Потребитель при выборе отопительного котла сталкивается с очень большим количеством оборудования, которое ему предлагает современный рынок, поэтому принятие оптимального решения при покупке становится кропотливым и достаточно трудным делом. Изначально необходимо исходить из оценки возможности помещения и предпочтительного способа отопления дома.

Рекомендация большинства специалистов — установить газовый котел настенный с закрытой камерой сгорания, занимающий сейчас основную долю представленных моделей газовых теплогенераторов и применяемый в частных домах и в небольших производственных или общественных помещениях. Его качественными преимуществами являются компактность, экономичность, ценовая целесообразность и простота обслуживания.

Существует деление по типу камер сгорания котлов. Различают закрытые и открытые. Конвекционные котлы могут быть обоих типов, конденсационные обладают только закрытым типом. Более подробно про другие экономичные котлы отопления для частного дома можно прочитать .

Котлы, с открытой камерой сгорания

Открытая камера характеризуется естественной тягой. При этом забор воздуха производится из помещения, вывод продуктов сгорания производится через дымоход. В случае недостаточной вентиляции, будет постоянно ощущаться недостаток кислорода и существует риск попадания продуктов сгорания внутрь. Но эти котлы имеют более низкий порядок цены.

Котлы с камерой закрытого типа желательно устанавливать в помещении с оборудованным вертикальным дымоходом.

Котлы, с закрытой камерой сгорания

Имеющий в своем устройстве принудительную тягу, газовый котел с закрытой камерой сгорания делает возможным удалять продукты сгорания с помощью электровентилятора из камеры через коаксиальный дымоход. Последний представляет собой одну трубу, находящуюся внутри другой. В камеру сгорания воздух засасывается через наружную трубу, а выводится через внутреннюю. Обычное расположение такого котла вертикальное.

Настенные и напольные котлы

По вариантам исполнения различают напольные и настенные котлы. Тип настенных котлов обладает преимуществом более компактного расположения, занимая немного места, что делает их применимыми даже в городских квартирах. Устанавливая газовый напольный котел с закрытой камерой сгорания, нужно помнить, что может потребоваться отдельное помещение. Но они обладают большей мощностью и оборудованы чугунными теплообменниками. Далее, газовые котлы для отопления дома бывают двухконтурные и одноконтурные.

Одноконтурные газовые котлы

Задачей, которую выполняют одноконтурные газовые котлы с закрытой камерой сгорания, — обеспечение отопления. Двухконтурные выполняют одновременно функцию отопления, а также производство санитарно-технической горячей воды. Нередко используемые котлы отопительные газовые одноконтурные в своем устройстве имеют способ нагрева теплоносителя в теплообменнике и дальнейшее его поступление в систему отопления, там производится отдача тепла и нагрев помещения.

Двухконтурные газовые котлы

Двухконтурный котел, являясь эффективным обогревательным устройством, имеет несколько иное устройство. Он используется, когда нужно решить задачи потребности наличия горячей воды и обеспечить достаточный уровень отопления. Выбор большинства потребителей остается за настенными газовыми двухконтурными котлами с закрытой камерой сгорания. Подключение, монтаж и дальнейшее использование не потребует многих усилий и времени.

Особенности устройства газового котла с закрытой камерой сгорания

Основное различие представленных на рынке котлов с открытой и закрытой камерами сгорания заключено в способе поглощения ими кислорода как конструктивной особенности. Для того чтобы отапливать жилое помещение, более правильным будет выбрать газовый котел закрытая камера сгорания которого обеспечит лучшую применимость для дома.

Вариант приобретения открытой формы лучше использовать в помещениях-котельных. Открытая камера работает по принципу поглощения в комнате кислорода из воздуха. При этом нужно позаботиться о постоянном ее проветривании, чтобы избежать нехватки воздуха.

В процессе работы закрытой камеры сгорания воздух, обеспечивающий ее нормальное функционирование, поглощается посредством установленного коаксиального дымохода с улицы. Далее переработанные этой камерой продукты выводятся также на улицу. Это позволяет обходиться без дополнительных вентиляционных сооружений.

Камера сгорания находится отдельно от помещения с теплогенератором. Это приводит к тому, что утечка газа или продуктов сгорания становится невозможной, так как из дома не забирается воздух. При герметичности газового трубопровода и отсутствии повреждений на камере сгорания будет исключена возможность аварии. Забор и удаление воздуха происходят принудительно, используется вентилятор котла.

Часто котлы с закрытой камерой сгорания называют турбированными. Технологически коаксиальная труба и раздельные каналы могут быть выведены горизонтально, что исключает нужду в вертикальном дымоходе.

Преимущества использования газовых котлов с закрытой камерой сгорания

Несомненными преимуществами обладает газовый напольный котел с закрытой камерой сгорания, среди них следует выделить главные. При выбросе отработанного материала все продукты газа остужаются. Это делает применение таких котлов безопасным. Помещение, в котором используется такое устройство, прогревается без образования различных загрязнений воздуха, процессы сгорания происходят уже за территорией помещения или дома, на улице. Поэтому применение газовых котлов является комфортным.

КПД газового котла имеет достаточно высокий показатель. Это обусловлено тем, что поступающий в трубу воздух согревается. Вследствие этого котлы закрытой формы камеры сгорания обладают качествами экологической чистоты. Газ в них дожигается лучше при существенном снижении выбросов в природу.

Наряду с этим, необходимо отметить, что такое оборудование не сможет работать без электричества — в этом случае теплогенератор выключится, и остановится функционирование вентилятора. При появлении электричества запуск котла производится автоматически.

Популярные марки газовых котлов

Установка настенных газовых котлов происходит повсеместно. Они широко стали использоваться для отопления квартир, домов, коттеджей и дач. Котлы поставляются для подключения с максимумом комфорта и минимумом монтажа. Они компактны и имеют современный дизайн.

Настенный газовый котел Wolf CGG 1K 24

Предназначенный для горячего водоснабжения проточного режима и отопления настенный газовый котел Wolf CGG 1K 24, характеризуется высоким КПД и может быть установлен на самых разных объектах. Котел прекрасно адаптирован для работы в непростых условиях, учитывая нестабильность давления газа, и гарантирует эффективное решение задач отопления и подачи горячей воды.

Среди его достоинств отмечают надежное и стабильное функционирование даже при скачках электричества или перепадах давления газа. Он обладает крепкой конструкцией и простотой монтажа. Продуманный функционал позволяет установленной газовой арматуре выбирать оптимальный режим и экономить потребление газа. Комплектующие котла прошли строгий контроль.

Газовый котел Гефест

Отечественный газовый котел Гефест, производимый ЗАО ПКФ «ГЕФЕСТ ВПР», имеет модельный ряд с закрытой или открытой камерой сгорания и с отводом горячей воды.

Котлы Гефест отвечают всем существующим потребностям отопительного оборудования.

Применяемая в них итальянская газовая автоматика обеспечивает бесперебойную работу. Простота системы и минимальное количество используемых узлов исключают неисправности. Имеющиеся на газовый котел Гефест отзывы говорят о его простоте в обслуживании, прочности и производительности. Их автоматика продолжает работать даже в случаях существенного падения давления газа. С другими моделями отечественных котлов можно ознакомиться в нашей статье .

Таким образом, устанавливая котлы газовые с закрытой камерой сгорания самых различных производителей, выбирается оптимальный вариант для многих типов жилых помещений, что послужит гарантией комфортной жизни.

Конструкция корпуса камеры.

Конструкцию камеры двигателя (рис. 6.1) технологически можно разделить на две части: корпус 1 и смесительную (форсуночную) голов­ку 2.

Корпус состоит из цилиндрической части 3 и сопла 4.

Исходными данными для конструирования камеры являются преж­де всего геометрические размеры и газодинамический профиль (рис. 6.2), которые определяются при газодинамическом расчёте. Затем производит­ся расчет смесеобразования и форсунок, расчет тепловых потоков и решаются задачи теплозащиты стенки, выбираются основные материалы.

Большинство камер ЖРД имеет наружное охлаждение, при кото­ром осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, об­разованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания и сопла. С ростом давления в камере и повышением энергетических характеристик двигателя для обеспечения надежной теп­лозащиты стенок камеры требуется интенсификация наружного про­точного охлаждения. Это достигается увеличением скорости течения. охладителя, развитием теплоотдающей поверхности стенки с помощью её оребрения, турбулизацией потока, например путём создания искусственной шероховатости тракта. Кроме того, при интенсивном наружном охлаждении требуется, чтобы внутренняя стенка была достаточно тонкой и изготовлена из теплопроводных,материалов, например, из медных сплавов.

Однако с повышением давлений в камере и охлаждающем тракте, которые доходят до десятков мегапаскалей, очень сложно обеспечить высокую прочность конструкции при тонкой стенке из теплопроводных, как правило, малопрочных материалов.

Поэтому наиболее сложным этапом создания камеры является проек­тирование и разработка конструкции охлаждающего тракта, который име­ет много разных форм и силовых связей. Заметим, что от конструкции охлаждающего тракта зависит облик всей конструкции камеры, ee прочность, надежность охлаждения и массовые характеристики. Таким образом, самым главным элементом конструкции камеры сгорания является конструкция охлаждающего тракта. Наиболее простым является охлаждающий тракт, выполненный в виде гладкого щелевого канала, образованного зазором между внутренней и наружной оболочками (рис. 6.3, а и 6). Однако при малом количестве охладителя для обеспечения требуемой скорости те­чения необходимо иметь очень малый зазор щели – меньше 0,4…0,5 мм, что технически выполнить очень трудно. Кроме того, при большом давле­нии в охлаждающем тракте, тонкая внутренняя оболочка легко теряет ус­тойчивость - деформируется из-за недостаточной ее жесткости.

От этих недостатков избавлены охлаждающие тракты с так называ­емыми связанными оболочками, т.е. прочно скрепленными. Впервые их разработал известный советский конструктор А.М. Исаев в 1946 г. (двига­тели У-400 и У-1250). Конструктивных схем охлаждающих трактов со свя­занными оболочками имеется в настоящее время много.

На рис. 6.3, в показан тракт, образованный соединением оболочек электросваркой по специальным выштамповкам - круглым или овальным, выполненным на наружной оболочке.

На рис. 6.4 оболочки соединены пайкой либо через ребра, выфрезеро­ванные на внутренней оболочке (рис. 6.4, а), либо пайкой через специаль­ные гофрированные проставки (рис. 6,4, 6).

В американских двигателях распространены трубчатые конструкции камер. В них корпус камеры сгора­ния и сопла набирается из специальных тонкостенных (до 0,3…0,4 мм) профилированных трубок, изготовленных из теплопроводных материалов, часто на никелевой основе. Трубки соединяются между собой пайкой (рис. 6.5). Для обеспечения прочности трубчатых камер снаружи устанавливаются специальные силовые бандажи, как на отдельных участках, так и в виде сплошной силовой. В некоторых случаях трубки могут размещаться в два слоя. Разновидностью трубчатой конструкции может служить использование U-образных профилей, припаянных к силовой наружной оболочке.

В качестве охладителя в современных двигателях используются окис­литель или горючее, либо оба компонента. Кроме того, для удобства ком­поновки, уменьшения длины подводящих охладитель трубопроводов, а также снижения гидравлического сопротивления охлаждающего тракта охладитель иногда разделяют на несколько расходов, каждый из которых охлаждает какую-либо часть камеры сгорания или сопла. Особенно это характерно при использовании в качестве охладителя водорода. Причем часто для охлаждения камеры вполне достаточно только одной его части расхода. На рис. 6.6 показаны некоторые схемы подвода охладителя в охлаждающий тракт камеры.

Схема а - наиболее простая - весь расход охладителя проходит от среза сопла к головке камеры сгорания. В схеме б концевая часть сома охлаждается частью расхода, так как здесь более низкие тепловые потоки. Эта схема позволяет несколько снизить гидравлические потери в охлаж­дающем тракте, массу и габаритные размеры камеры уменьшением дли­ны подводящих трубопроводов и применением менее габаритного коллектора. Схемы в и г - конструктивно более сложные, но позволяют так­же уменьшить длину подводящих трубопроводов, снизить гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта, подавать в области с наибольшими тепловыми потоками (дозвуковая и критическая части сопла) охлади­тель с более низкой температурой.

Схема д - Противоположна схеме а. Здесь охладитель поступает в охлаждающий тракт со стороны смесительной головки. Достоинство схе­мы - уменьшение длины подводящих трубопроводов. Эта схема особен­но хорошо компонуется при трубчатой конструкции камеры. В этом слу­чае охладитель по одной части трубок направляется к срезу сома, а по другой - возвращается к смесительной головке. .

Важным конструктивным элементом камеры является обеспечение равномерного втекания охладителя в охлаждающий тракт по его пери­метру. Для этого устраивают специальные входные коллекторы (рис. 6.7) .

Одно наружное проточное охлаждение камеры не всегда может обес­печить необходимый для надежной работы температурный режим стен­ки на всем ее протяжении. Поэтому, как правило, наряду с наружным охлаждением применяют и внутреннее охлаждение. Оно осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа (заградительное охлаждение) или жидкой пленки (завесное охлаждение) на отдельных участках внутренней поверхности стенки.

Заградительное охлаждение стенки осуществляется соответствующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на перифе­рии головки. В этом случае в пристеночном слое создается избыток ка­кого-либо компонента (обычно горючего), что приводит к понижению температуры продуктов сгорания возле стенки. Завесное охлаждение реализуется подачей жидкого компонента (обычно горючего) непосред­ственно на внутреннюю поверхность стенки через отверстия и щели в спе­циальной конструкции - поясе завесы охлаждения. Жидкая пленка и продукты ее разложения, двигаясь по стенке, хорошо ее защищает от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания.

Наиболее распространенной конструкцией охлаждающих трактов являются каналы, образованные ребрами (см. рис. 6.4, а) или гофрирован­ными проставками (см. рис. 6.4, б). При таких конструкциях трактов оболочки имеют большое число связей, которые обеспечивают повышен­ную жесткость и прочность камеры. Минимальный шаг между связями t min определяется технологией производства, а максимальный t max - проч­ностью. Уменьшение высоты охлаждающего тракта δ охл часто использу­ется для повышения скорости течения охладителя. Однако из техноло­гических соображений сделать высоту тракта δ охл меньше 1,5 ... 1,8 мм не рекомендуется, так как при пайке может произойти перекрытие сечения канала припоем. Поэтому для повышения скорости течения охладителя, чтобы не уменьшать высоты канала, применяют спиральные винтовые связи (рис. 6.8). Если θ - угол наклона ребер с осью камеры, то скорость течения охладителя W охл ≈ 1/cosθ. Подбирая угол наклона ребер, можно в определенных пределах влиять на скорость течения.

Учитывая, что в соответствии с газодинамическим профилем диаметр сечения сопла непрерывно изменяется, а число связей на определенном участке должно оставаться постоянным, то в соответствии с изменением диаметра сечения сопла будет изменяться на участке и шаг между связя­ми (рис. 6.9).

а) при тракте с ребрами t min = 2,5 мм, t max = 4 ... 6 мм - при пайке твердыми припоями. при диф­фузионной пайке tmin = 2 мм, при­чем допустимую высоту охлаждаю­щего тракта здесь можно снизить до 8 0х כ = 1,2 .. .1,5 мм. Минимальная толщина ребер 8 р = 1 мм;

б) при тракте с гофрами t min =3,5, t max = 5 ... 7 мм. Минимальная толщина гофра 8 г =0,3 мм.

Таким образом, число связей вдоль камеры постоянно будет Изменять­ся, причем при ребрах - ступенями (рис. 6.11, а), а при гофрах _ отдель­ными секциями (рис. 6. 11, б). Технология Изготовления ребер фрезеро­ванием требует удвоения числа ребер в каждой следующей секции: преды­дущие ребра не прерываются, а между ними фрезеруются новые. Число связей - гофр - в соседних секциях произвольное, лишь в начале каждой секции должно быть t ≥ t min , а в конце - t≤ t max.

Естественно, выбор максимальных значений шага между ребрами или гофрами на каждой секции или участке должен быть обоснован прочностными расчетами.

Для одновременного удовлетворения требований надежного охлажде­ния и Прочности внутреннюю стенку камеры сгорания часто приходится изготавливать из разных материалов. Например, на наиболее теплонапряженных участках дозвуковой и критической частей сопла для стенки применяют медные сплавы, а на остальных сталь.

Наконец, сравнивая два вида связей оболочек - с ребрами и гофра­ми, можно отметить следующее.

1. Ребра имеют только один спай - с наружной оболочкой, в то вре­мя как у гофров - два спая, с наружной и внутренней стенками. Учиты­вая, что последний спай "горячий", то, естественно, его прочность меньше "холодного". Следовательно, при использовании гофров прочность связи оболочек при прочих равных условиях будет меньше, чем при применении ребер.

2. Производство ребер путем их фрезерования на внутренней оболоч­ке много проще и надежнее, чем изготовление гофрированных секций.

З. Качество соединения стенки, спаянной с ребрами, легче проконтро­лировать (например, легче расшифровать снимки, полученные на рент­геновской установке). Это объясняется тем, что при гофрах эта работа сильно усложняется из-за накладки одного и другого рядов спаев, а также из-за деформации и перемещения гофров при сборке, вакуумировании, пайке и т.п.

4. При уменьшении шага между ребрами и гофрами гофры в большей степени загромождают проходное сечение охлаждающего тракта, чем реб­ра. Это хорошо видно из рис. 6.12. Заметим, что под коэффициентом загромождения понимается отношение площадей сечения "свободного" охлаждающего тракта, т.е. без загромождающих элементов, к реальному, т.е. загроможденному сечению данного тракта той же высоты.

Большое загромождение проходного сечения охлаждающего тракта требует для обеспечения заданной скорости течения охладителя соответ­ствующего увеличения высоты охлаждающего тракта, что, естественно, увеличит массу камеры. Кроме того, охлаждающий тракт с большим за­громождением будет иметь и повышенное гидравлическое сопротивление.

Все это приводит к тому, что большинство камер двигателей в настоя­щее время имеет в качестве связей фрезерованные ребра, в том числе у даже на сверхзвуковых участках сопла, изготавливаемых из стали.

Главное достоинство дизельных двигателей - это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах заметно дешевле бензина.

К числу недостатков дизеля по сравнению с бензиновыми двигателя ми относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.

Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные .

Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателям и с непосредственным впрыском.

Дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно - высокий уровень шума.

Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре - так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных дизельных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном. В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте дизельных двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки дизельного двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и прокруткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.

Пуск дизельного двигателя:

У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой.

Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателей с непосредственным впрыском.

Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания. Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.

В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а бензиновые двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализатор ами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.

Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами:

Первый из них - низкая эффективность каталитических нейтрализаторов . Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО.

Второй фактор - повышенный выброс на некоторых режимах , особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий - частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели - ограничение выброса углеводородов и твердых частиц.

Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей следующие:

Низкое качество топлива,

Нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива),

Повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы,

В двигателях с турбонаддувом - слишком низкое давление наддува.

Одна из главных характеристик дизельного топлива - это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению.

Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания.

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

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

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

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

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

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

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рассмотрим принцип действия форсунок различных типов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Камеры сгорания В современных бензиновых двигателях с верхним расположением клапанов преимущественно используются камеры сгорания следующих типов: полусферические, полисферические, клиновые, плоскоовальные, грушевид- ные, цилиндрические. Существуют смешанные варианты камер сгорания. Форма камеры сгорания определяется расположением клапанов, формой днища поршня, расположением свечи, а иногда и двух свечей зажигания, наличием вытеснителей. При проектировании двигателя с учетом применяемого топлива и заданной степени сжатия к камерам сгорания предъявляются следующие требования: обеспечение высоких скоростей сгорания, снижения требований к октановому числу топлива, минимальных потерь с охлаждающей жидкостью, низкой токсичности, технологичности производства. Это определяется следующими условиями:

Компактностью камеры сгорания;
-эффективной турбулизацией смеси во время сгорания;
-минимальным отношением площади поверхности

Камеры сгорания к рабочему объему цилиндров. Как уже отмечалось, одним из способов повышения эффективного КПД двигателя является увеличение степени сжатия. Основной причиной ограничения степени сжатия является опасность появления аномальных процессов сгорания (детонации, калильного зажигания, грохота и др.). У современных серийных двигателей, имеющих достаточно высокие степени сжатия, дальнейшее их увеличение даст сравнительно небольшой эффект и связано с необходимостью решения ряда проблем. Прежде всего - это возникновение детонации. Именно она определяет требования к величине степени сжатия и форме камеры сгорания. После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени распространяется по камере сгорания, давление и температура в этой части заряда растут до 50...70 бар и 2000...2500 С, в наиболее удаленной от свечи части рабочей смеси происходят предпламенные химические реакции. При невысокой частоте вращения коленчатого вала, особенно в двигателях с большим диаметром цилиндров, время на эти реакции иногда оказывается достаточным, чтобы остаточная часть заряда сгорала с высокими скоростями (до 2000 м/с).

Детонационное сгорание вызывает появление ударных волн, распространяющихся по камере сгорания с высокой скоростью, вызывая металлические стуки, иногда неправильно называемых стуком пальцев. Ударная волна, разрушая пристеночный слой газов с пониженной температурой, способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев и увеличивая тепловые потери в двигателе. Работа с сильной детонацией приводит к общему перегреву двигателя, ухудшению мощностных и экономических показателей. При длительной езде с интенсивной детонацией начинается эрозия стенок камеры сгорания, оплавление и задиры поршня, повышенный износ верхней части цилиндра из-за срыва масляной пленки, поломка перемычек между канавками поршневых колец и задиры зеркала цилиндра, прогар прокладки головки цилиндров. К числу факторов, влияющих на требования к октановому числу топлива, относится компактность камеры сгорания, характеризуемая степенью нарастания объема сгоревшей части смеси (в % к полному объему камеры сгорания) по мере удаления условного фронта пламени от свечи. Наиболее компактными являются полусферические, шатровые камеры сгорания, имеющие пониженные требования к октановому числу. Однако для повышения степени сжатия до 9,5... 10,5 в полусферических или полисферических камерах иногда приходится днище поршня делать выпуклым, что существенно ухудшает степень компактности и соответственно повышает требования к октановому числу, которые возрастают на 3...5 единиц. В современных двигателях с 4 клапанами в одном цилиндре свеча располагается в центре камеры сгорания. Это обеспечивает максимальную степень нарастания объема.

Другим параметром, характеризующим антидетонационные качества, является степень турбулизации смеси в процессе сгорания. Интенсивность турбулизации зависит от скорости и направления потока смеси на входе в камеру сгорания. Одним из способов создания интенсивной турбулизации является увеличение площади вытеснителя (объема расположенного между днищем поршня и плоскостью головки цилиндров) с целью турбулизации заряда для увеличения скорости сгорания. Вытеснители имеют клиновые, овальные, грушевидные камеры сгорания. При замене плоскоовальной камеры сгорания на грушевидную, увеличении за счет этого площади вытеснителя при одновременном уменьшении его высоты на двигателях автомобилей УАЗ удалось без изменения требований к ОЧ топлива поднять степень сжатия на 0,5, за счет чего расход топлива уменьшился на 5...7%, а мощность увеличилась на 4... 5%. У двигателей УЗАМ 331 и у некоторых двигателей грузовых автомобилей (ЗИЛ-508.10) для создания вихревого движения заряда перед впускным клапаном канал выполнялся улиткообразным. Однако при высоких скоростях смеси это приводило к увеличению сопротивления и соответственно снижению мощностных показателей. Поэтому последние модели двигателей УЗАМ выпускаются с обычным впускным каналом. Полусферические, полисферических цилиндрические камеры сгорания практически не имеют вытеснителя, поэтому их антидетонационные качества (по индексу детонации) уступают камерам с вытеснителями. При массовом производстве двигателей за счет отклонения размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и объема камеры сгорания фактическая степень сжатия двигателя одной модели может отличаться на значительную величину (в пределах одной единицы). Поэтому для автомобиля одной и той же модели часто требуются бензины с разным октановым числом. Фактическую степень сжатия приблизительно можно определить при помощи компрессометра.

А - полусферическая; б - полусферическая с вытеснителем; в - сферическая; г - шатровая; д - плоскоовальная; е -клиновая; з - цилиндрическая камера сгорания в поршне; ж - полуклиновая с частью камеры в поршне;