Камера сгорания – это объем, предназначенный для сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива. Камеры сгорания бывают периодического действия - для поршневых 2- и 4-тактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и непрерывного действия - для газотурбинных двигателей (ГТД), турбореактивных двигателей (ТРД), воздушно-реактивных двигателей (ВРД), жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и др. В поршневых ДВС камера сгорания обычно образована внутренней поверхностью головки цилиндра и днищем поршня. Камеры сгорания газотурбинных двигателей чаще всего встраиваются непосредственно в двигатель и могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми, трубчатыми. По направлению потока воздуха и продуктов сгорания различают прямоточные и противоточные камеры сгорания, последние применяют редко из-за большого гидравлического сопротивления. Продукты сгорания направляются из камеры сгорания в газовую турбину, а в некоторых двигателях (турбореактивные двигатели с форсажными камерами, жидкостные ракетные двигатели и др.) продукты сгорания, разгоняясь в сопле, установленном за камерой сгорания, создают реактивную тягу. Основные требованиями для всех камер сгорания непрерывного действия являются: устойчивость процесса горения, высокая тепло-напряженность, максимальная полнота сгорания, минимальные тепловые потери, надежная работа в течение установленного ресурса работы двигателя. В зависимости от температуры, развиваемой в камере сгорания непрерывного действия, в качестве конструкционных материалов для их изготовления применяют: до 500°С - хромоникелевые стали, до 900°С - хромоникелевые стали с добавкой титана, выше 950°С - специальные материалы.

Камера представляет собой паяно-сварной неразъемный узел и состоит из смесительной головки 1, камеры сгорания 3 и сопла 9. К корпусу камеры приварены кронштейны для установки ТНА, а также элементы для узла качания двигателя в одной плоскости.

Камера содержит смесительную головку и корпус со связанными оболочками. ЖРД – со связанными оболочками, содержит форсуночную головку и корпус с гофрированными проставками (на выходе из сопла) и оребренной внутренней стенкой.
Корпус камеры состоит из камеры сгорания и сопла. Корпус камеры включает в себя наружнюю силовую оболочку 5 и внутреннюю огневую стенку 4. Огневая стенка камеры сгорания 2, 3, а также средней части камеры 21 и 1-ой секции сопла 8 - с фрезерованными каналами. Наружняя и внутренняя оболочки соеденены пайкой по поверхности ребер между каналами с образованием тракта наружного регенеративного охлаждения камеры.
Оболочки 2-ой секции сопла 10 - гладкие, спаянные через гофрированные проставки 9 с образованием тракта наружного регенеративного охлаждения камеры.

 

Камеры сгорания непрерывного действия относятся к числу важнейших узлов авиационных и космических двигательных установок, специальных и транспортных газотурбинных установок, которые находят широкое применение в энергетике, химической промышленности, на ж.-д. транспорте, морских и речных судах.

Применение на автомобилях небольших двигателей с воспламенением от сжатия очень привлекательно, поскольку такие небольшие двигатели имеют расход топлива до 40 процентов меньше чем на двигателях с искровым зажиганием аналогичной мощности. Это преимущество еще более привлекательно, если автомобиль используется достаточно интенсивно и экономия на топливе может в таком случае превысить большие начальные расходы на более дорогой двигатель.
Это преимущество, в сочетании с общим подъемом спроса на двигатели такого типа, заставило многих производителем автомобилей обратить большее внимание на малые дизельные двигатели.
В прошлом двигатели с воспламенением от сжатия работали очень шумно и не выдерживали конкуренции с двигателями с искровым зажиганием, но в последнее время в этой области были сделаны большие усовершенствования. Совершенствование формы камеры сгорания и применение глушителей шумов обеспечило уменьшение уровня шума, а путем установки двигателя несколько большего рабочего объема был уменьшен разрыв по мощности с двигателями с искровым зажиганием.
 

Горение в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием начинается у свечи зажигания, а затем распространяется по всему объему цилиндра. В случае с двигателем с воспламенением от сжатия горение топлива начинается от нагрева воздуха в камере сгорания. Когда топливо в распыленном состоянии проходит через воздух, оно поглощает теплоту и, если его температура оказывается достаточно высокой, топливо испаряется и загорается. В фазе нагрева топливо распространяется по всему цилиндру и поэтому горение начинается сразу во многих местах камеры сгорания. В случае с двигателем с прямым впрыском, когда начинается горение, большая часть сгоревших газов концентрируется в зонах, расположенных поблизости от форсунки. Эти зоны должны подпитываться воздухом, который будет вытеснять сгоревшие газы, и доставлять кислород, необходимый для полного сгорания топлива: недостаток кислорода в местах сгорания газов может привести к появлению черного дыма в отработанных газах. Поскольку величина мощности зависит от количества впрыскиваемого топлива, а оно в свою очередь ограничено тем моментом, от которого начинается выброс смога, в некоторых системах может применяться последовательная подача воздуха вслед за топливом. Поступающий воздух создает вихревой поток (термин, используемый вместо термина турбулентность, поскольку турбулентность относится к беспорядочному движению).
Фазы горения
Фаза 1: период задержки воспламенения. Это время (или угол поворота коленчатого вала) от начала впрыска до момента возникновения очагов самовоспламенения частиц топлива. Во время этой важной фазы частицы впрыснутого топлива нагреваются горячим воздухом до температуры, которая необходима для самовоспламенения топлива.
Фаза 2: распространение пламени приводит к резкому росту давления, вызываемому быстрым сгоранием топлива впрыснутого во время первой фазы. Скорость роста давления влияет на место, с которого начинается «взрывное» сгорание. Это «взрывное» сгорание называется «жесткой» работой дизеля и является главным недостатком двигателя с воспламенением от сжатия.
Фаза 3: непосредственное сгорание топлива по мере его поступления в камеру сгорания вызывает дальнейший рост давления. Когда двигатель работает не с максимальной нагрузкой, эта фаза частично отсутствует.
При внимательном изучении графика можно увидеть, что при укорачивании периода задержки воспламенения количество топлива в камере сгорания уменьшается и двигатель работает тише и более равномерно. Совершенствуя конструкцию, можно увеличить вихревые потоки, степень распыления и температуру топлива, что приведет к уменьшению периода задержки воспламенения, но гораздо более важным фактором является воспламеняемость топлива. В отличие от бензина, дизельное топливо должно быть способно воспламеняться в массе нагретого воздуха без помощи электрической искры. Свойство топлива воспламеняться или его «воспламеняемость» выражается цетановым числом. Классификация обеспечивается путем сравнения топлива хорошим топливом, с цетановым числом 100 и с плохим топливом, альфаметилнафталеном, цетановое число которого принимается за 0. Большинство сортов продаваемого топлива имеют цетановое число около 50.

Предлагаемая камера сгорания может применяться в газотурбинных установках, в теплоэнергетических и технологических установках, использующих сжигание углеводородного топлива. Использование новых принципов организации рабочего процесса при конструировании камер сгорания позволит обеспечить качественные пусковые и рабочие характеристики с высоким коэффициентом полноты сгорания в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха, включая режим со стехиометрическим соотношением компонентов топлива; улучшить массогабаритные характеристики камеры сгорания и обеспечить многотопливность энергоустановки.

Особенностью рабочего процесса является организация противоточного вихревого движения топливовоздушной смеси и продуктов сгорания, причем топливовоздушная смесь формируется в виде периферийного вихря, а продукты сгорания — в виде приосевого вихря. Процесс сгорания и стабилизации горения осуществляется в тороидальном вихре, формирующемся в противоположной от закручивающего аппарата зоне жаровой трубы. Весь воздух подается через закручивающий аппарат камеры сгорания.
На базе предлагаемой камеры сгорания может быть выполнена установка для переработки широкого спектра промышленных отходов, находящихся в жидкой или газообразной фазе, путем окисления, термического разложения и других химических превращений вредных компонентов происходящих в высокотемпературных потоках продуктов сгорания топлива или отходов.
Испытания установки по утилизации и обезвреживанию жидких отходов одного из предприятий, содержащих такие компоненты, как ацетон, кремнийорганические эмали , отходы индустриального масла, смазывающе-охлаждающую жидкость, воду и т.д. показали следующие результаты:
-концентрация NO₂, мг/м3 0,800
-концентрация SO₂ 1,500
-концентрация CO 7,500
-концентрация углеводородов 0,005