога топлива (1-η).
e
max
max
min
min
Исследования показывают, что для обеспечения максимального значения кпд термодинамического цикла двигателя (η) и минимального значения неравномерности поля температур газа на выходе из камеры сгорания (θ) - оптимальное значение критерия ; а для обеспечения минимального значения недожога топлива (1-η) оптимальное значение критерия
Исходя из требований к тепловой машине: обеспечение максимальной экономии топлива за счет полного его сжигания и обеспечение ее надежности и ресурса (в газотурбинном двигателе за счет минимальной неравномерности поля температур газа на выходе из камеры сгорания), определяется оптимальное значение критерия
Критерий  определяет долю воздуха, участвующего в формировании топливовоздушной смеси в отдельной горелке, а критерий  характеризует интенсивность этого процесса. Совместное проявление этих факторов характеризует процессы смешения топливных и воздушных потоков и процессы тепломассообмена между зоной обратных потоков и закрученной струей воздуха, сформированных завихрителем.
Из графиков на фиг.3 и 4 видно, что и при оптимальном значении относительной пропускной способности завихрителей  и при оптимальном значении интенсивности закрутки завихрителей  недожог топлива (1-η) минимальный. Протекание и левой и правой частей кривых объясняется процессами неудовлетворительного распределения и смешения топлива в камере по всей массе воздуха, что сопровождается недожогом топлива.
ож
ож
opt
На фиг.5 по оси абсцисс отложено отношение текущих значений коэффициента скорости λ в отверстиях жаровой трубы к его оптимальному значению (λ).
max
ож
opt
По оси ординат отложены отношения значений коэффициента избытка воздуха α к его максимальному значению (α) при оптимальной величине коэффициента скорости потока воздуха в отверстиях жаровой трубы (λ).
ож
opt
Из графика следует, что максимальный предел устойчивой работы камеры сгорания при максимальном обеднении смеси топлива с воздухом, при котором еще не прекращается горение и не происходит срыв пламени, обеспечивается при оптимальном значении коэффициента скорости течения в отверстиях подвода воздуха в зоны горения и смешения жаровой трубы (λ)=0,22.
Сужение границ устойчивости горения по левой ветке на графике обусловлено «проскоком» пламени, а по правой ветке - «выносом» пламени из зоны его стабилизации.
Устойчивое горение в камере поддерживается за счет обеспечения оптимального соотношения скорости воздуха, поступающего в жаровую трубу через отверстия его подвода в зоны горения и смешения и турбулентной скорости распространения пламени.
Применение камеры сгорания, жаровая труба которой выполнена с предлагаемыми оптимальными значениями геометрических и газодинамических критериев, позволит обеспечить максимальные экономичность, надежность и ресурс двигателя.
Фиг.1. Конструктивная схема камеры сгорания.
Фиг.2. Зависимость характеристик камеры сгорания от отношения критерия
е
e
max
1 - кпд термодинамического цикла двигателя η отнесенный к его максимальному значению (η) (кривая 1).
max
max
min
2 - коэффициент максимальной окружной неравномерности поля температуры газа θ, отнесенный к его минимальному значению (θ) (кривая 2).
min
3 - недожог топлива в камере сгорания (1-η), отнесенный к ее минимальному значению (1-η) (кривая 3).
min
Фиг.3. Зависимость недожога топлива в камере сгорания (1-η), отнесенная к его минимальному значению (1-η) от отношения величины относительной пропускной способности завихрителей  к ее оптимальному значению .
min
Фиг.4. Зависимость недожога топлива в камере сгорания (1-η), отнесенная к его минимальному значению (1-µ) от отношения величины интенсивности закрутки потока воздуха завихрителями фронтового устройства  к ее оптимальному значению .
max
ож
ож
opt
Фиг.5. Зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания α, отнесенного к его максимальной величине α, от отношения величины коэффициента скорости λ в отверстиях жаровой трубы к его оптимальному значению (λ).