Камера сгорания

Схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

Камера сгорания — объём, образованный совокупностью деталей двигателя или печи (в последнем случае камера сгорания называется топкой) в котором происходит сжигание горючей смеси или твердого топлива. Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма/печи в целом; как правило используются жаропрочные материалы. Камера сгорания - устройство предназначеное для организации процеса горения ТВС.

Камеры сгорания ГТД

Типичная схема

Типичная схема газотурбинного двигателя.

Горячий газ занимает гораздо больший объем, чем горючая смесь, поступающая на вход в двигатель. Тем самым создается дополнительное давление, которое может двигать поршень или вращать турбину. Энергия также идет на создание дополнительной тяги при выходе газа из сопла.

Стехиометрическая камера

Форсажная камера

Для увеличения тяги в турбореактивном двигателе за турбиной можно поместить вторую, т.н. форсажную камеру сгорания, в которой газ может нагреваться до такой же температуры, как и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Форсажная камера представляет собой цилиндрическую трубу с соплом регулируемого сечения на выходе.

Требования к камере сгорания ГТД

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

1. 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.
2. Малые потери полного давления $\delta=\frac{p_1^*-p_2^*}{p_1^*}\cdot100%$, так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6% (прямоточные), 8% (двухконтурные двигатели).
3. Малые габариты камеры для облегчения веса. При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.
4. Обеспечение широкого диапазона изменения параметров (расхода воздуха, топлива) — обеспечение возможности работать на разных режимах: $2\le\alpha=\frac{G_{air}}{L_0G_{fuel}}\le50$, где L₀ — стехиометрический коэффициент (количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, принимается ≈0,1488).
5. 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).
6. Надёжный запуск камеры при температурах до -60 °С, в том числе полетный запуск на высоте 7 км.
7. Малая дымность отработанных газов (для визуальной незаметности).
8. Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO, C_nH_m, NO_x.
9. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
10. Определенный срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).

Литература

Михайлов А.И. и др. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей: Труды Московского ордена Ленина авиационного института имени Серго Орджоникидзе, вып.106. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1959.