Метод впрыска топлива, его степень сжатия и геометрия камеры сгорания – три основных фактора, влияющих на качество смесеобразования. В конечном счете, мощность и шумность «дизеля» зависят от того, насколько равномерно смесь распределяется внутри камеры. Различают два основных класса дизельных двигателей: моторы с разделенной камерой сгорания и с неразделенной.
«Дизели» первого из указанных типов обычно применяются в легковом транспорте. Для мотора небольшого объема характерно наличие разделенных камер сгорания, где впрыск осуществляется в дополнительную полость, расположенную в головке блока цилиндров. В свою очередь, здесь надо различать два разных метода смесеобразования: форкамерный (предкамерный) и вихрекамерный.
Разделенная
В ходе вихрекамерного, равно как и форкамерного процесса сгорания, дизтопливо поступает в предварительную камеру, где перемешивается с воздухом и воспламеняется. Если камера выполнена в форме сферы, воздух может интенсивно закручиваться, образуя вихрь. А форкамерная конструкция предусматривает наличие тонких каналов, при прохождении которых смесь становится однороднее.
Как видим, в разделенной камере любого типа топливо сгорает «в два шага». Это способствует снижению нагрузки на поршневую группу. Недостатком же являются не лучшие пусковые качества и увеличение расхода топлива, возникающее из-за дополнительных затрат на перекачивание смеси между камерами.
Различия между форкамерным и вихрекамерным процессами:
В первом случае смесь становится однороднее во время перекачивания, то есть, после воспламенения;
- Во втором случае, как можно заметить, однородность смеси гарантируется наличием вихря, а интенсивное перемешивание происходит до воспламенения.
Неразделенная
«Дизель» с неразделенной камерой сгорания всегда оснащается системой непосредственного впрыска. Такие двигатели, разумеется, намного экономичнее моторов любой другой конструкции. Но применение прямого впрыска на «дизелях» с большой частотой вращения коленвала влечет множество разнообразных проблем. Основными из них являются вибрация и шум, которые становятся наиболее заметными в процессе разгона.
Камеры сгорания В современных бензиновых двигателях с верхним расположением клапанов преимущественно используются камеры сгорания следующих типов: полусферические, полисферические, клиновые, плоскоовальные, грушевид- ные, цилиндрические. Существуют смешанные варианты камер сгорания. Форма камеры сгорания определяется расположением клапанов, формой днища поршня, расположением свечи, а иногда и двух свечей зажигания, наличием вытеснителей. При проектировании двигателя с учетом применяемого топлива и заданной степени сжатия к камерам сгорания предъявляются следующие требования: обеспечение высоких скоростей сгорания, снижения требований к октановому числу топлива, минимальных потерь с охлаждающей жидкостью, низкой токсичности, технологичности производства. Это определяется следующими условиями:
Компактностью камеры сгорания;
-эффективной турбулизацией смеси во время сгорания;
-минимальным отношением площади поверхности
Камеры сгорания к рабочему объему цилиндров. Как уже отмечалось, одним из способов повышения эффективного КПД двигателя является увеличение степени сжатия. Основной причиной ограничения степени сжатия является опасность появления аномальных процессов сгорания (детонации, калильного зажигания, грохота и др.). У современных серийных двигателей, имеющих достаточно высокие степени сжатия, дальнейшее их увеличение даст сравнительно небольшой эффект и связано с необходимостью решения ряда проблем. Прежде всего - это возникновение детонации. Именно она определяет требования к величине степени сжатия и форме камеры сгорания. После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени распространяется по камере сгорания, давление и температура в этой части заряда растут до 50...70 бар и 2000...2500 С, в наиболее удаленной от свечи части рабочей смеси происходят предпламенные химические реакции. При невысокой частоте вращения коленчатого вала, особенно в двигателях с большим диаметром цилиндров, время на эти реакции иногда оказывается достаточным, чтобы остаточная часть заряда сгорала с высокими скоростями (до 2000 м/с).
Детонационное сгорание вызывает появление ударных волн, распространяющихся по камере сгорания с высокой скоростью, вызывая металлические стуки, иногда неправильно называемых стуком пальцев. Ударная волна, разрушая пристеночный слой газов с пониженной температурой, способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев и увеличивая тепловые потери в двигателе. Работа с сильной детонацией приводит к общему перегреву двигателя, ухудшению мощностных и экономических показателей. При длительной езде с интенсивной детонацией начинается эрозия стенок камеры сгорания, оплавление и задиры поршня, повышенный износ верхней части цилиндра из-за срыва масляной пленки, поломка перемычек между канавками поршневых колец и задиры зеркала цилиндра, прогар прокладки головки цилиндров. К числу факторов, влияющих на требования к октановому числу топлива, относится компактность камеры сгорания, характеризуемая степенью нарастания объема сгоревшей части смеси (в % к полному объему камеры сгорания) по мере удаления условного фронта пламени от свечи. Наиболее компактными являются полусферические, шатровые камеры сгорания, имеющие пониженные требования к октановому числу. Однако для повышения степени сжатия до 9,5... 10,5 в полусферических или полисферических камерах иногда приходится днище поршня делать выпуклым, что существенно ухудшает степень компактности и соответственно повышает требования к октановому числу, которые возрастают на 3...5 единиц. В современных двигателях с 4 клапанами в одном цилиндре свеча располагается в центре камеры сгорания. Это обеспечивает максимальную степень нарастания объема.
Другим параметром, характеризующим антидетонационные качества, является степень турбулизации смеси в процессе сгорания. Интенсивность турбулизации зависит от скорости и направления потока смеси на входе в камеру сгорания. Одним из способов создания интенсивной турбулизации является увеличение площади вытеснителя (объема расположенного между днищем поршня и плоскостью головки цилиндров) с целью турбулизации заряда для увеличения скорости сгорания. Вытеснители имеют клиновые, овальные, грушевидные камеры сгорания. При замене плоскоовальной камеры сгорания на грушевидную, увеличении за счет этого площади вытеснителя при одновременном уменьшении его высоты на двигателях автомобилей УАЗ удалось без изменения требований к ОЧ топлива поднять степень сжатия на 0,5, за счет чего расход топлива уменьшился на 5...7%, а мощность увеличилась на 4... 5%. У двигателей УЗАМ 331 и у некоторых двигателей грузовых автомобилей (ЗИЛ-508.10) для создания вихревого движения заряда перед впускным клапаном канал выполнялся улиткообразным. Однако при высоких скоростях смеси это приводило к увеличению сопротивления и соответственно снижению мощностных показателей. Поэтому последние модели двигателей УЗАМ выпускаются с обычным впускным каналом. Полусферические, полисферических цилиндрические камеры сгорания практически не имеют вытеснителя, поэтому их антидетонационные качества (по индексу детонации) уступают камерам с вытеснителями. При массовом производстве двигателей за счет отклонения размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и объема камеры сгорания фактическая степень сжатия двигателя одной модели может отличаться на значительную величину (в пределах одной единицы). Поэтому для автомобиля одной и той же модели часто требуются бензины с разным октановым числом. Фактическую степень сжатия приблизительно можно определить при помощи компрессометра.
А - полусферическая; б - полусферическая с вытеснителем; в - сферическая; г - шатровая; д - плоскоовальная; е -клиновая; з - цилиндрическая камера сгорания в поршне; ж - полуклиновая с частью камеры в поршне;
Геометрические размеры камер двигателей устанавливаются из условия обеспечения заданной тяги при возможно больших значениях удельной тяги, т.е. при возможно большем использовании энергии, содержащейся в топливе.
Объём камеры определяется по времени пребывания в камере топлива и газообразных продуктов – τ пр. . оно должно быть достаточным для полного завершения процесса в камере сгорания.
Объём камеры сгорания определяется по формуле
Где - весовой секундный расход газа;
R – газовая постоянная продуктов сгорания;
Т о и Р о температура и давление газов в камере.
Другим параметром, использующимся для определения объёма, является приведённая длина – L пр. - , где F кр – площадь критического сечения сопла.
Для окончательного определения размеров камеры необходимо кроме V k знать диаметр камеры d o или безразмерную площадь f k = F o /F кр . Обычно принимают f k ≥ 3. Ориентировочно диаметр камеры для азотно-кислотных двигателей определяется по зависимости d o = (2,5…3)d кр , а для спиртово-кислородных d o = (2,5…2,5)d кр .
Форма камеры сгорания может быть шарообразная (грушевидная, например, на двигателе «Фау-2»), цилиндрическая (на двигателях современных ракет-носителей) и коническая (практически не применяется).
Достоинства шарообразной камеры сгорания в том, что
1. при заданном объёме поверхность у неё наименьшая, что уменьшает вес камеры сгорания и облегчает охлаждение;
2. эти камеры сгорания более прочные по сравнению с цилиндрическими камерами.
Недостатки шарообразной камеры сгорания в том, что
1. она сложна в изготовлении;
2. имеет малую площадь для размещения форсунок и поэтому форсунки размещают в форкамерах, что усложняет технологию изготовления камеры сгорания.
Цилиндрические камеры сгорания удобны и просты в изготовлении. В них легко осуществляется процесс смесеобразования. Недостатки камеры сгорания в том, что прочностные свойства ниже, чем у шарообразной камеры и больше поверхность для охлаждения.
Коническая камеры сгорания представляет собой входную часть сопла и поэтому проста в изготовлении. Основным недостатком камеры является низкая удельная тяга, так как вследствие разгона продуктов сгорания по длине камеры и падения давления незавершается процесс горения.
Подготовка горючего и окислителя к сгоранию осуществляется в процессе смесеобразования: компоненты топлива распыляются , перемешиваются и частично испаряются . Для лучшего смесеобразования необходимо обеспечить:
1. тонкость распыла компонентов и хорошее их перемешивание (характеризуется диаметром капелек – 25…250 мк);
2. однородность концентрации топлива по поперечному сечению камеры (уменьшаются потери из-за физической неполноты сгорания);
3. равномерные скорости движения по поперечному сечению камеры сгорания, т.к. при больших скоростях горение неполное, а при малых скоростях не полностью используется объём камеры.
Выполнить эти условия можно подбором соответствующе головки камеры, типом форсунок и расположением их на головке.
В ЖРД применяются головки плоские, сферические с предкамерами и шатровые .
Плоские головки (рис. 10)применяют для цилиндрических или конических камер сгорания. Они имеют простую конструкцию и в сочетании с цилиндрическими камерами обеспечивают однородность поля скоростей и концентрации топлива по поперечному сечению. Их недостаток – малая прочность и жесткость. На плоских головках форсунки размещают 3 способами: шахматное расположение; концентричное и сотовое. Сотовое расположение обеспечивает лучший процесс смесеобразования, так как на одну форсунку горючего приходится 6 форсунок окислителя. Возможно сочетание концентричного расположения форсунок с шахматным и сотовым.
Сферические головки с предкамерами применяются для грушевидных или сферических камер сгорания («Фау-2», 8К52), т.е. для двигателей больших тяг. Форсунки у них находятся в предкамерах: в центре ставится форсунка «О» с большим числом отверстий, расположенных под различными углами к оси предкамеры, а форсунки «Г» размещаются на боковой поверхности предкамеры.
Шатровые головки сложны в изготовлении, и в них трудно организовать хорошее смесеобразование.
От типа форсунок и их конструкции зависит качество распыла. По принципу действия форсунки разделяются на две группы:
1. струйные форсунки (разновидность - щелевые);
2. центробежные форсунки - тангенциальные и шнековые (с завихрителями).
Форсунки могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными.
Струйные форсунки рис.11 наиболее просты в изготовлении. Основные недостатки струйных форсунок в грубом распыле топлива, малом угле конуса распыла (≈10…15 о) и большой дальнобойности струи, увеличивающей зону распыла и удлиняющей камеру сгорания.
В центробежных форсунках создаётся искусственная закрутка компонента. В тангенциальной форсунке жидкость поступает через отверстие, ось которого перпендикулярна к оси форсунки, но не пересекается с ней. Центральная часть такой форсунки не заполнена жидкостью – в ней находится газовый вихрь, а жидкость расположена по переферии.
В шнековой форсунке закрутка осуществляется шнеком, имеющим на своей поверхности винтовые каналы.
Центробежные форсунки обеспечивают большой угол распыла (≈70…120 о) при небольшой длине факела распыла.
Двухкомпонентные форсунки позволяют улучшить смесеобразование, так как обеспечивают смешение компонентов в жидкой фазе, но они сложны в производстве, и применяются в том случае, когда недостаточно места для размещения.
5. Геометрические размеры и форма сопла.
Продукты сгорания, образовавшиеся в камере двигателя, поступают в сопло, где происходит превращение тепловой энергии в кинетическую энергию движения газов.
Состояние продуктов сгорания, как и всякого газа, характеризуется вполне определёнными физическими величинами (параметрами), главные из которых:
абсолютное давление Р , абсолютная температура Т , плотность ρ (удельный вес γ или удельный объём υ ), газовая постоянная R и скорость истечения W .
Для идеальных газов или их смесей установлена связь между основными параметрами в виде уравнения состояния: (1)
Процесс в камере двигателя происходит без подвода тепла к газу и отвода его от газа. Такой процесс называется адиабатическим. Для адиабатического процесса между параметрами существует связь, выражающаяся зависимостями:
Газ из камеры поступает в сопло. Из уравнения энергии установлено, что зависимость между скоростью газа и сечением канала выражается уравнением , (3)
где М=W/a (a – скорость звука).
Свойства газового потока зависят от скорости звука. При адиабатическом процессе скорость звука определяется по формуле . Сечение, где скорость газа равна скорости звука, называют критическим и все параметры потока называют также критическими . Равенство двух скоростей можно получить только при определённом соотношении давления в камере и на срезе сопла: . Это соотношение является исходным параметром при проектировании сопла и связано с соотношением S a /S кр, которое называют уширением сопла .
Сверхзвуковые скорости продуктов сгорания можно получить при помощи сопла Лаваля (сверхзвуковое сопло), представляющего собой канал, сечение которого сначала уменьшается, а затем увеличивается (см. формулу сопла – уравнение (3))
Как следует из формул (1,2,3)параметры газового потока по длине сопла изменяются следующим образом рис.14.
Главное достоинство дизельных двигателей - это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах заметно дешевле бензина.
К числу недостатков дизеля по сравнению с бензиновыми двигателя ми относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.
Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные .
Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателям и с непосредственным впрыском.
Дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.
Дизельные двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно - высокий уровень шума.
Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре - так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных дизельных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном. В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте дизельных двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки дизельного двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и прокруткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.
Пуск дизельного двигателя:
У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой.
Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателей с непосредственным впрыском.
Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания. Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.
В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а бензиновые двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализатор ами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.
Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами:
Первый из них - низкая эффективность каталитических нейтрализаторов . Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО.
Второй фактор - повышенный выброс на некоторых режимах , особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий - частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели - ограничение выброса углеводородов и твердых частиц.
Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей следующие:
Низкое качество топлива,
Нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива),
Повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы,
В двигателях с турбонаддувом - слишком низкое давление наддува.
Одна из главных характеристик дизельного топлива - это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению.
Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания.
Независимо от конструктивных схем основных камер сгорания, для всех их общими являются следующие конструктивные элементы:
– диффузор;
– жаровая труба;
– стабилизаторы горения (завихрители);
– смесители;
– пусковые воспламенители;
– дренажные клапаны;
– топливные коллекторы с топливными форсунками.
Для трубчатых и трубчато-кольцевых камер, кроме того, используются пламяперебрасывающие патрубки и газосборники.
Диффузор устанавливается на входе в камеру сгорания и служит для понижения скорости воздуха на входе в камеру сгорания со 120…180 м/с до 30…50 м/с для обеспечения устойчивого горения топлива. На диффузоры приходится основная доля гидравлических потерь, поэтому их профилированию уделяется особое внимание.
Возможны несколько конструкций диффузоров: бессрывный, с разделением потоков, с запланированным срывом.
Бессрывный диффузор представляет собой плавный канал с углом раскрытия 18-25 0 и обеспечивает выравнивание потока, безотрывное течение воздуха и небольшие гидравлические потери. Однако он имеет значительный осевой размер, что увеличивает расстояние между опорами ротора и длину всего двигателя.
С целью уменьшения осевых размеров диффузора он может заканчиваться внезапным увеличением площади проходного сечения – запланированным срывом (АЛ-21, ТВ3-117, Р-29). В месте резкого перехода сечений могут устанавливаться специальные гребешки – провокаторы срыва потока.
Возможна также конструкция бессрывного диффузора с большим углом раскрытия (до 35-40 0). Для обеспечения бессрывного течения, поток в таком диффузоре делится на два или три канала, имеющих небольшие углы раскрытия.
Жаровая труба ограничивает зону горения топливо-воздушной смеси. В современных камерах она выполняется вальцовкой и сваркой тонкостенных колец, что снижает температурные напряжения в ее конструкции. Снаружи жаровая труба охлаждается вторичным воздухом, изнутри обеспечивается пленочное заградительное охлаждение.
Жаровая труба для обеспечения свободы температурных деформаций крепится в корпусе камеры как двухопорная балка, при этом обеспечивается ее фиксация только в одном поясе крепления, а во втором поясе – свобода перемещения.
Стабилизаторы горения (завихрители) обеспечивают устойчивость горения топливо-воздушной смеси, создавая зону обратных токов и интенсифицируя процессы смесеобразования путем увеличения турбулентности потока. Находят применение лопаточные (Р-11), струйные (щелевые, терочные – Д-25В, Д-20П) и срывные (АИ-20, АИ-25) стабилизаторы, а также их комбинации.
Смесители осуществляют подвод вторичного воздуха внутрь жаровой трубы для снижения температуры газа перед турбиной до заданного значения. Чтобы холодный воздух не попал в зону обратных токов и не нарушил процесса сгорания топлива из-за местного охлаждения газов, вторичный воздух вводят постепенно через систему отверстий или смесительных патрубков различного сечения. Струи вторичного воздуха должны иметь большую глубину проникания в поток горячего газа, чтобы снизить температуру газа не только у стенок, но и в ядре потока.
Величина глубины проникновения струй вторичного воздуха в жаровую трубу камеры рассчитывается по зависимости
где – глубина проникновения струи;
– диаметр отверстия;
и – скорость вторичного воздуха в отверстии и скорость сносящего газового потока;
– текущая длина жаровой трубы.
Пусковые воспламенители обеспечивают начальное воспламенение топливо-воздушной смеси при запуске двигателя. Они могут быть выполнены в виде электрической свечи у низковысотных двигатетелей (Д-25В, ТВ3-117) или при малом объеме камеры сгорания (РД-33) или в сочетании с пусковой топливной форсункой (АЛ-7, Р-11). Свечи применяют низковольтные (с рабочим напряжением 1500-2500 В, полупроводниковые, поверхностного разряда). Охлаждение пускового воспламенителя при запуске двигателя – емкостное, за счет нагрева собственной массы. Для облегчения высотного запуска и запуска в зимнее время в воспламенителе может применяться кислородная подпитка от бортовых кислородных баллонов (Р-25).
Дренажные клапаны располагаются в нижней части камеры сгорания и соединяются трубопроводом с дренажной системой двигателя. Они необходимы для слива остатков топлива из камеры при расконсервации двигателя, неудавшемся или ложном запуске.
Пламяперебрасывающие патрубки осуществляют передачу пламени в трубчатых или трубчато-кольцевых камерах сгорания из одной жаровой трубы в другую и несколько выравнивают давление в головках жаровых труб.
Газосборник необходим для плавного перевода потока газа от круглого сечения жаровой трубы трубчатой или трубчато-кольцевой камеры сгорания к кольцевому сечению перед сопловым аппаратом турбины.
В настоящее время в энергетических ГТУ используются различные газообразные и жидкие топлива, основными горючими которых являются углеводороды.
Природные газы состоят главным образом из метана (); в попутных нефтяных газах могут содержаться значительные количества , , , .
Нефтяные жидкие топлива для ГТУ состоят из различных по строению сложных молекул. Обычно массовая доля водорода составляет в них 11 – 13,5, углерода 86 – 87,5%. Во многих случаях в топливах содержатся соединения серы, кислорода, азота, влага и негорючие составляющие: в газообразных , , и др., в жидких – образующие золу соединения металлов.
В энергетических ГТУ используются КС с расположением жаровых труб вокруг вала ГТУ и выносные камеры сгорания. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки.
В трубчато-кольцевых камерах сгорания и индивидуальных камерах сгорания, расположенных концентрически вокруг вала ГТУ, вследствие небольших диаметров жаровых труб струи воздуха, вытекающего из отверстий в их стенках, проникают в ядро факела при приемлемых перепадах давления, обеспечивая быстрое перемешивание с воздухом и полное сгорание топлива без образования сажи в переобогащенных топливом зонах. Высокая турбулентность факела при горении в струях снижает также излучение на стенки. Обеспечить требуемую прочность, жесткость и температурное состояние металла небольших камер сгорания конструктивно проще. На их характеристики легче влиять с помощью тех или иных конструктивных изменений. Все это позволяет интенсифицировать процессы горения, уменьшить массу и габариты КС и всей ГТУ. Имеющиеся при небольших размерах жаровых труб возможности строгого дозирования потоков воздуха позволяет организовать процесс горения с минимальным количеством вредных выбросов (окислов азота, сажи, угарного газа, несгоревших углеводородов) и управлять полем температур на выходе. Жаровые трубы легче обслуживать и заменять для ремонта.
Важным преимуществом трубчато-кольцевых и индивидуальных камер сгорания является возможность отработки и доводки отдельных жаровых труб на стендах при натурных параметрах (давлении) и умеренных, практически доступных расходах воздуха и топлива. Аналогичные исследования крупных выносных камер сгорания возможны только в составе ГТУ,
В выносных камерах сгорания горелки расположены дальше от турбины и отделены от неё трактами с поворотом газового потока. Неравномерность температурного поля на входе в турбину и опасность проскоков пламени и повреждения турбины при неисправности горелок при этом меньше. Потери давления также обычно уменьшаются, так как при больших объемах затраты на перемешивание могут быть уменьшены (скорости движения воздуха меньше).
Вследствие значительного времени пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения потери с недожогом и концентрации в продуктах сгорания угарного газа и несгоревших углеводородов могут быть невелики даже при сжигании тяжелых жидких топлив с повышенным содержанием углерода или низкокалорийных газов. При больших размерах факела его коэффициент теплового излучения близок к единице и мало изменяется в зависимости от характеристик жидких топлив. Это также облегчает сжигание их тяжелых сортов.
Рис.15.? Выносная КС ГТ-25-700-2.
1 – наружный корпус; 2 – жаровая труба; 3 – фронтовое устройство; 4 – горелки; 5 – сопла смесителя; 6 – подвод воздуха из КВД.
Выносные камеры создают возможность осмотра и ремонта изнутри их деталей и газового тракта, а также сопловых лопаток I ступени турбины.
Вместе с тем в больших выносных КС труднее организовать смешение и контролировать температуры факела, так чтобы выбросы были минимальными. Такие камеры транспортируются отдельно и присоединяются к турбогруппе при монтаже. Для вывода воздуха и ввода горячих газов в турбомашину необходимы крупногабаритные газоходы, ослабляющие корпус турбомашины. Прочность и газоплотность их внутреннего тракта обеспечить трудно. См.2.2. -2.4.
Несмотря на имеющийся опыт проектирования и отработку конструкций камер сгорания на моделях для обеспечения их работоспособности на промышленных ГТУ приходится выполнять доводку КС в составе ГТУ и вносить в конструкцию существенные изменения.
Из-за возникновения вихрей и зон пониженного давления в кольцевом канале между жаровой трубой и наружным корпусом в выносных КС наблюдались отложения кокса, перегрев и трещины на жаровой трубе, протечки газов через отверстия в ней и вынос кокса на внутреннюю стенку корпуса, а также увеличение неравномерности температур на выходе. Для упорядочения течения воздуха в кольцевом зазоре устанавливаются направляющие лопатки.
Обеспечение требуемого уровня температур и прочности деталей горячего тракта вызывает наибольшие трудности. Причинами трещин и поломок ненагруженных деталей жаровых труб КС часто бывают усталость под действием знакопеременных напряжений, особенно в тех случаях, когда КС работает неустойчиво, или термоусталость в результате теплосмен при пусках и остановах ГТУ. Трещины образуются в местах сварки и у отверстий и щелей в жаровых трубах для прохода воздуха, а также на газосборниках, соединяющих жаровые трубы с проточной частью турбины.
На ГТУ М7001 (Дженерал Электрик), например, из-за акустического резонанса в газосборниках возникали повышенные вибрационные напряжения, приводившие к образованию трещин, а затем щелей и отверстий. Уменьшение расхода воздуха через неисправную ЖТ и попадание отделившихся кусков металла в проточную часть турбины создавали опасность серьезных аварий. Для повышения прочности газосборников было введено гибкое соединение между ними и обоймой сопловых лопаток турбины; выполнены дополнительные отверстия для подвода охлаждающего воздуха и снижены температуры в зоне наибольших напряжений; скорректировано управление ВНА компрессора для изменения резонансных характеристик при частичных нагрузках; толщина стенок газосборников увеличена в 1,5 раза, а форма улучшена. Для уменьшения износа в местах механического контакта введена подвеска газосборников. Качество их изготовления улучшено путем совершенствования технологии и автоматизации сварки, проведения термообработки и рентгеноскопии швов.
На ГТУ М7001 были случаи смятия ЖТ из-за резкого повышения перепадов давления на них (до 130 – 150 кПа) при отключении топлива в момент внезапных остановов ГТУ. Прочность ЖТ была повышена установкой специальных жестких колец и устройством дополнительных решеток для прохода охлаждающего воздуха, облегчавших его доступ в зону горения, а процесс отключения ГТУ был растянут с 5- 10 до 15о мс, чтобы уменьшить перепад давления на ЖТ до 80 кПа. Радикальное снижение температуры и повышение прочности было достигнуто, однако, лишь после изменения конструкции, укорочения ЖТ и использования щелевого охлаждения
Рис.15.?. Модернизированная КС ГТУ М7001.
а) – конструктивная схема; б) – щелевое охлаждение: 1 – наружный корпус индивидуальной КС; 2- жаровая труба; 3- газосборник; 4 - фронтовое устройство; 5 – подвод топлива; 6 – свеча зажигания (одна из двух на 10 индивидуальных КС; 7 – экран; 8 – опора ЖТ; 9 – подвод воздуха из компрессора; 10 – вторичный воздух; 11 – приваренное точечной сваркой и опаянное кольцо; 12 – отверстия для ударного охлаждения; 13 – выходящая из щели непрерывная защитная пелена воздуха.
Перегрев деталей КС может вызывать несимметричность факела пламени. В ГТУ мощностью 35 – 85 МВт фирмы Броун Бовери (типы 9 и 13) с КС, установленной над ГТУ, выгорание металла наблюдалось в нижней части ЖТ при образовании очагов горения на выходящих из смесителя струях воздуха. причинами изменения положения факела в пространстве и соприкосновения его со стенками, вызывающего деформации и прогар ЖТ, могут быть также нарушение работы форсунок (газораздающих насадков), повреждение завихрителей и усталостные ли термоусталостные повреждения ЖТ или газосборников, нарушающие осевую симметрию потоков топлива и воздуха.
Ухудшение качества распыла жидкого топлива или наличие в газообразном топливе горючих конденсатов, в результате которых капли топлива попадают на стенки ЖТ и догорают на них, также могут вызвать перегрев и выгорание металла. Попадание в КС больших количеств газового конденсата приводит к очень тяжелым авариям. Вблизи фронтового устройства происходит переобогащение смеси и срыв факела, а горение стабилизируются на лопатках турбины, которые вследствие этого перегреваются и разрушаются.
Неравномерность температур на выходе из КС определяется конструкцией смесителя и может возрастать при затягивании горения и несимметричности подвода топлива или воздуха. На установке ГТ-100, например, коэффициент неравномерности температур газов и характер полей температуры на выходе из отдельных ЖТ, несимметричны из-за не вполне одинакового их положения относительно статорных элементов, не зависит от режима работы и вида топлива. Снижение неравномерности и благоприятное профилирование температуры по радиусу на входе в проточную часть были достигнуты путем несимметричного расположения и изменения числа и размеров сопл смесителя.
В некоторых выносных КС для выравнивания поля температур на выходе и определения в наладочный период оптимальных сечений сопл смесителя применялось их ручное регулирование с помощью заслонок. В эксплуатационной практике это нецелесообразно. При ограниченной информации о температуре газов изменение их неравномерности свидетельствует о возможном дефекте, который необходимо выявить и устранить, а не скрыть, устранив регулированием смесителя признак его появления.
Выравнивание температур происходит на некоторой длине после смесителя >1 – 2. Наличие поворотов между Кс и турбиной способствует некоторому уменьшению неравномерности температур, в угловых входных патрубках турбин их неравномерность уменьшается в 3 – 5 раз.
Серьезные неполадки могут быть вызваны неудовлетворительной работой форсунок жидкого топлива. На некоторых ГТУ наблюдался износ рабочих каналов форсунок из-за наличия в топливе и распыливающем воздухе твердых частиц. Чтобы избежать его, элементы форсунок выполняют из твердых материалов или упрочняют, топливо и распыливающий воздух фильтруют, а при конструировании трактов избегают повышенной турбулентности и прямого удара потока о стенки. Чтобы избежать неплотностив соединениях и протечек топлива с образованием кокса или даже очагов горения на форсунках, тщательность их изготовления и сборки контролируют на стендах перед установкой на ГТУ.
Перегрев, коксование и повреждения форсунок и горелок при работе предотвращают, охлаждая и защищая их постоянной продувкой воздухом, коксование форсунок после остановов и прекращения подачи топлива - быстро сливая его и продувая внутренние тракты форсунок воздухом для удаления остатков топлива. В ГТУ, предназначенных для работы на двух видах топлива, продувку форсунок жидкого топлива при работе на природном газе производят обычно тем же газом, который очищают от пыли, воды и солей, чтобы избежать забивания и коррозии форсунок.
Изменения, которые вносятся для улучшения процесса горения, охлаждения деталей, уменьшения неравномерности поля температур на выходе из КС и т.д., могут неблагоприятно влиять на другие характеристики камер. Так, например, на ГТУ типа V93 фирмы Крафтверкунион наблюдавшееся первоначально дымление было уменьшено путем повышения скоростей первичного воздуха и увеличения его количества подачей через дополнительные отверстия. Частичное закрытие регулируемых отверстий смесителя, которым сопровождались эти мероприятия, и повышение скоростей в них привели к нарушениям течения газа и вызвали поломки лопаток турбины. Надежная работа КС была обеспечена после переделки смесителя; закрытия регулируемых отверстий и устройства 12 конических сопл для ввода воздуха и 4 отверстий постоянного сечения.
Таблица параметров топлив
| Вид топлива | Топливо | Плотность, кг/и3 | Стехиометрическое количество воздуха, кг/кг | Низшая теплотворная способность, кДж/кг |
| Для реактивных двигателей | Т-1 ГОСТ 10227-02 | 14,78 | ||
| ТС-1 ГОСТ 10227-02 | ||||
| Т-2 ГОСТ 10227-02 | ||||
| Т-8 ТУ 38-1-257-69 | ||||
| РТ ГОСТ 16564-71 | ||||
| Т-6 ГОСТ 12308-80 | ||||
| Топливо дизельное | Л ГОСТ305-82 | |||
| З ГОСТ305-82 | ||||
| А ГОСТ305-82 | ||||
| Моторное топливо | ДТ ГОСТ 1667-68 | |||
| ДМ ГОСТ 1667-68 | ||||
| Для ГТУ | ТГВК ГОСТ 10433-75 | |||
| ТГ ГОСТ 10433-75 | ||||
| Дистиллят сернистый Ново-Уфимского НПЗ | ||||
| Дистиллят малосернистый Волгоградского НПЗ | ||||
| Природный газ | Ставропольское месторождение | 0,73 | 16,72 | |
| Саратовское | 0,765 | 16,8 | ||
| Водород | Жидкий водород | 34,2 |
