КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23R3/42 

Изобретение относится к энергетике и касается газотурбинных двигателей, а более конкретно к камерам сгорания с керамической жаровой трубой, например, для газотурбинного двигателя.

Изобретение может найти применение в авиационной и автомобильной промышленности и в энергетике, а также в других отраслях промышленности, где используют газотурбинные двигатели. Кроме того, изобретение может найти применение в любых установках и устройствах (котельные установки, газогенераторы и т. п.), применяемых в различных отраслях промышленности, когда необходимо сжигать топливо с целью получения тепловой энергии.

Известна камера сгорания с керамической жаровой трубой [1] Керамическая жаровая труба размещена в корпусе с образованием между ними кольцевого пространства и имеет опорное средство, соединяющее жаровую трубу с корпусом. В этой камере сгорания жаровая труба не охлаждается, в результате чего она может работать только в режиме с коэффициентом избытка воздуха α как можно ближе к 1,7, т.е. в зоне бедного срыва. При снижении величины α жаровая труба будет перегреваться и быстро выходить из строя. Следовательно, такая камера сгорания либо неэффективна (α1,7), либо быстро (практически мгновенно) выйдет из строя при α как можно ближе к 1,0 (оптимальный режим горения), так как при такой величине избытка воздуха для горения температура факела составляет 2000^оС, что при отсутствии охлаждения может выдержать не всякая керамика. Жаровая труба выполнена в виде цельной детали, консольно прикрепленной к корпусу камеры сгорания. При этом необходимо выполнять жесткие требования к равномерности нагрева жаровой трубы, особенно во время разогрева камеры сгорания во избежание возникновения высоких внутренних напряжений, которые могут вызвать неравномерные деформации и разрушение жаровой трубы. Закрепление керамической жаровой трубы и ее опирание в отдельных точках также снижает надежность и уменьшает ресурс из-за плохой работы керамики на изгиб в условиях высоких динамических нагрузок (вибрации, пульсации давления и т.п. ).

Известна камера сгорания, содержащая керамическую жаровую трубу, образованную последовательно расположенными керамическими элементами с концевыми участками, охватывающую керамические элементы обечайку, укрепленную в корпусе и образующую с наружной поверхностью керамических элементов кольцевые зазоры [3]
В основу изобретения положена задача создания такой конструкции керамической камеры, в которой керамическая жаровая труба и средства ее крепления в корпусе обеспечивают поддержание рабочей температуры материала жаровой трубы на уровне ниже температуры рабочего тела в камере сгорания, а температуру остальных деталей камеры сгорания на уровне ниже температуры жаровой трубы.

Поставленная задача решается тем, что камера сгорания с керамической жаровой трубой, размещенной в корпусе с образованием между ними кольцевого пространства, и опорное средство, соединяющее жаровую трубу с корпусом, в которой жаровая труба образована рядом последовательно расположенных керамических кольцевых элементов. Каждый керамический кольцевой элемент имеет концевые участки с коническими соответственно наружными и внутренними поверхностями и установлен относительно соседнего керамического кольцевого элемента с образованием в осевом направлении зазора между указанными коническими поверхностями. Кроме того, имеются тепловые барьеры, размещенные в зазорах между концевыми участками керамических кольцевых элементов, а опорное средство выполнено в виде размещенной в кольцевом пространстве обечайки, укрепленной в корпусе и соединенной с тепловыми барьерами. Обечайка образует кольцевой зазор с наружной поверхностью керамических кольцевых элементов и кольцевые камеры, охватывающие тепловые барьеры и сообщающиеся с источником текучей среды и с зазорами между коническими поверхностями керамических кольцевых элементов.

При таком устройстве обеспечивается тепловая развязка жаровой трубы и корпуса камеры сгорания. Образующие жаровую трубу кольцевые элементы соединены друг с другом посредством тепловых барьеров, которые осуществляют механическую связь керамических кольцевых элементов друг с другом и с обечайкой, с помощью которой жаровая труба укреплена в корпусе. При такой конструкции отсутствует непосредственный тепловой контакт между керамическими кольцевыми элементами, обечайкой и корпусом камеры сгорания. В то же время, наличие ответных конических поверхностей соседних керамических кольцевых элементов, расположенных с зазором, и сообщение этих зазоров с источником текучей среды через кольцевые камеры, охватывающие тепловые барьеры, обеспечивает не только защиту внутренней поверхности кольцевых элементов жаровой трубы текучей средой, поступающей через кольцевые камеры в виде кольцевых струй, создающих пристеночную защитную пленку, но и одновременное охлаждение тепловых барьеров. Таким образом обеспечивается возможность создания в камере сгорания температуры рабочего тела порядка 2000^оС (что соответствует работе при α как можно ближе к 1,0 для оптимизации режима горения) с температурой керамических кольцевых элементов не более 1500^оС. При этом благодаря наличию обдуваемых тепловых барьеров, посредством которых керамические кольцевые элементы укреплены в обечайке, температура обечайки не превышает 700^оС, чем обеспечивается необходимая прочность для увеличения ресурса. Кроме того, крепление через тепловые барьеры позволяет уменьшить расход воздуха на охлаждение обечайки благодаря снижению поступающего на нее теплового потока.

Создание защитной пленки в виде кольцевых струй на внутренней поверхности жаровой трубы известно [2] Однако при этом не обеспечена тепловая развязка жаровой трубы с корпусом, т.е. не решен вопрос крепления жаровой трубы к корпусу. Кольцевые струи действительно создают пристеночный слой, который защищает металлическую жаровую трубу от воздействия высокой температуры. Однако очевидно, что даже при наличии такого слоя температура внутри металлической жаровой трубы не может быть выше 1600^оС, так как при повышении температуры возможности защиты кольцевыми струями недостаточны. Таким образом, следовало бы применить в этом устройстве керамическую жаровую трубу [1] В этом случае имели бы место все те недостатки, которые отмечены выше для прототипа (отсутствие решения вопроса крепления, отсутствие тепловой развязки с корпусом). Очевидно, что указания об обдувке керамической жаровой трубы и снаружи, и изнутри высокотемпературным рабочим телом при показанном в прототипе креплении приводит к нагреванию до такой же температуры и корпуса, который приходится интенсивно охлаждать. Это связано с большими бесполезными потерями энергии.

На чертеже схематически изображена предлагаемая камера сгорания с керамической жаровой трубой, продольный разрез.

Камера сгорания имеет корпус 1 (обычно цилиндрической формы), в котором размещены все элементы. В корпусе установлено горелочное устройство 2 с форсункой 3 и воздушным соплом 4 любой известной конструкции для подачи топлива и воздуха для горения и для образования топливно-воздушной смеси в камере сгорания. Кроме того, в корпусе 1 размещено устройство для воспламенения топливно-воздушной смеси любого известного типа (не показано). Все указанные выше устройства хорошо известны специалистам в данной области техники.

Керамическая жаровая труба 5 размещена в корпусе 1 камеры сгорания. Корпус 1 камеры сгорания и жаровая труба 5 выполняются в виде цилиндрических тел и размещены концентрично, хотя они могут иметь любую другую форму и другие варианты взаимного положения. Между жаровой трубой 5 и внутренней стенкой корпуса 1 образовано кольцевое пространство 6.

Жаровая труба 5 выполнена в виде ряда (обычно 2-4) керамических кольцевых элементов 7, последовательно расположенных в корпусе 1. Каждый керамический кольцевой элемент 7 имеет концевой участок 8, 9 соответственно с наружной и внутренней конической поверхностью. Эти концевые участки расположены с зазорами в осевом направлении, образующим каналы 10. Предпочтительно угол наклона образующей конической поверхности концевого участка керамического кольцевого элемента к продольной оси жаровой трубы 7-45^о. При угле наклона менее 7^о поток воздуха начинает интенсивно "прилипать" к стенке жаровой трубы, его скорость резко падает и происходит разрушение кольцевого потока. При угле наклона больше 45^о происходит образование вихрей, что также не дает возможности образования защитной пленки.

Керамические кольцевые элементы 7 установлены в корпусе 1 посредством обечайки 11, прикрепленной к торцовым стенкам 12, 13 корпуса 1. Обечайка 11 может быть выполнена из металла и обладает достаточной прочностью и жесткостью для обеспечения надежного закрепления жаровой трубы 5. Керамические кольцевые элементы 7 установлены в обечайке 11 посредством тепловых барьеров 14, каждый из которых имеет сквозное отверстие 15. Эти тепловые барьеры выполнены в виде элементов крепления, имеющих пазы 16, ответные выступам 17 на торцах керамических кольцевых элементов 7. При таком устройстве в значительной мере упрощается сборка, так как керамические кольцевые элементы 7 можно собрать в узел на тепловых барьерах 14 и установить в обечайку 11 практически без иных средств крепления.

Между обечайкой 11 и керамическими кольцевыми элементами 7 образован кольцевой зазор 18, а между обечайкой 11 и тепловыми барьерами 14 образованы кольцевые камеры 19. Кольцевые камеры 19 сообщаются через отверстия 20 обечайки 11 с источником текучей среды (в данном случае с кольцевым пространством 6 корпуса 1, в котором циркулирует воздух, поступающий от компрессора). С другой стороны, каждая кольцевая камера 19 сообщается через отверстие 15 теплового барьера 14 с зазором между коническими поверхностями концевых участков 8, 9 керамических кольцевых элементов 7, т.е. с каналом 10. Сечения отверстий 15 и 20 и размеры кольцевой камеры 19 целесообразно подобрать таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию текучей среды в кольцевых камерах 19 для охлаждения тепловых барьеров 14.

Керамические кольцевые элементы 7 предпочтительно изготовлены из керамики на основе оксида алюминия, рассчитанной на рабочую температуру 1500-1550^оС. Разумеется, существуют керамические материалы, рассчитанные на более высокие температуры, однако их стоимость значительно выше, а их применения в данном случае не требуется. Тепловые барьеры 14 могут быть выполнены из сплавов, выдерживающих температуру порядка 800^оС и имеющих коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения керамического материала кольцевых элементов 7. Такие сплавы хорошо известны специалистам. Очевидно, что крепление тепловых барьеров и их соединение с керамическими кольцевыми элементами 7 могут выполняться любым иным образом, однако на чертеже представлен наиболее предпочтительный вариант.

Предлагаемая камера сгорания работает следующим образом.

В начале работы подают через форсунку 3 горелочного устройства 2 топливо, которое распыляется и смешивается с выходящим из воздушного сопла 4 воздухом, подаваемым для горения. При этом образуется топливно-воздушная смесь. Одним из основных параметров топливно-воздушной смеси является коэффициент избытка воздуха α который целесообразно поддерживать как можно ближе к 1,0 в зоне интенсивного сгорания топлива, а именно на начальном участке жаровой трубы 5. При таком коэффициенте избытка воздуха обеспечивается устойчивый режим горения, а главное наиболее эффективное сгорание топлива при коэффициенте α на выходе камеры сгорания порядка 1,2-1,5. Температура образующегося в камере сгорания рабочего тела при такой величине коэффициента α составляет порядка 2000^оС. Следует отметить, что камеры сгорания с такими параметрами топливно-воздушной смеси в газотурбинных двигателях до сих пор не применяли из-за невозможности обеспечения ресурса при таких высоких температурах рабочего тела.

Образующуюся, как указано выше, топливно-воздушную смесь воспламеняют с помощью специального устройства (не показано), в результате чего топливо в смеси сгорает, окисляясь воздухом, и образует продукты сгорания, которые в смеси с оставшимся воздухом составляют рабочее тело, направляемое либо для совершения полезной механической работы в турбине, либо для нагревания других рабочих тел или теплоносителей путем теплообмена.

Воздух, поступающий в кольцевое пространство 6 между обечайкой 11 и корпусом 1 камеры сгорания, проходит через отверстия 20 и поступает в кольцевые камеры 19, охватывающие тепловые барьеры 14. Этот воздух при установившемся режиме работы будет иметь температуру порядка 300^оС. Таким образом, этот воздух охлаждает тепловые барьеры 14 до температуры примерно 700-750^оС (исходя из температуры керамических кольцевых элементов 7 порядка 1500^оС). Далее воздух, нагретый в кольцевой камере 19, поступает через отверстия 15 теплового барьера 14 в канал 10 между коническими поверхностями концевых участков 8, 9 керамических кольцевых элементов 7. При этом воздух образует кольцевой поток, который благодаря наклону каналов 10 относительно продольной оси жаровой трубы 5 создает пристеночную пленку на внутренней поверхности керамических кольцевых элементов 7, служащую тепловым экраном, благодаря которому поверхность керамических кольцевых элементов 7 не нагревается выше примерно 1500^оС при температуре газов в жаровой трубе порядка 2000^оС. Следует отметить, что количество воздуха, подаваемого из кольцевых камер 19, сравнительно невелико, так как достаточная толщина защитной пленки составляет доли миллиметра. Такую толщину можно обеспечить при подаче примерно 20% воздуха от общего количества воздуха, поступающего в камеру сгорания. Для сравнения следует указать, что эта цифра составляет около 200% от количества воздуха, необходимого для горения в современных камерах сгорания газотурбинных двигателей, у которых коэффициент α составляет 4-6. Следует особо подчеркнуть, что этот воздух почти не охлаждает керамические кольцевые элементы 7, а лишь препятствует их перегреву, создавая повышенное сопротивление теплопередаче от нагретого рабочего тела к керамическим кольцевым элементам 7. Таким образом, при предлагаемой конструкции камеры сгорания обеспечивается тепловая развязка и рациональное крепление жаровой трубы в корпусе.

В образце газотурбинного двигателя камера сгорания имеет следующие параметры при испытаниях: Длина 250 мм Диаметр жаровой трубы 130 мм Температура факела 2000^оС Температура керами- ческих кольцевых эле- ментов 1400^оС Температура воздуха, поступающего в жаровую трубу 250^оС α 1,2

Использование: в авиационной, автомобильной промышленности и в энергетике. Сущность изобретения: камера сгорания содержит керамическую жаровую трубу, образованную последовательно расположенными керамическими элементами с концевыми участками, охватывающую керамические элементы, обечайку, укрепленную в корпусе и образующую с наружной поверхностью керамических элементов кольцевые зазоры. Жаровая труба снабжена тепловыми барьерами, концевые участки керамических элементов выполнены коническими и установлены с образованием между соседними элементами осевых зазоров, тепловые барьеры расположены в последних с образованием с внутренней поверхностью обечайки кольцевых камер, сообщающихся с источником текучей среды и осевыми зазорами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. КАМЕРА СГОРАНИЯ, содержащая керамическую жаровую трубу, образованную последовательно расположенными керамическими элементами с концевыми участками, охватывающую керамические элементы обечайку, закрепленную в корпусе и образующую с наружной поверхностью керамических элементов кольцевые зазоры, источник текущей среды, отличающаяся тем, что жаровая труба снабжена тепловыми барьерами, концевые участки керамических элементов выполнены коническими и установлены с образованием между соседними элементами осевых зазоров, тепловые барьеры расположены в последних с образованием с внутренней поверхностью обечайки кольцевых камер, сообщающихся с источником текучей среды и с осевыми зазорами. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что тепловые барьеры выполнены в виде колец с отверстиями и пазами на их торцевых поверхностях, при этом торцевые поверхности керамических элементов снабжены ответными выступами, а кольцевые камеры сообщены с осевыми зазорами посредством отверстий. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что угол наклона образующей конической поверхности концевого участка керамического элемента к продольной оси жаровой трубы составляет 7 45^o.