Конструктивные особенности камеры сгорания и сопла. Устройство и типы камер сгорания Конструкция основных схем камер сгорания

У дизелей требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.

Для удовлетворения этих требований необходимым является создание интенсивного направленного движения воздуха, но организовать этот процесс нужно так, чтобы с впрыскиваемым топливом смешалось необходимое для сгорания количество воздуха. Принципиально для этой цели существуют две возможности: направлять либо воздух к топливу, либо топливо к воздуху. У автомобильных дизелей используются оба способа.

В первом из них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр несколькими струями (факелами), которые обдуваются вращающимся потоком воздуха. Скорость потока должна обеспечивать прохождение воздухом пути от одной струи к другой за время сгорания .

Число струй, однако, ограничено, и поэтому необходимое количество топлива должно впрыскиваться с определенной скоростью, чтобы обеспечивалось, его хорошее распыливание. Если топливо хорошо распылено, то оно быстро прогревается после впрыска в горячий воздух, и время, проходящее до его воспламенения (так называемая задержка воспламенения), уменьшается. Малое время задержки воспламенения нужно для того, чтобы количество топлива, поданного в камеру сгорания за этот период, не было настолько большим, чтобы после воспламенения вызвать резкое нарастание давления и большую жесткость работы двигателя. Регулирование процесса, сгорания может быть обеспечено законом подачи топлива в уже воспламененную среду.

Если скорость, время и количество подаваемого топлива определены, то можно рассчитать диаметр силовых отверстий распылителя форсунки, задавшись их числом. Для устранения опасности закоксовывания и обеспечения технологичности изготовления распылителей форсунок минимальный диаметр отверстий ограничивается 0,25-0,3 мм. Поэтому их число в автомобильных дизелях не превышает 4-5. В соответствии с этим должна быть установлена интенсивность вращения воздуха. Вращательное движение воздуха в цилиндре можно создать с помощью впускного канала тангенциальной или винтовой формы. Так же, как и у бензиновых двигателей, дополнительную турбулизацию заряда в дизеле можно создать в конце хода сжатия вытеснением воздуха из пространства между днищем поршня и головкой цилиндра.

Образование смеси с помощью второго способа - подвода топлива к воздуху - затруднено, если нельзя использовать большое число форсунок. У дизелей с разделенными камерами сгорания (предкамерных и вихрекамерных) впрыск осуществляется так, что все топливо подается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается.

Таким образом, по способу смесеобразования различают дизели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и дизели с разделенной камерой сгорания. При непосредственном впрыске камера сгорания образована в поршне, который имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра. Это уменьшает потери теплоты горячих газов в стенки камеры сгорания. Камера сгорания должна быть компактной с тем, чтобы потери теплоты при сжатии воздуха также не были большими и, следовательно, для достижения необходимой для воспламенения топлива температуры не требовалась слишком высокая степень сжатия. Величина степени сжатия дизеля сверху ограничена нагрузкой на кривошипный механизм и потерями на трение, а снизу - условиями обеспечения так называемого холодного пуска. При непосредственном впрыске степень сжатия ε лежит в пределах от 15 до 18. При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива.

У дизеля с разделенной камерой сгорания воздух во время такта сжатия поступает во вспомогательную камеру через соединительный канал с большой скоростью и при этом значительно охлаждается. Поэтому для обеспечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется более высокая степень сжатия - от 20 до 24, но, несмотря на это, при холодном пуске двигателя воздух во вспомогательной камере должен предварительно подогреваться с помощью специальной свечи накаливания, выключаемой после пуска двигателя.

Площадь поверхности основной и вспомогательной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высоких значений. Это означает повышенную теплоотдачу в стенки, т. е. рост тепловых потерь. В связи с этим дизели с раздельной камерой сгорания имеют более высокие удельные расходы топлива, чем дизели с непосредственным впрыском.

Итак, дизели с непосредственным впрыском топлива более экономичны. Недостаток их состоит в значительном шуме при сгорании, однако у последних конструкций этот недостаток практически устранен. Главной причиной шума является высокая скорость нарастания давления в начальной фазе горения. Для устранения этого явления необходимо сократить период задержки воспламенения и управлять дальнейшим протеканием процесса сгорания посредством закона подачи топлива.

Хорошие результаты по снижению жесткости работы достигнуты в дизелях фирмы «МАН» с помощью сферической камеры сгорания, расположенной в поршне.

Форсунка в этих дизелях имеет только два отверстия, через одно из которых основная масса топлива впрыскивается на стенку камеры сгорания, а через другое - меньшая, запальная порция направляется в середину камеры, где воздух имеет наиболее высокую температуру. Воздуху в камере придано интенсивное вращение. Топливо, находящееся на стенке камеры, относительно холодное и поэтому воспламенения всей его массы сразу не происходит. Топливные пары поступают в поток воздуха со стенок камеры постепенно, смешиваются с ним, и образовавшаяся после этого топливовоздушная смесь воспламеняется. При этом обеспечивается мягкая и достаточно экономичная работа двигателя, в связи с чем возникло несколько близких по принципиальной схеме вариантов этого рабочего процесса.

В частности, в камере сгорания цилиндрической формы фирмы «Дойц» (ФРГ) одна струя впрыскивается параллельно оси камеры в пространство вблизи стенки. Полученные при этом способе результаты также можно оценить положительно. Следует отметить, что при таком смесеобразовании многое зависит от температуры стенок камеры сгорания.

При затягивании процесса сгорания теплота, выделяющаяся в течение хода расширения, используется не полностью (см. рис. 3 в статье «Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя »), из-за чего увеличивается удельный расход топлива, т. е. преимущества непосредственного впрыска топлива фактически теряются. В наиболее широко применяемых камерах сгорания тороидальной формы топливо впрыскивается по радиусу камеры на ее стенку несколькими симметричными струями, расположенными под большим углом к вертикальной оси. При сгорании вначале реагирует часть топлива, смешиваемая с воздухом прямо у стенки. Газы, образующиеся при горении, имеют высокую температуру и небольшую плотность. При сильном вращении заряда на стенки камеры за счет центробежной силы попадает холодный воздух из центральной части камеры, оттесняя к центру легкие продукты сгорания. Непосредственно вблизи стенок воздух смешивается с топливом. В лаборатории фирмы «Рикардо» (Англия) этот процесс был зарегистрирован на кинопленку.

В дизелях с разделенными камерами сгорания вспомогательную камеру довольно просто создавать и при небольших диаметрах цилиндра. Это весьма важно при конвертировании бензинового двигателя в дизель. Такая задача с успехом была решена под руководством П. Хофбауэра на двигателе автомобиля «Фольксваген Гольф» (рис. 1).

В алюминиевой головке цилиндра была образована небольшая вихревая камера сгорания с форсункой и свечой накаливания. Выемка в днище поршня и выходное отверстие канала, соединяющего вихревую камеру с цилиндром, выполнены обычным способом. Объем вихревой камеры составлял 48 % объема всей камеры сгорания. Рабочий объем двигателя был увеличен с 1100 см 3 до 1500 см 3 , степень сжатия ε = 23,5 . Мощность этого дизеля при 5000 мин -1 составила 37 кВт.

Удельный расход топлива при частоте вращения n = 2500 мин -1 дизельного и бензинового двигателей автомобиля «Фольксваген Гольф» показан на рис. 2.

При среднем эффективном давлении p e = 0,2 МПа удельный расход топлива у дизеля ниже на 25 %. С повышением нагрузки разница в топливной экономичности бензинового двигателя и дизеля уменьшается, а при работе в режиме полной нагрузки она равна нулю. Снижение удельного расхода топлива при частичной нагрузке является очень важным, так как для легковых автомобилей именно эти режимы являются наиболее типичными при движении в городских условиях.

Варианты конструкции дизеля «Фольксваген», отличающиеся размещением форсунки и свечи накаливания, показаны на рис. 1. Изменение местоположения свечи накаливания принесло уменьшение удельного расхода топлива и снижение дымности отработавших газов, что отражено на графиках, приведенных на рис. 3, а. Влияние нагрузки, т. е. среднего эффективного давления p e на те же показатели при работе двигателя в режиме постоянной частоты вращения, равной 3000 мин -1 , показано на рис. 3, б. Улучшение отчетливо видно на всех режимах работы двигателя. Вариант Б (см. рис. 1) отличается расположением свечи накаливания относительно направления вращения воздуха в вихревой камере. Эта конструкция, однако, достаточно сложна при ее реализации в производстве.

Энергетический кризис подтолкнул многих конструкторов автомобильных бензиновых двигателей к конвертированию их в дизельные с целью повышения индикаторного КПД . Конструктор и исследователь из ФРГ Л. Эльсбетт при конвертировании бензиновых двигателей достиг до 20 %. В его дизелях «ЭЛКО» используется непосредственный впрыск топлива односопловой форсункой в сферическую камеру сгорания, расположенную в днище поршня. Ось струи делит радиус камеры пополам в точке пересечения с ним. Организация рабочего процесса использует эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Вследствие этого происходит хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и так как сгорание происходит в основном в центре камеры, то тепловые потери в ее стенки относительно невелики.

Поршень состоит из двух частей, причем верхняя с размещенной в ней камерой сгорания и поршневыми кольцами стальная. Сталь обладает большой термической прочностью и худшей, чем алюминий, теплопроводностью, и поэтому поверхность камеры сгорания имеет более высокую температуру, что, в свою очередь, уменьшает теплопередачу от горячих газов в стенки камеры.

Такое решение, кроме того, предотвращает повышенный износ поршневых канавок, характерный для алюминиевых поршней дизелей.

Юбка поршня, служащая направляющей, изготовлена из алюминиевого сплава и соединяется с верхней частью через поршневой палец. Такая конструкция поршня обладает свойствами крейцкопфа, т. е. уменьшает действующие на стенку цилиндра боковые силы, возникающие при движении шатуна, и создает предпосылки для исключения, являющегося одним из источников шума при работе двигателя опрокидывающего момента, который действует на верхнюю часть поршня.

Для снижения удельного давления на поршневой палец верхняя головка шатуна и бобышки днища поршня имеют клиновидную форму в сечении по оси пальца. Благодаря этому площадь верхней части бобышки днища поршня больше нижней его части. Аналогично нижняя часть втулки шатуна имеет также большую площадь, чем верхняя. Края поршневого пальца воспринимают лишь незначительные силы от юбки поршня.

Водяные каналы в головке цилиндра дизеля «ЭЛКО» исключены. Теплота отводится только от наиболее важных мест, таких как межклапанные перемычки и отверстия для форсунок при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6-8 мм. С целью уменьшения отвода теплоты цилиндры охлаждаются таким образом, чтобы температура их верхней зоны не превышала температуру, необходимую для обеспечения смазывания.

При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большее количество теплоты отводится, однако с отработавшими газами, что, естественно, приводит к применению турбины для использования этой теплоты. Удельные расходы топлива дизелей «ЭЛКО» изображены на рис. 4, где представлены многопараметровые характеристики пятицилиндрового дизеля с рабочим объемом 2300 см 3 мощностью 80 кВт (рис. 4, а) и шестицилиндрового с рабочим объемом 13300 см 3 (рис. 4, б) . Оба дизеля имеют газотурбинный наддув без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.

Уменьшение теплоотдачи в систему охлаждения позволяет использовать радиатор меньшего объема и соответственно вентилятор меньшей мощности. Если учесть необходимость отапливания автомобиля в холодный период, для чего вполне достаточно теплоты, отводимой от двигателя, то радиатор для охлаждения двигателя в этот период может вообще не потребоваться.

При сравнении удельных расходов топлива нужно учитывать влияние целого ряда факторов. Так, чем больше диаметр цилиндра, тем более выгодные условия имеются для достижения малого удельного расхода топлива. Важным является также отношение диаметра цилиндра к величине хода поршня. Л. Эльсбетт называет свой дизель «теплоизолированным», что является определенным шагом вперед в направлении создания адиабатного двигателя , о котором будет сказано в следующих главах книги. Некоторые особенности конструкции дизеля «ЭЛКО» показаны на рис. 5.

Дизели непосредственного впрыска по сравнению с дизелями с разделенными камерами сгорания имеют лучшие условия для уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения. Выше уже говорилось о менее интенсивном охлаждении поверхности камеры сгорания и снижении скорости движения горячих газов около стенок. Однако и при непосредственном впрыске могут создаваться различные условия для отвода теплоты. В качестве примера на рис. 6 показан процесс совершенствования камеры сгорания дизеля «Татра 111А» (ЧССР).

В первом варианте этого дизеля воздушного охлаждения была использована камера сгорания полусферической формы. Таким путем при помощи больших клапанов стремились получить хорошее наполнение цилиндра и благодаря большому углу развала клапанов обеспечить возможности создания ребер охлаждения в зоне седла выпускного клапана. Для получения требуемой величины объема камеры сгорания днище поршня имело куполообразную форму, камера сгорания теряла компактность, и ее развитые поверхности охлаждения приводили к большим потерям теплоты и пониженным температурам в конце сжатия.

Уменьшив угол развала клапанов и применив почти параллельное их расположение, достигли почти плоского днища головки цилиндра и уменьшения поверхности охлаждения. Камера сгорания была размещена в днище поршня и стала более компактной. Температура стенок камеры сгорания в поршне выросла, и уменьшился отвод теплоты через них. Узкая горловина камеры сгорания обеспечила интенсивное завихривание воздуха при сжатии, что способствовало улучшению смесеобразования и регулирования процесса сгорания. Тем самым были снижены тепловые потери при сгорании, улучшены условия холодного пуска, уменьшен шум. Удельный расход топлива при этом снизился на 15 %. Сравнение начального и модернизированного вариантов камеры сгорания, показанных на рис. 6, является примером того, как с помощью конструкции камеры сгорания можно снизить расход топлива.

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В современных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кислород воздуха. Воздух повышенного Давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (рабочее тело) направляется в газовую турбину.

Рис.1. Камера сгорания ГТУ:
1 - подвод топлива, 2 - регистр, 3 - пламенная труба,
4 - смеситель, 5 - зона смешения, 6 - зона горения,
7 - корпус, 8 - топливораздающее устройство (форсунка)

Простейшая камера сгорания газотурбинной установки (рис.1) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 подает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания газотурбинных установок зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгорания ГТУ на несколько типов.

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок

Так, камеры сгорания бывают выносные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а встроенные находятся непосредственно в корпусе.

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом.

Рис.2. Газотурбинные установки с выносной (а) и встроенными (б) камерами сгорания:
1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - камера сгорания, 4 - регенератор

Расположения выносной камеры сгорания в ГТУ с регенерацией теплоты и встроенной камеры показаны на рис.2,а,б

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными (рис.3,а-в), а также - индивидуальными (см. рис.1). Кольцевые камеры сгорания (рис.3,а) наиболее легки компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора 2.

Рис.3. Встроенные камеры сгорания:
а - кольцевая, б - трубчато-кольцевая, в - секционная;
1, 5 - внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 - ротор,
3,4 - внутренняя и наружная обечайки плененной трубы,
6 - регистры, 7 - патрубки переброски пламени,
в - пламенная труба, 9 - корпус

Рабочий объем кольцевой камеры сгорания представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренней 3 и наружной 4 обечайками пламенной трубы. Кольцевые камеры сгорания, работающие на жидком топливе, применяются преимущественно в авиации, так как при больших размерах они становятся ненадежными. В стационарных ГТУ используются кольцевые микрофакельные камеры сгорания, работающие на газе.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис.3,б) имеют несколько пламенных труб 8, расположенных в общем корпусе вокруг оси турбокомпрессора (обычно их 6-12) и соединенных патрубками 7 для переброски пламени. Это необходимо при пуске, а также случайном погасании факела в одной из пламенных труб. Вторичный воздух омывает пламенные трубы снаружи. Продукты сгорания попадают в общий кольцевой патрубок, а из него - в газовую турбину.

Секционные камеры сгорания газотурбинных установок (рис.3,в) состоят из нескольких одинаковых камер сгорания, расположенных вокруг оси турбокомпрессора в собственных корпусах 9, соединенных патрубками 7. Продукты сгорания попадают в турбину из общего кольцевого коллектора. Секционные камеры сгорания самые большие по габаритам, однако наиболее удобные при ремонте, так как разборки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспортных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие признаки трубчато-кольцевых, секционных и индивидуальных.

Кроме того, камеры сгорания можно разделить по роду сжигаемого топлива - жидкого, газообразного, твердого.

Камеры сгорания, в которых сжигают жидкое и газообразное топливо, отличаются размерами горелочных устройств, а для сжигания твердого топлива имеют дополнительные устройства для удаления золы. Пока камеры сгорания для сжигания твердого топлива находятся в опытной эксплуатации.

По направлению потоков камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразделяются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные (рис.4).

Рис.4. Многогорелочная камера сгорания:
1 - корпус пламенной трубы, 2 - регистры,
3 - каналы для прохода воздуха

Одним из основных элементов любой камеры сгорания является пламенная труба. На рис.5 показана пламенная труба, состоящая из отдельных обечаек, вставленных друг в друга. Между обечайками остается зазор, так как они отделены друг от друга волнистой лентой, приваренной к наружной обечайке контактной сваркой.

Рис.5. Пламенная труба из обечаек:
1 - обечайки, 2 - регистр, 3 - смеситель, 4 - волнистая лента

Рис.6. Двухстенная пламенная труба (а) и схемы ее охлаждения (б,в,г):
1 - регистр, 2,3 - наружная и внутренняя стенки, 4 - смеситель,
5 - ребра, 6 - отверстия для прохода воздуха, 7 - штифты,
8 - гофрированная внутренняя стенка

На рис.6,а показана двухстенная пламенная труба, а на рис.6,б-г различные схемы ее охлаждения. Внутренняя стенка 3 (рис.6,б,в) может иметь ребра 5, на которых держится наружная стенка 2, или не иметь их. Внутренняя стенка может быть также гофрированной {рис.6,г) и крепится к наружной специальными штифтами 7.

Особое внимание обращают на организацию охлаждения пламенной трубы, так как температура среды внутри нее достигает 1500-1800°С. В пламенной трубе, показанной на рис.5, небольшое количество вторичного воздуха проходит в кольцевые щели между обечайками и образует на ее внутренней поверхности защитную пленку, отделяющую стёнку трубы от пламени.

Такой слой создается при любой схеме охлаждения. В стенках двухстенной пламенной трубы (рис.6,а-г) выполняются отверстия 6, через которые проходит охлаждающий воздух, создающий защитную пленку. Кроме того, применяют одновременное охлаждение через кольцевые щели и отверстия.

Теплота передается к стенкам пламенной трубы в основном от светящегося факела пламени лучеиспусканием. Несмотря на охлаждение, стенки пламенных труб имеют высокую температуру и поэтому изготавливаются из жаростойкой стали. Форсунки предназначены для подачи жидкого топлива в камеру сгорания. Эффективность сжигания жидкого топлива в первую очередь зависит от качества распыливания. При плохом распыливании появляется механический недожог, вызывающий снижение экономичности, закоксовывание камер сгорания и опасность разрушения проточной части турбины отрывающимися коксовыми наростами.

Жидкое топливо не горит, горят его пары. Скорость испарения капель пропорциональна их поверхности. Чем лучше распылено топливо, тем больше площадь его соприкосновения с воздухом и тем быстрее оно испаряется и сгорает.

Форсунки должны обеспечивать высокое качество распыливания при всех возможных режимах работы (расход топлива может изменяться от 10 до 100%), иметь простую конструкцию и быть взаимозаменяемыми.

Для распыливания жидкого топлива в ГТУ применяют форсунки двух типов: механические и пневматические. Преимуществом механических форсунок является компактность, малая затрата энергии на распыление и удачное взаимодействие топливного факела с воздухонаправляющим устройством завихривающего типа. В пневматических форсунках топливо дробится с помощью сжатого воздуха или пара, для чего на ГТУ должен иметься их источник. Давление воздуха или пара должно быть намного больше давления в камере сгорания, что является основным недостатком пневматических форсунок.

Рассмотрим принцип действия форсунок различных типов.

Простейшая механическая форсунка (рис.7) имеет распылитель, который выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 и вставки 3.

Рис.7. Механическая форсунка ГТУ:
1 - корпус, 2 - канал для подвода топлива, 3 - вставка,
4 - вихревая камера, 5 - тангенциальный канал, 6 - сопло

Жидкое топливо из камеры, расположенной между корпусом и вставкой, попадает в камеру завихрения 4 через тангенциальные каналы 5, закручивается и в виде кольцевой струи вытекает из сопла 6. Сплошная кольцевая струя I (рис.8), вытекающая из форсунки, неустойчива и при высоких скоростях истечения распадается под действием гидродинамических сил сначала на крупные куски пленки II, а затем на мелкие капли III.

Рис.8. Схема образования капель топлива при вытекании из сопла

Изменять расходы топлива в простейшей форсунке можно, изменяя давление перед ней. Однако от перепада давлений зависит тонкость распыливания. Уменьшение расхода топлива на 60% приводит к увеличению диаметра капли в 1,85 раза. Такое распыливание неудовлетворительно.

Простейшим способом его улучшения является замена односоплового распылителя групповым, состоящим из 3-6 форсунок. При этом изменяют расход в основном отключением отдельных форсунок и регулируют давление в каждой из них в узких пределах.

Рис.9. Механическая форсунка с изменяемым сечением тангенциальных каналов:
1 - корпус, 2 - вставка, 3 - поршень, 4 - тангенциальные каналы, 5 - сопло

Усложнив конструкцию форсунки, можно изменять расход топлива, изменяя сечения тангенциальных каналов (рис.9). Во вставке 2 выполнено несколько отверстий 4 разной длины. При перемещении поршня 3 изменяется площадь их проходного сечения и, следовательно, расход топлива через форсунку.

Рис.10. Механическая форсунка с обратным сливом:
1 - корпус, 2 - вставка, 3 - клапан, 4 - камера отвода топлива,
5 - завихритель, 6 - сопло

Применяется также регулирование расхода топлива с помощью обратного слива (рис.10). В таких форсунках не все топливо, поступающее в них, попадает в камеру сгорания. Часть его из камеры 4 возвращается обратно на всас топливного насоса (на рециркуляцию).

Перемещая клапан 3, можно регулировать количество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют больших циркуляционных расходов топлива.

Рис.11. Пневматическая форсунка:
1 - корпус, 2 - ленточная резьба, 3 - вставка,
4 - отверстия для подвода топлива, 5 - зазор

В корпусе 1 пневматической форсунки (рис.11) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы ленточной резьбы 2, а внутри - отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под большим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каждый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.

Рис.12. Плотность орошения механическими (а) и пневматическими (б) форсунками

Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с конусом распыливания (рис.12,а), а пневматические - в центр факела (рис.12,б), причем по периферии его располагаются более мелкие фракции, что является преимуществом этих форсунок.

Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок.

Горелки всех типов, имеют, внутреннюю и наружную части корпуса, в кольцевое пространство между которыми подается воздух. Газ поступает через полость. Выходит воздух из горелок между лопатками.

Обычно в горелки встраивают форсунки, которые позволяют использовать также жидкое топливо.

Камера сгорания

Ка́мера сгора́ния

замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, жидкого или твёрдого топлива в двигателях внутреннего сгорания . Камеры сгорания бывают периодического действия (напр., в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях) и непрерывного действия (напр., в газотурбинных, турбореактивных двигателях, жидкостных ракетных двигателях и др.). В поршневых двигателях камера сгорания обычно образована внутренней поверхностью головки цилиндра и днищем поршня. Камеры сгорания газотурбинных двигателей чаще всего встраиваются непосредственно в . Продукты сгорания из камеры направляются в газовую турбину. В турбореактивных и жидкостных ракетных двигателях продукты сгорания, разгоняясь в сопле, установленном за камерой сгорания, создают реактивную тягу. Камера сгорания непрерывного действия – один из важнейших узлов авиационных и космических двигателей, энергетических и транспортных газотурбинных установок, которые широко применяются в энергетике, химической промышленности, на железнодорожном транспорте, морских и речных судах, в авиации и космонавтике.

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

Камера сгорания

газотурбинного двигателя - устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа). Основная К. с. турбовинтового двигателя или турбореактивного двигателя располагается перед турбиной и состоит из корпуса 6, образующего полость для жаровой трубы (труб) 5, внутри которой сжигается , подаваемое форсунками 2. Передняя (входная) часть жаровой трубы - так называемое фронтовое устройство 3, обеспечивающее частичное перемешивание топлива с воздухом и горячим газом, стабилизацию пламени, сжигание части топлива. Через отверстия в стенках жаровой трубы в нее вводится для сжигания остальной части топлива, охлаждения продуктов сгорания и формирования совместно с газосборником 7 необходимого температурного поля газов, поступающих в турбину. Температура продуктов сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха. 1 тормозит поток воздуха до скорости, позволяющей осуществить эффективное горение топлива при приемлемых гидравлических потерях в К. с. Воспламенитель (или электрическая свеча) 4 служит для начального зажигания топлива. Для охлаждения жаровой трубы применяют воздушную пелену у её внутренней стенки, образуемую воздухом, проходящим через мелкие отверстия в стенке. Основные К. с. бывают трёх видов: трубчатая (одна жаровая труба расположена в корпусе трубчатого типа), кольцевая (одна общая жаровая труба кольцевой формы расположена в кольцевом пространстве, образованном наружным и внутренним корпусами), трубчато-кольцевая (жаровые трубы расположены в общем кольцевом пространстве, образованном наружным и внутренним корпусами). До 60-70-х гг. применялись главным образом трубчатые и трубчато-кольцевые К. с., затем стали использоваться более компактные кольцевые К. с.
К. с. второго контура турбореактивного двухконтурного двигателя и К. с. прямоточного воздушно-реактивного двигателя по принципу действия и устройству аналогичны форсажной камере сгорания. Работу К. с. характеризует .

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

Смотреть что такое "камера сгорания" в других словарях:

Замкнутое пространство, предназначенное для сжигания топлива (газообразного, жидкого, твердого). Бывают периодического (напр., в поршневых двигателях внутреннего сгорания) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях) … Большой Энциклопедический словарь

- – здесь сгорает горючка и толкает поршень. EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь

камера сгорания - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN burnerbnrfirebox … Справочник технического переводчика

камера сгорания - 3.1.26.1 камера сгорания (combustion chamber): Камера, внутри которой происходит сгорание газовоздушной смеси. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

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… … Википедия

камера сгорания Энциклопедия «Авиация»

камера сгорания - Основная камера сгорания. камера сгорания газотурбинного двигателя устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа). Основная К. с. турбовинтового двигателя или турбореактивного… … Энциклопедия «Авиация»

Замкнутое пространство, предназначенное для сжигания топлива (газообразного, жидкого, твёрдого). Бывают периодические (например, в поршневых двигателях внутреннего сгорания) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях). * * * … Энциклопедический словарь

камера сгорания - degimo kamera statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kamera dujoms ar degalams deginti. Degimas vyksta periodiškai (stūmokliniuose vidaus degimo varikliuose) arba nuolatos (dujų turbinose). atitikmenys: angl. combustion chamber vok. Brennraum, f … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Объём, предназначенный для сжигания газообразного, жидкого или твёрдого топлива. К. с. бывают периодического действия для поршневых 2 и 4 тактных двигателей внутреннего сгорания (См. Двигатель внутреннего сгорания) (ДВС), и непрерывного… … Большая советская энциклопедия

Камера сгорания двигателя периодического действия

Камера сгорания двигателя - объём, образованный совокупностью деталей двигателя в котором происходит сжигание горючей смеси . Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма; как правило используются жаропрочные материалы . В зависимости от температуры , развиваемой в камере сгорания непрерывного действия, в качестве конструкционных материалов для их изготовления применяют:

до 500 °С - хромоникелевые стали ;
до 900 °С - хромоникелевые стали с добавкой титана ;
выше 950 °С - специальные материалы.

Камера сгорания - это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания .
Камера сгорания газотурбинного двигателя - устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа).

Класификация

По принципу действия

Непрерывного действия (для газотурбинных двигателей (ГТД), турбореактивных двигателей (ТРД), воздушно-реактивных двигателей (ВРД), жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)).
Периодического действия (для поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС));

Камеры сгорания непрерывного действия в свою очередь класифицируют:
По назначению

Основные;
Резервные;
Промежуточного подогрева;

По направлению потока воздуха и продуктов сгорания

прямоточные;
противоточные камеры сгорания (последние применяют редко из-за большого гидравлического сопротивления).

По компоновке

Встроенные;
Выносные;

По конструктивных особенностях корпуса и жаровой трубы

Кольцевые;
Трубчато-кольцевые;
Трубчатые;

Камеры сгорания периодического действия в свою очередь класифицируют:
По используемому топливу

Бензиновые;

По конструкции бензиновые камеры сгорания разделяют:

- Боковая
- Центральная
- Полуклиновая
- Клиновая
Дизельные.

По конструкции дизельные камеры сгорания разделяют:

- Неразделенные (имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива)
- Разделенные (разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру)

По способу смесеобразования

- Обьемное (для неразделенных камер сгорания);
- Пленочное;
- Комбинированные.

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.

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.

Камера сгорания периодического действия

Камера сгорания работающей на бензине

Бензиновый двигатель с клиновой камерой сгорания

Полусферическая камера сгорания

Конструкции камер сгорания автомобильных двигателей различны. У двигателей с верхним расположением клапанов применяют центральные камеры, а также камеры полуклинового и клинового типов. При нижнем расположении клапанов основной объем камеры сгорания смещен в сторону от оси цилиндра (Г-образная форма); такая конструкция камеры способствует усилению завихрения горючей смеси и улучшает смесеобразование. На современных двигателях широко применяют камеры сгорания полуклинового и клинового типов.

Клиновая камера сгорания - полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери . Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2 – 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.

Широко применявшаяся ранее полуклиновая камера сгорания претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД .

Камера сгорания дизельного топлива

а - Полусферическая неразделенная камера сгорания для объемного смесеобразования
б – тороидальная неразделенная камера сгорания для объемного смесеобразования
г - Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования
д - неразделенные камеры сгорания для комбинированного смесеобразования

У дизельных двигателях требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.

Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа.

Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры.

Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.

Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с.

Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий

Камеры сгорания с обьемным смесеобразованием . В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии , сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.

Требования ко всем камерам сгорания двигателя

Основные требованиями для всех камер сгорания непрерывного действия являются:

устойчивость процесса горения
высокая теплонапряжённость
максимальная полнота сгорания
минимальные тепловые потери
надёжная работа в течение установленного ресурса работы двигателя.

См.также

Литература

Ионин А.А. основная и форсажная камеры сгорания турбореактивного двигателя / Ненишев А.С., Лебедев В.М.. - Омск: ОмГТУ, 2005. - 92 с.

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.