Камера сгорания предназначена для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию путем его непрерывного сжигания в потоке воздуха. Рабочий процесс в камере сгорания представляет собой совокупность процессов подготовки топливовоздушной смеси, ее непрерывного поджигания и собственно горения.
При этом наиболее существенными являются следующие особенности рабочего процесса:
– характер взаимного распределения подачи воздуха и топлива по длине жаровой трубы .
– способ организации циркуляционного течения в первичной зоне камеры сгорания .
– тип топливоподающего устройства: центробежная форсунка, топливовоздушная форсунка, предкамера (испаритель).
Несмотря на большое разнообразие конструктивного исполнения, и параметров рабочего процесса камер сгорания, в основе их работы лежат самые общие принципы:
– Разделение камеры сгорания на зону горения и зону смешения. Это обусловлено тем, что температура газов перед турбиной достигает значений 
= 1600 – 1700К (по условию прочности материалов деталей ее проточной части). Поскольку при таких условиях становится невозможно качественно организовать процесс горения ни одного вида топлива, то для собственно горения топлива необходимо выделить только часть воздуха, проходящего через камеру сгорания (первичный воздух), обеспечивая условия образования реакционно-способной смеси и высокую температуру процесса. На практике между первичной зоной горения и зоной разбавления часто предусматривают так называемую промежуточную зону, предназначаемую для устранения потерь, связанных с дожиганием непрореагировавших компонентов и диссоциацией продуктов сгорания в первичной зоне. Это достигается путем локального подвода небольшого количества воздуха в эту зону.
|
|
|
. Оставшаяся часть воздуха (вторичный воздух), минуя зону горения через ряды отверстий, поступает в зону смешения, где, смешиваясь с продуктами сгорания, обеспечивает заданный уровень температуры газов перед турбиной (рис.2.1).
– Постепенный подвод первичного воздуха по длине зоны горения (рис. 2.2). Это условие обеспечивает высокую эффективность процесса горения и, (высокое значение коэффициента полноты сгорания). Кроме того, струи первого пояса отверстий способствуют формированию зоны обратных токов.
 |
| Рис.2.1Условное разделение КС на зону горения и зону смешения |
– Турбулизация потока в зоне горения. Выполнение данного условия
необходимо для интенсификации процессов массообмена и теплообмена, улучшения смесеобразования и увеличения суммарной скорости горения в результате перехода от ламинарного к турбулентному горению.
|
|
|
 |
| Рис 2.2. Постепенный подвод вторичного воздуха по длине камеры сгорания |
–Обеспечение стабилизации фронта пламени в зоне горения. Высокий уровень форсировки камер сгорания обычно требуют обеспечения высоких скоростей движения потока, больших, чем скорость распространения пламени. Поэтому, назначение стабилизатора пламени состоит в том, чтобы создать в высокотемпературном газовом потоке область со скоростью меньшей, чем скорость распространения пламени в топливовоздушной смеси. Данный принцип может быть реализован созданием зоны обратных токов как в результате соударения струй первого пояса отверстий, так и в результате постановки завихрителей в головной части жаровой трубы (рис.2.3 и.2.4).
 |
 |
| Рис 2.3. Создание зоны обратных токов в результате соударения струй первого пояса отверстий (КС с глухим фронтом) | Рис 2.4. Создание зоны обратных токов в результате постановки завихрителя в головной части жаровой трубы (КС с открытым фронтом) |
– Оптимальное распределение распыленного топлива по сечению воздушного потока без попадания частиц топлива на стенки жаровой трубы. Как правило, подается полый конический факел топлива в области потока, примыкающего снаружи к зоне обратных токов, где градиент скоростей будет максимальным. Этим обеспечивается хорошее смешение топлива с воздухом, необходимое для осуществления эффективного процесса сгорания топлива. В случае сжигания газообразного топлива оптимальное смешение газообразного топлива с воздухом достигается взаимодействием газовых струй и закрученного потока воздуха за фронтовым устройством.
– Организация охлаждения деталей камеры сгорания. Температура стенки жаровой трубы определяется балансом тепловых потоков к стенке конвекцией и радиацией от горячих газов, с одной стороны, и тепловых потоков от стенки конвекцией в поток воздуха в кольцевом канале и радиацией в корпус камеры сгорания – с другой. В современных камерах сгорания ГТД на охлаждение деталей камеры сгорания может использоваться до 50% суммарного расхода воздуха.
Отмеченные важнейшие принципы организации рабочего процесса камер сгорания ГТД любого назначения обычно дополняются рядом соображений в зависимости от конкретных особенностей установки. Для камеры сгорания с традиционной схемой организации рабочего процесса физическая и расчетная модели представлены на рис.2.5.
 |
| Рис.2.5. Физическая и расчетная модели камеры сгорания традиционной схемой организации рабочего процесса |
Поток воздуха, поступающий из-за компрессора в камеру сгорания со скоростью W к = 120-180 м/с, снижает свою скорость на участке диффузора до величины 25-30 м/с (это необходимо для обеспечения приемлемого уровня гидравлических потерь в камере сгорания и обеспечения устойчивого горения в жаровой трубе). Меньшая часть потока воздуха подается через завихритель в первичную зону жаровой трубы, а большая его часть ступенчато (рис.2.2) поступает в жаровую трубу через систему поясов основных отверстий подвода вторичного воздуха, а также через мелкие отверстия подачи охлаждающего воздуха.
Для большинства камер сгорания с традиционной схемой организации рабочего процесса объем жаровой трубы можно условно разделить на три зоны, отличающиеся структурой и характером протекающих в них процессов. Это первичная зона, в которой организуется непосредственно процесс подготовки смеси и горения, топливовоздушной и вторичная зона состоящая из зон догорания и смешения. Очевидно, что данное условное разделение на определенные зоны можно продолжить в соответствии с характерными особенностями протекающих в них процессов и их функциональным назначением.
|
|
|
Как показывает предшествующий опыт, условное разделение рабочего процесса в целом на отдельные элементы (например, отдельное рассмотрение аэродинамики потоков газа и воздуха, характера подачи топлива и его смешения с воздухом, воспламенения и стабилизации пламени, условий тепло- и массообмена и т.д.) позволяет представить общую картину процесса доступной для понимания. Но в то же время динамика этих процессов (особенно взаимозависящих друг от друга) пока не поддается качественному описанию, несмотря на достаточно широкие экспериментальные данные. Все перечисленные факторы затрудняют проведение системного анализа характеристик рабочего процесса и объясняют интерес к изучению отдельных элементарных процессов, проводимых с известными допущениями. На первом этапе исследований выявляется физическая картина процессов, протекающих внутри камеры сгорания. На последующих этапах делается попытка составления модели процессов с дальнейшим созданием компьютерных программ, позволяющих предсказывать основные характеристики и использовать их при проектировании и доводке камер сгорания
3.0 Основные характеристики камер сгорания и требования к ним .
Показатели качества работы камеры сгорания и основные требования, определяются характеристиками ее эффективности, надежности и экологичности. Критериями эффективности являются полнота сгорания и коэффициент гидродинамических потерь (ηг, σкс), которые определяют качество работы камеры сгорания.
К характеристикам надежности работы камеры сгорания можно отнести срывные и пусковые характеристики, а также неравномерность температурных полей в выходном сечении.
Экологические характеристики камеры сгорания определяются уровнем эмиссии токсичных веществ в выхлопе.
Топливовоздушная смесь в камере сгорания характеризируется величиной называемой составом смеси, представляющего собой отношение воздуха в камере сгорания к теоретически необходимому для горения топливу α= Gв/GтLо, в литературе этот параметрназывают также коэффициентом избытка воздуха. Здесь стехиометрический коэффициент Lо, как и теплотворная способность Hu являются характеристиками топлива и зависят от его химического состава. В табл.1 приведены основные характеристики топлив:
|
|
|
