4.4. Камера сгорания гтд

При поступлении в камеру сгорания воздух за компрессором раздваивается. Основная часть воздуха направляется в жаровую трубу. Другая часть, необходимая для охлаждения стенок жаровой трубы, в кольцевой канал между наружным корпусом и перфорированной стенкой жаровой трубы, называемый далее трубой с перфорированной оболочкой (см. рис. 16). В момент сгорания топлива имеет место мгновенное циклическое нарастание температуры до 2500 К. Соответствующее этой температуре давление в локальном объеме ядра пламени жаровой трубы камеры сгорания порождает волны большой интенсивности, распространение которых сопровождается громовым гулким грохочущим шумом. Уровень шума камер сгорания современных ГТД достигает 165 дБ. В широкополосном спектре их шума обязательно присутствуют две главные компоненты пульсатора и осциллятора горения.

Автоколебательный процесс горения жидкого мелкораспыленного топлива в турбулентном потоке горячей воздушной среды в газотурбомашинах обладает самоускоряющим цепным аэротермоакустическим механизмом самозажигания паров вокруг капель порции топлива (самовоспламенение) и последующего парциального взрывного периодического реагирования газовоздушной горючей стехиометрической смеси. По этой причине протекающий процесс пульсационно-осцилляционного горения в камерах сгорания турбомашин сопровождается ритмичными шумами высокой интенсивности.

Низкочастотный шум турбулентного пламени, называемый "шумом горения" генерируется при самозажигании паров поступившей порции топлива в турбулентном потоке первичного воздуха и периодического последующего расширения реагирующей среды по выходу из огневого диполя. Это кольцо представляет собой пульсирующий эллиптический тор, который аналогичен по функционированию тору акустических монополей. Его далее будем называть пульсатором монополей горения.

Высокочастотный шум турбулентного пламени, называемый "гулом визга" горения, генерируется в зоне горения и подпитывается циклическими парциальными взрывами горючей газовой стехиометрической смеси. Эта смесь формируется в турбулентном потоке вторичного воздуха и в противотоке продуктов сгорания циклическим превращением массы горящих капель порций топлива в термоакустическом поле. Источник генерации продуктов сгорания, тепловой и акустической энергии в форме эллиптического тора аналогичен тору акустических диполей. Его называют осциллятором диполей горения.

Следует заметить, что при характерных формах и геометрических соотношениях камер сгорания основным типом колебаний являются продольные колебания газовоздушной среды.

При движении в трубе с перфорированной оболочкой дозвукового потока горячего газа наблюдается возникновение сильного шума. Возмущение газового потока можно представить как совокупность вихревых, акустических и энтропических взаимодействий. Основными источниками шума являются: шум турбулентного пограничного слоя и диффузора трубы, взаимодействие потока с перфорацией оболочки трубы, температурная неоднородность потока. Источником пульсаций является взаимодействие периодических вихрей в свободной струе и акустических колебаний газа. Такой шум эквивалентен акустическому диполю.

Расчет шума внутренних источников может быть выполнен по формулам, полученным в результате обобщения экспериментальных данных. Уровень звуковой мощности, создаваемой камерой сгорания, может быть определен из следующего выражения:

L_W= 10 lg (G₃а₀²/10^-12) + 10 lg {[(T₄^* - T₃^*)/T₃^*]²[p₃^*/p₀]²[(T₄^* - T₈^*)/T₀]^-4} - 60,5 , (13)

где G₃ - расход воздуха, кг×с^-1; (T₄^* - T₃^*) - перепад температур в камере сгорания; (T₄^* - T₈^*) - перепад температур на турбине (T₄^* - полная температура на входе в турбину, T₈^* - на выходе); p₃, T₃ - соответственно, полное давление и температура воздуха, входящего в камеру сгорания; индекс "0" соответствует стандартным условиям на уровне моря.