Alle Brennkammern sind einander grundsätzlich ähnlich, jedoch sind sie nach bestimmten, ganz wesentlichen Merkmalen unterteilt. Eines der Klassifizierungsprinzipien Brennkammern von Gasturbinentriebwerken- Das teilt sie durch Hauptgestaltung. Heutzutage gibt es drei Arten von Layouts: röhrenförmig (oder einzeln), röhrenförmig und ringförmig.

Konstruktionsdiagramme von Brennkammern. a - röhrenförmig, b - röhrenförmig-ringförmig, c - ringförmig.

Rohrförmige (einzelne) Brennkammer hebt sich etwas von der obigen Definition als Ring mit zwei Körpern ab, da er aus mehreren separaten Abschnitten besteht, von denen jeder über einen eigenen rohrförmigen Körper und ein darin befindliches Flammrohr verfügt.

Die Flammenrohre sind durch sogenannte Flammenübertragungsrohre miteinander verbunden, die der Übertragung der Flamme auf benachbarte Rohre beim Anfahren und bei Ausfall eines Rohres dienen. Die Überlebensfähigkeit eines Motors mit einer solchen Kammer ist recht hoch. Darüber hinaus erleichtert diese Konstruktion die Bedienung und Reparatur des Motors. Jedes einzelne CV kann für Reparaturen ausgebaut werden, ohne dass der gesamte Motor zerlegt werden muss.

Rohrförmige Brennkammer des Rolls-Royce RB.41 Nene-Motors.

Aufgrund des geringen Volumens ist die Feinabstimmung eines solchen CS während seiner Entwicklung recht einfach. Diese Kammer passt gut zu einem Radialkompressor. Dies ist einer der Hauptgründe für den Einsatz in frühen Turbostrahltriebwerken mit Zentralbankkompressor.

Ein Beispiel ist das britische Rolls-Royce RB.41 Nene-Triebwerk, das im Hawker Sea Hawk-Flugzeug eingebaut ist, und sein Nachfolger, das sowjetische VK-1-Triebwerk (oder RD-45, mit Nachbrenner – VK-1F/RD-45F) für MIG- 15 Flugzeuge, MIG-17, IL-28, TU-14. Oder das tschechoslowakische Motorlet M-701, eingebaut in das serienmäßig hergestellte Trainingsflugzeug Aero L-29 Delfin.

Rolls-Royce RB.41 Nene-Motor.

Flugzeug HAWKER SEA HAWK.

Motor RD-45.

RD-45-Motor mit röhrenförmiger Brennkammer.

MIG-15-Jäger mit RD-45-Motor.

Motorlet M701-Motor.

L-29 Delphin-Flugzeug.

Der Rohr-KS ist nicht in den Stromkreis des Motors eingebunden. Verschiedene Motorkonstruktionen können 6 bis 22 einzelne Kammern haben.

Eine solche Brennkammer hat jedoch einen ganz erheblichen Nachteil – die Ungleichmäßigkeit des Temperatur-, Druck- und Gasdurchflussfeldes am Auslass. Einfach ausgedrückt ist die Strömung, die entsprechend der Anzahl der einzelnen Rohre in Sektoren unterteilt ist und in die Turbine eintritt, hinsichtlich Temperatur und Druck ungleichmäßig, und die Rotorblätter sind während der Rotation ständigen Wechselbelastungen ausgesetzt, was sich natürlich negativ auf ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer auswirkt.

Betrieb des RD-45-Motors. Der ungleichmäßige Betrieb einzelner Flammrohre ist sichtbar.

Auf Basis einer Einzelbrennkammer wurde ein weiterer, fortschrittlicherer Aufbautyp entwickelt – eine Rohrring-Brennkammer. Ein typisches Beispiel für einen Motor mit einem solchen CS ist der AL-21-F3 TRDF (Hrsg. 89), der in allen Modifikationen des SU-24-Flugzeugs sowie in allen Modifikationen des SU-17M verbaut ist.

In einer solchen Brennkammer sind mehrere Flammrohre (bei AL-21F-3 - 12 Stück, bei anderen Motoren meist 9 bis 14 Stück) kreisförmig (Ring) in einem gemeinsamen Gehäuse (oder Gehäuse) angeordnet, das meist im Lieferumfang enthalten ist im Diagramm der gemeinsamen Leistung des Motors. Die Flammrohre sind durch Flammenübertragungsrohre verbunden. In ihrem Ausgangsteil sind sie ebenfalls durch eine besondere Verbindung verbunden allgemein ein kurzes Rohr, das „Gaskollektor“ genannt wird.

Motor AL-21F-3 (Layout „C“ – für SU-17M-Flugzeuge).

Jagdbomber SU-17M4 mit AL-21F3-Motor.

Rohrring-Brennkammer.

Ein Beispiel für ein Flammrohr eines Rohrrings KS. 1 – Installation der Düse. 2 – Vorderwand mit Wirbelerzeuger. 3 - Löcher für Kühlluft. 4 - Löcher für Sekundärluft. 5 – Halterung. 6 - Flammenübertragungsrohr.

Es erleichtert die Bildung eines gleichmäßigeren Temperaturfeldes vor der Turbine entlang des Umfangs der Gasströmungsfront.

Rohrringbrennkammern nehmen hinsichtlich ihrer Leistungsparameter, der Komplexität der Endbearbeitung sowie der einfachen Bedienung und Reparatur eine Zwischenstellung zwischen Rohrkammern und dem nächsten Design- und Anordnungstyp ein – Ringkammern.

Ring Brennkammern von Gasturbinentriebwerken haben ein Flammrohr, das ringförmig ausgebildet ist und konzentrisch zwischen dem Außen- und Innenkörper der Brennkammer angeordnet ist. Es besteht aus einem Mittelteil in Form von Außen- und Innenflächen (sie werden auch Mischer genannt), einem Auslassgassammler und einem Frontgerät (Vorderteil) mit Plätzen (Brennern) zum Einbau von Düsen und Geräten zur Luftzufuhr zum Flammenrohr. Es kann ziemlich viele solcher Orte geben – von 10 bis 132 (bei echten Motoren, einschließlich bodengestützter Gasturbinen) und sogar mehr (Experiment).

Ringbrennkammer des NK-32-Triebwerks (TU-160-Flugzeug).

NK-32-Triebwerke im TU-160-Flugzeug. Inspektion nach dem Flug.

Flammrohr der Ringbrennkammer. 5 - Frontgerät. 2,3 - externe und interne Mischer. 1.4 – Lage der Einspritzdüsen. 6 – Löcher für die Zufuhr von Sekundärluft.

Ein Beispiel einer ringförmigen Brennkammer (AI-25-Motor, Computermodell).

Computermodell einer Ringbrennkammer (AI-25-Motor).

Die Ringkammer ist hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes die vollkommenste aller genannten Kammern. Darüber hinaus hat es eine minimale Länge und Gesamtoberfläche und ist daher das leichteste (ca. 6-8 % des Motorgewichts), weist minimale Druckverluste (hydraulische Verluste) auf und benötigt weniger Luft zur Kühlung.

Es ist jedoch schwierig, eine solche Kammer fein abzustimmen, um eine stabile Verbrennung und Festigkeit zu gewährleisten, insbesondere bei großen Abmessungen und hohem Gasströmungsdruck. Darüber hinaus ist die Reparaturmöglichkeit recht gering und erfordert hauptsächlich die Demontage des Motors. Obwohl eine Überwachung mit modernen endoskopischen Geräten durchaus möglich ist. Die positiven Eigenschaften sind wichtiger und daher werden bei fast allen modernen Turbostrahltriebwerken Ringbrennkammern eingesetzt.

Darüber hinaus gibt es eine Teilung Brennkammern von Gasturbinentriebwerken in Richtung des Gasflusses. Dabei handelt es sich um Gleichstrom- und Gegenstromkameras (sie werden auch Loop oder Semi-Loop genannt). Bei Direktströmungssystemen stimmt die Richtung der Gasbewegung in der Brennkammer mit ihrer Bewegungsrichtung entlang der Motorbahn überein, bei Gegenströmungssystemen sind diese Richtungen entgegengesetzt.

Aus diesem Grund ist der Druckverlust in Schlaufenkammern deutlich höher als in Direktströmungskammern. Gleichzeitig sind ihre axialen Abmessungen deutlich kleiner. Schleifenkammern funktionieren sehr gut mit einem Zentrifugalverdichter und können über (um) die Turbine herum positioniert werden. Dies bringt natürlich eine Vergrößerung der Querabmessungen mit sich, gleichzeitig verringern sich jedoch die Axialabmessungen spürbar.

Ein Beispiel für den Aufbau einer Ringbrennkammer.

Ringbrennkammer eines Hubschrauber-Gasturbinentriebwerks.

Einer der Vorteile von Ringbrennkammern ist eine deutliche Reduzierung des Einflusses der Wärmestrahlung der Flamme auf den Turbinendüsenapparat, der sich in diesem Fall außerhalb der „Sichtlinie“ in Bezug auf den Flammenkern befindet.

Durchlaufkammern werden in Hochleistungsflugzeugtriebwerken in Kombination mit einem Axialverdichter eingesetzt. Schleifenmotoren werden hauptsächlich bei kleinen Triebwerken eingesetzt, beispielsweise bei Hubschrauber-Gasturbinentriebwerken, Hilfsaggregaten (Auxiliary Power Units, APU), Drohnentriebwerken usw.

Brennkammern von Gasturbinentriebwerken Sie werden auch nach dem Prinzip der Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unterteilt. Bei Kammern mit externer Gemischbildung (oder Verdampfungskammern) wird der Brennstoff vorab verdampft und mit Luft vermischt, bevor er der Verbrennungszone zugeführt wird.

Dieser Brennkammertyp kann die Umweltverträglichkeit des Motors erheblich verbessern, da er über einen hohen Verbrennungswirkungsgrad verfügt.

Gleichzeitig ist das Vorverdampfungssystem jedoch recht komplex und es besteht die Gefahr der Verkokung seiner Rohrleitungen (also der Ablagerung harziger Kraftstofffraktionen), was zu Überhitzung und Durchbrennen führen kann, was letztendlich zum Ausfall des Motors führen kann Explosion. Daher werden Motoren mit Verdunstungsbrennkammern in der Praxis selten eingesetzt, es gibt jedoch solche Beispiele: das Hubschrauber-Gasturbinentriebwerk T-700-GE-700 (USA - General Electric) sowie die APU TA-6.

Der Großteil der Gasturbinentriebwerke sind Triebwerke mit innerer Gemischbildung. In ihnen wird Kraftstoff mit speziellen Düsen in Form von Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 40-100 Mikrometern entlang der Motorströmung versprüht. Dann vermischt es sich mit Luft und gelangt in die Verbrennungszone.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine weitere Einteilung der Brennkammern etabliert, die sich auf die Umweltverträglichkeit des Motors, also die Emission von Schadstoffen in die Atmosphäre, bezieht.

Dabei handelt es sich um konstruktive Weiterentwicklungen von Brennkammern mit zwei Brennzonen, die jeweils für den Betrieb in bestimmten Betriebsarten optimiert sind. Es gibt Zweizonen-Brennkammern, bei denen die Brennzonen hintereinander in Reihe angeordnet sind, und Zweilagen-Brennkammern, bei denen die Brennzonen übereinander, also parallel, angeordnet sind.

Etwas über die Prozesse in Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.

Die Verbrennung erfolgt, wie bereits erwähnt, direkt im Flammrohr, wodurch der sogenannte Brandraum begrenzt wird. Sie arbeitet unter sehr harten Bedingungen. Im Allgemeinen ist dies sogar milde ausgedrückt, wenn man zumindest berücksichtigt, dass der Schmelzpunkt des Materials, aus dem es besteht, deutlich niedriger ist als die Temperatur der Flamme. Wie geht sie damit um? Es geht alles um ordnungsgemäße Organisation der Verbrennungs- und Kühlprozesse.

Luft spielt bei diesen Prozessen die wichtigste und entscheidende Rolle. Es versorgt den Verbrennungsprozess selbst mit Sauerstoff und dient als Mittel zur Kühlung und Wärmeisolierung der Elemente der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks.

Luft kommt hinter dem Kompressor mit Geschwindigkeiten von bis zu 150–180 m/s. Bei dieser Geschwindigkeit ist der Verbrennungsprozess schwierig und der Gesamtdruckverlust groß. Um diese Probleme zu überwinden, gibt es einen Diffusor. Darin wird die Strömungsgeschwindigkeit deutlich reduziert – auf 40-50 m/s.

Der Fluss wird dann in zwei Teile geteilt. Ein kleinerer Teil (ca. 30-40 %) gelangt direkt nach dem Diffusor in das Flammrohr und wird „Primärluft“ genannt. Diese Luft, die normalerweise in das Flammrohr eintritt, strömt durch eine spezielle Einheit namens Drallerzeuger in der vorderen Vorrichtung, die ihre Vermischung mit dem versprühten Brennstoff weiter verlangsamt und fördert.

Es gibt auch „Sekundärluft“. Seine Strömung verläuft durch ringförmige Kanäle zwischen Innen- und Außengehäuse und dem Flammrohr. Genauer gesagt handelt es sich dabei um Luft ohne den Teil, der nie am Verbrennungsprozess teilnehmen kann (also nicht in das Flammrohr gelangt). Dieser Teil macht etwa 10 % des Gesamtstroms durch die Brennkammer aus (steigt mit steigender Verbrennungstemperatur) und wird durch die Ringkanäle weiter zur Kühlung der Turbine genutzt.

Und die Sekundärluft selbst gelangt in den verschiedenen Zonen und in verschiedenen Phasen des Verbrennungsprozesses durch spezielle Löcher in das Flammrohr, die dazu dienen, Strömungen im Rohrinneren richtig zu formen, seine Wände und den Brennkammerkörper effektiv zu kühlen und letztendlich die gewünschte Gastemperatur zu erreichen am Auslass der Brennkammer unter Berücksichtigung der Gleichmäßigkeit seiner Verteilung entlang der Strömung.

Das Flammrohr selbst ist in der Regel eine Art „Lochstruktur“ mit vielen Löchern unterschiedlicher Größe und Konfiguration. Dabei kann es sich entweder um Einschnitte oder Kerben handeln, oder um Löcher in runder oder ovaler Form, regelmäßig, mit Rand (manschettenartig), mit Bördelung oder mit Rohren. Alle diese Löcher unterliegen einem bestimmten System. Sie werden bei der Feinabstimmung der Brennkammer auf einem Prüfstand berechnet oder (häufiger) experimentell ausgewählt.

Gestaltung von Löchern für die Luftzufuhr in den Wänden des VT.

Die Seitenwände des Flammrohrs werden aufgrund der Löcher, die die Luftströme in einer bestimmten Reihenfolge mischen, oft als Mischer bezeichnet.

Die Prozesse der Verbrennung und gegenseitigen Vermischung der Strömungen finden in herkömmlich benannten Zonen statt. Im Allgemeinen werden diese Zonen trotz der Konvention während der Berechnungen und der Feinabstimmung bestimmt Brennkammern von Gasturbinentriebwerken und entsprechend ihrer Lage und Größe existieren sie tatsächlich, obwohl es keine klare Abgrenzung und Aufteilung zwischen ihnen gibt.

Die Verbrennungszone befindet sich im vorderen Teil des Flammrohrs. Hier erfolgt die Zufuhr von Primärluft und Kraftstoff sowie die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Luft wird mit Hilfe verschiedener Arten von Drallkörpern verwirbelt, der Kraftstoff wird durch Düsen versprüht und es kommt zu den Prozessen der Vermischung, Verdampfung und Zündung.

Primärluft strömt entlang der Länge des Flammrohrs (im vorderen Teil) schrittweise ein (durch das vordere Gerät, die Wirbeler und dann durch die oben genannten Löcher), um optimale Prozesse zu gewährleisten.

Prozesse in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.

Computermodellierung von Luftströmungen in einem Flammrohr.

Je nach Auslegung des Motors kann die Verbrennungszone erweitert werden. Dann wird eine Zwischenverbrennungszone identifiziert, in der die Verbrennung des Kraftstoffs abgeschlossen ist. In diese Zone gelangt auch Sekundärluft, die auch hier am Verbrennungsprozess beteiligt ist.

Als nächstes folgt die Mischzone (oder Verdünnungszone). In dieser Zone gelangt durch die gleichen speziellen Löcher Sekundärluft in das Flammrohr, die nicht mehr am Verbrennungsprozess beteiligt ist. Durch die Vermischung mit dem Gas bildet es die Endtemperatur am Austritt aus der Brennkammer und deren Verteilungsfeld (Temperaturfeld).

Eine weitere wichtige Funktion der Sekundärluft ist die Kühlung der Brennkammerelemente. Bei den Prozessen im Flammrohr werden Verbrennungsprodukttemperaturen von 2000-2200°C erreicht. Um jedoch eine normale Leistung und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sollte die Temperatur der Flammenrohrwände 900–950 °C nicht überschreiten (Gradient nicht mehr als 50 °C/cm).

Diese Bedingungen werden durch die Kühlung mit Sekundärluft erfüllt. Moderne Gasturbinentriebwerke nutzen die sogenannte kombinierte Konvektivfilm-Luftkühlung. Ein Teil der Luft erfüllt ihre Funktionen durch konvektive Kühlung.

Prinzipien der Kühlung der Wände der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.

Beispielsweise kühlt die Luft, die durch die Ringkanäle zwischen dem Flammrohr und dem Körper der Brennkammer strömt, die Wände des Flammrohrs von außen, und die Luft, die durch die Löcher und Risse in das Rohrinnere eindringt und sich dort entlang des Rohrs ausbreitet Wände bilden so etwas wie einen Luftschleier mit einer viel niedrigeren Temperatur als die Temperatur der Verbrennungszone.

Dieser Film reduziert den konvektiven Fluss der Wärmeenergie erheblich. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, d. h. der Luftfilm schützt die Wände des Flammrohrs vor Überhitzung.

Auf den Strahlungsenergiefluss hat es jedoch praktisch keinen Einfluss. Denn die Erwärmung der Oberflächen im Motor erfolgt nicht nur durch Konvektion, sondern auch durch die Wärmestrahlung erhitzter Verbrennungsprodukte.

Prinzipien der Kühlung in der Brennkammer.

Kühlluft kann entweder parallel zur Strömung, in diesem Fall handelt es sich um eine kombinierte Strahlkühlung, oder senkrecht dazu in die Verbrennungszone gelangen. Dabei handelt es sich um die sogenannte kombinierte Lochkühlung. Dabei erfolgt die Luftzufuhr durch ein System kleiner Löcher in der Rohrwand (Perforation).

Alle Elemente des Flammrohrs, sowohl die Wände als auch das Frontgerät, werden auf ähnliche Weise gekühlt, auch die Gestaltungsmöglichkeiten der Kühlkanäle sind unterschiedlich. Auch die Einspritzdüsen, über die der Kraftstoff zugeführt wird, müssen gekühlt werden. Dies geschieht sowohl aufgrund der gleichen Luft als auch aufgrund des durch sie strömenden Kraftstoffs. Es entzieht der Düse überschüssige Wärme und versprüht und verbrennt dann im Flammrohr.

Über Einspritzdüsen.

Der Aufbau und das Funktionsprinzip von Düsen mögen unterschiedlich sein, das Hauptziel ist jedoch eine qualitativ hochwertige Zerstäubung. Je kleiner die Tröpfchen sind, desto schneller und besser verdampfen sie und desto höher ist die Vollständigkeit der Verbrennung und damit die Qualität der Brennkammer.

Die Qualität der Zerstäubung hängt unter anderem von der Geschwindigkeit des Kraftstoffstrahls und der Luftströmung hinter dem Kompressor ab. Eine Zerstäubung ist möglich, wenn Kraftstoff unter hohem Druck relativ langsam bewegter Luft zugeführt wird. Einspritzdüsen dieser Art werden als mechanisch bezeichnet. Ist der Kraftstoffdruck recht niedrig und die Durchflussmenge hoch, handelt es sich um pneumatische Einspritzventile.

Der prominenteste Vertreter mechanischer Injektoren sind die weit verbreiteten Zentrifugalinjektoren. In ihnen wird Kraftstoff tangential unter hohem Druck zugeführt und tritt unter Drehung in Form eines Kegels (Schleiers) aus.

Das Sprühen selbst erfolgt unter dem Einfluss der Zentrifugalkräfte im Kegel. Es zerfällt in Tropfen, die sich mit der Primärluft vermischen. Den Zentrifugalkräften wirken die Oberflächenspannungskräfte des Kerosins im Kegel entgegen.

Die Form des Kegels, die Dicke des Schleiers und letztendlich die Qualität des Sprays in einem solchen Injektor hängen stark vom Kraftstoffversorgungsdruck ab. Dies ist der Hauptnachteil von Zentrifugalinjektoren.

Typischerweise ist eine zufriedenstellende Zerstäubung bei Drücken in der Größenordnung von 100–150 kPa und bei 6–12 MPa gut und ausgezeichnet möglich. Allerdings weisen die Betriebsarten eines modernen Flugzeugtriebwerks (und damit der Treibstoffverbrauch) eine recht große Bandbreite auf, und bei starker Triebwerksdrosselung (also Reduzierung des Treibstoffverbrauchs) ist es oft einfach unmöglich, eine gute und damit zuverlässige Treibstoffzerstäubung zu gewährleisten Motorbetrieb.

Beispielsweise beträgt nach bestehenden Berechnungen bei einem Kraftstoffdruck im Nennbetrieb von etwa 6–12 MPa (d. h. bei guter Zerstäubung) der Druck bei niedrigem Gasdruck etwa 4–5,8 kPa. Und bei einem solchen Druck kann nicht einmal eine zufriedenstellende Zerstäubung erreicht werden, das heißt, hinter der Düse befindet sich kein Kraftstoffkegel.

Um diesen Nachteil zu überwinden, werden sogenannte Zweistufendüsen (Zweikanaldüsen) eingesetzt. Sie haben zwei Düsen. Im Leerlauf- und Startmodus arbeitet die zentrale Düse (erste Stufe), die kleiner ist und für eine Zerstäubung bei geringem Kraftstoffverbrauch sorgt.

Zweistufige mechanische Düse.

Und bei höheren Modi wird eine zweite Düse (zweite Stufe) angeschlossen und beide arbeiten gleichzeitig. Dies gewährleistet eine gute Zerstäubung in allen Modi. In diesem Fall dauert es jedoch einige Zeit, den Verteiler der zweiten Stufe über ein spezielles Verteilerventil mit Kraftstoff zu füllen, was zu Instabilität im Verbrennungsmodus führen kann. Dies ist der Hauptnachteil eines zweistufigen Zentrifugalinjektors.

Zu den mechanischen Düsen zählen auch Strahldüsen. Sie sind im Wesentlichen ein Jet und haben eine ziemlich große Reichweite. Für die relativ kurzen Hauptbrennkammern moderner Gasturbinentriebwerke ist dies unpraktisch und wird daher praktisch nicht verwendet.

Eine Strahlart ist eine Verdunstungsdüse. Ihre Düse befindet sich in einem Verdampferrohr, das durch heiße Gase erhitzt wird, um den Kraftstoff zu verdampfen. Diese Einspritzdüsen haben positive Aspekte wie Einfachheit, keine Notwendigkeit eines hohen Kraftstoffdrucks, weniger Emission schädlicher Stickoxide und die wichtigste positive Eigenschaft – gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs in der Verbrennungszone, d. h. ein gleichmäßiges Temperaturfeld am Austritt die Brennkammer, die für Turbinen sehr wichtig ist.

Aber es gibt auch viel Negatives. Ein solcher Injektor reagiert empfindlich auf die Zusammensetzung des Gemisches und die Art des Kraftstoffs. Das Verdampferrohr ist kurzlebig und es kann zu Durchbrüchen kommen. Schlechter Motorstart in großer Höhe. Die Brennkammer kann nur mit einem Fackelzünder gestartet werden, der das Verdampferrohr erhitzt.

Bei Flugzeugtriebwerken mit hohem Druckanstieg im Kompressor (dazu zählen auch moderne Triebwerke für die große Verkehrsluftfahrt) haben sich sogenannte pneumatische Luftinjektoren durchgesetzt.

Diagramm des Luftinjektors.

Eines der Luftdüsenmuster.

In ihnen wird der Kraftstofffilm durch zwei wirbelnde Luftströme, innen und außen, in winzige Tröpfchen zerteilt. Ein solcher Injektor benötigt zum Betrieb keinen hohen Druck in der Kraftstoffleitung, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Kraftstoffpumpen auswirkt und zudem deren Gewicht reduziert.

Die darin enthaltene Zerstäubung und Vermischung von Kraftstoff mit Luft ist äußerst effektiv, wodurch die Bildung von Stickoxiden und Ruß während des Verbrennungsprozesses deutlich reduziert wird. Durch die Reduzierung der Rußmenge wird wiederum die Wärmestrahlung reduziert, was zu einer effektiveren Kühlung der Flammrohrwände beiträgt.

Darüber hinaus sorgen Luftdüsen bei jeder Strömungsgeschwindigkeit für eine konstante und gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs im Flammrohr. Dadurch ist es möglich, ein konstantes Temperaturfeld am Auslass vorherzusagen und aufrechtzuerhalten, was die Feinabstimmung der Brennkammern auf dem Prüfstand erleichtert.

Irgendwas mit der Zündung.

Während der Arbeit Brennkammern von Gasturbinentriebwerken Eine ständige Zwangszündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist nicht erforderlich. Es ist heiß genug hier. Allerdings ist wie bei jedem Motor eine Startzündung erforderlich.

Die Flammenquelle ist in diesem Fall die elektrische Hochtemperaturentladung einer Zündkerze, ähnlich der Zündkerze eines herkömmlichen Benzin-Verbrennungsmotors. Aber nur ähnlich, denn bei Verbrennungsmotoren kommen herkömmliche elektrische Hochspannungszündkerzen zum Einsatz. Ihre Entladungsleistung hängt vom Druck im Brennraum ab und je niedriger dieser ist, desto geringer ist die Leistung. In Servicegeräten wird bei der Überprüfung solcher Zündkerzen sogar extra aufgepumpt.

Dies ist für einen Flugzeugtriebwerk nicht von Vorteil, insbesondere beispielsweise für den Start in großer Höhe. Daher verwenden alle modernen Gasturbinentriebwerke für die Luftfahrt heute sogenannte Niederspannungs-Halbleiter-Oberflächenentladungszündkerzen, die nicht durch äußeren Druck beeinflusst werden.

Die eigentliche Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann direkt über die Zündkerze oder über spezielle Kraftstoffzünder erfolgen. Letzteres wird häufiger bei modernen Motoren eingesetzt.

Schema der direkten Zündung der Brennkammer durch eine Zündkerze.

Der Zünder ist eigentlich eine Miniaturbrennkammer, an der meist eine einfache einstufige Zentrifugaldüse und eine Zündkerze zur Direktzündung angebracht sind. Um zuverlässige Höhenstarts zu ermöglichen, ist in der Regel eine Sauerstoffversorgung vorgesehen.

Die Zufuhr von Startkraftstoff zur Zündkammer erfolgt nach einem speziellen Kraftstoffversorgungsgesetz, das sich von der Hauptbrennkammer unterscheidet, um einen zuverlässigen und stabilen Start zu gewährleisten.

Der Zünder selbst ist außerhalb der Brennkammer, meist im vorderen Teil, installiert und ist (mit Ausnahme des Flammenzuführungsrohrs) keinen heißen Gasen ausgesetzt. Durch den Kompressor dringt die Luft durch spezielle Löcher im vorderen Teil ein, das heißt, es ist recht kalt.

Montage des Zünders an der Brennkammer.

Das Zündrohr (Förderbrenner) wird in das Flammrohr eingeführt, direkt in die Verbrennungszone, um dort den Flammbrenner zu versorgen. Für eine sichere Zündung solcher Zünder sind in der Regel mehr als einer (zwei oder drei) erforderlich, dies gilt insbesondere für Rohr- und Rohrringbrennkammern.

Über Materialien.

Um eine ausreichende Lebensdauer der Flammrohre im Motor zu gewährleisten, stehen diese niemals unter Strombelastung, sind also nicht in den Stromkreis des Motors eingebunden. Darüber hinaus weisen die Materialien, aus denen sie hergestellt werden, eine hohe Hitzebeständigkeit und Hitzebeständigkeit auf. Darüber hinaus sind solche Materialien leicht zu verarbeiten und beständig gegen Gaskorrosion und Vibrationen.

In der Regel handelt es sich dabei um spezielle Chrom-Nickel-Legierungen. Für die russische Metallurgie sind dies die Typen Х20Н80Т, ХН60В, ХН70У, ХН38ВТ, Х24Н25Т. Wenn Brennkammern bei Temperaturen bis zu 900 °C betrieben werden, können Legierungen wie Kh20N80T, KhN38VT, KhN75MVTYu verwendet werden. Und für Temperaturen von 950–1100 °C – XN60V-Legierung.

Die Flammrohre selbst werden durch Schweißen aus einzelnen Teilen – Abschnitten – zusammengebaut. Um thermische Spannungen zwischen den Abschnitten zu vermeiden, wird die Verbindung zwischen ihnen mit „geringer Steifigkeit“, also elastisch, ausgeführt. Zu diesem Zweck werden zahlreiche Schnitte entlang der Mantellinie des Abschnitts mit Löchern mit großem Durchmesser am Ende vorgenommen, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren. Dabei handelt es sich um die sogenannten „Temperaturfugen“.

Verbindung der Brennkammerabschnitte (elastisch).

Darüber hinaus sind die Elemente der Flammrohre von innen mit speziellen hitzebeständigen Emails bzw. Glas-Email-Beschichtungen beschichtet. Diese Beschichtungen haben eine Doppelfunktion. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit tragen sie dazu bei, die Wände des Flammrohrs vor Überhitzung zu schützen. Eine solche 1 mm dicke Beschichtung mit niedrigem Wärmeleitkoeffizienten kann die Wandtemperatur um fast 100 Grad senken.

Darüber hinaus dient Emaille als guter Schutz vor Gaskorrosion, also der Oxidation des Materials flüssiger Brennelemente durch den im Gas enthaltenen freien Sauerstoff. Während des Betriebs nutzt sich der Zahnschmelz aufgrund von Erosionserscheinungen allmählich ab und wird dünner, kann jedoch bei routinemäßigen Motorreparaturen wiederhergestellt werden. Emails erhöhen die Korrosionsbeständigkeit um das 6- bis 8-fache. Sie arbeiten bei Temperaturen von 600–1200 °C (je nach Typ).

Schutzglasemail am Ring KS.

Einer der häufigsten Lacke für in Russland hergestellte Motoren (eher für „alte“ Motoren) ist EV-55, der insbesondere bei der Legierung 1Х18Н9Т verwendet wird. Übrigens hat es eine charakteristische grüne Farbe, da in seiner Zusammensetzung Chrom in Form von Dioxid vorhanden ist.

Ein weiterer üblicher Email-Emaille EVK-103 kann bei Temperaturen bis zu 1000 °C lange arbeiten und wird für Legierungen vom Typ KhN60VT (VZh98) verwendet.

Für vielversprechende Legierungen wie VZh145 (Betriebstemperatur bis 1100 °C, VZh155/171 (Betriebstemperatur bis 1200 °C) werden spezielle Additive entwickelt, um die Eigenschaften von Serienglasemails wie EVK zu verbessern.

Darüber hinaus kommen Verbundwerkstoffe und Keramik zum Einsatz, die die Einsatzfähigkeit vielversprechender Geräte deutlich steigern (Verbundkeramikzusammensetzung VMK-3/VMK-3). Es wird möglich, Teile zu entwickeln, die bei Temperaturen bis zu 1500 °C betriebsfähig sind. Die Verwendung von Keramik zur Herstellung einiger Elemente wurde bereits an Militärmotoren getestet, jetzt sind kommerzielle Motoren an der Reihe.

Über die Überwachung des Zustands von Elementen.

Ständig steigende Temperatur und Druck des Verbrennungsprozesses Brennkammern von Gasturbinentriebwerken erfordern moderne Methoden zur Überwachung des Zustands von Bauteilen. Dabei gibt es sozusagen sowohl das Subjekt als auch die Mittel. Nahezu alle bestehenden und zukünftigen Brennkammern verfügen über eine einigermaßen gute Testbarkeit, insbesondere im Hinblick auf visuelle Inspektionen.

Endoskope XLG3 und XLGo.

Der Einsatz spezieller endoskopischer Geräte erleichtert die visuelle Inspektion und Kontrolle innerer Hohlräume. Die in diesem Zusammenhang am weitesten verbreiteten (und bequemsten) Geräte sind Videoendoskope vom Typ XLGO (Everest XLGO) oder ein „seriöseres“ technisches Endoskop GE Inspection Technologies XL G3 VideoProbe.

Zur Inspektion der Außenfläche von Flammrohren können im Allgemeinen zwei Ansätze verwendet werden. Bei allen modernen Motoren befinden sich im Außengehäuse der Brennkammer Löcher (Ports), die speziell für Bohrrohrinspektionen vorgesehen sind und mit leicht entfernbaren Stopfen verschlossen werden.

Beispiel für Zugangspunktstandorte für die endoskopische Brennkammerinspektion. Motor CFM56-3.

Durch solche Öffnungen kann eine Endoskopsonde nahezu jeden Punkt unter dem Außengehäuse der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks erreichen. Wenn ein Endoskop über eine lange flexible Sonde mit guter Beweglichkeit verfügt (z. B. das gleiche XLGO), wird diese Aufgabe um ein Vielfaches vereinfacht und der Zustand nahezu aller verdächtigen Bereiche kann gut überprüft und analysiert werden, auch mithilfe der 3D-Analyse und Aufnahme hochwertiger Bilder und Videoaufnahmen.

Auf die gleiche Weise (zweite Methode) kann eine Inspektion durch das Loch an der Stelle des entfernten Startzünders durchgeführt werden. Der Aus- und Einbau des Zünders ist normalerweise kein schwieriger Vorgang. In diesem Fall ist es möglich, sowohl die äußeren als auch die inneren Hohlräume der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks zu inspizieren.

Darüber hinaus können die Frontgeräte und der CS-Diffusor durch Boroskopöffnungen für die letzte Stufe des Kompressors (bei Turbofan-Triebwerken und Turbojet-Triebwerken handelt es sich um einen Niederdruckkompressor) inspiziert werden. Ebenso wird der Gassammler des Flammrohrs (sowie das gesamte Flammrohr von innen) durch Boroskopöffnungen am Düsenapparat der ersten Turbinenstufe inspiziert.

XLGO-Bild der Innenflächen der Brennkammer.

Innere Hohlräume des CS auf dem Bildschirm des Videoendoskops.

Anschlüsse dieser Art (sowohl am Verdichter als auch an der Turbine) sind an fast allen modernen Gasturbinentriebwerken zu finden. Diese Arbeiten erfordern keine Demontage des Motors oder andere aufwendige Demontage- und Installationsarbeiten.

Das Video zeigt ein Panorama auf dem Display des XLGO-Geräts bei der Inspektion der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks. Interessanterweise handelt es sich hierbei um eine zweistufige DAC-Brennkammer (siehe unten).

Ökologische Nuancen.

Unter den modernen Bedingungen des globalen Wachstums des Luftverkehrsvolumens, sowohl im Passagier- als auch im Frachtverkehr, würde ich sagen, dass die Kultur des Einsatzes von Flugzeugtriebwerken immer wichtiger wird. Das heißt, eine Person beschäftigt sich nicht nur mit den hohen Schubeigenschaften eines Flugzeuggasturbinentriebwerks, sondern auch mit seiner Effizienz und Umweltfreundlichkeit.

Umweltfreundlichkeit steht in direktem Zusammenhang mit schädlichen Motoremissionen in die Atmosphäre. Bei der Herstellung moderner Motoren (und damit der Brennkammern von Gasturbinentriebwerken) werden mittlerweile recht hohe Anforderungen an deren Anzahl gestellt. Dies zwingt Entwickler und Konstrukteure von Brennkammern dazu, neue, unkonventionelle Techniken anzuwenden.

Was ist das Wesentliche dieser Techniken und was sind tatsächlich schädliche Emissionen?

Die grundlegende Formel für die Verbrennung (Oxidation) von Kraftstoff (Kerosin) in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks lautet ungefähr wie folgt: C 12 H 23 + 17,75 O 2 = 12 CO 2 + 11,5 H 2 O

Das heißt, die beiden Hauptprodukte, die bei der Kraftstoffverbrennung entstehen, sind Wasser und Kohlendioxid.

Die Gase, die die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks verlassen, enthalten in den größten Mengen: Sauerstoff O2, Stickstoff N2 sowie Kohlendioxid und Wasser, die bei der Verbrennung entstehen. Darüber hinaus gibt es Produkte unvollständiger Oxidation wie CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC (wie CH4, C2H4) sowie Zersetzungsprodukte infolge der Hochtemperaturdissoziation.

In geringeren Mengen sind Stoffe wie SO (normalerweise als Folge der Oxidation von im Kraftstoff enthaltenem Schwefel), Stickoxide NOx, verschiedene Amine, Cyanide, Aldehyde und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (in geringen Mengen) vorhanden. Darüber hinaus liegt Kohlenstoff in Form von Ruß und Rauch vor, der durch die thermische Zersetzung des Kraftstoffs in Bereichen mit Überschuss entsteht.

Von dieser gesamten Liste haben nur die ersten vier Produkte keine toxischen Eigenschaften und haben keine schädlichen Auswirkungen auf die Atmosphäre (obwohl dies im Hinblick auf CO2 relativ ist). Der Rest ist irgendwie schädlich für die Atmosphäre, lebende Organismen und den Menschen. Einige sind besonders gefährlich.

Dazu gehören Stickoxide NOx (insbesondere NO und NO2), Kohlenmonoxid CO (Kohlenmonoxid), Kohlenwasserstoffe CH unterschiedlicher Zusammensetzung (krebserregend, weithin bekannt). Benzopyren C20H12) und Kohlenstoff in Form von Ruß oder Rauch (adsorbiert Giftstoffe an sich selbst und wird bei Einnahme nicht daraus entfernt).

Emission dieser Stoffe durch Flugzeugtriebwerke in die Atmosphäre ( Emission) wird nun durch ziemlich strenge Sonderregeln der ICAO (die letzte aktualisierte Reihe von Standards CAEP 8 von 2010) geregelt.

Der Hauptteil der Stickoxide (bis zu 90 %) entsteht in Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks nach dem sogenannten thermischen Mechanismus, wenn Luftstickstoff bei hohen Temperaturen durch Sauerstoff oxidiert wird. Das heißt, damit weniger NOx vorhanden ist, ist erstens eine niedrigere Verbrennungstemperatur und zweitens eine niedrigere Sauerstoffkonzentration erforderlich, wobei der Einfluss des zweiten Faktors weniger groß ist.

Die maximale Verbrennungstemperatur wird bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung des Brennelements erreicht (d. h. wenn genau so viel Luft vorhanden ist, wie zur vollständigen Verbrennung der verfügbaren Brennstoffmenge benötigt wird). Der Parameter, der die Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches charakterisiert, ist der bereits erwähnte Luftüberschusskoeffizient ( α ), und in diesem Fall ist es gleich eins.

Der Einfluss von Temperatur und Gemischzusammensetzung auf die Bildung von Stickoxiden.

Allerdings bei Tmax. Es herrschen ideale Bedingungen für eine noch stärkere Bildung von Stickoxiden. Daher unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung ihrer Zahl Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks sollte außerhalb der α=1-Zone arbeiten, das heißt, das Brennelement sollte nicht stöchiometrisch sein. Entweder angereichert oder abgereichert. Außerdem sollte ein gut gemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch (FA) nicht lange in einem Bereich mit hohen Temperaturen verbleiben, was kleinere axiale Abmessungen der Brennkammer mit sich bringt.

CO– Dies ist das Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung von Kraftstoff, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um die Oxidationsreaktion abzuschließen. Dies geschieht in einem Gebiet mit einer reichhaltigen Mischung. Wenn das Gemisch mager oder nahezu stöchiometrisch ist, entsteht durch Dissoziation CO. Daher besteht die Möglichkeit, seiner Bildung entgegenzuwirken, darin, die Brennelemente gründlich zu vermischen und die Vollständigkeit der Verbrennung zu verbessern.

CH- im Gas vorhandene Kohlenwasserstoffe als Folge der thermischen Zersetzung des Kraftstoffs in einfachere Bestandteile und seiner unvollständigen Verbrennung aufgrund schlechter Durchmischung. Die Bekämpfungsmethode besteht in der gleichen guten Durchmischung des Brennelements und gleichzeitig darin, es für eine längere Zeit in der Verbrennungszone zu halten.

Ruß (Kohlenstoff). Seine Entstehung hängt von der Zusammensetzung des Kraftstoffs, der Qualität der Mischung und der Zerstäubung des Kraftstoffs ab. Mit zunehmendem Druck im Brennraum nimmt die Rußbildung zu.

Herkömmliche Brennkammern „alter“ Motoren, die konservativ ausgelegt sind und mit Gemischen nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung (α=1) arbeiten, reduzieren die Menge an Schadstoffemissionen nicht wesentlich. In Niedrigschubmodi mit reduzierter Verbrennungseffizienz (bis zu 88-93 %) steigen die CO- und HC-Emissionen, und mit zunehmender Last steigen die Temperatur und damit die NOx-Emissionen.

Daher entwickeln die weltweit führenden Hersteller von Gasturbinentriebwerken mithilfe innovativer Technologien neue emissionsarme Kompressoren, um dieses Problem zu lösen und die Einhaltung der CAEP-Anforderungen zu erreichen.

Diese Arbeit ist aufgrund der Komplexität und Sensibilität der im CS ablaufenden Prozesse sehr schwierig. Faktoren, die die Bildung schädlicher Emissionskomponenten (NOx, CO, CH, Ruß) beeinflussen, können häufig in einem gewissen Widerspruch zueinander und zu Motorparametern wie Traktionseffizienz und Wirtschaftlichkeit stehen.

Zum Beispiel:

Der Betrieb der Brennkammer in einer kraftstoffreichen Zone verringert die Möglichkeit der NOx-Bildung, erhöht jedoch die Kohlenstoffemissionen in Form von Ruß deutlich. Der Betrieb in einer Zone mit magerem Gemisch reduziert die Menge an Stickoxiden und Ruß, es besteht jedoch die Tendenz, dass die Menge an CO und CH zunimmt. Darüber hinaus gewährleistet ein mageres Gemisch keine stabile Zündung und keinen stabilen Betrieb in Modi mit geringem Schub.

Reduzierung der axialen Abmessungen Brennkammern von Gasturbinentriebwerken, wie bereits erwähnt, verringert auch die Menge an gebildetem Nox, gleichzeitig besteht jedoch wieder eine Tendenz zu einer Zunahme der Bildung von CO und CH. Die Startmöglichkeiten solcher Kameras in großer Höhe sind eingeschränkt.

Im Allgemeinen sind Kompromisse unerlässlich, um zu einer akzeptablen Entscheidung über den zu wählenden Weg zu gelangen. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich zwei Hauptrichtungen bei der Schaffung vielversprechender Brennräume für moderne Motoren mit hohem Druckanstieg im Kompressor deutlich herauskristallisiert.

Erste Richtung. CS arbeitet im Auslegungsmodus (hoher Schub) mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch. In solchen Kammern wird im Hauptmodus eine gute Vormischung der Brennelemente und eine hochwertige Verdampfung des Brennstoffs erreicht. Eine solche Kammer kann jedoch im Niedrigschubmodus nicht unabhängig eine gute Zündung und Verbrennung gewährleisten.

Die Lösung des Problems führt in der Regel zur Schaffung zweier Verbrennungszonen: einer Pilotzone für den Start- und Low-Power-Modus, die mit fettem Gemisch arbeitet und für niedrige CO- und CH-Emissionen optimiert ist, und einer Hauptzone für hohen Schub Entwurfsmodi, die mit einer mageren Brennelementanordnung betrieben werden.

Motoren laufen mit magerem Gemisch.

Solche Zwei-Zonen-Kameras (sowie Zwei-Stufen-Kameras) sind recht komplex im Design, haben eine große Masse und sind teuer. Für ihre Herstellung wurde aufgrund der hohen thermischen Belastungen (im Vergleich zu herkömmlichen Kameras) eine neue sogenannte Segmenttechnologie entwickelt.

Jeder ringförmige Abschnitt, aus dem das Flammrohr besteht, wird in separate Segmente geschnitten, die mit speziellen Haken und Platten (Dübeln) an einem gemeinsamen tragenden Rahmen befestigt werden. Das Ergebnis ist eine „schwebende“ oder „atmende“ Struktur, die spannungsfrei auf thermische Belastungen reagiert. Dadurch können Sie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Flammrohrs erhöhen.

Segmente ermöglichen eine effizientere Kühlung. In den Kühlkanälen wird eine parallel-entgegengesetzte Luftströmung (Konvektion) und eine anschließende Barrierekühlung der Oberfläche organisiert.

Darüber hinaus ermöglicht die segmentierte Bauweise den Einsatz von Keramik bei der Herstellung von Brennkammerelementen.

Ein Beispiel für den betrieblichen Einsatz einer Kamera dieses Typs ist der CFM56 DAC (Dual Annular Combustor), der auf CFM56-5B/7B-Triebwerken installiert ist. Seine Indikatoren sind im Diagramm sichtbar. Und auch eine DAC-Kammer bei GE90-94B/115B-Motoren. Bei allen diesen Motoren wird als zusätzliche Option, also auf Kundenwunsch, ein Brennkammertyp eingebaut.

Brennkammer-DAC für CFM56-Motoren. 1 – Pilotzone, 2 – Hauptzone.

Unterschiede in der Menge schädlicher Emissionen (DAC SAC/Dual-Single).

Als vielversprechende Technologien und darauf basierende und mit magerem Gemisch betriebene Brennkammern, die grundsätzlich DAC-Kammern ersetzen sollen, können wir die ANTLE-Technologie (Affordable Near Term Low Emissions) von Rolls-Roys (sowie) nennen eine noch weiter entfernte Perspektive - CLEAN) und die TAPS-Technologie (Twin Annular Premixing Swirler) von General Electric.

Fortschrittliche Brennkammer mit ANTLE-Technologie.

Derartige Brennkammern arbeiten nach dem Prinzip der sogenannten Vormischung. Vereinfacht ausgedrückt sind hier Luftdüsen einer bestimmten Bauart in einem Block aus speziellen Luftverwirblern untergebracht. Die Vorverwirbelung (Verwirbelung) der Luft selbst beginnt nämlich bereits vor dem Eintritt in das Flammrohr.

Dieses Design verbessert die Verbrennungsbedingungen und die Zuverlässigkeit erheblich. Die Verbrennungszonen sind hier nacheinander angeordnet. Es gibt auch einen Pilotbereich für stabilen Start und Betrieb mit geringem Schub. Ein kurzes Video veranschaulicht dieses Prinzip.

Solche Kammern haben eine verkürzte axiale Größe und praktisch keine Löcher im Flammrohr für den Durchgang von Sekundärluft. TAPS-Brennkammern sind hinsichtlich der Emissionen (Nox, CO, CH) DAC-Kammern überlegen. Solche CS sind für den Einsatz bei CFM-56-7B-Triebwerken geplant.

Die zweite Entwicklungsrichtung des CS. Das ist RQL-Technologie. Die Abkürzung steht für: Rich-Burn, Quick-Mix, Lean-Burn Combustor, also Verbrennung eines fetten Gemisches, schnelles Mischen und Verbrennung eines mageren Gemisches. Das ist tatsächlich das ganze Prinzip.

Die RQL-Kammer ist im Wesentlichen eine Zweizonen-Brennkammer mit einer sequentiellen Anordnung von Verbrennungszonen. Die erste ist eine Zone mit einer fetten Brennelementanordnung (in der Abbildung beträgt der Kraftstoffüberschusskoeffizient φ oder FAR (inverses α oder AFR) 1,8). Hier findet eine stabile Verbrennung bei relativ niedriger Temperatur und geringer Sauerstoffmenge statt.

Daher ist auch die Menge der gebildeten Stickoxide gering. Dabei entstehen jedoch recht viele brennbare Stoffe wie CO, einfache Kohlenwasserstoffe CH, Wasserstoff H2 sowie Kohlenstoff (Ruß). Da diese Stoffe nicht in die Atmosphäre gelangen können, wird eine zweite Verbrennungszone eingerichtet.

Prinzip der RQL-Technologie.

Motoren, die nach dem RQL-Prinzip arbeiten.

Durch spezielle Löcher in den Wänden des Flammrohrs (Mischer) wird zusätzliche Luft zugeführt, sodass das Gemisch mager wird (φ (FAR) = 0,6). Anschließend erfolgt die Verbrennung des mageren Gemisches, bei der die Bildung von NOx ebenfalls gering ist und CO, CH und H2 aus der „fetten“ Zone verbrannt werden. Dadurch verlässt das Gas die Brennkammer mit einer (idealerweise) völlig akzeptablen Zusammensetzung der Komponenten.

Der Hauptschwerpunkt und das Problem dieser Technologie besteht darin, eine schnelle und qualitativ hochwertige Durchmischung des Gasstroms in der Zwischenstufe (Quick-Mix) sicherzustellen, um die Bildung einer Mischung mit stöchiometrischer Zusammensetzung (praktisch) zu verhindern. Dies kann zu einem starken Temperaturanstieg der Strömung mit unerwünschten Folgen sowohl hinsichtlich der Schadstoffemissionen als auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Bauelemente führen.

Entstehung von Stickoxiden und das RQL-Prinzip.

Die größten Motorenhersteller der Welt haben eigene Entwicklungen mit RQL-Technologie. Eine der bekanntesten ist die Entwicklung der TALON-Brennkammer (Technology for Advanced Low Nox) durch Pratt & Whitney. Eine der neuesten Optionen ist TALON II für die Motoren PW4158/4168 und PW6000. Als Ausblick kurz vor der Fertigstellung – die nächste Version von TALON X.

Rolls-Roys hat diesbezüglich eine eigene Entwicklung – die „Tiled Phase 5“-Brennkammer, die in Trent 500/800/900/1000-Motoren installiert ist. GE-Unternehmen – Brennkammer mit LEC-Technologie (The Low Emission Combustor).

Eine vielversprechende Brennkammer von Rolls-Roys.

Alle oben genannten sowie die in Betrieb befindlichen Muster sind modern und recht zuverlässig Brennkammern von Gasturbinentriebwerken bis zu dem einen oder anderen Grad nicht ideal. Hier deutliche Verbesserungen zu erreichen, ist nicht einfach. Der komplexe und in vielerlei Hinsicht sogar schwierige Prozess der Schaffung neuer CS und der Überwindung der Hindernisse des konstruktiven Konservatismus schreitet durch viele technische und technische Kompromisse voran.

Es gibt jedoch ein Axiom, das besagt, dass der Fortschritt nicht aufzuhalten ist. Und das stimmt in der Realität. Es reicht aus, beispielsweise den RD-45-Motor mit jedem modernen Militär- und kommerziellen Motor zu vergleichen. Und die Zeitspanne, die sie trennt, ist nicht so lang... Und trotzdem möchte ich schnell...

Das ist alles für den Moment. Vielen Dank, dass Sie bis zum Ende gelesen haben

Die Brennkammer

Die Brennkammer

geschlossener Raum, Hohlraum zum Verbrennen von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen Verbrennungsmotoren. Brennkammern können intermittierend (z. B. in Kolben-Verbrennungsmotoren, in gepulsten Luftatmungsmotoren) und kontinuierlich (z. B. in Gasturbinen, Turbostrahltriebwerken, Flüssigkeitsraketentriebwerken usw.) sein. Bei Kolbenmotoren wird der Brennraum üblicherweise durch die Innenfläche des Zylinderkopfes und den Kolbenboden gebildet. Die Brennkammern von Gasturbinentriebwerken sind meist direkt eingebaut. Verbrennungsprodukte aus der Kammer werden zur Gasturbine geleitet. Bei Turbostrahl- und Flüssigkeitsraketentriebwerken erzeugen Verbrennungsprodukte, die in einer hinter der Brennkammer installierten Düse beschleunigt werden, einen Strahlschub. Eine kontinuierliche Brennkammer ist eine der wichtigsten Komponenten von Flugzeug- und Raumfahrttriebwerken sowie Energie- und Transportgasturbineneinheiten, die im Energiesektor, in der chemischen Industrie, im Schienenverkehr, auf See- und Flussschiffen sowie in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet sind.

Enzyklopädie „Technologie“. - M.: Rosman. 2006 .

Die Brennkammer

Gasturbinentriebwerk – ein Gerät, bei dem durch die Kraftstoffverbrennung die Temperatur der eintretenden Luft (des Gases) ansteigt. Haupt K. s. Das Turboprop- oder Turbostrahltriebwerk befindet sich vor der Turbine und besteht aus einem Gehäuse 6, das einen Hohlraum für das Flammrohr (die Rohre) 5 bildet, in dem der von den Einspritzdüsen 2 zugeführte Kraftstoff verbrannt wird. Der vordere (Einlass-) Teil von Das Flammenrohr ist das sogenannte Frontgerät 3, das für eine teilweise Vermischung des Brennstoffs mit Luft und Heißgas, Flammenstabilisierung und Verbrennung eines Teils des Brennstoffs sorgt. Durch Löcher in den Wänden des Flammrohrs wird der restliche Brennstoff in dieses eingeleitet, um den restlichen Brennstoff zu verbrennen, die Verbrennungsprodukte abzukühlen und zusammen mit dem Gaskollektor 7 das erforderliche Temperaturfeld der in die Turbine eintretenden Gase zu bilden. Die Temperatur der Verbrennungsprodukte hängt vom Luftüberschussverhältnis ab. 1 verlangsamt den Luftstrom auf eine Geschwindigkeit, die eine effiziente Kraftstoffverbrennung mit akzeptablen hydraulischen Verlusten in K.s. ermöglicht. Der Zünder (oder elektrische Zündkerze) 4 dient der anfänglichen Zündung des Kraftstoffs. Um das Flammrohr zu kühlen, wird an seiner Innenwand ein Luftfilm verwendet, der dadurch entsteht, dass Luft durch kleine Löcher in der Wand strömt. Grundlegende K. s. Es gibt drei Typen: röhrenförmig (ein Flammenrohr befindet sich in einem röhrenförmigen Gehäuse), ringförmig (ein gemeinsames Flammenrohr in Ringform befindet sich in dem Ringraum, der durch das Außen- und Innengehäuse gebildet wird), röhrenförmig (Flamme). (Die Rohre befinden sich in einem gemeinsamen Ringraum, der von Außen- und Innengehäuse gebildet wird.) Bis in die 60-70er Jahre. Es wurden hauptsächlich röhrenförmige und röhrenförmige Ringkapseln verwendet, dann begann man mit der Verwendung kompakterer Ringkapseln.
K. s. der zweite Kreislauf eines Turbojet-Bypass-Triebwerks und K. s. Ein Staustrahltriebwerk ähnelt in Prinzip und Aufbau einer Nachbrenner-Brennkammer. Die Arbeit von K. s. charakterisiert.

Luftfahrt: Enzyklopädie. - M.: Große russische Enzyklopädie. Chefredakteur G.P. Swischtschow. 1994 .

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was eine „Brennkammer“ ist:

Ein geschlossener Raum, der zum Verbrennen von Brennstoff (gasförmig, flüssig, fest) bestimmt ist. Es gibt periodische (z. B. bei Kolben-Verbrennungsmotoren) und kontinuierliche Wirkung (bei Gasturbinen- und Strahltriebwerken) ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

- – hier verbrennt der Kraftstoff und drückt den Kolben. EdwART. Wörterbuch des Automobiljargons, 2009 ... Automobilwörterbuch

der Brennkammer- - [A. S. Goldberg. Englisch-Russisches Energiewörterbuch. 2006] Energiewirtschaftliche Themen allgemein DE BrennerbnrFeuerbox ... Leitfaden für technische Übersetzer

der Brennkammer- 3.1.26.1 Brennkammer: Kammer, in der die Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches stattfindet. Quelle … Wörterbuch-Nachschlagewerk mit Begriffen der normativen und technischen Dokumentation

Funktionsschema eines 4-Takt-Verbrennungsmotors Die Brennkammer ist ein Volumen, das aus einer Reihe von Teilen eines Motors oder Ofens besteht (im letzteren Fall wird die Brennkammer als Feuerraum bezeichnet), in dem die Verbrennung eines brennbaren Gemisches oder fest kommt vor ... ... Wikipedia

der Brennkammer Enzyklopädie "Luftfahrt"

der Brennkammer- Hauptbrennkammer. Die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks ist ein Gerät, in dem durch die Kraftstoffverbrennung die Temperatur der eintretenden Luft (des Gases) ansteigt. Haupt K. s. Turboprop-Triebwerk oder Turbojet... ... Enzyklopädie "Luftfahrt"

Ein geschlossener Raum, der zum Verbrennen von Brennstoff (gasförmig, flüssig, fest) bestimmt ist. Es gibt periodische (z. B. bei Kolben-Verbrennungsmotoren) und kontinuierliche (bei Gasturbinen- und Strahltriebwerken). * * * … Enzyklopädisches Wörterbuch

der Brennkammer- Degimo-Kamerastatus T sritis Energetika apibrėžtis Kamera dujoms a degalams deginti. Degimas vyksta periodiškai (stūmokliniuose vidaus degimo varikliuose) arba nuolatos (dujų turbinose). atitikmenys: engl. Brennkammervok. Brennraum, f... Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Ein Raum, der für die Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen bestimmt ist. K. s. Es gibt periodische Aktionen für Kolben-2- und 4-Takt-Verbrennungsmotoren (siehe Verbrennungsmotor) (ICE) und kontinuierliche ... ... Große sowjetische Enzyklopädie

Brennkammern von Dieselmotoren

Für eine gute Gemischbildung ist es gleichzeitig äußerst wichtig, die Kraftstoffzerstäubung und die Luftbewegung im Brennraum richtig zu kombinieren. Dadurch wird die Kraftstoffverteilung in der Kammer verbessert und der Verbrennungsprozess mit der geringsten Luftmenge durchgeführt.

Die Form der Brennkammer sollte:

• entsprechen der Richtung und Reichweite des eingespritzten Kraftstoffstrahls;
• Gewährleistung einer organisierten Bewegung des Luftstroms, einer intensiven Vermischung von Kraftstoff und Luft sowie einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs in kurzer Zeit mit der geringsten Luftmenge;
• sanfter Druckanstieg im Zylinder, moderater Maximaldruck bei der Verbrennung und minimale Wärmeverluste;
• Bedingungen für einen leichteren Motorstart schaffen.

Dieselmotoren werden konstruktionsbedingt in zwei Hauptkategorien eingeteilt: mit ungeteiltem und mit getrenntem Brennraum. Ungeteilte Kammern haben nur einen Raum, in dem sowohl die Gemischbildung als auch die Kraftstoffverbrennung stattfinden. Die geteilten Kammern sind in zwei Teile unterteilt: den Haupt- und den Zusatzraum, die durch einen Hals miteinander verbunden sind. In diesem Fall wird Kraftstoff in die Zusatzkammer eingespritzt.

Das Verfahren unterscheidet zwischen volumetrischer, Film- und kombinierter Gemischbildung.

Bei der volumetrischen Gemischbildung wird der Kraftstoff im Volumen der Brennkammer zerstäubt und nur ein kleiner Teil davon gelangt in die Wandschicht. Die volumetrische Gemischbildung erfolgt in ungeteilten Brennräumen.

Die Filmmischung wird in einer Reihe von Brennkammerkonstruktionen eingesetzt, bei denen fast der gesamte Brennstoff in die wandnahe Zone geleitet wird. Ungefähr 5–10 % des vom Injektor eingespritzten Kraftstoffs gelangen in den zentralen Teil der Brennkammer. Der Rest des Kraftstoffs verteilt sich in Form eines dünnen Films (10–15 Mikrometer) an den Wänden der Brennkammer. Zunächst wird ein Teil des Kraftstoffs, der in den zentralen Teil der Brennkammer gelangt, entzündet, wo normalerweise keine Ladungsbewegung stattfindet und sich die höchste Temperatur einstellt. Wenn es anschließend verdampft und sich mit Luft vermischt, breitet sich die Verbrennung auf den Hauptteil des Kraftstoffs aus und wird in die wandnahe Schicht geleitet. Die Bildung eines Filmgemisches erfordert eine weniger feine Zerstäubung des Kraftstoffs. Es werden Düsen mit einem Düsenloch verwendet. Der Kraftstoffeinspritzdruck überschreitet 17–20 MPa nicht. Das Filmmischen sorgt im Vergleich zum volumetrischen Mischen für eine bessere wirtschaftliche Leistung des Motors und vereinfacht die Konstruktion der Kraftstoffausrüstung. Der Hauptnachteil ist das schlechte Startverhalten des Motors bei niedrigen Temperaturen aufgrund der geringen Kraftstoffmenge bei der anfänglichen Verbrennung. Dieser Nachteil wird durch die Erwärmung der Luft am Einlass oder durch die Erhöhung der Brennstoffmenge, die an der Bildung der anfänglichen Verbrennungsquelle beteiligt ist, beseitigt.

Eine kombinierte Gemischbildung wird bei kleineren Durchmessern der Brennkammer erreicht, wenn ein Teil des Kraftstoffs die Wand erreicht und sich in der Wandschicht konzentriert. Der andere Teil der Kraftstofftröpfchen befindet sich im Innenvolumen der Ladung. Ungefähr 50 % des Kraftstoffs setzen sich auf der Oberfläche der Kammer ab. Beim Eintritt in die Kammer entsteht keine Rotationsbewegung der Ladung. Beim Verdrängen aus dem Raum oberhalb des Kolbens in den Brennraum wird die Ladung in Bewegung gesetzt und es entsteht ein Wirbel. Die Geschwindigkeit der Ladung erreicht 40–45 m/s. Ein charakteristisches Merkmal der Filmmischungsbildung ist die Gegenbewegung der aus dem Raum über dem Kolben verdrängten Kraftstoff- und Ladungsstrahlen, die dazu beiträgt, die im Volumen der Brennkammer suspendierte Kraftstoffmenge zu erhöhen und den Prozess näher an die volumetrische Mischung heranzuführen Formation. Düsen werden bei Sprühgeräten mit 3–5 Düsenlöchern verwendet.

Brennkammern mit Direkteinspritzung. Bei Dieselmotoren mit solchen Kammern wird der Kraftstoff durch eine Düse mit einem Arbeitsdruck von 15–30 MPa, die über Mehrlochdüsen (5–7 Löcher) mit kleinem Durchmesser der Düsenkanäle (0,15–30 MPa) verfügt, direkt in den Brennraum eingespritzt. 0,32 mm). Derart hohe Einspritzdrücke werden verwendet, weil in diesem Fall die Zerstäubung und Vermischung des Kraftstoffs mit Luft hauptsächlich durch die kinetische Energie erreicht wird, die dem Kraftstoff während der Einspritzung verliehen wird. Um eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung in der Kammer zu gewährleisten, sind die Einspritzdüsen solcher Motoren häufig mit mehreren Löchern versehen.

In Abb. Abbildung 6.4 zeigt die Brennräume von Motoren mit Direkteinspritzung und volumetrischer Gemischbildung.

Reis. 6.4. Ungeteilte Brennräume zur volumetrischen Gemischbildung:

a – halbkugelförmig, b – toroidförmig

Reis. 6.6. Ungeteilte Brennräume zur Filmgemischbildung:

a – Dieseltyp MAN, b – Typ Gesselman

Darüber hinaus wird der Brennraum bei der Filmgemischbildung plattenförmig ausgebildet (Abb. 6.6b). Der Kraftstoffstrahl aus der Düse erreicht aufgrund der kurzen Distanz den Boden der Kammer und setzt sich in Form eines Films ab.

Kraftstoffstrahlen treffen in einem spitzen Winkel auf die Wand und legen eine relativ kurze Strecke zurück. Ungefähr 50 % des Kraftstoffs setzen sich auf der konischen Oberfläche der Kammer ab.

Der Hauptvorteil von Brennkammern mit Direkteinspritzung im Vergleich zu Kammern anderer Typen ist folgender.

1. Die einfache und kompakte Form der Brennkammer sorgt für weniger Wärmeverluste während des Verbrennungsprozesses und einen höheren effektiven Wirkungsgrad.

2. Eine weniger intensive Kühlung der Luft während der Kompressionsperiode (Kompaktheit der Kammer und relativ geringe Wirbelbewegung der Luft) schafft Voraussetzungen für einen leichteren Start. Die Startzeit eines Motors mit Direkteinspritzung ist 1,8- bis 3,6-mal kürzer als beim Starten von Motoren mit anderen Brennräumen.

3. Das Design des Zylinderkopfes wird vereinfacht.

Die Nachteile von Brennkammern mit Direkteinspritzung sind wie folgt.

1. Die Gemischbildung erfolgt bei hohen Einspritzdrücken (bis zu 30 MPa). Dadurch steigen die Anforderungen an die Kraftstoffversorgungsanlagen.

2. Der Verbrennungsprozess ist durch erhebliche Drücke gekennzeichnet. Die Druckanstiegsgeschwindigkeit ist hoch. Aufgrund der zunehmenden Belastung des Kurbeltriebs ist es notwendig, den Sicherheitsspielraum der Motorkomponenten zu erhöhen.

3. Kleine Düsenlöcher des Einspritzzerstäubers (0,1–0,25 mm) erfordern eine präzise Ausführung und können verstopfen, wenn der Kraftstoff nicht ausreichend gereinigt ist. Aus diesem Grund muss Kraftstoff mit großer Sorgfalt gereinigt werden. Geringe Abweichungen der Kraftstoffqualität von der Norm beeinträchtigen die Motorleistung.

Vorkammern. Vorkammer-Dieselmotoren haben einen zweigeteilten Brennraum (Abb. 6.8). Die Hauptkammer befindet sich direkt über dem Kolben. Sein Volumen beträgt 0,75–0,60 des Gesamtvolumens der Brennkammer. Die Vorkammer befindet sich im Zylinderkopf. Es nimmt 0,25–0,40 Volumina des Gesamtvolumens der Kammer ein. Die Vorkammer ist über einen oder mehrere Kanäle mit der Hauptkammer verbunden.

Dabei werden 20 bis 30 % des eingespritzten Kraftstoffs verbrannt, was der in der Vorkammer enthaltenen Luftsauerstoffmenge entspricht.

Wenn ein Teil des Kraftstoffs verbrennt, steigen Temperatur und Druck in der Vorkammer. Brennende Gase und unverbrannter Brennstoff strömen von der Vorkammer in die Hauptkammer. Hier setzt sich die Verbrennung des Kraftstoffs fort und endet im Prozess der Expansion.

Bei Vorkammermotoren wird eine intensive Gemischbildung hauptsächlich durch die Energie des Kraftstoffs erreicht, der teilweise in der Vorkammer verbrannt wird. Diese Energie verursacht einen Druckunterschied zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer (normalerweise 1,5 MPa), der die Voraussetzungen für eine intensive Gemischbildung und eine feinere Zerstäubung des zuvor in der Vorkammer zerstäubten Kraftstoffs schafft.

Die Gemischbildung wird durch die Bildung von Wirbelbewegungen der Luft begünstigt, wenn diese sich während des Verdichtungsvorgangs von der Hauptkammer in die Vorkammer bewegt. Der Injektor solcher Motoren ist üblicherweise mit einem Loch ausgeführt.

Wirbelkammern. Motoren mit Wirbelkammern haben wie Vorkammermotoren eine zweigeteilte Kammer (Abb. 6.9). Die Hauptkammer befindet sich direkt über dem Kolben und hat ein relativ kleines Volumen. Die Wirbelkammer befindet sich im Zylinderkopf, hat eine stromlinienförmige Form (eine Kugel oder eine abgeflachte Kugel) und wird durch Wasser gekühlt. Sein Volumen beträgt 50 bis 75 % des Gesamtvolumens der Brennkammer. Dieses Volumen ermöglicht die Beteiligung einer großen Luftmenge an der Wirbelbewegung. Die Wirbelkammer ist über einen Hals mit der Hauptkammer verbunden.

Während der Verbrennungsperiode steigt der Druck in der Wirbelkammer stark an. In diesem Fall strömen Verbrennungsprodukte und der unverbrannte Teil des Kraftstoffs in die Hauptkammer. Hier setzt sich der Verbrennungsprozess fort und endet mit der Expansion.

Bei Motoren mit Wirbelkammern werden zur Gemischbildung hauptsächlich Wirbelluftströme genutzt, die beim Verdichtungsvorgang in der Wirbelkammer entstehen. Der Druckunterschied zwischen den Kammern ist relativ gering (normalerweise 0,6 MPa). Injektoren für solche Motoren werden üblicherweise mit einem Loch verwendet. Der Förderanfangsdruck beträgt 8–10 MPa.

Dieselmotoren mit getrennten Brennräumen erreichen einen rauchfreien Betrieb bei niedrigen Luftüberschussverhältnissen. Die Anforderungen an die Qualität der Kraftstoffzerstäubung werden deutlich reduziert und es kommen geschlossene Injektoren mit einem Düsenloch mit großem Durchmesser (1–2 mm) zum Einsatz. Der Kraftstoffeinspritzdruck beträgt 12–15 MPa, was einen reibungslosen Motorbetrieb gewährleistet. Diese Dieselmotoren sind die schnellsten aller Dieselmotoren.

Die Hauptnachteile getrennter Brennkammern:

Brennkammern von Dieselmotoren – Konzept und Typen. Einteilung und Merkmale der Kategorie „Brennräume von Dieselmotoren“ 2017, 2018.

Kundenspezifische Brennkammer eines Rolls-Royce RB.41 Nene-Motors.

Auf dieser Seite wurde in einem der frühen Artikel bereits eine ziemlich bekannte Aussage gemacht. Es mag etwas anmaßend klingen (je nachdem, wer :-) ist, aber die Analogie ist richtig. Schließlich wird der Motor nicht funktionieren und das Flugzeug wird kein Flugzeug mehr sein.

Auf der Erde bleibt es zwar komplex angeordnet, aber im Wesentlichen tot, ein Aggregat. Und in der Luft gleitet er bestenfalls zur Notlandung (ein Helikopter nutzt das Prinzip zum Sinkflug, allerdings auch bei günstigen Bedingungen). Das über den Motor Gesagte lässt sich jedoch auch auf seinen Brennraum übertragen.

Brennkammer eines Flugzeuggasturbinentriebwerks – das ist auch eine Art seines Herzens. Es wird nicht funktionieren (oder schlecht funktionieren) – der Motor stoppt mit allen daraus resultierenden Konsequenzen. Woher kommt diese einzigartige Notwendigkeit?

Fluggasturbinentriebwerke gehören bekanntlich zur Klasse der Strahltriebwerke. Luftatmende Motoren werden üblicherweise in zwei Typen unterteilt: direkte und indirekte Reaktionen . Apropos Motoren direkte Reaktion, das heißt diejenigen, die einen Abgasstrom nutzen, um Schub zu erzeugen, dann wird es hier von grundlegender Bedeutung Prinzip des Strahlantriebs.

Dieses Prinzip an sich bedeutet jedoch nicht unbedingt das Vorhandensein einer Brennkammer. Alle Naturbeweger dieser Art haben es natürlicherweise nicht. Der Oktopus zum Beispiel scheint mit seiner Wasserkanone ganz zufrieden zu sein :-). Und es gibt viele solcher Beispiele in der Technik. Nehmen wir an, die gleichen Motoren für die Orbitalorientierung von Raumschiffen und Stationen.

In der einfachsten Definition Jet-Schub Dabei handelt es sich um die Abtrennung eines Teils eines Körpers mit einer bestimmten Masse und einer bestimmten Geschwindigkeit relativ zu diesem Körper. Die Größe des erzeugten Impulses und letztendlich des Schubs hängt von der Größe dieser Masse und Geschwindigkeit ab.

Für einen luftatmenden Motor in seiner natürlichen Umgebung, der Atmosphäre, ist die oben genannte Masse die Luftmasse, die pro Zeiteinheit durch den Gas-Luft-Pfad strömt. Mehr Luft strömt durch den Motor – mehr Schub.

Insbesondere diese Situation lässt sich gut an einem Beispiel mit einem hohen Bypass-Verhältnis veranschaulichen. Eine wirksame und praktisch einzige Möglichkeit, den Luftstrom zu erhöhen, besteht in diesem Fall darin, ihn zu erhöhen Motordurchmesser.

Allerdings hat diese Methode der Traktionssteigerung ihre Grenzen. Schließlich kann der Motordurchmesser nicht unbegrenzt wachsen. Solche Maßnahmen führen letztlich zu einer Steigerung Widerstand und Gewicht(plus natürlich Gesamtabmessungen). Und das sind die Hauptfeinde des Flugzeugs.

Zweiter Faktor, die sich direkt auf die Schubmenge auswirkt, ist die Geschwindigkeit, mit der die Luft (oder das Gas), die durch das Triebwerk strömt, es durch die Auslassvorrichtung (Düse) verlässt. Sie können auch versuchen, es zu erhöhen.

Wenn wir die Brennkammer nicht berücksichtigen (sie aufgeben), dann scheint es, dass dies tatsächlich dadurch erreicht werden könnte, dass der Druck entlang des Motorpfads erhöht wird, sodass dieser Druck in der Auslassvorrichtung aktiviert wird und das Gas austritt Motor mit hoher Geschwindigkeit, wodurch ein Strahlschub entsteht.

Stellen wir uns zum Beispiel einen „idealen“ Direktstrommotor ohne Brennkammer vor, der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, dann wird die einströmende Luft mit steigendem Druck verlangsamt. Dieser Druck wird dann im Idealfall in der Düse ausgelöst und wir erhalten einen Strahlschub. Ein solcher Motor muss eine bestimmte, zunächst vorgegebene Drehzahl einhalten. Achtung, ohne Brennkammer.

Ja, das sollte er. Und theoretisch (unter bestimmten Voraussetzungen) ist dies möglich. Aber er wird es nicht tun, denn in der Praxis (sozusagen in der Hardware) wird es sicherlich zu Verlusten der mechanischen Energie kommen, die durch die Komprimierung von Luft im Motoreingangsgerät gewonnen wurde.

Infolgedessen ist die tatsächliche Abgasgeschwindigkeit geringer als die angegebene, was zu einem Druckabfall im Inneren des „Motors“ führt, was ihn wiederum noch mehr verlangsamt, und so weiter zum natürlichen Ergebnis :-) . In Wirklichkeit ist ein solcher Motor nicht lebensfähig.

Selbst wenn wir die Verluste vernachlässigen, wird er außerdem nicht in der Lage sein, die Geschwindigkeit unabhängig zu erhöhen. Schließlich wird er keinen Kontrolleinfluss haben, der ihn dazu veranlassen könnte ( in einer echten Brennkammer- das ist die Kraftstoffversorgung). Darüber hinaus wird er auch nicht wie jeder Direktstrommotor selbstständig starten und den gewünschten Geschwindigkeitsmodus erreichen können.

Um das Triebwerk wiederzubeleben, ist es notwendig, dem durchströmenden Luftstrom zusätzliche Energie zuzuführen, die ausreicht, um unvermeidliche Verluste zu neutralisieren, und diesen Strom in der Düse zu beschleunigen, um ausreichend Schub zu erhalten.

Dies sind die Funktionen, die es ausführt Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks. Es versorgt die Strömung mit Wärmeenergie, die durch die chemische Reaktion der Kraftstoffoxidation mit Luftsauerstoff, also einfach durch dessen Verbrennung, entsteht.

Um sozusagen einen All-Mode-Betrieb zu gewährleisten, enthält ein vollwertiges Direktreaktionsstrahltriebwerk auch einen Kompressor, der von einer Turbine angetrieben wird. Als Ergebnis erhalten wir einen Gasgenerator ( Kompressor - Brennkammer - Turbine ), die Grundlage jedes modernen Gasturbinentriebwerks. Im Englischen gibt es sogar einen charakteristischen Namen dafür: „core“, eine Übersetzung davon bedeutet „core“. Und das Herzstück dieses „Kerns“ ist genau die Brennkammer, die ihm Leben verleiht.

Dadurch erreichen moderne Strahltriebwerke einen hohen Schub. Sie sind auch vollständig darauf angewiesen, obwohl 80 % (und mehr) des Schubs vom Gebläse kommen, also dem zweiten Kreislauf, in dem es keine Brennkammer gibt. Allerdings wird ein großer, schwerer Ventilator von einer Turbine angetrieben, die ohne das CS ihre nützlichen Funktionen nicht erfüllen könnte.

In einem Gasgenerator kann der energiereiche Gasstrom, der die Brennkammer verlässt, seine Energie im Wesentlichen auf zwei Arten verbrauchen. Erste, wenn ein kleiner Teil davon zum Drehen der Turbine zum Antrieb des Kompressors verwendet wird und der Rest zur Erzielung eines großen Strahlschubs verwendet wird.

In diesem Fall erhalten wir, wie oben erwähnt, Direktreaktions-VFD. Dazu gehören alle echten Strahltriebwerke – Turbojet-Triebwerke, Turbofans, Turbofan-Triebwerke (F), Turbojet-Triebwerke, Staustrahltriebwerke usw.

Und der zweite, wenn der Großteil (also fast die gesamte :-)) der Strömungsenergie an der Turbine erzeugt wird, nicht nur um den Kompressor zu drehen, sondern auch um Nutzarbeit an der Motorwelle (an der Hauptwelle oder am freien) zu erhalten Turbinenwelle).

Dies werden bereits die sogenannten sein VRD der indirekten Reaktion , die einen zusätzlichen Beweger erfordern, um ihre „Nützlichkeit“ zu zeigen. Normalerweise ist dies der Fall, und die Triebwerke selbst sind Theatertriebwerke oder Hubschrauber-Gasturbinentriebwerke ().

Die Rolle der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks ist jedoch unabhängig von ihrem Typ unverändert und sehr wichtig.

Das Konzept selbst „die Brennkammer“ in der Technik recht weit verbreitet. Es ist in jeder Wärmekraftmaschine vorhanden (einschließlich eines herkömmlichen Automobil-Verbrennungsmotors in seinen Kolbenzylindern). Aber der Aufbau, die Bedingungen und das Funktionsprinzip sind natürlich bei jeder Maschine unterschiedlich.

Aufgrund seiner Besonderheit verfügt ein Fluggasturbinentriebwerk über die sogenannte Durchgehende Brennkammer(im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor) und arbeitet wie eine Wärmekraftmaschine nach thermodynamischen Grundsätzen Brighton-Zyklus.

Funktionsschema des grundlegenden (idealen) Brayton-Zyklus.

In diesem Zyklus auf der Website N-Kad Die adiabatische Kompression der Luft erfolgt zunächst in der Einlassvorrichtung (Lufteinlass). N-V), dann im Kompressor. Dann auf dem Segment Kad-G Dem Gasstrom in der Brennkammer wird Wärme zugeführt. Dieser Vorgang ist isobar, das heißt, der Druck im Brennraum bleibt konstant.

Dann vor Ort G-Garten Das Gas expandiert adiabatisch, zunächst in der Turbine ( G-T) und dann in der Strahldüse ( T-traurig). Handlung Sad-N entspricht dem isobaren Prozess der Wärmeabfuhr in die Atmosphäre. Das heißt, es ist derselbe Kühlschrank, ohne den niemand leben kann.

Korrelation zwischen dem idealen und dem realen Brayton-Zyklus.

Die beschriebenen Prozesse entsprechen jedoch Idealer Zyklus. In Wirklichkeit ist das Arbeitsmedium im Motor nicht Luft, sondern Gas, dessen Wärmekapazität nicht konstant ist. Darüber hinaus muss es in einem echten Motor vorhanden sein Verluste: hydraulisch, mechanisch und thermisch.

Deshalb tatsächlicher Arbeitszyklus etwas vom Ideal abweichen. An den Standorten N-K Und G-S Prozesse laufen nicht entlang von Adiabaten ab, sondern entlang steilerer Polytrope, da es spürbare hydraulische Verluste gibt, die zur Gaserwärmung beitragen.

Und der Bereich, der uns interessiert KG, also diejenige, auf der die Brennkammer im realen Zyklus tatsächlich arbeitet, ist nicht mehr horizontal. Es hat die Form einer absteigenden Linie.

Das heißt, die Wärmeversorgung Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks tritt nicht bei konstantem, sondern bei fallendem Druck auf. Dies geschieht aus demselben Grund hydraulische Verluste, die sich leider nicht vermeiden lässt und deren Reduzierung viel Aufmerksamkeit bei der Erstellung und Feinabstimmung einer Brennkammer auf einer Werkbank erfordert. Darüber hinaus kommt es bei einem echten CS zu einem leichten Anstieg des Gasdurchflusses, was auch einen gewissen Druckabfall mit sich bringt.

Auf diese Weise Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks Arbeitet daran, die Energieintensität des Gasstroms durch den Motor zu erhöhen. Je höher die Temperatur der Gase ist, die die Brennkammer verlassen, desto höher ist letztendlich die Geschwindigkeit ihres Ausströmens aus der Triebwerksdüse (oder die verfügbare Leistung).

Es kann davon ausgegangen werden, dass eine Erhöhung des Kompressionsgrades der in die Brennkammer eintretenden Luft (d. h. Kompressionsverhältnis des Kompressors), Dies ist jedoch nicht ganz richtig.

Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Verdichter bedeutet eine Erhöhung der Energieabgabe des Gasstroms an die Turbine. Das heißt, die Turbine muss mehr Arbeit leisten, um den Kompressor zu drehen, um eine höhere Kompression der darin enthaltenen Luft zu erreichen.

In diesem Fall dehnt sich das aus der Brennkammer austretende Gas in der Turbine stärker aus und der Druck darin sinkt, was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit des Gasstroms aus der Triebwerksdüse (bzw. des in der freien Turbine erzeugten Energieanteils) führt des Turbowellenmotors).

In der Praxis stellt sich daher heraus, dass mit zunehmendem Druckanstieg im Kompressor die Geschwindigkeit des Gasstroms aus der Düse leicht zunimmt oder überhaupt nicht zunimmt oder sogar abnimmt.

Daher das Wichtigste um das Kompressionsverhältnis zu erhöhen im Kompressor ist Verbesserung der Brennkammerleistung im Hinblick auf die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs im Verhältnis zum Schub, also die Steigerung des Triebwerkswirkungsgrades bzw. die Steigerung seines Wirkungsgrades. Und um die Geschwindigkeit des Gasstroms aus der Triebwerksdüse (und letztendlich den Triebwerksschub) zu erhöhen, wird ein verständlicherer Weg verwendet – nämlich die Erhöhung der Gastemperatur Temperatur im Brennraum des Motors.

Allerdings ist die Erhöhung der Gastemperatur ein sehr schwieriger Weg, da sie sich direkt auf die Betriebsbedingungen auswirkt Brennkammern von Gasturbinentriebwerken, und diese Bedingungen sind, gelinde gesagt, sehr spezifisch und schwierig, trotz der manchmal scheinbaren Einfachheit der Struktur dieser Einheit. Hier zum Beispiel ein paar Zahlen und Fakten zu diesem Thema.

Luftstrom Beim Eintritt in die Brennkammer kann eine Temperatur von bis zu 700 °C und ein Druck von bis zu 45 atm herrschen. Im Inneren (im Brenner) kann die Temperatur Werte in der Größenordnung von 2200 °C und am Ausgang 1650 °C erreichen. Dabei ist zu beachten, dass der Schmelzpunkt der Materialien, aus denen die Einheiten zur direkten Verbrennung des Brennstoffs (das sogenannte Flammrohr) bestehen, bei etwa 1300–1350 °C liegt.

Dieser Wert ist wahr, wird unter normalen Betriebsbedingungen bei bestimmungsgemäßer Verwendung nicht erreicht Kühlmethoden. Wärme wird auf Strukturelemente übertragen Brennkammern von Gasturbinentriebwerken Es gibt zwei Hauptmethoden: konvektiv (mit direktem Kontakt heißer Gase mit den Wänden der Brennkammer) und die direkte Methode Flammenbrennerstrahlung. Während des Betriebs erreichen die Temperaturen der Brennkammergehäuse Werte in der Größenordnung von 350–400 °C und die der Flammrohre 750–950 °C.

Stream-Aufteilung Bei einzelnen Strahlen beim Durchgang durch verschiedene Elemente der CS-Struktur trägt der Betrieb von Düsen, verschiedenen Arten von Verwirblern und Mischern in Kombination mit einer gewissen Ungleichmäßigkeit des Temperaturfelds und der Erwärmung einzelner Teile zum Auftreten von Verwerfungen bei (wie z (im Extremfall sogar Burnouts) der CS-Elemente.

An die Macher Brennkammern von Gasturbinentriebwerken es besteht auch die Aufgabe, die sog. sicherzustellen stabile Verbrennung in einem Strom(und damit Betriebssicherheit). Dies muss unter Bedingungen geschehen, die, gelinde gesagt, für eine normale Verbrennung und zuverlässige Flammenausbreitung ungeeignet sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten sind sehr hoch (manchmal höher als die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit) und die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann häufig außerhalb der Konzentrationszone der Flammenausbreitung liegen.

Unter all diesen extremen Bedingungen erhitzte Bauteile (insbesondere Flammrohre) verändern ihre Abmessungen merklich (schließlich dehnen sich Körper bekanntlich bei Erwärmung aus) sowohl radial als auch axial. Dies zwingt Designer dazu, besondere Maßnahmen zu ergreifen Kompensation der Wärmeausdehnung diese Einheiten, um ihre Verformung und den Verlust der Zuverlässigkeit und korrekten Leistung zu vermeiden (meistens so etwas wie eine Gleitverbindung).

Außerdem bei so hohen Temperaturen Es werden hervorragende Bedingungen dafür geschaffen Gaskorrosion von Metallen, aus denen hitzebeanspruchte Teile hergestellt werden. Schließlich werden sie ständig mit chemisch aktiven Gasen unter hohem Druck (bis zu 40 atm) und mit hoher Durchflussrate gewaschen. Dieser unangenehme Umstand kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des CS erheblich reduzieren.

Kurz gesagt, Arbeitsbedingungen Brennkammern von Gasturbinentriebwerken sehr schwer und schwer zu organisieren. Für die Zuverlässigkeit und Effizienz des Betriebs scheint ein gewisses, eher empfindliches Gleichgewicht zwischen den laufenden Prozessen, ihren Parametern und den Gestaltungsmerkmalen ihrer Elemente aufrechtzuerhalten. Wenn sich eine Komponente dieses Gleichgewichts ändert, können sich letztendlich alle Merkmale des CS-Betriebs ändern. Daher herrscht bei der Entwicklung fast immer ein gewisser Konservatismus.

Die eigentliche Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks muss die folgenden Anforderungen erfüllen.

Hohe Verbrennungseffizienz. Es zeichnet sich durch einen besonderen Verbrennungswirkungsgrad aus, der bei modernen Motoren in Auslegungsmodi Werte von 0,98-0,99 oder mehr erreicht.

Geringe hydraulische Gesamtdruckverluste . Bei modernen Brennkammern für die Luftfahrt liegen diese Verluste im Durchschnitt bei 3-5 % (können aber auch über 10 % betragen).

Schneller und zuverlässiger Start, stabiler Betrieb in verschiedenen Modi und über den gesamten vorgesehenen Änderungsbereich der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (der maximale Abstand zwischen dem sogenannten Magerstall und dem Fettstall gemäß Luftüberschussverhältnis α , das das Verhältnis der Kraftstoff- und Luftmengen im Kraftstoff-Luft-Gemisch charakterisiert) sowie in verschiedenen Wetterverhältnisse(zum Beispiel Wassereinbruch, Hagel mit Anströmung).

Hohe thermische Intensität von CS. Dies ist ein Parameter, der die vollständige Nutzung des Kammervolumens für Verbrennungsprozesse und die Erzeugung thermischer Energie charakterisiert. Je höher die thermische Intensität, desto geringer sind die Abmessungen und damit das Gewicht der Kammer.

Kleiner Wert des Temperaturfeld-Ungleichmäßigkeitsindex am Ausgang der Brennkammer. Dieser Indikator ist sehr wichtig für die Bestimmung der Betriebsbedingungen der Turbine. Sie gliedert sich in zwei Komponenten – die Unebenheit in Umfangsrichtung, die für die Schaufeln des Düsenapparats wichtiger ist, und die radiale Unebenheit, die für rotierende Arbeitsschaufeln relevant ist. In den Brennkammern von Fluggasturbinentriebwerken erreicht dieser Wert 15-20 % (oder mehr) und kann auf einen bestimmten Wert eingestellt werden (zur korrekten Ausbildung der Belastung der Schaufeln).

CS muss haben gute Kühlung , wodurch eine niedrige Temperatur der Elemente gewährleistet wird. Es sollte auch so sein schlicht im Design und im Betrieb, haben ausreichende Ressource und verfügen über eine hohe Produktionstechnologie.

An den Wänden der Kompressorkammer dürfen sich keine Kohlenstoffablagerungen oder Koksablagerungen bilden. Die Menge an Schadstoffemissionen und Rauchentwicklung sollte minimal sein. Für diese Merkmale werden spezielle Indikatoren bereitgestellt: Emissionsindizes, Emissionsparameter und Rauchzahl SN.

Das Hauptziel bei der Entwicklung und dem Bau zukunftsträchtiger Kompressorstationen ist eine Erhöhung der Temperatur und thermischen Intensität, eine Reduzierung der hydraulischen Verluste und der Menge schädlicher Emissionen.

Allgemein Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks ist eine ringförmige Einheit, deren vorderer Teil mit dem Kompressor verbunden ist und deren hinterer Teil in die Turbine übergeht und den Gasstrom dorthin umleitet.

Dies ist das sogenannte eingebaute Kamera . Sein Einlassdurchmesser überschreitet normalerweise nicht den Durchmesser des Verdichters und sein Auslassdurchmesser überschreitet nicht den Durchmesser der Turbine. Es gibt auch Fernkammern, die jedoch fast nur in stationären Gasturbinenanlagen (also für Nicht-Luftfahrtzwecke) eingesetzt werden.

Das Innengehäuse (Gehäuse) dieses Rings (für moderne Motoren) umschließt (und trennt vom heißen Teil) die Welle, die Turbine und Kompressor verbindet, Lagerhalterungen, Systemkommunikation usw. (je nach konkretem Design).

Das Außengehäuse ist im Wesentlichen das Außengehäuse des Motors. Und zwischen diesen Gebäuden (innen) gibt es Feuerlöschrohre. Ein Flammrohr ist eine Baueinheit, in der der Verbrennungsprozess direkt abläuft. Die Form ähnelt tatsächlich einer Pfeife.

Das Außen- und Innengehäuse bilden zusammen mit einigen anderen Elementen am Eingang der Brennkammer einen Diffusor, in dem der Luftstrom abgebremst wird und sein Druck steigt.

Alle Brennkammern sind einander grundsätzlich ähnlich, jedoch sind sie nach bestimmten, ganz wesentlichen Merkmalen unterteilt. Eines der Klassifizierungsprinzipien Brennkammern von Gasturbinentriebwerken- Das teilt sie durch Hauptgestaltung . Heute gibt es drei Arten von Layouts: röhrenförmig (oder einzeln), röhrenförmiger Ring und Ring.

Konstruktionsdiagramme von Brennkammern. a - röhrenförmig, b - röhrenförmiger Ring, c - Ring.

Rohrförmige (einzelne) Brennkammer hebt sich etwas von der obigen Definition als Ring mit zwei Körpern ab, da er aus mehreren separaten Abschnitten besteht, von denen jeder über einen eigenen rohrförmigen Körper und ein darin befindliches Flammrohr verfügt.

Die Flammrohre sind durch sogenannte Flammrohre miteinander verbunden, die der Flammenübertragung auf benachbarte Rohre beim Anfahren und beim Ausfall eines Rohres dienen. Die Überlebensfähigkeit eines Motors mit einer solchen Kammer ist recht hoch. Darüber hinaus erleichtert diese Konstruktion die Bedienung und Reparatur des Motors. Jedes einzelne CV kann für Reparaturen ausgebaut werden, ohne dass der gesamte Motor zerlegt werden muss.

Rohrförmige Brennkammer des Rolls-Royce RB.41 Nene-Motors.

Aufgrund des geringen Volumens ist die Feinabstimmung eines solchen CS während seiner Entwicklung recht einfach. Diese Kamera passt gut dazu Radialkompressor. Dies ist einer der Hauptgründe für den Einsatz in frühen Turbostrahltriebwerken mit Zentralbankkompressor.

Ein Beispiel ist der britische Motor Rolls-Royce RB.41 Nene im Flugzeug montiertHawker Sea Hawk und sein Nachfolger Sowjetischer Motor VK-1 (oder RD-45, mit Nachbrenner – VK-1F/RD-45F) für Flugzeuge MIG-15, MIG-17, IL-28, TU-14. Oder das tschechoslowakische Motorlet M-701, eingebaut in das serienmäßig hergestellte Trainingsflugzeug Aero L-29 Delfin.

Rolls-Royce RB.41 Nene-Motor.

Flugzeug HAWKER SEA HAWK.

Motor RD-45.

RD-45-Motor mit röhrenförmiger Brennkammer.

MIG-15-Jäger mit RD-45-Motor.

Motorlet M701-Motor.

L-29 Delphin-Flugzeug.

Der Rohr-KS ist nicht in den Stromkreis des Motors eingebunden. Verschiedene Motorkonstruktionen können 6 bis 22 einzelne Kammern haben.

Eine solche Brennkammer hat jedoch einen ganz erheblichen Nachteil: ungleichmäßiges Temperaturfeld, Drücke und Gasströmungsgeschwindigkeiten am Auslass. Einfach ausgedrückt ist die Strömung, die entsprechend der Anzahl der einzelnen Rohre in Sektoren unterteilt ist und in die Turbine eintritt, hinsichtlich Temperatur und Druck ungleichmäßig, und die Rotorblätter sind während der Rotation ständigen Wechselbelastungen ausgesetzt, was sich natürlich negativ auf ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer auswirkt.

Betrieb des RD-45-Motors. Der ungleichmäßige Betrieb einzelner Flammrohre ist sichtbar.

Auf Basis eines individuellen CS wurde ein weiterer, progressiverer Layouttyp entwickelt – Rohrring-Brennkammer. Ein typisches Beispiel für einen Motor mit einem solchen CS ist der AL-21-F3 TRDF (Edition 89), der in allen Modifikationen des SU-24-Flugzeugs sowie in allen Modifikationen des SU-17M verbaut ist.

In einer solchen Brennkammer sind mehrere Flammrohre (bei AL-21F-3 - 12 Stück, bei anderen Motoren meist 9 bis 14 Stück) kreisförmig (Ring) in einem gemeinsamen Gehäuse (oder Gehäuse) angeordnet, das meist im Lieferumfang enthalten ist im Diagramm der gemeinsamen Leistung des Motors. Flammrohre angeschlossen Flammenübertragungsrohre. In ihrem Ausgangsteil sind sie ebenfalls durch eine besondere Verbindung verbunden allgemein ein kurzes Rohr namens „Gaskollektor“.

Motor AL-21F-3 (Layout „C“ – für SU-17M-Flugzeuge).

Jagdbomber SU-17M4 mit AL-21F3-Motor.

Rohrring-Brennkammer.

Ein Beispiel für ein Flammrohr eines Rohrrings KS. 1 - Installation der Düse. 2 - Vorderwand mit Wirbelerzeuger. 3 - Löcher für Kühlluft. 4 - Löcher für Sekundärluft. 5 - Halterung. 6 - Flammenübertragungsrohr.

Es erleichtert die Bildung eines gleichmäßigeren Temperaturfeldes vor der Turbine entlang des Umfangs der Gasströmungsfront.

Rohrringbrennkammern nehmen hinsichtlich ihrer Leistungsparameter, der Komplexität der Verarbeitung sowie der einfachen Bedienung und Reparatur eine Zwischenstellung zwischen Rohrkammern und dem folgenden Design- und Anordnungstyp ein - Ringkameras.

Ring Brennkammern von Gasturbinentriebwerken haben ein Flammrohr, das ringförmig ausgebildet ist und konzentrisch zwischen dem Außen- und Innenkörper der Brennkammer angeordnet ist. Es besteht aus einem Mittelteil in Form von Außen- und Innenflächen (auch Mischer genannt), einem Auslassgaskollektor und Frontgerät(vorderer Teil) mit Plätzen (Brennern) zum Einbau von Düsen und Vorrichtungen zur Luftzufuhr zum Flammrohr. Es kann eine ganze Menge solcher Plätze geben – von 10 bis 132 (bei echten Motoren, einschließlich Bodengasturbinen) und noch mehr ( Experiment).

Ringbrennkammer des NK-32-Triebwerks (TU-160-Flugzeug).

NK-32-Triebwerke im TU-160-Flugzeug. Inspektion nach dem Flug.

Flammrohr der Ringbrennkammer. 5 - Frontgerät. 2,3 - externe und interne Mischer. 1.4 – Lage der Einspritzdüsen. 6 - Löcher zur Zufuhr von Sekundärluft.

Ein Beispiel einer ringförmigen Brennkammer (AI-25-Motor, Computermodell).

Computermodell einer Ringbrennkammer (AI-25-Motor).

Die Ringkammer ist hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes die vollkommenste aller genannten Kammern. Darüber hinaus hat es eine minimale Länge und Gesamtoberfläche und ist daher das leichteste (ca. 6-8 % des Motorgewichts), weist minimale Druckverluste (hydraulische Verluste) auf und benötigt weniger Luft zur Kühlung.

Es ist jedoch schwierig, eine solche Kammer fein abzustimmen, um eine stabile Verbrennung und Festigkeit zu gewährleisten, insbesondere bei großen Abmessungen und hohem Gasströmungsdruck. Darüber hinaus ist die Reparaturmöglichkeit recht gering und erfordert hauptsächlich die Demontage des Motors. Obwohl die Kontrolle durchaus möglich ist moderne endoskopische Geräte. Die positiven Eigenschaften sind wichtiger und daher werden bei fast allen modernen Turbostrahltriebwerken Ringbrennkammern eingesetzt.

Darüber hinaus gibt es eine Teilung Brennkammern von Gasturbinentriebwerken in Richtung des Gasflusses. Dabei handelt es sich um Gleichstrom- und Gegenstromkameras (sie werden auch Loop oder Semi-Loop genannt). Bei Direktströmungssystemen stimmt die Richtung der Gasbewegung in der Brennkammer mit ihrer Bewegungsrichtung entlang der Motorbahn überein, bei Gegenströmungssystemen sind diese Richtungen entgegengesetzt.

Aus diesem Grund ist der Druckverlust in Schlaufenkammern deutlich höher als in Direktströmungskammern. Gleichzeitig sind ihre axialen Abmessungen deutlich kleiner. Schleifenkammern funktionieren sehr gut mit einem Zentrifugalverdichter und können über (um) die Turbine herum positioniert werden. Dies bringt natürlich eine Vergrößerung der Querabmessungen mit sich, gleichzeitig verringern sich jedoch die Axialabmessungen spürbar.

Ein Beispiel für den Aufbau einer Ringbrennkammer.

Ringbrennkammer eines Hubschrauber-Gasturbinentriebwerks.

Einer der Vorteile von Ringbrennkammern ist eine deutliche Reduzierung des Einflusses der Wärmestrahlung der Flamme auf den Turbinendüsenapparat, der sich in diesem Fall außerhalb der „Sichtlinie“ in Bezug auf den Flammenkern befindet.

Durchlaufkammern werden in Hochleistungsflugzeugtriebwerken in Kombination mit einem Axialverdichter eingesetzt. Loop-Motoren werden hauptsächlich bei kleinen Triebwerken eingesetzt, beispielsweise bei Hubschrauber-Gasturbinentriebwerken, Hilfsaggregaten (Hilfsaggregaten), Drohnentriebwerken usw.

Brennkammern von Gasturbinentriebwerken werden auch geteilt durch das Prinzip der Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Bei Kammern mit externer Gemischbildung (oder Verdampfungskammern) wird der Brennstoff vorab verdampft und mit Luft vermischt, bevor er der Verbrennungszone zugeführt wird.

Dieser Brennkammertyp kann die Umweltverträglichkeit des Motors erheblich verbessern, da er über einen hohen Verbrennungswirkungsgrad verfügt.

Aber zur selben Zeit Vorverdampfungssystem ist recht komplex und es besteht die Gefahr der Verkokung seiner Rohrleitungen (also der Ablagerung harziger Kraftstoffanteile), was zu Überhitzung und Durchbrennen führen kann, was letztendlich zu einer Motorexplosion führen kann. Daher werden Motoren mit Verdunstungsbrennkammern in der Praxis selten eingesetzt, es gibt jedoch solche Beispiele: das Hubschrauber-Gasturbinentriebwerk T-700-GE-700 (USA - General Electric) sowie die APU TA-6.

Der Großteil der Gasturbinentriebwerke sind Triebwerke mit innere Gemischbildung. In ihnen wird Kraftstoff mit speziellen Düsen in Form von Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 40-100 Mikrometern entlang der Motorströmung versprüht. Dann vermischt es sich mit Luft und gelangt in die Verbrennungszone.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine weitere Einteilung der Brennkammern etabliert, die sich auf die Umweltverträglichkeit des Motors, also die Emission von Schadstoffen in die Atmosphäre, bezieht.

Dabei handelt es sich um konstruktive Weiterentwicklungen von Brennkammern mit zwei Verbrennungszonen, die jeweils für den Betrieb in bestimmten Modi optimiert sind. Es gibt Zweizonen-Brennkammern, bei denen die Brennzonen hintereinander in Reihe angeordnet sind, und Zweilagen-Brennkammern, bei denen die Brennzonen übereinander, also parallel, angeordnet sind.

Etwas über die Prozesse in Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.

Die Verbrennung erfolgt, wie bereits erwähnt, direkt im Flammrohr, was die sogenannte begrenzt Feuerraum. Sie arbeitet unter sehr harten Bedingungen. Im Allgemeinen ist dies sogar milde ausgedrückt, wenn man zumindest berücksichtigt, dass der Schmelzpunkt des Materials, aus dem es besteht, deutlich niedriger ist als die Temperatur der Flamme. Wie geht sie damit um? Es geht alles um ordnungsgemäße Organisation der Verbrennungs- und Kühlprozesse .

Luft spielt bei diesen Prozessen die wichtigste und entscheidende Rolle. Es versorgt den Verbrennungsprozess selbst mit Sauerstoff und dient als Mittel zur Kühlung und Wärmeisolierung der Elemente der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks.

Luft kommt hinter dem Kompressor mit Geschwindigkeiten von bis zu 150–180 m/s. Bei dieser Geschwindigkeit ist der Verbrennungsprozess schwierig und der Gesamtdruckverlust groß. Um diese Probleme zu überwinden, gibt es einen Diffusor. Darin wird die Strömungsgeschwindigkeit deutlich reduziert – auf 40-50 m/s.

Der Fluss wird dann in zwei Teile geteilt. Ein kleinerer Teil (ca. 30-40 %) tritt direkt nach dem Diffusor in das Flammrohr ein und wird aufgerufen „Primärluft“. Diese Luft, die normalerweise in das Flammrohr eintritt, strömt durch eine spezielle Einheit in der vorderen Vorrichtung, einen sogenannten Drallerzeuger, der ihre Vermischung mit dem versprühten Brennstoff weiter verlangsamt und fördert.

es gibt auch „Sekundärluft“. Seine Strömung verläuft durch ringförmige Kanäle zwischen Innen- und Außengehäuse und dem Flammrohr. Genauer gesagt handelt es sich dabei um Luft ohne den Teil, der nie am Verbrennungsprozess teilnehmen kann (also nicht in das Flammrohr gelangt). Dieser Teil macht etwa 10 % des Gesamtstroms durch die Brennkammer aus (steigt mit steigender Verbrennungstemperatur) und wird durch die Ringkanäle weiter zur Kühlung der Turbine genutzt.

Aber in Wirklichkeit Sekundärluft Es gelangt in das Flammrohr in seinen verschiedenen Zonen und in verschiedenen Phasen des Verbrennungsprozesses durch spezielle Löcher, die für die richtige Strömungsbildung im Rohrinneren, eine wirksame Kühlung seiner Wände und des Brennkammerkörpers und letztendlich für die Erzielung der gewünschten Gastemperatur sorgen am Auslass der Brennkammer unter Berücksichtigung der Gleichmäßigkeit seiner Verteilung entlang der Strömung.

Das Flammrohr selbst ist in der Regel eine Art „Lochstruktur“ mit vielen Löchern unterschiedlicher Größe und Konfiguration. Dabei kann es sich entweder um Einschnitte oder Kerben handeln, oder um Löcher in runder oder ovaler Form, regelmäßig, mit Rand (manschettenartig), mit Bördelung oder mit Rohren. Alle diese Löcher unterliegen einem bestimmten System. Sie werden bei der Feinabstimmung der Brennkammer auf einem Prüfstand berechnet oder (häufiger) experimentell ausgewählt.

Gestaltung von Löchern für die Luftzufuhr in den Wänden des VT.

Die Seitenwände des Flammrohrs werden aufgrund der Löcher, die die Luftströme in einer bestimmten Reihenfolge mischen, oft als Mischer bezeichnet.

Die Prozesse der Verbrennung und gegenseitigen Vermischung der Strömungen finden in herkömmlich benannten Zonen statt. Im Allgemeinen werden diese Zonen trotz der Konvention während der Berechnungen und der Feinabstimmung bestimmt Brennkammern von Gasturbinentriebwerken und entsprechend ihrer Lage und Größe existieren sie tatsächlich, obwohl es keine klare Abgrenzung und Aufteilung zwischen ihnen gibt.

Vor dem Flammrohr befindet sich die Verbrennungszone. Hier erfolgt die Zufuhr von Primärluft und Kraftstoff sowie die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Luft wird mit Hilfe verschiedener Arten von Drallkörpern verwirbelt, der Kraftstoff wird durch Düsen versprüht und es kommt zu den Prozessen der Vermischung, Verdampfung und Zündung.

Primärluft strömt entlang der Länge des Flammrohrs (im vorderen Teil) schrittweise ein (durch das vordere Gerät, die Wirbeler und dann durch die oben genannten Löcher), um optimale Prozesse zu gewährleisten.

Prozesse in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.

Computermodellierung von Luftströmungen in einem Flammrohr.

Je nach Auslegung des Motors kann die Verbrennungszone erweitert werden. Dann weisen sie mehr zu Zwischenverbrennungszone, in dem die Kraftstoffverbrennung abgeschlossen ist. In diese Zone gelangt auch Sekundärluft, die auch hier am Verbrennungsprozess beteiligt ist.

Weiter befindet sich Mischzone (oder Verdünnungszone).. In dieser Zone gelangt durch die gleichen speziellen Löcher Sekundärluft in das Flammrohr, die nicht mehr am Verbrennungsprozess beteiligt ist. Durch die Vermischung mit dem Gas bildet es die Endtemperatur am Austritt aus der Brennkammer und deren Verteilungsfeld (Temperaturfeld).

Eine weitere wichtige Funktion der Sekundärluft ist Kühlung von Brennkammerelementen. Bei den Prozessen im Flammrohr werden Verbrennungsprodukttemperaturen von 2000-2200°C erreicht. Um jedoch eine normale Leistung und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sollte die Temperatur der Flammenrohrwände 900–950 °C nicht überschreiten (Gradient nicht mehr als 50 °C/cm).

Diese Bedingungen werden durch die Kühlung mit Sekundärluft erfüllt. Moderne Gasturbinentriebwerke nutzen das sogenannte kombinierte Konvektionsfilm-Luftkühlung. Ein Teil der Luft erfüllt ihre Funktionen durch konvektive Kühlung.

Prinzipien der Kühlung der Wände der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.

Beispielsweise kühlt die Luft, die durch die Ringkanäle zwischen dem Flammrohr und dem Körper der Brennkammer strömt, die Wände des Flammrohrs von außen, und die Luft, die durch die Löcher und Risse in das Rohrinnere eindringt und sich dort entlang des Rohrs ausbreitet Wände bilden so etwas wie einen Luftschleier mit einer viel niedrigeren Temperatur als die Temperatur der Verbrennungszone.

Dieser Film reduziert den konvektiven Fluss der Wärmeenergie erheblich. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, d. h. der Luftfilm schützt die Wände des Flammrohrs vor Überhitzung.

Auf den Strahlungsenergiefluss hat es jedoch praktisch keinen Einfluss. Denn die Erwärmung der Oberflächen im Motor erfolgt nicht nur durch Konvektion, sondern auch durch die Wärmestrahlung erhitzter Verbrennungsprodukte.

Prinzipien der Kühlung in der Brennkammer.

Kühlluft kann entweder parallel zur Strömung, in diesem Fall handelt es sich um eine kombinierte Strahlkühlung, oder senkrecht dazu in die Verbrennungszone gelangen. Dies ist die sogenannte kombinierte perforiert Kühlung. Dabei erfolgt die Luftzufuhr durch ein System kleiner Löcher in der Rohrwand (Perforation).

Alle Elemente des Flammrohrs, sowohl die Wände als auch das Frontgerät, werden auf ähnliche Weise gekühlt, auch die Gestaltungsmöglichkeiten der Kühlkanäle sind unterschiedlich. Auch die Einspritzdüsen, über die der Kraftstoff zugeführt wird, müssen gekühlt werden. Dies geschieht sowohl aufgrund der gleichen Luft als auch aufgrund des durch sie strömenden Kraftstoffs. Es entzieht der Düse überschüssige Wärme und versprüht und verbrennt dann im Flammrohr.

Über Einspritzdüsen.

Das Design und das Funktionsprinzip von Düsen mögen unterschiedlich sein, aber das Hauptziel ist es hochwertige Zerstäubung. Je kleiner die Tröpfchen sind, desto schneller und besser verdampfen sie und desto höher ist die Vollständigkeit der Verbrennung und damit die Qualität der Brennkammer.

Die Qualität der Zerstäubung hängt unter anderem von der Geschwindigkeit des Kraftstoffstrahls und der Luftströmung hinter dem Kompressor ab. Eine Zerstäubung ist möglich, wenn Kraftstoff unter hohem Druck relativ langsam bewegter Luft zugeführt wird. Einspritzdüsen dieser Art werden als mechanisch bezeichnet. Ist der Kraftstoffdruck recht niedrig und die Durchflussmenge hoch, handelt es sich um pneumatische Einspritzventile.

Der bemerkenswerteste Vertreter der mechanischen Einspritzdüsen sind die weit verbreiteten Zentrifugalinjektoren. In ihnen wird Kraftstoff tangential unter hohem Druck zugeführt und tritt unter Drehung in Form eines Kegels (Schleiers) aus.

Das Sprühen selbst erfolgt unter dem Einfluss der Zentrifugalkräfte im Kegel. Es zerfällt in Tropfen, die sich mit der Primärluft vermischen. Den Zentrifugalkräften stehen Kräfte gegenüber Oberflächenspannung Kerosin in einem Kegel.

Die Form des Kegels, die Dicke des Schleiers und letztendlich die Qualität des Sprays in einem solchen Injektor hängen stark vom Kraftstoffversorgungsdruck ab. Dies ist der wichtigste Mangel an Zentrifugaldüsen.

Typischerweise ist eine zufriedenstellende Zerstäubung bei Drücken in der Größenordnung von 100–150 kPa und bei 6–12 MPa gut und ausgezeichnet möglich. Allerdings weisen die Betriebsarten eines modernen Flugzeugtriebwerks (und damit der Treibstoffverbrauch) eine recht große Bandbreite auf, und bei starker Triebwerksdrosselung (also Reduzierung des Treibstoffverbrauchs) ist es oft einfach unmöglich, eine gute und damit zuverlässige Treibstoffzerstäubung zu gewährleisten Motorbetrieb.

Beispielsweise beträgt nach bestehenden Berechnungen bei einem Kraftstoffdruck im Nennbetrieb von etwa 6–12 MPa (d. h. bei guter Zerstäubung) der Druck bei niedrigem Gasdruck etwa 4–5,8 kPa. Und bei einem solchen Druck kann nicht einmal eine zufriedenstellende Zerstäubung erreicht werden, das heißt, hinter der Düse befindet sich kein Kraftstoffkegel.

Um diesen Nachteil zu überwinden, werden sogenannte zweistufige (Zweikanal-)Düsen. Sie haben zwei Düsen. Im Leerlauf- und Startmodus arbeitet die zentrale Düse (erste Stufe), die kleiner ist und für eine Zerstäubung bei geringem Kraftstoffverbrauch sorgt.

Zweistufige mechanische Düse.

Und bei höheren Modi wird eine zweite Düse (zweite Stufe) angeschlossen und beide arbeiten gleichzeitig. Dies gewährleistet eine gute Zerstäubung in allen Modi. In diesem Fall dauert es jedoch einige Zeit, den Verteiler der zweiten Stufe über ein spezielles Verteilerventil mit Kraftstoff zu füllen, was zu Instabilität im Verbrennungsmodus führen kann. Dies ist der Hauptnachteil eines zweistufigen Zentrifugalinjektors.

Zu den mechanischen gehören auch Strahldüsen. Sie sind im Wesentlichen ein Jet und haben eine ziemlich große Reichweite. Für die relativ kurzen Hauptbrennkammern moderner Gasturbinentriebwerke ist dies unpraktisch und wird daher praktisch nicht verwendet.

Eine Art Tintenstrahldrucker - Verdampfungsdüse. Ihre Düse befindet sich in einem Verdampferrohr, das durch heiße Gase erhitzt wird, um den Kraftstoff zu verdampfen. Diese Einspritzdüsen haben positive Aspekte wie Einfachheit, keine Notwendigkeit eines hohen Kraftstoffdrucks, geringere Emission schädlicher Stickoxide und die wichtigste positive Eigenschaft – gleichmäßige Kraftstoffverteilung in der Verbrennungszone, d. h. ein gleichmäßiges Temperaturfeld am Austritt die Brennkammer, die für Turbinen sehr wichtig ist.

Aber es gibt auch viel Negatives. Ein solcher Injektor reagiert empfindlich auf die Zusammensetzung des Gemisches und die Art des Kraftstoffs. Das Verdampferrohr ist kurzlebig und es kann zu Durchbrüchen kommen. Schlechter Motorstart in großer Höhe. Die Brennkammer kann nur mit einem Fackelzünder gestartet werden, der das Verdampferrohr erhitzt.

Bei Flugzeugtriebwerken mit hohem Druckanstieg im Kompressor (dazu zählen auch moderne Triebwerke für die große Verkehrsluftfahrt) haben sich sogenannte pneumatische Luftinjektoren durchgesetzt.

Diagramm des Luftinjektors.

Eines der Luftdüsenmuster.

In ihnen wird der Kraftstofffilm durch zwei wirbelnde Luftströme, innen und außen, in winzige Tröpfchen zerteilt. Ein solcher Injektor benötigt zum Betrieb keinen hohen Druck in der Kraftstoffleitung, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Kraftstoffpumpen auswirkt und zudem deren Gewicht reduziert.

Das Versprühen und Mischen von Kraftstoff mit Luft ist äußerst effektiv, wodurch die Bildung deutlich reduziert wird Stickoxide und Ruß während des Verbrennungsprozesses. Durch die Reduzierung der Rußmenge wird wiederum die Wärmestrahlung reduziert, was zu einer effektiveren Kühlung der Flammrohrwände beiträgt.

Darüber hinaus sorgen Luftdüsen bei jeder Strömungsgeschwindigkeit für eine konstante und gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs im Flammrohr. Dadurch ist es möglich, ein konstantes Temperaturfeld am Auslass vorherzusagen und aufrechtzuerhalten, was die Feinabstimmung der Brennkammern auf dem Prüfstand erleichtert.

Irgendwas mit der Zündung.

Während der Arbeit Brennkammern von Gasturbinentriebwerken Eine ständige Zwangszündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist nicht erforderlich. Hitze gibt es hier genug :-). Jedoch Zündung starten, wie es jeder Motor braucht.

Die Flammenquelle ist in diesem Fall eine elektrische Hochtemperaturentladung einer Zündkerze, ähnlich der Zündkerze eines herkömmlichen Benzin-Verbrennungsmotors. Aber nur ähnlich, denn bei Verbrennungsmotoren kommen herkömmliche elektrische Hochspannungszündkerzen zum Einsatz. Ihre Entladungsleistung hängt vom Druck im Brennraum ab und je niedriger dieser ist, desto geringer ist die Leistung. In Servicegeräten wird bei der Überprüfung solcher Zündkerzen sogar extra aufgepumpt.

Dies ist für einen Flugzeugtriebwerk nicht von Vorteil, insbesondere beispielsweise für den Start in großer Höhe. Daher verwenden heute alle modernen Fluggasturbinentriebwerke das sogenannte Niederspannungs-Halbleiter-Oberflächenentladungs-Zündkerzen, die nicht durch äußeren Druck beeinflusst werden.

Es kann zu einer tatsächlichen Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen direkt von einer Zündkerze oder mit einer speziellen Zündkerze Kraftstoffzünder. Letzteres wird häufiger bei modernen Motoren eingesetzt.

Schema der direkten Zündung der Brennkammer durch eine Zündkerze.

Der Zünder ist eigentlich eine Miniaturbrennkammer, an der meist eine einfache einstufige Zentrifugaldüse und eine Zündkerze zur Direktzündung angebracht sind. Um zuverlässige Höhenstarts zu ermöglichen, ist in der Regel eine Sauerstoffversorgung vorgesehen.

Die Zufuhr von Startkraftstoff zur Zündkammer erfolgt nach einem speziellen Kraftstoffversorgungsgesetz, das sich von der Hauptbrennkammer unterscheidet, um einen zuverlässigen und stabilen Start zu gewährleisten.

Der Zünder selbst ist außerhalb der Brennkammer, meist im vorderen Teil, installiert und ist (mit Ausnahme des Flammenzuführungsrohrs) keinen heißen Gasen ausgesetzt. Durch den Kompressor dringt die Luft durch spezielle Löcher im vorderen Teil ein, das heißt, es ist recht kalt.

Montage des Zünders an der Brennkammer.

Das Zündrohr (Förderbrenner) wird in das Flammrohr eingeführt, direkt in die Verbrennungszone, um dort den Flammbrenner zu versorgen. Für eine sichere Zündung solcher Zünder sind in der Regel mehr als einer (zwei oder drei) erforderlich, dies gilt insbesondere für Rohr- und Rohrringbrennkammern.

Über Materialien.

Um eine ausreichende Lebensdauer der Flammrohre im Motor zu gewährleisten, stehen diese niemals unter Strombelastung, d. h. sie werden nicht mit einbezogen Motorstromkreis. Darüber hinaus weisen die Materialien, aus denen sie hergestellt werden, hohe Eigenschaften auf Hitzebeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Darüber hinaus sind solche Materialien leicht zu verarbeiten und beständig gegen Gaskorrosion und Vibrationen.

In der Regel sind diese spezialisiert Chrom-Nickel-Legierungen. Für die russische Metallurgie sind dies die Typen Х20Н80Т, ХН60В, ХН70У, ХН38ВТ, Х24Н25Т. Wenn Brennkammern bei Temperaturen bis zu 900 °C betrieben werden, können Legierungen wie Kh20N80T, KhN38VT, KhN75MVTYu verwendet werden. Und für Temperaturen von 950–1100 °C – XN60V-Legierung.

Die Flammrohre selbst werden durch Schweißen aus einzelnen Teilen – Abschnitten – zusammengebaut. Um thermische Spannungen zwischen den Abschnitten zu vermeiden, wird die Verbindung zwischen ihnen mit „geringer Steifigkeit“, also elastisch, ausgeführt. Zu diesem Zweck werden zahlreiche Schnitte entlang der Mantellinie des Abschnitts mit Löchern mit großem Durchmesser am Ende vorgenommen, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren. Dies sind die sogenannten „Temperaturverbindungen“.

Verbindung der Brennkammerabschnitte (elastisch).

Darüber hinaus sind die Elemente der Flammrohre von innen mit speziellen hitzebeständigen Emails oder auf andere Weise beschichtet Glasemailbeschichtungen. Diese Beschichtungen haben eine Doppelfunktion. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit tragen sie dazu bei, die Wände des Flammrohrs vor Überhitzung zu schützen. Eine solche 1 mm dicke Beschichtung mit niedrigem Wärmeleitkoeffizienten kann die Wandtemperatur um fast 100 Grad senken.

Darüber hinaus dient der Zahnschmelz als guter Schutz vor Gaskorrosion, also die Oxidation des Materials der Elemente des flüssigen Brennstoffs mit dem in der Gaszusammensetzung vorhandenen freien Sauerstoff. Während des Betriebs nutzt sich der Zahnschmelz aufgrund von Erosionserscheinungen allmählich ab und wird dünner, kann jedoch bei routinemäßigen Motorreparaturen wiederhergestellt werden. Emails erhöhen die Korrosionsbeständigkeit um das 6- bis 8-fache. Sie arbeiten bei Temperaturen von 600–1200 °C (je nach Typ).

Schutzglasemail am Ring KS.

Einer der häufigsten Lacke für in Russland hergestellte Motoren (eher für „alte“ Motoren) ist EV-55, der insbesondere bei der Legierung 1Х18Н9Т verwendet wird. Übrigens hat es eine charakteristische grüne Farbe, da in seiner Zusammensetzung Chrom in Form von Dioxid vorhanden ist.

Ein weiterer üblicher Email-Emaille EVK-103 kann bei Temperaturen bis zu 1000 °C lange arbeiten und wird für Legierungen vom Typ KhN60VT (VZh98) verwendet.

Für vielversprechende Legierungen wie VZh145 (Betriebstemperatur bis 1100 °C, VZh155/171 (Betriebstemperatur bis 1200 °C) werden spezielle Additive entwickelt, um die Eigenschaften von Serienglasemails wie EVK zu verbessern.

Darüber hinaus werden sie verwendet Verbundwerkstoffe und Keramik, was die Betriebsfähigkeit vielversprechender Geräte (Verbundkeramikzusammensetzung VMK-3/VMK-3) erheblich steigert. Es wird möglich, Teile zu entwickeln, die bei Temperaturen bis zu 1500 °C betriebsfähig sind. Die Verwendung von Keramik zur Herstellung einiger Elemente wurde bereits an Militärmotoren getestet, jetzt sind kommerzielle Motoren an der Reihe.

Über die Überwachung des Zustands von Elementen .

Ständig steigende Temperatur und Druck des Verbrennungsprozesses Brennkammern von Gasturbinentriebwerken erfordern moderne Methoden zur Überwachung des Zustands von Bauteilen. Dabei gibt es sozusagen sowohl das Subjekt als auch die Mittel. Nahezu alle bestehenden und zukünftigen Brennkammern verfügen über ausreichend gute Testbarkeit, insbesondere im Hinblick auf Sichtprüfungen.

Endoskope XLG3 und XLGo.

Anwendung von Sonder Boroskopische Geräte Machen Sie die visuelle Inspektion und Kontrolle innerer Hohlräume ganz einfach. Die am weitesten verbreiteten (und bequemsten:-)) Geräte sind Videoendoskope vom Typ XLGO (Everest XLGO) oder ein „seriöseres“ technisches Endoskop GE Inspection Technologies XL G3 VideoProbe.

Zur Inspektion der Außenfläche von Flammrohren können im Allgemeinen zwei Ansätze verwendet werden. Bei allen modernen Motoren gibt es im Außengehäuse des Brennraums speziell dafür vorgesehene Boroskopische Inspektionen Löcher (Anschlüsse) mit leicht entfernbaren Stopfen verschlossen.

Beispiel für Zugangspunktstandorte für die endoskopische Brennkammerinspektion. Motor CFM56-3.

Durch solche Öffnungen kann eine Endoskopsonde nahezu jeden Punkt unter dem Außengehäuse der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks erreichen. Wenn ein Endoskop über eine lange flexible Sonde mit guter Beweglichkeit verfügt (z. B. das gleiche XLGO), wird diese Aufgabe um ein Vielfaches vereinfacht und der Zustand nahezu aller verdächtigen Bereiche kann gut überprüft und analysiert werden, auch mithilfe der 3D-Analyse und Aufnahme hochwertiger Bilder und Videoaufnahmen.

Auf die gleiche Weise (zweite Methode) können Sie vor Ort eine Inspektion durch das Loch durchführen Startzünder entfernt. Der Aus- und Einbau des Zünders ist normalerweise kein schwieriger Vorgang. In diesem Fall ist es möglich, sowohl die äußeren als auch die inneren Hohlräume der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks zu inspizieren.

Darüber hinaus können die Frontgeräte und der CS-Diffusor durch Boroskopöffnungen für die letzte Stufe des Kompressors (bei Turbofan-Triebwerken und Turbojet-Triebwerken handelt es sich um einen Niederdruckkompressor) inspiziert werden. Ebenso wird der Gassammler des Flammrohrs (sowie das gesamte Flammrohr von innen) durch Boroskopöffnungen am Düsenapparat der ersten Turbinenstufe inspiziert.

XLGO-Bild der Innenflächen der Brennkammer.

Innere Hohlräume des CS auf dem Bildschirm des Videoendoskops.

Anschlüsse dieser Art (sowohl am Verdichter als auch an der Turbine) sind an fast allen modernen Gasturbinentriebwerken zu finden. Diese Arbeiten erfordern keine Demontage des Motors oder andere aufwendige Demontage- und Installationsarbeiten.

Das Video zeigt ein Panorama auf dem Display des XLGO-Geräts bei der Inspektion der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks. Interessanterweise handelt es sich hierbei um eine zweistufige DAC-Brennkammer (siehe unten).

Ökologische Nuancen.

Unter den modernen Bedingungen des globalen Wachstums des Luftverkehrsvolumens, sowohl im Passagier- als auch im Frachtverkehr, würde ich sagen, dass die Kultur des Einsatzes von Flugzeugtriebwerken immer wichtiger wird. Das heißt, eine Person beschäftigt sich nicht nur mit den hohen Schubeigenschaften eines Flugzeuggasturbinentriebwerks, sondern auch mit seiner Effizienz und Umweltfreundlichkeit.

Umweltfreundlichkeit steht in direktem Zusammenhang mit schädlichen Motoremissionen in die Atmosphäre. Bei der Herstellung moderner Motoren (und damit der Brennkammern von Gasturbinentriebwerken) werden mittlerweile recht hohe Anforderungen an deren Anzahl gestellt. Dies zwingt Entwickler und Konstrukteure von Brennkammern dazu, neue, unkonventionelle Techniken anzuwenden.

Was ist das Wesentliche dieser Techniken und was sind tatsächlich schädliche Emissionen?

Die grundlegende Formel für die Verbrennung (Oxidation) von Kraftstoff (Kerosin) in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks lautet ungefähr wie folgt: C 12 H 23 + 17,75 O 2 = 12 CO 2 + 11,5 H 2 O

Das heißt, die beiden Hauptprodukte, die bei der Kraftstoffverbrennung entstehen, sind Wasser und Kohlendioxid.

Die Gase, die die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks verlassen, enthalten in den größten Mengen: Sauerstoff O2, Stickstoff N2 sowie Kohlendioxid und Wasser, die bei der Verbrennung entstehen. Darüber hinaus gibt es Produkte unvollständiger Oxidation wie CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC (wie CH4, C2H4) sowie daraus resultierende Zersetzungsprodukte Dissoziation bei hoher Temperatur.

In geringeren Mengen sind Stoffe wie SO (normalerweise als Folge der Oxidation von im Kraftstoff enthaltenem Schwefel), Stickoxide NOx, verschiedene Amine, Cyanide, Aldehyde und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (in geringen Mengen) vorhanden. Darüber hinaus liegt Kohlenstoff in Form von Ruß und Rauch vor, der durch die thermische Zersetzung des Kraftstoffs in Bereichen mit Überschuss entsteht.

Von dieser gesamten Liste haben nur die ersten vier Produkte keine toxischen Eigenschaften und haben keine schädlichen Auswirkungen auf die Atmosphäre (obwohl dies bei CO2 relativ ist :-)). Der Rest ist irgendwie schädlich für die Atmosphäre, lebende Organismen und den Menschen. Einige sind besonders gefährlich.

Dazu gehören Stickoxide NOx (insbesondere NO und NO2), Kohlenmonoxid CO (Kohlenmonoxid), Kohlenwasserstoffe CH unterschiedlicher Zusammensetzung (krebserregend, weithin bekannt). Benzopyren C20H12) und Kohlenstoff in Form von Ruß oder Rauch (adsorbiert Giftstoffe an sich selbst und wird bei Einnahme nicht daraus entfernt).

Emission dieser Stoffe durch Flugzeugtriebwerke in die Atmosphäre ( Emission) wird nun durch ziemlich strenge Sonderregeln der ICAO (die letzte aktualisierte Reihe von Standards CAEP 8 von 2010) geregelt.

Der Hauptteil der Stickoxide (bis zu 90 %) entsteht in Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks nach dem sogenannten thermischer Mechanismus wenn Luftstickstoff bei hohen Temperaturen durch Sauerstoff oxidiert wird. Das heißt, damit weniger NOx vorhanden ist, ist erstens eine niedrigere Verbrennungstemperatur und zweitens eine niedrigere Sauerstoffkonzentration erforderlich, wobei der Einfluss des zweiten Faktors weniger groß ist.

Die maximale Verbrennungstemperatur wird erreicht bei stöchiometrische Zusammensetzung von Brennelementen(d. h. wenn genau so viel Luft vorhanden ist, wie zur vollständigen Verbrennung der verfügbaren Kraftstoffmenge benötigt wird. Der Parameter, der die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches charakterisiert, ist der bereits erwähnte Luftüberschusskoeffizient ( α ), und in diesem Fall ist es gleich eins.

Der Einfluss von Temperatur und Gemischzusammensetzung auf die Bildung von Stickoxiden.

Allerdings bei Tmax. Es herrschen ideale Bedingungen für eine noch stärkere Bildung von Stickoxiden. Daher unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung ihrer Zahl Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks sollte außerhalb der α=1-Zone arbeiten, das heißt, das Brennelement sollte nicht stöchiometrisch sein. Entweder angereichert oder abgereichert. Außerdem sollte ein gut gemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch (FA) nicht lange in einem Bereich mit hohen Temperaturen verbleiben, was kleinere axiale Abmessungen der Brennkammer mit sich bringt.

CO– Dies ist das Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung von Kraftstoff, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um die Oxidationsreaktion abzuschließen. Dies geschieht in einem Gebiet mit einer reichhaltigen Mischung. Wenn das Gemisch mager oder nahezu stöchiometrisch ist, entsteht durch Dissoziation CO. Daher besteht die Möglichkeit, seiner Bildung entgegenzuwirken, darin, die Brennelemente gründlich zu vermischen und die Vollständigkeit der Verbrennung zu verbessern.

CH- im Gas vorhandene Kohlenwasserstoffe als Folge der thermischen Zersetzung des Kraftstoffs in einfachere Bestandteile und seiner unvollständigen Verbrennung aufgrund schlechter Durchmischung. Die Bekämpfungsmethode besteht in der gleichen guten Durchmischung des Brennelements und gleichzeitig darin, es für eine längere Zeit in der Verbrennungszone zu halten.

Ruß (Kohlenstoff). Seine Entstehung hängt von der Zusammensetzung des Kraftstoffs, der Qualität der Mischung und der Zerstäubung des Kraftstoffs ab. Mit zunehmendem Druck im Brennraum nimmt die Rußbildung zu.

Herkömmliche Brennkammern „alter“ Motoren, die konservativ ausgelegt sind und mit Gemischen nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung (α=1) arbeiten, reduzieren die Menge an Schadstoffemissionen nicht wesentlich. In Niedrigschubmodi mit reduzierter Verbrennungseffizienz (bis zu 88-93 %) steigen die CO- und HC-Emissionen, und mit zunehmender Last steigen die Temperatur und damit die NOx-Emissionen.

Daher entwickeln die weltweit führenden Hersteller von Gasturbinentriebwerken mithilfe innovativer Technologien neue emissionsarme Kompressoren, um dieses Problem zu lösen und die Einhaltung der CAEP-Anforderungen zu erreichen.

Diese Arbeit ist aufgrund der Komplexität und Sensibilität der im CS ablaufenden Prozesse sehr schwierig. Faktoren, die die Bildung schädlicher Emissionskomponenten (NOx, CO, CH, Ruß) beeinflussen, können häufig in einem gewissen Widerspruch zueinander und zu Motorparametern wie Traktionseffizienz und Wirtschaftlichkeit stehen.

Zum Beispiel:

Der Betrieb der Brennkammer in einer kraftstoffreichen Zone verringert die Möglichkeit der NOx-Bildung, erhöht jedoch die Kohlenstoffemissionen in Form von Ruß deutlich. Der Betrieb in einer Zone mit magerem Gemisch reduziert die Menge an Stickoxiden und Ruß, es besteht jedoch die Tendenz, dass die Menge an CO und CH zunimmt. Darüber hinaus gewährleistet ein mageres Gemisch keine stabile Zündung und keinen stabilen Betrieb in Modi mit geringem Schub.

Reduzierung der axialen Abmessungen Brennkammern von Gasturbinentriebwerken, wie bereits erwähnt, verringert auch die Menge an gebildetem Nox, gleichzeitig besteht jedoch wieder eine Tendenz zu einer Zunahme der Bildung von CO und CH. Die Startmöglichkeiten solcher Kameras in großer Höhe sind eingeschränkt.

Im Allgemeinen sind Kompromisse unerlässlich, um zu einer akzeptablen Entscheidung über den zu wählenden Weg zu gelangen. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich zwei Hauptrichtungen bei der Schaffung vielversprechender Brennräume für moderne Motoren mit hohem Druckanstieg im Kompressor deutlich herauskristallisiert.

Erste Richtung. CS arbeitet im Designmodus (hoher Schub) bei mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch. In solchen Kammern wird im Hauptmodus eine gute Vormischung der Brennelemente und eine hochwertige Verdampfung des Brennstoffs erreicht. Eine solche Kammer kann jedoch im Niedrigschubmodus nicht unabhängig eine gute Zündung und Verbrennung gewährleisten.

Die Lösung des Problems führt normalerweise zur Schaffung von zwei Verbrennungszonen: einer Pilotzone für den Start- und den Niedrigleistungsmodus, die mit einem fetten Gemisch arbeitet und für niedrige CO- und CH-Emissionen optimiert ist, und einer Hauptzone für Design-Hochleistungsmodi. Schubmodi, die mit einer mageren Brennelementanordnung betrieben werden.

Motoren laufen mit magerem Gemisch.

Solche Zwei-Zonen-Kameras (sowie Zwei-Stufen-Kameras) sind recht komplex im Design, haben eine große Masse und sind teuer. Für ihre Herstellung wurde aufgrund der hohen thermischen Belastungen (im Vergleich zu herkömmlichen Kameras) ein neues sogenanntes Segmenttechnologie.

Jeder ringförmige Abschnitt, aus dem das Flammrohr besteht, wird in separate Segmente geschnitten, die mit speziellen Haken und Platten (Dübeln) an einem gemeinsamen tragenden Rahmen befestigt werden. Das Ergebnis ist eine „schwebende“ oder „atmende“ Struktur, die spannungsfrei auf thermische Belastungen reagiert. Dadurch können Sie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Flammrohrs erhöhen.

Segmente ermöglichen eine effizientere Kühlung. In den Kühlkanälen ist es organisiert Parallel-Gegenstrom Luft (Konvektion) plus anschließende Barrierekühlung der Oberfläche.

Darüber hinaus ermöglicht die segmentierte Bauweise den Einsatz von Keramik bei der Herstellung von Brennkammerelementen.

Ein Beispiel für den betrieblichen Einsatz einer Kamera dieses Typs ist der CFM56 DAC (Dual Annular Combustor) KS, installiert auf CFM56-5B/7B-Triebwerken. Seine Indikatoren sind im Diagramm sichtbar. Und auch eine DAC-Kammer bei GE90-94B/115B-Motoren. Bei allen diesen Motoren wird als zusätzliche Option, also auf Kundenwunsch, ein Brennkammertyp eingebaut.

Brennkammer-DAC für CFM56-Motoren. 1 – Pilotzone, 2 – Hauptzone.

Unterschiede in der Menge schädlicher Emissionen (DAC SAC/Dual-Single).

Als vielversprechende Technologien und darauf basierende und mit magerem Gemisch betriebene Brennkammern, die grundsätzlich DAC-Kammern ersetzen sollen, können wir die ANTLE-Technologie (Affordable Near Term Low Emissions) von Rolls-Roys (sowie) nennen eine noch weiter entfernte Perspektive - CLEAN) und Technologie TAPS (Twin Annular Premixing Swirler) von General Electric.

Fortschrittliche Brennkammer mit ANTLE-Technologie.

Derartige Brennkammern arbeiten nach dem Prinzip der sogenannten Vormischung. Vereinfacht ausgedrückt sind hier Luftdüsen einer bestimmten Bauart in einem Block aus speziellen Luftverwirblern untergebracht. Die Vorverwirbelung (Verwirbelung) der Luft selbst beginnt nämlich bereits vor dem Eintritt in das Flammrohr.

Dieses Design verbessert die Verbrennungsbedingungen und die Zuverlässigkeit erheblich. Die Verbrennungszonen sind hier nacheinander angeordnet. Es gibt auch einen Pilotbereich für stabilen Start und Betrieb mit geringem Schub. Ein kurzes Video veranschaulicht dieses Prinzip.

Solche Kammern haben eine verkürzte axiale Größe und praktisch keine Löcher im Flammrohr für den Durchgang von Sekundärluft. TAPS-Brennkammern sind hinsichtlich der Emissionen (Nox, CO, CH) DAC-Kammern überlegen. Solche CS sind für den Einsatz bei CFM-56-7B-Triebwerken geplant.

Die zweite Entwicklungsrichtung des CS . Das ist RQL-Technologie. Die Abkürzung steht für Folgendes: Brennkammer mit reichhaltiger, schneller Mischung und magerer Verbrennung, also fette Gemischverbrennung, schnelles Mischen und magere Gemischverbrennung. Das ist tatsächlich das ganze Prinzip.

Die RQL-Kammer ist im Wesentlichen eine Zweizonen-Brennkammer mit einer sequentiellen Anordnung von Verbrennungszonen. Die erste ist eine Zone mit einer fetten Brennelementanordnung (in der Abbildung beträgt der Kraftstoffüberschusskoeffizient φ oder FAR (inverses α oder AFR) 1,8). Hier findet eine stabile Verbrennung bei relativ niedriger Temperatur und geringer Sauerstoffmenge statt.

Daher ist auch die Menge der gebildeten Stickoxide gering. Dabei entstehen jedoch recht viele brennbare Stoffe wie CO, einfache Kohlenwasserstoffe CH, Wasserstoff H2 sowie Kohlenstoff (Ruß). Diese Stoffe können nicht in die Atmosphäre gelangen und sind daher organisiert zweite Verbrennungszone.

Prinzip der RQL-Technologie.

Motoren, die nach dem RQL-Prinzip arbeiten.

Durch spezielle Löcher in den Wänden des Flammrohrs (Mischer) wird zusätzliche Luft zugeführt, sodass das Gemisch mager wird (φ (FAR) = 0,6). Anschließend erfolgt die Verbrennung des mageren Gemisches, bei der die Bildung von NOx ebenfalls gering ist und CO, CH und H2 aus der „fetten“ Zone verbrannt werden. Dadurch verlässt das Gas die Brennkammer mit einer (idealerweise) völlig akzeptablen Zusammensetzung der Komponenten.

Der Hauptschwerpunkt und das Hauptproblem einer solchen Technologie liegt in der Gewährleistung schnelles und hochwertiges Mischen Gasfluss in einer Zwischenstufe (Quick-Mix), um die Bildung einer Mischung stöchiometrischer Zusammensetzung (praktisch) zu verhindern. Dies kann zu einem starken Temperaturanstieg der Strömung mit unerwünschten Folgen sowohl hinsichtlich der Schadstoffemissionen als auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Bauelemente führen.

Entstehung von Stickoxiden und das RQL-Prinzip.

Die größten Motorenhersteller der Welt haben eigene Entwicklungen mit RQL-Technologie. Eine der bekanntesten ist die Entwicklung der Brennkammer vom Typ Pratt & Whitney TALON (Technologie für Advanced Low Nox). Eine der neuesten Optionen ist TALON II für die Motoren PW4158/4168 und PW6000. Als Ausblick kurz vor der Fertigstellung – die nächste Version von TALON X.

Rolls-Roys hat diesbezüglich eine eigene Entwicklung – die „Tiled Phase 5“-Brennkammer, die in Trent 500/800/900/1000-Motoren installiert ist. GE-Unternehmen - Brennkammer mit Technologie hergestellt LEC (Low Emission Combustor).

Eine vielversprechende Brennkammer von Rolls-Roys.

Alle oben genannten sowie die in Betrieb befindlichen Muster sind modern und recht zuverlässig Brennkammern von Gasturbinentriebwerken bis zu dem einen oder anderen Grad nicht ideal. Hier deutliche Verbesserungen zu erreichen, ist nicht einfach. Der komplexe und in vielerlei Hinsicht sogar schwierige Prozess der Schaffung neuer CS, der Überwindung der Hindernisse des konstruktiven Konservatismus, schreitet durch viele technische und technische Kompromisse voran :-).

Es gibt jedoch ein Axiom, das besagt, dass der Fortschritt nicht aufzuhalten ist. Und das stimmt in der Realität. Es reicht aus, beispielsweise den RD-45-Motor mit jedem modernen Militär- und kommerziellen Motor zu vergleichen. Und die Zeitspanne zwischen ihnen ist nicht so lang... Und trotzdem möchte ich es schneller :) ...

Das ist alles für den Moment. Vielen Dank, dass Sie bis zum Ende gelesen haben :-)… Die nächste Kamera in der Reihe ist der Nachbrenner. Bis zum nächsten Mal...

Die Bilder sind anklickbar.

Arten von Brennkammern
Es stehen verschiedene Brennkammerkonstruktionen für Dieselmotoren zur Verfügung, die jeweils darauf ausgelegt sind, die effizienteste Wirbelströmung zu erzeugen. Diese Designs können in zwei Hauptklassen unterteilt werden:
*Brennkammer mit Direkteinspritzung
* Brennkammer mit indirekter Einspritzung.
Bei der ersten Bauart wird der Kraftstoff direkt am geschlossenen Ende des Zylinders eingespritzt, während bei der zweiten Bauart der Kraftstoff in einen separaten zusätzlichen Brennraum eingespritzt wird, der über einen kleinen Kanal mit dem Zylinder verbunden ist.
Direkte Injektion
In Abb. Abbildung 30.2 zeigt eine offene Brennkammer. Direkteinspritzende Brennkammern werden seit vielen Jahren in schweren Fahrzeugen eingesetzt und sind in leicht abgewandelter Form heute auch in Fahrzeugen mit 2-Liter-Motor üblich.
Die tiefe Aussparung im Kolben enthält Luft, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt sehr nahe am flachen Zylinderkopf befindet. Um das erforderliche Verdichtungsverhältnis zu erreichen, sind Überkopfventile erforderlich. Flache Aussparungen im Kolbenkopf sorgen für die von den Zylinderköpfen benötigten Freiräume.

Eine falsche Ventileinstellung führt dazu, dass die Ventile gegen den Kolben schlagen. Der Mehrlochinjektor fördert fein zerstäubten Kraftstoff unter hohem Druck (175 bar) in einen schnell bewegten Luftstrom und gelangt sofort in die Kolbenmulde (Brennraum).
Der Wirbel wird in zwei Ebenen gebildet, vertikal und horizontal. Wenn der Kolben ansteigt, dringt die Luft direkt in die Aussparung ein und bewegt sich ungefähr wie in der Abbildung gezeigt. Wenn der Kolben den OT erreicht, wird diese Bewegung durch die Turbulenzen des Kolbens zwischen Kolben und Boden beschleunigt. Ein horizontaler oder rotierender Wirbel kann durch die Neigung des Einlasskanals tangential zum Zylinder oder durch die Verwendung eines Wirbelkörpers am Einlassventil erreicht werden. In Abb. Abbildung 30.2a zeigt das gebräuchlichste Design. Durch die Kombination zweier Wirbelströme entsteht in der Vertiefung ein „Luftstrudel“ und sorgt für eine gute Sauerstoffversorgung des Verbrennungsbereichs.
Indirekte Injektion
Bis etwa Mitte der 1980er-Jahre waren Motoren mit indirekter Einspritzung (IDI) die am häufigsten verwendeten Motoren in Kleinwagen. Im Vergleich zu herkömmlichen Hochleistungsmotoren mit Direkteinspritzung kann der Motor mit indirekter Einspritzung ruhiger laufen; Bei einem solchen Motor kann mit einem geringeren Einspritzdruck gearbeitet werden, außerdem bietet dieser Motor einen größeren Drehzahlbereich.
Die meisten Brennkammern von Motoren mit indirekter Einspritzung haben das von Ricardo Comet vorgeschlagene Design, das in Abb. 30.3. Dieses Design verfügt über eine Wirbelkammer, die über einen Kanal mit der Hauptkammer verbunden ist, was den Betrieb bei einer Temperatur ermöglicht, die höher ist als die Temperatur des umgebenden Metalls.
Während der Kompression wird Luft durch den heißen Kanal in die Wirbelkammern gedrückt, so dass sich am Ende dieses Hubs sehr heiße Luft mit einem hohen Grad an Verwirbelung in der Kammer befindet. Der Kraftstoff wird in diese sich schnell bewegende Luftmasse eingespritzt und schnell in sehr feine Partikel zerstäubt. Diese Zerstäubung ist auch dann sehr effektiv, wenn der Kraftstoff als „weicher“ Strahl mit einem Stiftinjektor oder einem Düsensatz bei relativ niedrigem Druck (ca. 100 bar) eingespritzt wird.
Nach dem Einleiten der Verbrennung in der Wirbelkammer wird der brennende Kraftstoff zusammen mit unverbranntem oder teilweise verbranntem Kraftstoff in die im Kolbenboden befindliche Hauptbrennkammer geleitet. Wenn die Einspritzzeit verlängert wird, um mehr Motorleistung bereitzustellen, entzündet sich der größte Teil des am Ende der Einspritzperiode eingespritzten Kraftstoffs erst, wenn er mit der Luft in der Hauptkammer vermischt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Verbrennung relativ lange andauern kann, bis irgendwann ein Stadium erreicht wird, in dem der Brennstoff nicht mehr über genügend Sauerstoff zum Verbrennen verfügt. Von diesem Zeitpunkt an beginnt schwarzer Smog auszustoßen, und das Auftreten dieses Smogs zeigt die maximale Kraftstoffmenge an, die ohne Einbußen bei der Effizienz eingespritzt werden kann, sowie die maximale Leistung, die vom Motor erzielt werden kann.

Reis. 30.3
Doppelhohlraum-Brennkammer eines Selbstzündungsmotors – indirekte Kraftstoffeinspritzung
Bei einem indirekt einspritzenden Motor führt die Kombination aus heißer Luft und sehr feiner Zerstäubung zu einer kurzen Zündverzögerung. Im Vergleich zu einem Direktgiermotor ist die Intensität des „harten“ Betriebs des Motors geringer, der Motor läuft ruhiger; Solche Motoren können Kraftstoff mit einer niedrigeren Cetanzahl verwenden. Alle Selbstzündungsmotoren erfordern spezielle Maßnahmen, um einen Kaltstart zu gewährleisten. Um einen Motor mit kalter Selbstzündung zu starten, ist es üblich, mehr Kraftstoff einzuspritzen und mehr brennbare Anteile im Einspritzteil zu haben, aber der größere Wärmeverlust bei Motoren mit indirekter Einspritzung erfordert zusätzliche Mittel, um einen Kaltstart sicherzustellen. Im Vergleich zu Motoren mit Direkteinspritzung, die ein Verdichtungsverhältnis von 16 verwenden, verwenden Motoren mit indirekter Einspritzung ein Verdichtungsverhältnis von etwa 22, in einigen Fällen bis zu 30.
Neben der Gewährleistung des Kaltstarts ist ein hohes Verdichtungsverhältnis auch erforderlich, um den thermischen Wirkungsgrad, also die Wirtschaftlichkeit, wie bei einem Direkteinspritzer zu erhöhen. Dadurch werden die großen Wärmeverluste ausgeglichen, die durch die größere Oberfläche des Brennraums eines indirekt einspritzenden Motors entstehen.
Um den Kaltstart eines Motors mit indirekter Einspritzung sicherzustellen, werden eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Mittel verwendet:
1 Glühkerze ist ein elektrisch beheiztes Gerät, das in einer Wirbelkammer installiert ist. Die Luft in der Kammer wird einige Sekunden vor dem Starten eines kalten Motors elektrisch erwärmt. Heutzutage werden solche Glühkerzen meist automatisch gesteuert.
2 Verteilerheizungen sind elektrische Geräte, die dazu dienen, die durch den Ansaugkrümmer zu den Zylindern strömende Luft elektrisch zu erwärmen.
3 Pintox-Injektor – ein Pin-Injektor mit einem zusätzlichen Loch für die direkte Kraftstoffzufuhr durch einen speziellen Kanal in die Brennkammer, während die Motorkurbelwelle mit dem Anlasser durchgedreht wird.
Moderne Motoren für den Einbau in Personenkraftwagen
Der Einsatz kleiner Selbstzündungsmotoren in Automobilen ist sehr attraktiv, da solche Kleinmotoren einen um bis zu 40 Prozent geringeren Kraftstoffverbrauch haben als Ottomotoren ähnlicher Leistung. Dieser Vorteil ist noch attraktiver, wenn das Auto sehr stark genutzt wird und die Kraftstoffeinsparungen dann möglicherweise die höheren Anschaffungskosten eines teureren Motors übersteigen.
Dieser Vorteil, gepaart mit der allgemein steigenden Nachfrage nach diesen Motorentypen, hat dazu geführt, dass viele Automobilhersteller den kleinen Dieselmotoren mehr Aufmerksamkeit schenken.
In der Vergangenheit waren Kompressionszündungsmotoren sehr laut und konnten nicht mit Fremdzündungsmotoren mithalten, doch in letzter Zeit wurden in diesem Bereich große Verbesserungen erzielt. Durch die Verbesserung der Brennraumform und den Einsatz von Schalldämpfern konnte der Geräuschpegel gesenkt und durch den Einbau eines Motors mit etwas größerem Hubraum der Leistungsunterschied zu Ottomotoren verringert werden.