Жаровая труба¶

Жаровая труба — это элемент конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД), прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) или котла, представляющий собой цилиндрическую или коническую обечайку, внутри которой происходит непосредственное сжигание топлива. Жаровая труба является основным рабочим объемом, где топливовоздушная смесь воспламеняется, горит и образует высокотемпературные продукты сгорания, направляемые затем на лопатки турбины или в сопло.

¶Конструкция и назначение

Жаровая труба располагается внутри корпуса камеры сгорания, образуя между своей внешней поверхностью и внутренней стенкой корпуса кольцевой канал для вторичного (охлаждающего) воздуха. Основные функции жаровой трубы:

Организация стабильного горения топлива в широком диапазоне режимов работы двигателя.
Обеспечение полного сгорания топлива с минимальными потерями.
Охлаждение собственных стенок до температуры, не превышающей допустимую для материала трубы (обычно жаропрочные никелевые или кобальтовые сплавы).
Формирование потока продуктов сгорания с заданным распределением температуры на выходе (эпюра температур) для защиты лопаток турбины от перегрева.

Конструктивно жаровая труба может быть трубчатой (отдельные цилиндры для каждой форсунки), трубчато-кольцевой (несколько труб, объединённых в кольцевой корпус) или кольцевой (единая кольцевая полость, окружающая вал двигателя). В современных авиационных и стационарных ГТД наибольшее распространение получили кольцевые камеры сгорания с одной жаровой трубой, обеспечивающие наименьшие габариты и массу.

¶Принцип работы

Воздух, сжатый компрессором, поступает в камеру сгорания. Около 20–30 % этого воздуха (первичный воздух) подаётся во внутреннюю полость жаровой трубы через специальные отверстия, завихрители (свирлеры) и щели. Этот воздух смешивается с топливом, распыляемым форсунками, образуя горючую смесь. Воспламенение осуществляется от искровых свечей (на земле) или от факела пламени (в полёте).

Остальная часть воздуха (вторичный или охлаждающий воздух) проходит по внешнему каналу между жаровой трубой и корпусом. Часть этого воздуха через отверстия в стенках трубы (так называемые «охлаждающие щели» или «перфорация») поступает внутрь, создавая пристеночную воздушную завесу, которая защищает стенки от перегрева. Другая часть вторичного воздуха (смесительный воздух) подаётся в зону смешения — за фронтом пламени, чтобы разбавить горячие газы до температуры, приемлемой для турбины (обычно 1100–1400 °C).

¶Материалы и охлаждение

Жаровые трубы работают в экстремальных условиях: температура газов в ядре пламени может достигать 2000 °C, а температура стенок — 800–1000 °C. Для их изготовления применяются жаропрочные сплавы на основе никеля (например, ХН78Т, ХН60ВТ, Inconel 718, Haynes 230) и кобальта. Для снижения массы и повышения жаростойкости в некоторых конструкциях используются керамические покрытия (термобарьерные покрытия, ТБП) на основе диоксида циркония.

Основные методы охлаждения стенок жаровой трубы:

Конвективное охлаждение — тепло отводится за счёт обдува внешней поверхности трубы вторичным воздухом.
Плёночное охлаждение — через щели или ряды отверстий в стенке подаётся холодный воздух, создающий на внутренней поверхности трубы защитную плёнку.
По́ристое охлаждение — стенка выполняется из пористого материала, через который фильтруется охлаждающий воздух.
Импактное (струйное) охлаждение — воздух подаётся через сопла, ударяя струями в наиболее нагретые участки стенки.

¶Типы и классификация

Жаровые трубы классифицируют по нескольким признакам:

По форме камеры сгорания:

Трубчатые (индивидуальные) — каждая труба обслуживает одну форсунку.
Трубчато-кольцевые — несколько труб, соединённых в кольцо.
Кольцевые — единая кольцевая полость.

По направлению потока:

Прямоточные — поток газов движется в одном направлении (от компрессора к турбине).
Противоточные (реверсивные) — поток воздуха разворачивается на 180°, что позволяет уменьшить длину двигателя (применяются в некоторых вертолётных ГТД).

По способу смесеобразования:

С диффузионным горением (топливо и воздух смешиваются непосредственно в зоне горения).
С предварительным смешением (гомогенное горение) — топливо и воздух смешиваются до поступления в зону горения, что снижает выбросы оксидов азота.

¶Применение

Жаровые трубы являются ключевым элементом:

Авиационных газотурбинных двигателей (турбореактивных, турбовентиляторных, турбовинтовых, турбовальных) — обеспечивают работу силовых установок самолётов и вертолётов.
Стационарных газотурбинных установок — для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) — в сверхзвуковых летательных аппаратах и ракетах.
Вспомогательных силовых установок (ВСУ) — для обеспечения энергией систем самолёта на земле.
Промышленных и судовых газотурбинных двигателей — на морских судах, танках (например, ГТД-1000Т для танка Т-80), тепловозах.

¶История развития

Первые жаровые трубы появились в конце 1930-х — начале 1940-х годов в ходе разработки первых газотурбинных двигателей (Фрэнк Уиттл в Великобритании, Ганс фон Охайн в Германии, Архип Люлька в СССР). Ранние конструкции были простыми цилиндрическими трубами из листовой стали, которые быстро выходили из строя из-за перегрева. В 1950-е годы были внедрены системы плёночного и конвективного охлаждения, а также жаропрочные сплавы. В 1970–1980-е годы началось широкое применение кольцевых камер сгорания, что позволило уменьшить длину и массу двигателей. В 1990–2000-е годы усилия были направлены на снижение выбросов вредных веществ (NOx, CO, несгоревших углеводородов), что привело к созданию камер сгорания с бедной смесью и предварительным смешением (LPP — Lean Premixed Prevaporized).

¶Неисправности и ресурс

Основные виды повреждений жаровых труб:

Термическая усталость — образование трещин из-за циклических изменений температуры (частые запуски и остановы).
Прогары — локальное разрушение стенки из-за нарушения охлаждения или попадания посторонних предметов.
Коробление — деформация трубы вследствие неравномерного нагрева.
Эрозия — износ материала под действием высокоскоростного потока газов и частиц (сажи, золы).

Ресурс жаровой трубы в авиационных двигателях составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов налёта, после чего требуется замена или ремонт (заварка трещин, замена повреждённых участков). В стационарных ГТД ресурс может достигать 25 000–50 000 часов.

¶Интересные факты

В некоторых экспериментальных камерах сгорания для снижения температуры стенок применяется «пористое охлаждение» — стенка изготавливается из спечённого металлического порошка, через который фильтруется воздух.
В двигателях сверхзвукового пассажирского самолёта «Конкорд» (Olympus 593) жаровые трубы имели сложную форму с дополнительными форсунками для форсажа, позволяющего поддерживать сверхзвуковую скорость.
В российском двигателе ПС-90А (для самолётов Ту-204, Ил-96) применена кольцевая камера сгорания с 12 жаровыми трубами, объединёнными в единый блок, что снижает количество деталей и повышает надёжность.

¶Источники

Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. «Газотурбинные двигатели». — Пермь, 2006.
Скубачевский Г. С. «Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчёт». — М.: Машиностроение, 1981.
Lefebvre A. H., Ballal D. R. «Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions». — CRC Press, 2010.
Материалы Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) имени П. И. Баранова.
Техническая документация ПАО «ОДК-Пермские моторы» (двигатели ПС-90А, ПД-14).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →