Камера сгорания

Период задержки воспламенения

За этот период в камеру сгорания поступает незначительная часть впрыскиваемого за цикл топлива. На индикаторной диаграмме в течение этого периода не наблюдается заметных изменений в протекании линии сжатия: давление в цилиндре продолжает увеличиваться так, как будто топливо не поступает в него. При увеличении Qi в камере сгорания к моменту воспламенения накапливается много топлива. Это повышает жесткость работы дизеля. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от следующих основных факторов: качества топлива, угла опережения впрыска топлива, давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска топлива, давления начала впрыска, нагрузки на дизель и частоты вращения коленчатого вала.

Рассмотрим влияние каждого фактора на величину Qi.

Химический состав дизельного топлива сильно влияет на продолжительность Qi. Лучшими дизельными топливами являются топлива парафинового ряда, обладающие более высоким цетановым числом и обеспечивающие наименьшую продолжительность Qi и мягкую работу дизеля.

Для каждой конструкции дизеля принят свой угол опережения впрыска топлива фвп. Оптимальное его значение зависит от нагрузки, теплового режима, частоты вращения коленчатого вала, давления и температуры воздуха. При увеличении фвп топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, попадает в холодную среду с низким давлением, т. е. меньшей объемной концентрацией кислорода. Воспламенение топлива вследствие этого задерживается. В цилиндре накапливается топливо, которое сгорает до прихода поршня в в.м.т. Это вызывает повышение жесткости работы дизеля и давления Pz. При малой величине фвп топливо сгорает не полностью, ббльшая его часть сгорает в процессе расширения (в третьей фазе), увеличивается теплоотдача в стенки цилиндров, мощность дизеля снижается.

Увеличение давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска способствуют более раннему самовоспламенению топлива, сокращению периода задержки воспламенения, более мягкой работе двигателя.

Увеличение давления начала впрыска приводит к дополнительному запаздыванию начала впрыска, сокращается продолжительность впрыска. При уменьшении давления начала впрыска ухудшается качество распыливания топлива и смесеобразования, что приводит к ухудшению рабочего процесса.

Увеличение нагрузки сопровождается большей подачей топлива за цикл, улучшаются условия подготовки рабочей смеси к сгоранию. Следовательно, продолжительность Qi с увеличением нагрузки сокращается.

Частота вращения коленчатого вала n влияет следующим образом на величину Qi. При изменении n изменяются фвп, давление и продолжительность впрыска топлива, качество его распыливания. Давление и температура воздуха в камере сжатия к моменту начала впрыска также изменяются. На быстроходных дизелях, предназначенных для работы с часто меняющимися скоростными режимами, устанавливают устройства, обеспечивающие автоматическое изменение величины фвп при изменении n.

Из сказанного видно, что момент начала впрыска и период задержки воспламенения оказывают большое влияние на процесс сгорания, на мощность и экономичность дизелей. Поэтому при их эксплуатации эти показатели надо поддерживать в заданных пределах.

Средняя скорость нарастания давления на участке 2…3 определяет жесткость работы дизеля. Ее считают нежесткой, если средняя скорость нарастания давления дельта_Р/дельта_ф не превышает 0,5 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала.

Чем больше поступает топлива в цилиндр в течение периода Qi задержки воспламенения, тем жестче работа двигателя и тем большей величины достигает максимальное давление сгорания Рz.

Характер поступления топлива определяется профилем кулачка, диаметром и величиной хода плунжера топливного насоса, конструкцией дизеля и качеством топлива. Так, например, применение бензина вместо дизельного топлива вызывает появление ударных волн и вибрацию давления в цилиндре дизеля.

Определение детонационной стойкости бензина

Детонационная стойкость бензина выражается в его октановом числе.

Октановое число бензина указывает на то, что данный вид топлива обладает такой же детонационной стойкостью, что и эталонная сравнительная смесь углеводородов — изооктана и нормального гептана. Так как изооктан имеет октановое число 100, а нормальный гептан — октановое число 0, то октановое число 80 означает, что детонационная стойкость бензина равна детонационной стойкости смеси из 80% (объемных частей) изооктана и 20% (объемных частей) нормального гептана. Детонационная стойкость растет с увеличением октанового числа.

Определение октанового числа выполняется на соответствующем испытательном стенде с использованием эталонного двигателя для оценки детонационной стойкости различных видов топлива. Эталонным в данном случае считается одноцилиндровый четырехтактный бензоиновый двигатель с термосифонной системой жидкостного охлаждения, в которой отсутствует помпа, а охлаждающая жидкость испаряется, и пар низкого давления конденсируется в радиаторе, а затем в виде конденсата возвращается в рубашку охлаждения. Степень сжатия двигателя во время испытаний может изменяться в границах между 4 и 18.

Существует два стандартизированных метода испытаний: исследовательский метод и моторный метод. Соответственно, результатами являются исследовательское октановое число бензина (ROZ) и моторное октановое число бензина (MOZ). Различия основных параметров обоих методов указаны в таблице.

Таблица. Различия параметров исследовательского и моторного методов

В моторном методе смесь воздуха и бензина нагревается позади карбюратора, а в исследовательском методе — воздух нагревается перед карбюратором.

Эталонный двигатель запускается и соединяется с большим электрическим генератором, в котором крутящий момент от эталонного двигателя возбуждает электрический ток, создающий тормозной момент. Измерение октанового числа всегда проводится в режиме сильной детонации при сгорании рабочей смеси. При этом коэффициент избытка воздуха регулируется так, чтобы получить детонацию максимальной интенсивности. Индуктивный датчик и электронный усилитель сигналов замеряют уровень детонации и выводят показания на дисплей специального прибора — детонометра. Компрессия двигателя настраивается таким образом, чтобы показания детонометра исследуемого бензина находились в середине шкалы прибора. Затем в систему питания вводятся две сравнительные смеси, чьи октановые числа различаются лишь на две единицы. Одна сравнительная смесь должна вызывать более сильную, а вторая более слабую детонацию, чем бензин. Посредством линейной интерполяции определяется и округляется до десятых долей октановое число бензина.

Один и тот же бензин, испытанный по моторному методу, имеет меньшее октановое число, чем выявленное по исследовательскому методу. Октановое число, определяемое по моторному методу, в современном бензине меньше примерно на 10 единиц, чем октановое число, определяемое по исследовательскому методу. Данная разница обусловлена тем, что соотношение олефинов и ароматических углеводородов в двух методах испытаний отличаются. На сегодняшний день исследовательское октановое число в бензине равно приблизительно 92, а в бензине высшего качества — 95 единиц. Октановое число, определяемое по исследовательскому методу, указывает на то, как ведет себя топливо при ускорении (детонация при разгоне).

Октановое число, определяемое по моторному методу, наоборот, указывает на поведение при большой нагрузке (детонация при высокой частоте вращения коленчатого вала).

Наряду с исследовательским и моторым октановыми числами существует также октановое число, определяемое по дорожному методу (SOZ). Оно определяется методом дорожных испытания транспортного средства согласно «модифицированному дорожному методу». В прогретый двигатель подаются различные сравнительные смеси из изооктана и нормального гептана. Автомобиль сначала ускоряется до максимальной скорости на прямой передаче, позволяющей плавное движение без рывков. Угол опережения зажигания регулируется до тех пор, пока не исчезнет детонация. В результате данные испытаний образуют базовую кривую, отображенную на рисунке.

Затем по тому же методу определяется установка зажигания, при которой начинается детонация, для исследуемого бензина. По базовой кривой определяется октановое число бензина по дорожному методу. Эта величина в различных двигателях будет иметь различные значения для одного и того же бензина.

Объем — камера — сгорание

Объем камеры сгорания и трубопроводов, соединяющих ее с турбиной, невелик по сравнению с расходом воздуха. Поэтому влияние объема газа перед турбиной на процесс регулирования сказывается слабо. Регулирование работает вполне устойчиво, без пульсаций, как во время синхронизации, так и при нормальной эксплуатации. При полном сбросе нагрузки перерегулирование получается очень незначительным.
 

Объем камеры сгорания и рабочий объем в сумме составляют полный объем цилиндра. Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше камеры сгорания.
 

Объем камеры сгорания при этом предполагают заполненным остаточными газами. Числовые значения величин, входящих в уравнение (21.9), за исключением R0, зависят от условий работы двигателя и оказывают существенное влияние на величину весового заряда.
 

Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра называется полным объемом цилиндра.
 

В объеме камеры сгорания ( объемное смесеобразование), когда топливо впрыскивается непосредственно в движущуюся воздушную среду, причем: не предполагается его попадание на поверхности, ограничивающие камеру сгоранпя. В этом случае то плпво может воспламеняться в нескольких зонах, где температуры наиболее высокие, а состав смеси находится в концентрационных пределах, при которых возможно воспламенение топлива.
 

Для изменения объема камеры сгорания, в случае работы на различных сортах топлива, в верхней части цилиндровой головки двигателя установлен специальный небольшой поршень.
 

При увеличении расстояния объем камеры сгорания возрастает, давление газов снижается и заглубление дюбеля уменьшается.
 

Отношение поверхности и объема камеры сгорания может быть понижено путем увеличения рабочего объема цилиндра, путем увеличения отношения длины хода поршня к диаметру цилиндра, путем снижения степени сжатия и путем изменения формы камеры сгорания.
 

Эти тепловые напряжения объема камер сгорания были установлены для определенных агрегатов ( паровых котлов), оборудуемых горелками, мало различающимися по факелу, который они создавали.
 

Отношение поверхности к объему камеры сгорания имеет большое значение. Если несгоревший заряд сжат в малом пространстве, то стенки камеры достаточно охлаждают газ и действуют на течение химических реакций. Большая поверхность повышает вероятность обрыва цепей, не столько за счет диффузии ( так как давление слишком велико), сколько вследствие, переноса активных частиц движущимся газом, что вызывает увеличение задержки воспламенения.
 

Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания, вместе взятые, составляют полный объем цилиндра. В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров выражается в литрах и называется литражом двигателя. При малых объемах — до одного литра — он выражается в кубических сантиметрах.
 

Требования к камере сгорания ГТД

Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:

Высокое значение коэффициента полноты сгорания η, равного отношению энергии, выделяющейся при сжигании 1 кг топлива к теплотворной способности топлива. Типичные значения η — 0,98..0,99.
Малые потери полного давления δ=p1∗−p2∗p1∗⋅100%{\displaystyle \delta ={\frac {p_{1}^{*}-p_{2}^{*}}{p_{1}^{*}}}\cdot 100\%}, так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6 % (прямоточные), 8 % (двухконтурные двигатели).
Малые габариты камеры для облегчения веса

При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.
Обеспечение широкого диапазона изменения параметров (расхода воздуха, топлива) — обеспечение возможности работать на разных режимах: 2≤α=GairLGfuel≤50{\displaystyle 2\leq \alpha ={\frac {G_{air}}{L_{0}G_{fuel}}}\leq 50}, где L — стехиометрический коэффициент (количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, принимается ≈0,1488).
Обеспечение заданной эпюры распределения температуры в выходном сечении камеры при минимальной неравномерности этой температуры в окружном направлении (при большой степени неравномерности может сгореть сопловой аппарат).
Надёжный запуск камеры при температурах до −60 °С, в том числе полётный запуск на высоте 7 км.
Малая дымность отработанных газов (для визуальной незаметности).
Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO, CnHm, NOx.
Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
Определённый срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).

Камера сгорания непрерывного действия

Камера сгорания непрерывного действия относятся к числу важнейших узлов авиационных и космических двигательных установок, специальных и транспортных газотурбинных установок, которые находят широкое применение в энергетике, химической промышленности, на ж.-д. транспорте, морских и речных судах.

Камера сгорания непрерывного действия 1 — Задний корпус компрессора 2 — Форсунка 3 — Кожух камеры 4 — Силовая труба 5 — Жаровая труба 6 — Газосборник 7 — Коллектор 8 — Сопловой аппарат I ступени турбины

Принцип работы

Камера сгорания является узлом газотурбинного двигателя (ГТД), в котором происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси. Для приготовления топливовоздушной смеси в камеру сгорания подводится через форсунки топливо и поступает воздух из компрессора. В процессе запуска двигателя поджог топливовоздушной смеси производится электрической искрой (или пусковым устройством), а при дальнейшей работе процесс горения поддерживается непрерывно вследствие контакта образующейся топливовоздушной смеси с раскаленными продуктами сгорания. Образовавшийся в камере сгорания газ направляется в турбину компрессора.

Устойчивость и совершенство процессов в камере сгорания в значительной степени обеспечивают надежную и экономичную работу газотурбинного двигателя.

Требования, предъявляемые к камере сгорания непрерывного действия

• Устойчивость процесса горения при всех возможных режимах и полетных условиях. Необходимо, чтобы сгорание топлива было непрерывным и не было срыва пламени или пульсационного горения, что может вызвать самовыключение двигателя. В процессе изменения режима работы двигателя и полетных условий изменяется соотношение топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, т.е. изменяется качество смеси.
• Обеспечение равномерного поля температуры газов перед турбиной. Обычно камеры сгорания имеют несколько форсунок для подвода топлива, поэтому имеется тенденция к получению зон различной температуры на выходе газов из камеры сгорания. Значительная неравномерность поля температур газов может приводить к разрушению турбинных лопаток.
• Минимальная длина факела пламени, т.е. процесс сгорания, должен заканчиваться в пределах камеры сгорания. В противном случае пламя доходит до лопаток соплового аппарата, что может привести к их прогару.
• Надежность в эксплуатации, большой срок службы, удобство контроля и технического обслуживания. Обеспечение длительной и надежной работы камеры сгорания достигается как рядом конструктивных мероприятий, так и строгим соблюдением правил летной и технической эксплуатации. Для максимального выполнения перечисленных требований каждому типу двигателя подбирается соответствующий тип камеры сгорания.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.

2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

3. Тип камеры сгорания, который оказывает влияние на задержку воспламенения, гак как в зависимости от типа камеры по разному будет проходить распространение топлива по объему воздушного заряда и в пристеночной зоне. Кроме того температура стенок камеры сгорания также будет зависеть от ее типа.
4. Интенсивность направленного движения заряда в камере. Увеличение интенсивности движения заряда несколько сокращает период задержки воспламенения. На рисунке показаны способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске.
5. Тип распылителя форсунки. Форсунка закрытого типа сокращает период задержки воспламенения. Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры, где ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности камеры сгорания. Разделенные камеры сгорания обеспечивают более полное сгорание топлива и менее жесткую работу за счет сокращения времени задержки воспламенения.
6. Нагрузка. С ростом нагрузки увеличивается давление и температура цикла, что приводит к повышению теплового режима двигателя, а это к свою очередь вызывает сокращение времени задержки воспламенения.
7. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к улучшению распыления, увеличению давления и температуры конца сжатия, что способствует сокращению первой фазы горения, особенно в дизелях с разделенными камерами сгорания. Продолжительность первой фазы горения при этом растет.

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой. При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна. Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Трубчато-кольцевая камера — сгорание

Трубчато-кольцевая камера сгорания ( см. рис. 7.17, в) состоит из нескольких пламенных труб, размещенных в общем кольцевом пространстве, по которому проходит вторичный воздух. Для лучшей организации движения воздуха иногда вокруг пламенных труб располагают экраны из тонкого листа. Запальные устройства устанавливают только в части пламенных труб, в остальных трубах поджигание топлива осуществляется передачей пламени через пат-рубки, соединяющие пламенные трубы. Одновременно пламяпере-брасывающие патрубки обеспечивают выравнивание давления между отдельными пламенными трубами.
 

Трубчато-кольцевая камера сгорания 7 представляет собой воздушный коллектор, в котором устанавливают по семь пламенных труб. Насадки на передней части пламенной трубы помогают разбить главный поток воздуха на отдельные струйки, что необходимо для полного окисления топлива. Такое смешение воздушных потоков позволяет обеспечить равномерное распределение температур по профилям лопаток турбины. Корпус заднего подшипника окружает вал турбины. Он прикреплен к выпускному патрубку компрессора и сопловому аппарату. Камера сгорания установлена вокруг этого патрубка и включает следующие элементы: внутренний теплозащитный экран; пламенные трубы; наружный корпус воздушного коллектора; сопловый аппарат.
 

Трубчато-кольцевые камеры сгорания представляют собой промежуточный тип камер, сочетающий достоинства и недостатки индивидуальных и кольцевых камер.
 

Пример расчета трубчато-кольцевой камеры сгорания приведен ниже.
 

На рис. 7.19 дана схема трубчато-кольцевой камеры сгорания с экранированными пламенными трубами, выходные участки которых, смыкаясь, образуют кольцевое пространство.
 

Газотурбинный двигатель выполнен по схеме простого открытого цикла без регенерации тепла выхлопных продуктов сгорания и состоит из осевых компрессоров низкого и высокого давления, трубчато-кольцевой камеры сгорания, турбин высокого и низкого давления и силовой турбины.
 

Газотурбинный двигатель выполнен по схеме, простого открытого цикла без регенерации тепла выхлопных продуктов сгорания и состоит из осевых ком — прессоров низкого и высокого давления, трубчато-кольцевой камеры сгорания, турбин высокого и низкого давления и силовой турбины.
 

Недостатком их является неравномерность температур и давлений в окружном направлении перед лопаточным аппаратом турбины. Трубчато-кольцевые камеры сгорания широко применяются в корабельных и судовых ГТД.
 

Усовершенствованный компрессор низкого давления шестиступенчатый, установлен на одном валу с вентилятором. Семиступенчатый компрессор высокого давления, трубчато-кольцевая камера сгорания и одноступенчатая турбина компрессора в основном аналогичны этим узлам базового двигателя. Турбина вентилятора — трехступенчатая, сконструирована с использованием опыта создания турбины вентилятора ДТРД JT9D и имеет высокий КПД. На двигателе применяется двенадцатилепестковый смеситель потоков, за которым установлено общее нерегулируемое реактивное сопло.
 

ТРД и ТРДФ имеют умеренные термодинамические параметры: степень повышения давления — 6 — М2 и температуру газа перед турбиной Т 1100 — — 1250 К. В двигателях с невысокими значениями тс для достижения устойчивости работы компрессора в основном используется перепуск воздуха из промежуточных ступеней. Например, в ТРД J85 имеются клапаны перепуска за третьей, четвертой и пятой ступенями компрессора. Например, в ТРД J52 с тг 14 5, несмотря на наличие двухвального компрессора, имеются автоматические клапаны для перепуска воздуха при запуске и выходе двигателя на рабочий режим. Турбины ТРД и ТРДФ имеют от одной до трех ступеней, из них, как правило, первая ступень или ее сопловой аппарат охлаждаемые, как, например, у двигателей J79, Атар 9К, J85, и только у двигателя Олимп 593 охлаждаемые обе ступени турбины. В ТРД и ТРДФ применяются кольцевые и трубчато-кольцевые камеры сгорания.