ВИХРЕВЫЕ СИЛЬНО ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕДКАМЕРАХ МАЛОТОКСИЧНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ВИХРЕВЫЕ СИЛЬНО ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕДКАМЕРАХ МАЛОТОКСИЧНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

© Е.А.Ершова, И.Н.Новиков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2018 г.

В основу рабочего процесса предкамеры положена структура течения в вихревой противоточной трубе, реализующей вихревой эффект инженера Ранка [1]. Некоторые результаты исследований вихревой трубы в режиме вихревого нагревателя, положенного в основу различного типа и назначения горелочных устройств, включая камеру сгорания (КС), представлены в работах [2, 3 и 4]. В частности в [4] приведены эффекты нагрева газа в вихревых нагревателях в широком интервале температуры воздуха на входе в сопловой закручивающий аппарат.

В данной работе предлагается конструкция многогорелочной кольцевой малотоксичной КС [5]. Такая конструкция позволяет повысить эффективность рабочего процесса сжигания топлива в КС на разных режимах работы, снизить выбросы в атмосферу оксидов азота, уменьшить длину жаровой трубы и, как следствие, снизить массу КС и двигателя в целом, снизить термическую нагрузку на стенки жаровой трубы и неравномерность поля температуры продуктов сгорания на выходе из КС.

Эффект достигается за счет использования в конструкции КС предкамер, установленных в одной плоскости на передней стенке КС двумя ярусами, за основу конструкции которых взята конструкция камеры сгорания вихревого противоточного типа (КСВП). Использование вихревой противоточной предкамеры приводит к формированию зоны горения во внутреннем потоке жаровой трубы предкамеры с обеспечением высокой степени стабилизации процесса горения, влияющего на эффективность рабочего процесса сжигания топлива в КС на разных режимах. Подача топлива на пусковом режиме и режиме малого газа, крейсерском режиме и режиме максимальной тяги осуществляется в определённые группы предкамер. Процесс смесеобразования, горения топлива и формирование структуры потока продуктов сгорания осуществляется в предкамерах, в сильно закрученных потоках, движущихся в противотоке с осевыми скоростями. При этом начало формирования топливовоздушной смеси осуществляется во внешнем потоке, а зона горения располагается во внутреннем.

Предлагаемое распределение подачи топлива в зависимости от режима работы двигателя способствует улучшению характеристик продуктов сгорания на выходе из КС. В тоже время, такой способ подачи топлива уменьшает неравномерность поля температуры на выходе из КС, повышает эффективность рабочего процесса сжигания топлива в КС на различных режимах работы двигателя, а также приводит к сокращению длины жаровой трубы и снижению термической нагрузки на стенки предкамер и стенки жаровой трубы.

По результатам исследований процесса сжигания топлива были созданы различные модификации КСВП, которые работают в стационарных установках различного типа. Однако эти образцы выполнены в виде трубчатых КС. В работе [5] впервые предлагается применение КСВП в качестве предкамеры основной камеры сгорания традиционной схемы. Полученные результаты прогнозируют характеристики предкамер на различных режимах работы КС газотурбинного двигателя: пусковом, крейсерском и режиме максимальной тяги.

Литература

1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. 2- изд. Самара: Оптима, 1997.

2. Новиков Н.Н. Исследование вихревых нагревателей и их применение в авиационных двигателях: Дис. канд. техн. наук. Куйбышев, 1981, 158 с.

3. Новиков Н.Н. Горелочное устройство камеры сгорания. А.С. № 1362188, зарегистрировано в Гос. Реестре изобретений СССР, 22.08.87.

4. Новиков И.Н. Исследование камер сгорания вихревого противоточного типа: Дис. канд. техн. наук Рыбинск, 2005, 272 с.

5. Новиков Н.Н., Ершова Е.А. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя и способ осуществления рабочего процесса, патент RU 2624682, 05.07.2017.

6. Ершова Е.А., Новиков И.Н. Применение кольцевой многогорелочной камеры сгорания в двигателях летательных аппаратов: Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: сборник тезисов докладов. – М.: ИД Академии Жуковского, 2018. – 372 с.