Камера 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.

Анимированная схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

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

Камеры сгорания ТРД

Типичная схема

Типичная схема турбореактивного двигателя.

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

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 ${\displaystyle \delta ={\frac {p_{1}^{*}-p_{2}^{*}}{p_{1}^{*}}}\cdot 100\%}$, 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: ${\displaystyle 2\leq \alpha ={\frac {G_{air}}{L_{0}G_{fuel}}}\leq 50}$, 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, C_nH_m, NO_x.
9. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
10. Определённый срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).

Камеры сгорания ДВС

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^[нем.] 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.

См. также

Ракетный двигатель, Двигатель внутреннего сгорания

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.