Камера сгорания двигателя – Репозиторий Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва: Недопустимый идентификатор

Камера сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 июля 2013; проверки требуют 14 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 июля 2013; проверки требуют 14 правок. Анимированная 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 твёрдого топлива. Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма или печи в целом; как правило используются жаропрочные материалы.

Камера сгорания — устройство, предназначенное для организации процесса горения ТВС.

Типичная схема[править | править код]

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

Стехиометрическая камера[править | править код]

Форсажная камера[править | править код]

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.

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 δ=p1∗−p2∗p1∗⋅100%{\displaystyle \delta ={\frac {p_{1}^{*}-p_{2}^{*}}{p_{1}^{*}}}\cdot 100\%}, так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6 % (прямоточные), 8 % (двухконтурные двигатели).
  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≤α=GairL0Gfuel≤50{\displaystyle 2\leq \alpha ={\frac {G_{air}}{L_{0}G_{fuel}}}\leq 50}, 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 полётный 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, CnHm, NOx.
  9. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
  10. Определённый срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).
Камеры сгорания в поршне дизельного двигателя (варианты)

В течение короткого цикла двигателя должно происходить не только сгорание, но и предварительное приготовление горючей смеси (за исключением устаревших карбюраторных моторов). Поэтому форма камеры сгорания, размещение форсунки и клапанов/окон должно обеспечивать как приготовление смеси, так и её сгорание с минимальными теплопотерями в стенки. Кроме того, важно соблюдение экологических норм.

В искровых моторах камера сгорания может быть шатрового, полусферического, линзовидного, клинового, и более редких типов. Движение фронта пламени должно обеспечивать примерно одинаковую скорость сгорания, чтобы работа двигателя не была "жёсткой". Из соображений детонационной стойкости путь пламени должен быть кратчайшим, а последняя порция смеси не должна располагаться в зоне выпускных клапанов. В системах с расслоением заряда повышение детонационной стойкости достигают обеднением последней сгорающей порции смеси.Камера должна быть компактной, чтобы уменьшить теплоотдачу в стенки. Подача топлива - через карбюратор, в коллектор, прямой впрыск в цилиндр.

В моторах с воспламенением от сжатия форма камер более разнообразна, определяется выбранным методом смесеобразования (испарения топлива). Это может быть вихрекамера или предкамера в головке блока, либо камера в поршне. Смесеобразование - плёночное, объёмно-плёночное, объёмное. Метод впрыска - только прямой. В последнее время эффективная система Common rail значительно улучшило показатели двигателей с объёмным смесеобразованием, так что разнообразие камер сократилось.

Ракетный двигатель, Двигатель внутреннего сгорания

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.

Виды камер сгорания

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;

Общие знания о двигателях внутреннего сгорания
Улучшение технических характеристик двигателя
Тюнинг автомобилей

  на главную        0-100 км/ч    0-100  

Классификация камер сгорания дизельного двигателя

Камера сгорания двигателя  — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.

Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:

  • неразделенные
  • разделенные

Неразделенные камеры сгорания

Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.

Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже — в головке.

На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.

Камеры сгорания дизелей неразделенного типа

Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — овальная в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном

В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.

Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.

Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.

Разделенные камеры сгорания

Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.

Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.

Камеры сгорания дизелей разделенного типа

Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке

Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.

Камеры сгорания бензиновых двигателей

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
19883 1

Если камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня, то возникает слишком большая поверхность охлаждения. Поэтому стремятся создать компактную камеру сгорания в зоне свечи зажигания, а над днищем поршня – образовать зазор между ним и поверхностью головки цилиндра (уже упоминавшуюся ранее зону вытеснителя). Этот зазор выполняет две функции – обеспечивает компактность и малую поверхность камеры сгорания, а к концу хода сжатия способствует созданию интенсивного движения (турбулизации) заряда в ней.

Г. Р. Рикардо определил важность турбулизации заряда уже на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания [2]. Камера сгорания «Рикардо», примененная в двигателях с боковыми клапанами, значительно улучшила их параметры. Компактная, расположенная над клапанами, она имела небольшую поверхность отвода теплоты к охлаждающей жидкости, а турбулентность, создаваемая вытеснителем, ускоряла сгорание. Завихривание горячего газа около стенок камеры сгорания, хотя и увеличивает отдачу теплоты в них, но при этом позволяет повысить степень сжатия, что с избытком компенсирует некоторый рост тепловых потерь в стенки.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания выполняются с клапанами, расположенными в головке цилиндров, и распределительными валами, размещенными в блоке цилиндров (схема OHV) или в его головке (схема OHC). Камера сгорания при этом образована над днищем поршня. Для упрощения механизма газораспределения клапаны чаще всего располагают на продольной оси двигателя и камера сгорания под ними обычно выполнена ваннообразной. Для облегчения доступа к свече зажигания иногда она расположена сбоку камеры сгорания, а на противоположной свече стороне между поршнем головкой блока цилиндров образован вытеснитель. Заряд, вытесняемый из него в конце сжатия, направлен к свече зажигания и обогащает смесь вблизи нее. Такие ваннообразные (плоскоовальные) камеры сгорания с небольшими изменениями применяют практически у всех современных двигателей.

Так называемая клиновая камера сгорания, полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов, показана на рис. 1. 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.

Рис. 1 Бензиновый двигатель с клиновой камерой сгорания

Широко применявшаяся ранее полусферическая камера сгорания также 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. На рис. 2 приведен пример классического исполнения полусферической камеры сгорания.

Рис. 2 Полусферическая камера сгорания

У современных гоночных автомобилей эта камера сгорания значительно изменена. Для уменьшения сил инерции в клапанном механизме применяют четыре клапана в одном цилиндре, что приводит к образованию камеры сгорания так называемой шатровой формы. В ней можно разместить одну свечу зажигания непосредственно на оси цилиндра. Для получения в таких камерах высоких степеней сжатия днище поршня имеет выпуклую форму, и в нем делаются выемки для клапанов. В связи с этим поршень становится достаточно массивным, что при четырехклапанном варианте вызвало переход к шатровой камере сгорания с малым углом – около 20° между рядами клапанов. Использование такой камеры сгорания обеспечивает большое проходное сечение седел клапанов, малую массу деталей механизма газораспределения, пригодного для высоких частот вращения – до 12000 мин-1, малую поверхность камеры сгорания без больших выемок под клапаны и малую массу поршня. Если при такой конструкции клапан не закроется, то поршень ударит по нему, но не изогнет и, следовательно, не вызовет серьезного повреждения дорогостоящей головки цилиндра.

Для двигателей гоночных автомобилей важным является быстрый процесс сгорания, также обеспечиваемый сильной турбулизацией заряда. При этом ось вращения заряда должна быть параллельна оси коленчатого вала, а ось впускной трубы – максимально возможно приближена к оси впускного клапана. На рис. 3 изображена подобная камера сгорания.

Рис. 3 Бензиновый двигатель «Феррари» с камерой сгорания шатровой формы и малым углом между клапанами

Если применяется полусферическая камера сгорания в двухклапанном исполнении, то оси клапанов не должны пересекаться с осью цилиндра. Чаще всего клапаны слегка отклонены от оси цилиндра, расположены в сферической части камеры и их углубление в поршень в этом случае невелико. Под выпускным клапаном в днище поршня делается небольшая выемка и зазор между поршнем и головкой обеспечивает завихривание заряда, необходимое для мягкой работы двигателя. Классическая же полусферическая камера сгорания характеризуется жесткой работой двигателя.

Для сжигания сильно обедненных смесей было разработано несколько новых видов камер сгорания. Большей частью они характеризуются стремлением достичь в объеме камеры послойного распределения заряда с образованием вблизи свечи зажигания богатой смеси. Часто эти камеры имеют форму тел вращения и располагаются в днище поршня. Пример подобной камеры приведен на рис. 4. Тангенциальное расположение впускного канала относительно цилиндра обеспечивает вращение заряда вокруг оси цилиндра, усиливающегося еще больше в ВМТ после вытеснения заряда с периферии цилиндра в камеру, диаметр которой меньше диаметра цилиндра. Свеча зажигания располагается в зоне камеры, где смесь обогащена. Головка цилиндра выполнена плоской, и выход потока из клапанной щели не тормозится ни стенкой цилиндра, ни стенкой камеры сгорания. Сразу же после открывания клапана его сечение открыто для прохода газового потока, за исключением зоны вблизи стенки цилиндра, однако это не имеет принципиального значения, так как поворот впускного канала не направлен в эту сторону.

Рис. 4 Бензиновый двигатель с цилиндрической камерой сгорания в днище поршня

Поршень с расположенной в днище камерой сгорания имеет большую массу и его температура выше, чем температура стенки камеры сгорания, размещенной в головке цилиндра. Последнее вызывает ухудшение теплоотдачи от газа к головке цилиндра и уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения.

Размер клапана в головке цилиндра обусловлен диаметром цилиндра. Тарелка клапана не должна выступать за окружность цилиндра, так как при этом растет площадь охлаждения и ухудшается очистка цилиндра. Большие размеры клапана, кроме того, непрактичны, так как значительная часть его периметра заслоняется стенкой камеры сгорания.

Увеличения диаметра впускного клапана можно достичь за счет уменьшения диаметра выпускного клапана, который может быть на 15 % меньше, чем впускной. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре достаточно высокое, и хорошая очистка цилиндра может быть обеспечена и при уменьшенном сечении клапана. Кроме того, у выпускного клапана меньшего размера также меньше и деформация седла, и он быстрее охлаждается.

Клапаны наибольших размеров можно получить в полусферической камере сгорания, у которой диаметр впускного клапана может достичь 0,64, а выпускного – 0,54 диаметра цилиндра. При меньшем развале осей клапанов, а также при наличии седел клапанов у алюминиевых головок диаметры клапанов на 10 % меньше приведенных выше величин.

Последнее обновление 18.02.2012
Опубликовано 19.05.2011

Читайте также

  • Подушка безопасности для пешехода

    Очередной инновацией стала подушка безопасности для пешехода. Подушка расположена между капотом и лобовым стеклом и, надуваясь при ударе, ловит на себя сбитого пешехода.

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 118 - 125 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
  2. ↺ Если Вы серьёзно интересуетесь двигателестроением, то рекомендуем прочесть книгу Рикардо Г.Р. «Быстроходные двигатели внутреннего сгорания».

Комментарии

Камера сгорания - это... Что такое 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

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 , 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: , 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, CnHm, NOx.
  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.

камера сгорания - это... Что такое камера сгорания?


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 двигатель. 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 топливо авиационное, 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 воздух 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. Диффузор 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 коэффициент полноты сгорания топлива.

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

.

  • камера-обскура
  • канал

Смотреть что такое "камера сгорания" в других словарях:

  • КАМЕРА СГОРАНИЯ — 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

  • камера сгорания — – 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

  • 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… …   Википедия

  • 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»

  • 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»

  • камера сгорания — 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

  • Камера сгорания —         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

4. Типы основных камер сгорания гтд и организация процесса горения в них

Рис. 9.3. Типы основных камер сгорания

Основные камеры сгорания авиационных ГТД могут иметь раз­нообразные формы проточной части и различное конструктивное выполнение. Применяются практически камеры сгора­ния трех основных типов (рис. 9.3): а трубчатые (индивиду­альные), б  трубчато-кольцевые и в кольцевые.

Трубчатая (вверху на рис. 9.3) ка­мера сгорания состоит из жаровой трубы 1, внутри которой органи­зуется процесс горения, и корпуса (кожуха) 2. На двигателях обыч­но устанавливалось несколько таких камер. В современных авиационных ГТД трубчатые камеры сгорания практически не используются.

В трубчато-кольцевой камере все жаровые трубы заключены в общий корпус, имеющий внутреннюю и наружную поверхности, охватывающие вал двигателя.

В кольце­вой камере сгорания (внизу на рис. 9.3) жаровая труба имеет в сечении форму коль­ца, также охватывающего вал двигателя.

Расположение и тип форсунок, используемых для подачи топли­ва в камеры сгорания, также могут быть различными. Однако, не­смотря на большое разнообразие схем и конструктивных форм ос­новных камер сгорания, процесс горения в них организуется практически одинаково.

Одной из важнейших особенностей организации процесса горения в основных камерах сгорания ГТД является то, что он должен протекать при сравнительно больших коэффициентах избытка воздуха. При реализуемых в настоящее время температурах газа перед турбиной порядка = 1800...1600 К и ниже, как уже отмечалось, значение коэффициента избытка воздуха (среднее для всей камеры) должно составлять 2,0…3,0 и более. При таких значенияходнородная топливо-воздушная смесь, как было указано выше, не воспламеняется и не горит. При резком уменьше­нии подачи топлива в двигатель, которое может иметь место в ус­ловиях эксплуатации, коэффициент избытка воздуха может достигать еще существенно больших зна­чений (до 20…30 и более).

Вторая важная особенность этих камер состоит в том, что ско­рость потока воздуха или топливо-воздушной смеси в них (выбираемая с учетом требований к габаритным размерам двигателя) су­щественно превышает скорость распространения пламени. И, если не принять специальных мер, пламя будет унесено по­током за пределы камеры сгорания

Поэтому организация процесса горения топлива в основных ка­мерах ГТД основывается на следующих двух принципах, позволя­ющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших значениях и вы­соких скоростях движения потока в них:

1. Весь поток воздуха, поступающий в камеру сгорания, разделяешься на две части, из которых только одна часть (обычно меньшая) подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устой­чивого горения состав смеси). А другая часть направляется в об­ход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) в так называемую зону смешения (пе­ред турбиной), где смешивается с продуктами сгорания, понижая в нуж­ной мере их температуру;

2. Стабилизация пламени в зоне горения обеспечивается путем создания в ней зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджига­ющими свежую горючую смесь.

Рис. 9.4. Схема основной камеры сгорания

Для примера на рис. 9.4 показана схема одного из вариантов трубчато-кольцевой камеры сгорания. Камера состоит из жаро­вой трубы 1 и корпуса 2. В передней части жаровой трубы, кото­рую называют фронтовым устройством, размещаются форсунка 3 для подачи топлива и лопаточный завихритель 5. Для уменьшения скорости воздуха в камере на входе в нее (за компрессором) выполняется диффузор 4, благодаря которому скорость воздуха перед фронтовым устройством обычно не превышает 50 м/с.

Воздух, поступающий в камеру сгорания из компрессора, делится на две части. Одна часть направляется в зону горения, а вторая часть  в зону смешения. Часть воздуха, поступающая в зону горения, в свою очередь де­лится еще на две части. Первая часть, так называемый первичный воздух (см. рис. 9.4), поступает непосредственно через фронтовое устройство к месту расположения факела распыла топ­ливной форсунки и используется для формирования богатой топливной смеси такого состава, который обеспечивал бы на всех режимах достаточно быстрое и устойчивое сгорание.

Вторая его часть (так называемый вторичный воздух ) через боковые отверстия в жаровой трубе поступает в камеру для завершения процесса горения (первичного воздуха для этого недостаточно). Общее количество воздуха, поступающего в зоны горения (т.е.) обеспечивает в ней коэффициент избытка воздуха порядка= 1,6…1,8, что соответствует устойчивому горению, полному сгоранию и температуре порядка 1800…1900 К.

Если допустимая температура газов перед турбиной ниже этой величины, необходимый для её уменьшения третичный (или смесительный) воздух поступает в жаровую трубу через задние ряды отверстий или щелей, быстро снижая их температуру до допустимой. При этом важно подчеркнуть, что, если какая-то часть топлива не успеет сгореть до попадания в зону смешения, то дальнейшее ее догора­ние практически уже не произойдет, так как коэффициент избытка воздуха возрастает до значений, превы­шающих предел устойчивого горения.

Число, расположение и форма отверстий для подвода третично­го воздуха подбираются таким образом, чтобы обеспечить жела­емое поле температур газа перед турбиной.

Подвод первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу дол­жен быть организован так, чтобы в зоне горения создавалась нуж­ная структура потока. Эта структура должна обеспечить хорошее смешение топлива с воздухом и наличие мощных обратных то­ков, обеспечивающих надежное воспламенение свежей смеси на всех режимах работы камеры.

Рис. 9.5. Зона обратных токов

в основной камере сгорания

Структура потока в передней части жаровой трубы камеры сго­рания с так называемым лопаточным завихрителем показана схематично на рис. 9.5. Воздух поступает сюда через завихритель 1, лопатки которого закручивают поток (подобно лопаткам входного направляющего аппарата компрессора). Далее воздух движется вдоль поверхности жаровой трубы в виде конической вихре­вой струи. Вихревое движения воз­духа приводит к пони­жению давления в области за завихрителем, вследствие чего в эту область устремляется газ из расположенных дальше от фрон­тового устройства участков жаровой трубы. В результате здесь возникает зона обратных токов, граница которой показана на рисунке линией 5. Топливо-воздушная смесь, образовавшаяся за фронтовым устройством, при за­пуске двигателя поджигается огненной струей, создава­емой пусковым воспламенителем 6 (см. рис. 9.4). Но в последую­щем горячие продукты сгорания вовлекаются в зону обратных то­ков и обеспечивают непрерывное поджигание свежей смеси. Кроме того, горячие газы, циркулирующие в этой зоне, являются источником теплоты, необходимой для быстрого испарения топлива.

Могут использоваться и другие схемы основных камер сгорания  с несколькими форсунками (несколькими рядами форсунок), с другими способами создания зоны обратных токов и т.д. Но общие принципы организации рабочего процесса в них остаются такими же.

  1. ФОРСАЖНЫЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

ГОРЕНИЯ В НИХ

Рис. 9.6. Схема форсажной камеры сгорания

Состав горючей смеси в форсажной камере отличается от такового в основных камерах сгорания прежде всего тем, что на расчетном режиме их работы температура газа на выходе из неё составляет 2000…2300 К, что может быть достигнуто только при суммарном коэффициенте избытка воздуха , уже не требующем снижения для организации процесса горения. Поэтому в форсажной камере отпадает необходимость разделения её на зону горения и зону смешения. Кроме того, температура среды, в которую впрыскивается топливо, здесь выше, чем в основных камерах сгорания, что облегчает процесс испарения топлива и последующего воспламенения смеси. Но скорость потока газа в форсажных камерах по габаритным соображениям приходится иметь значительно более высокой, чем в основных камерах (порядка нескольких сотен м/с). Поэтому для стабилизации процесса горения в них также организуются зоны обратных токов. Кроме того, в связи с тем, что коэффициент избытка воздухав форсажной камере на её расчетном режиме близок к единице, необходимо обеспечит такое распределение впрыскиваемого топлива по пространству камеры, при котором по возможности было бы исключено местное переобогащение смеси, ведущее к неполному сгоранию.

На рис. 9.6 показана типичная схема форсажной камеры сгорания, уста­новленной за турбиной ТРД. На входе в камеру имеется небольшой диффузор 7. За ним расположено фронтовое устройство, состоящее из нескольких стабилизаторов пламени 5 (пластин или колец vобразного сечения) и большого числа (часто нескольких десятков) форсунок 1, объединенных в несколько топливных коллекторов (на рис. 9.6 их два). Большое число форсунок обеспечивает равномерность состава смеси по объему камеры, а наличие нескольких коллекторов позволяет путем их частичного отключения сохранить на пониженных режимах (т.е. при сниженном общем расходе топлива) необходимый для устойчивого горения состав смеси около тех форсунок, которые еще не отключены.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *