Устройство турбореактивного двигателя - часть 6

 

Рис. 21. Схема цепной реакции горения водорода 

Получается цепь реакции, идущая или до конца, пока не сгорят все молекулы топли-

ва, или до обрыва цепи. 

Обрыв  цепи - это  столкновение  активного  атома  с  инертной  молекулой  азота  или 

встреча (удар) со стенкой камеры сгорания. 

Реакция  сгорания  обязательно  начинается  от  постороннего  источника  энергии.  Го-

рючую  смесь  надо  поджечь.  Этим  посторонним  источником  энергии  в  турбореактивном 
двигателе является мощная электрическая искра. В дальнейшем смесь топлива с воздухом 
воспламеняется от факела пламени. 

При низких температурах реакция окисления идет медленно - много тепла уходит в 

окружающую среду и мало на активацию молекул. 

С ростом температуры и давления реакция окисления протекает очень быстро с боль-

шим выделением тепла и резким повышением температуры. 

Реакция сгорания сопровождается бурным выделением тепла, процесс сгорания ста-

новится  видимым - молекулы  продуктов  сгорания  излучают  световые  и  тепловые  лучи. 
При сгорании изменяются параметры газа - резко повышается его температура, увеличи-
вается удельный объем (газ расширяется), изменяется скорость движения. 

Сгорание топлива может быть полное и неполное. 
При полном сгорании выделяется наибольшее количество тепла и получаются такие 

продукты сгорании, который неспособны к дальнейшему соединению с кислородом. 

При  полном сгорании углерода (С) образуется  углекислый газ: 

С + О

2

 = СО

2 

Углекислый газ не горит, горение не поддерживает. При сгорании водорода образу-

ются пары воды, которые, как известно, горение не поддерживают. 

При неполном сгорании топлива выделяется не все тепло топлива, и образуются про-

дукты  сгорания,  способные  к  дальнейшему  соединению  с  кислородом, - они  могут  еще 
гореть и выделять тепло, но часто они пропадают без использования. 

При неполном сгорании углерода образуется окись углерода: 

2С + О

2

 = 2СО

Окись  углерода  или  угарный  газ  способен  гореть  (соединяться  с  кислородом),  при 

этом будет выделяться тепло и образовываться углекислый газ. Неполное сгорание указы-
вает, что в двигателе топливо используется не полностью. 

 
 

ТЕОРЕТИЧЕСКИ НЕОБХОДИМОЕ КОЛИЧЕСТВО ВОЗДУХА 

Для полного сгорания 1 

кг топлива необходимо израсходовать определенное количе-

ство воздуха. Если воздуха взять недостаточное количество, то будет происходить непол-
ное сгорание топлива. Если воздуха взять больше, чем надо для полного сгорания 1 

кг то-

плива,  то  продукты  сгорания  будут  иметь  более  низкую  температуру,  чем  при  полном 
сгорании топлива, а реакция сгорания будет протекать медленно, вяло. 

Теоретически необходимым количеством воздуха называется то наименьшее количе-

ство воздуха, которое необходимо израсходовать для полного сгорания 1 

кг топлива.

Обозначается теоретически необходимое количество воздуха буквой L

0

. 

Например, для полного сгорания 1 

кг .керосина (или бензина) необходимо израсхо-

довать 14,7 

кг воздуха. Поэтому для керосина считают теоретически необходимое количе-

ство воздуха равным: 

 
 

 

бензина

кг

возд

кг

L

_

_

15

0

≈

НОРМАЛЬНАЯ, БОГАТАЯ И БЕДНАЯ ТОПЛИВО-ВОЗДУШНЫЕ СМЕСИ 

При  образовании  и  сгорании  горючей  смеси  на  каждый  килограмм  топлива  может 

расходоваться  различное  количество  воздуха.  То  количество  воздуха,  которое  действи-
тельно  расходуется  на  сжигание 1 

кг  топлива,  называется  действительным  количеством 

воздуха и обозначается буквой L

Д

. 

Если  теоретически  необходимое  количества  воздуха - величина  определенная  для 

каждого сорта топлива, то действительное количество воздуха может иметь практически 
любую  величину: 7, 10, 15, 70, 100 и  т.  д.  килограммов  воздуха  на  каждый  килограмм 
сжигаемого топлива. 

Для  оценки  качества  горючей  смеси,  образующейся  и  сгорающей  в  зоне  сгорания, 

служит  коэффициент  избытка  воздуха.  Коэффициентом  избытка  воздуха  называется  от-
ношение  действительно  поданного  количества  воздуха 

л  теоретически  необходимому; 

обозначается он греческой буквой 

α. (альфа). 

 
 
 
 

0

L

L

Д

=

α

Это  безразмерный  коэффициент;  он  показывает,  во  сколько  раз  действительное  ко-

личество  воздуха,  расходуемое  на  сгорание 1 

кг  топлива,  больше  или  меньше  теорети-

чески необходимого количества воздуха. 

Топливо - воздушная смесь, составленная из 1 

кг керосина и 15 кг воздуха, называет-

ся нормальной (теоретической) смесью. Коэффициент избытка воздуха для нее равен 1. 

Все  знакомы  с  керосиновой  осветительной  лампой.  Посмотрите,  как  происходит  в 

ней сгорание керосина (рис. 22, положение 

А). Керосин по фитилю подается к горелке, где 

испаряется. Пары керосина перемешиваются с воздухом и сгорают в зоне горения, давая 
яркий факел пламени. Яркое устойчивое пламя и отсутствие копоти указывает, что в зону 
горения подается как раз столько воздуха, сколько его необходимо для полного сгорания 
керосина. В зоне горения' образуется нормальная смесь с а=1 или немного обогащенная. В 
зоне горения камеры сгорания реактивного двигателя также стараются получить нормаль-
ную или немного обогащенную смесь - она хорошо загорается от электрической искры я 
устойчиво горит. 

Увеличим подачу керосина - вывернем фитиль, при этом пламя станет темным, нач-

нет колебаться, появится копоть (рис. 2, положение 

Б). Почему? Потому, что подача воз-

духа  осталась  почти  неизменной,  так  как  размер  стекла  не  изменился,  а  подача  топлива 
увеличилась,  и  топливовоздушная  смесь  стала  богатой  топливом.  При  сгорании  богатой 
смеси кислорода не хватает, чтобы сгорел весь керосин, поэтому часть керосина остается 
несгоревшей и улетает в виде дыма и копоти. 

 

Рис. 22 Горение бедной, нормальной и богатой смесей 

Топливовоздушная смесь, в которой на 1 

кг керосина приходится воздуха меньше 15 

кг,  называется  богатой  смесью.  Коэффициент  избытка  воздуха  у  богатой  смеси  меньше 
единицы: α < 1. 

Чем больше увеличивать подачу керосина в лампу, тем более богатой будет смесь. 

Пламя начнет мигать, выделение копоти увеличится - процесс горения керосина будет ид-
ти неустойчиво, вяло, и при сильном обогащении смеси пламя погаснет. Для улучшения 
процесса сгорания смесь надо обеднить -уменьшить подачу керосина. Будем уменьшать, 
подачу  топлива - ввертывать  фитиль.  Пламя  начнет  переходить  в  ярко-желтый  цвет,  это 
значит, что топливовоздушная смесь имеет нормальный состав, т. е. у нее α=1. При даль-
нейшем ввертывании фитиля пламя лампы из ярко-желтого будет переходить в синий, го-
лубой  цвет,  пламя  начнет  дрожать,  вспыхивать - процесс  горения  станет  неустойчивым 
(рис. 22, положение В). 

Что же случилось с горением? Количество воздуха, протекающего через лампу, ос-

талось неизменным, а количество керосина, поступающего в зону горения, уменьшилось, 
горючая смесь стала бедной. Бедная смесь горит медленно, плохо поджигается (поэтому 
при разжигании лампы вывертывается фитиль). 

Таким образом, если в смеси на 1 

кг керосина приходится воздуха больше 15 кг, то 

такая  смесь  называется  бедной.  Коэффициент  избытка  воздуха  в  бедной  смеси  больше 
единицы α > 1. Например, смесь, состоящая из 1 

кг керосина и 20 кг воздуха, будет бед-

ной.  При  сгорании  ее  сгорит  весь  керосин,  но  часть  кислорода  воздуха  останется  неис-
пользованной. Продукты сгорания бедной смеси гореть не могут. 

В  турбореактивном  двигателе 

а  зависимости  от  режима  работы  на  каждый  кило-

грамм сгорающего керосина приходится от 50 до 90 

кг воздуха. 

Следовательно, через двигатель протекает в 3 - 6

 раз больше воздуха, чем необходи-

мо для полного сгорания топлива, подаваемого в камеры сгорания. По предложению ин-
женера  Базарова (1924 г.) воздух в камере сгорания разделяется на два потока, меньшая 
часть  его  направляется  а  зону  горения  и  используется  там  для  окисления  топлива  (для 
сгорания  топлива).  В  зоне  горения  добиваются  образования  нормальной  смеси,  которая 
хорошо  горит.  Остальная,  большая  часть  воздуха  (вентиляционный  или  вторичный  воз-

дух) в горении не участвует, она служит только для охлаждения нагретых деталей двига-
теля и для “разбавления” продуктов сгорания, образующихся в зоне горения.  

 

КАМЕРА СГОРАНИЯ 

Камера сгорания  -  элемент ТРД, где происходит непрерывное образование и сгора-

ние топливовоздушной смеси и повышение температуры газов. Камера сгорания является 
очень  ответственным  элементом  двигателя.  От  ее  устройства  и  осуществления  процесса 
сгорания  зависят  экономичность  двигателя,  надежность  работы  и  длительность  эксплуа-
тации как самой камеры сгорания, так и двигателя. 

Камера сгорания должна удовлетворять следующим требованиям: 
1. Объем камеры сгорания должен обеспечивать возможно высокую теплонапряжен-

ность, т. е. камера должна иметь малый объем, что уменьшает ее размеры и вес. Под теп-
лонапряженностью камеры сгорания понимают количество тепла, выделяющееся единице 
объема  (1 

м

3

)  камеры в течение 1 часа. Ждя современных камер сгорания (середина 50-х) 

теплонапряженность достигает 150000000 кал/м

3

 в час.

 

2.  Топливо  в  камере  сгорания  должно  сгорать  полностью,  В  современных  камерах 

полнота сгорания достигает 97 - 98%.  

3.  При  запуске  двигателя  на  земле  и  в  воздухе  должно  обеспечиваться  надежное 

поджигание смеси. 

4.  Нагретые детали  камеры сгорания должны хорошо охлаждаться, это обеспечива-

ет  их  работу  длительное  время  без  дефектов  (прогаров,  коробления,  трещин  и нагара от 
действия пламени). 

5. Камера сгорания должна иметь небольшое гидравлическое сопротивление движе-

нию воздушного потока  (давление газов в камере сгорания должно уменьшаться незначи-
тельно). 

6. В камере должно обеспечиваться устойчивое горение смеси, т.е.

 

не должно быть 

колебаний, затухания и срывом пламени при всех режимах работы двигателя. 

7. Горение должно заканчиваться в жаровой трубе. Факел пламени не должен дохо-

дить до лопаток газовой турбины во избежание перегрева и обгорания их. 

8. Температура газового потока на выходе из камеры сгорания должна быть одина-

ковой  по  всему  сечению,  чтобы  не  получилось  местного  обгорания  или  оплавления  со-
пловых лопаток турбины. 

На современных ТРД наибольшее распространении получили трубчатые камеры сго-

рания. Они просты по конструкции, надежны о работе и удобны в эксплуатации - легко 
снимаются для осмотра, ремонта и замены без разборки двигатели. 

Трубчатая камера сгорания (рис. 23) состоит из внутренней жаровой трубы и внеш-

него кожуха с

 горловиной. 

Жаровая  труба  сварена  из  листов  жаростойкого  сплава.  В  передней  части  жаровой 

трубы приварены конус для забора первичного воздуха, диск и конус с отверстиями для 
прохода  воздуха.  В  конусе  помещается  лопаточный  завихритель - для  придания  потоку 
воздуха вращательного движения. 

Внутри завихрителя помещается форсунка, впрыскивающая топливо в завихренный 

поток воздуха; этим достигается хорошее перемешивание топлива с воздухом. 

На конической части жаровой трубы сделаны отверстия большого размера для под-

вода вторичного воздуха внутрь жаровой трубы. 

Жаровые трубы соединяются между собой соединительными патрубками, через ко-

торые передается пламя при запуске и выравнивается давление газов в соседних камерах 
сгорания.