ЖАРОВАЯ ТРУБА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК F23R3/34 F23R3/16 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к нагревательным устройствам, и может найти применение в камерах сгорания газотурбинных двигателей различного назначения.

Известна жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая горелки и цилиндрические, коаксиально расположенные внутреннюю и наружную стенки, соединенные фронтовой доской, причем горелки размещенные в зазоре между внутренней и наружной стенками, закреплены на фронтовой доске, а горелки, размещенные внутри внутренней стенки, закреплены на противоположном от фронтовой доски торце стенки, и кольцевые элементы, влияющие на газовый поток. Кольцевые элементы выполнены за кольцевым зазором противоположной фронтовой доске стороне в виде сопла Вентури.

Сжигание топлива в данной жаровой трубе происходит следующим образом.

При подаче топлива в горелки, закрепленные на фронтовой доске, сжигание происходит в кольцевом зазоре и в объеме жаровой трубы за сужением.

При подаче топлива в горелку, размещенную внутри внутренней стенки, сжигание происходит в объеме жаровой трубы за сужением.

Возможна работа жаровой трубы при подаче топлива одновременно во все горелки жаровой трубы. При этом может существовать два способа сжигания топлива. При первом горение осуществляется до и после сужения, при втором только после сужения. Причем второй способ определяет работу камеры сгорания со значительно меньшими выбросами NO_х. Значительное уменьшение количества вредных выбросов связано с возможностью сжигания гомогенной топливовоздушной смеси, выходящей из кольцевого зазора в объем жаровой трубы за сужением. Одним из условий нормальной работы камеры сгорания является отсутствие возможности "проскока" пламени в кольцевой зазор перед сужением, что для известной конструкции возможно только при больших скоростях топливовоздушной смеси в сужении, т. е. только на высоких режимах работы двигателя. Большие скорости потока топливовоздушной смеси из кольцевого зазора и горелки, размещенной внутри внутренней стенки (поток воздуха из которых составляет большую часть всего воздуха, проходящего через жаровую трубу) определяют также большие гидравлические потери в жаровой трубе.

К тому же данная конструкция не обеспечивает сжигание особо бедной смеси, также определяющей низкое содержание вредных выбросов на всех режимах газотурбинного двигателя ввиду отсутствия устойчивых зон стабилизации. Имеющееся во внутренней полости после сужающегося участка резкое расширение обеспечивает стабилизацию пламени на высоких режимах работы двигателя в узком диапазоне.

Сложность конструкции наружной стенки очевидна и вызывает помимо технологических усложнений необходимость повышенного расхода охлаждающего воздуха. Отмечается также уменьшение объема жаровой трубы используемого для сжигания топлива ввиду наличия в известной конструкции сужения в виде сопла.

Предлагаемая жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит горелки и цилиндрические коаксиально расположенные внутреннюю и наружную стенки, соединенные фронтовой доской, причем горелки, размещенные в зазоре между внутренней и наружной стенками, закреплены на фронтовой доске, а горелки, размещенные внутри внутренней стенки, закреплены на противоположном от фронтовой доски торце стенки, и кольцевые элементы, влияющие на газовый поток, имеет дополнительные кольцевые элементы, влияющие на газовый поток, один из которых закреплен на свободном торце внутренней стенки и размещен в кольцевом зазоре, а два других закреплены дальше по ходу потока на внутренней поверхности наружной стенки за кольцевым зазором, противоположной фронтовой доске стороне.

При этом первый по ходу потока кольцевой элемент, размещенный за кольцевым элементом, закрепленным на торце внутренней стенки, снабжен выступами, вершины которых обращены к оси симметрии жаровой трубы.

Кроме того, в кольцевом зазоре по ходу потока газа перед кольцевым элементом, закрепленным на свободном торце внутренней стенки, имеются кольцевые уступы, один из которых закреплен на наружной стенке, а второй на внутренней. При этом в наружной и внутренней стенках между кольцевым элементом, размещенным в кольцевом зазоре и закрепленным на внутренней поверхности наружной стенки, и кольцевым элементом, закрепленным на торце внутренней стенке, выполнены отверстия, причем отверстия во внутренней стенке выполнены между кольцевым элементом, закрепленным на наружной поверхности внутренней стенки и элементом, закрепленным на торце внутренней стенки.

Наличие кольцевого элемента на торце внутренней стенки и за ним по ходу потока газа, кольцевого элемента на внутренней поверхности наружной стенки обеспечивает здесь минимальную площадь для потока гомогенной топливовоздушной смеси (газа без горения), т.е. высокую скорость потока смеси, что позволяет исключить возможность воспламенения этой смеси в кольцевом зазоре от газа из объема жаровой трубы за кольцевым элементом. Препятствием "проскоку" пламени в кольцевой зазор в районе минимальной площади является также наличие здесь заградительных воздушных завес в ламинарных, пристенных слоях потока смеси наружной и внутренней стенок. Данные завесы, характеризуемые повышенным коэффициентом избытка воздуха (неспособным к передаче пламени), обеспечиваются воздухом, поступающим из межтрубного пространства через отверстия в наружной и внутренней стенке. Формируют воздушные завесы кольцевые элементы, укрепленные в кольцевом зазоре по ходу потока газа перед кольцевым элементом, закрепленным на торце внутренней стенки.

Применение двух кольцевых элементов за кольцевым зазором на наружной стенке жаровой трубы улучшает зоны стабилизации, что позволяет увеличить диапазон устойчивого горения. Этому же способствует наличие выступов в первом по ходу потока кольцевом элементе, размещенном за кольцевым зазором.

Очевидна простота конструктивного исполнения цилиндрической наружной стенки жаровой трубы. При этом стенка имеет минимальную поверхность, что позволяет обеспечить ей необходимый температурный режим ограниченным количеством охлаждающего воздуха.

На фиг. 1 изображена жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1.

Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя состоит из цилиндрических внутренней 1 и наружной 2 стенок, фронтовой доски 3, горелок 4 и 5. Кроме того, имеются кольцевые элементы 6 9, 10, выступы 11, кольцевой зазор 12 и отверстия 13, 14. При этом кольцевой зазор 12 образован цилиндрическими коаксиально расположенными стенками 1 и 2, соединенными между собой фронтовой доской 3, на которой размещены горелки 4. На внутренней стенке 1 на противоположной фронтовой доске 3 конце расположены с внутренней стороны центральная горелка 5 и с наружной стороны в направлении наружной стенки 2 кольцевой элемент 10 с зазором, к которому со стороны фронтовой доски прикреплен кольцевой элемент 7. Во внутренней стенке 1 между кольцевыми элементами 7 и 10 выполнены отверстия 13. На наружной стенке 3 за кольцевым элементом 10 от фронтовой доски 3 размещаются два внутренних кольцевых элемента 8 и 9, причем кольцевой элемент 8 снабжен выступами 11. При этом кольцевые элементы 10 и 8 располагаются рядом и образуют на выходе из кольцевого канала 12 петлеобразный канал с разворотом потока на 270^о. Петлеобразный канал имеет кольцевое горло с минимальной площадью. Кроме того, на внутренней поверхности наружной стенки 2 в кольцевом зазоре с радиальным зазором 12 закреплен кольцевой элемент 6. В районе кольцевого элемента 6 в наружной стенке 3 выполнены отверстия 14.

Возможны различные варианты работы данной жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя.

При подаче топлива в горелки 4 сжигание происходит в кольцевом зазоре 12 и в объеме жаровой трубы за кольцевым элементом 10.

При подаче топлива в центральную горелку 5 сжигание происходит в объеме жаровой трубы за кольцевым элементом 10.

Возможна работа жаровой трубы при подаче топлива одновременно в горелки 4 и 5. При этом может существовать два способа сжигания топлива. При первом горение осуществляется до и после кольцевого элемента 10, при втором только после кольцевого элемента 10. При этом в кольцевом зазоре 12 происходит предварительная подготовка топливовоздушной смеси. При отсутствии возможности "проскока" пламени в кольцевой зазор 12 со стороны кольцевого зазора 12 по пограничному слою газа в районе горла проводится вдувание воздуха из межтрубного канала камеры сгорания через отверстия 13, 14 и направлением данного воздуха в нужную сторону дополнительными кольцевыми элементами 6, 7. При этом большие скорости характерны здесь только для потока газа из кольцевого зазора 12. Кольцевые элементы 8, 9 и выступы 11 являются дополнительными стабилизаторами пламени, что обеспечивает сжигание особо бедной смеси в широком диапазоне режима работы газотурбинного двигателя. Стабилизация особо бедной смеси после кольцевого элемента 10 при сжигании топлива в кольцевом зазоре обеспечивается также наличием промежутков между выступами 11. Газ, выходящий из кольцевого зазора 12, дополнительно турбулизованный в петлеобразном канале между кольцевыми элементами 10 и 8, поступает через промежутки между выступами 11 в виде дискретных струй в объем жаровой трубы за кольцевым элементом 8, где обеспечивает сжигание особо бедной топливовоздушной смеси. Кроме того, повышенная устойчивость горения обеспечивается направлением с помощью кольцевого элемента 8 и выступов 11 части газа из кольцевого зазора 12 в направлении оси жаровой трубы. При этом интенсифицируется турбулизация общего потока газа, включающего топливовоздушную смесь из центральной горелки 5. Данное положительное явление характерно и для случаев когда из кольцевого канала поступает только воздух либо топливовоздушная смесь без горения.

Использование предлагаемой жаровой трубы позволяет по сравнению с жаровой трубой аналогичного назначения (прототип) упростить процесс ее изготовления и обеспечить более широкий диапазон режима работ камеры сгорания газотурбинного двигателя с низким уровнем вредных выбросами NO_x. При этом обеспечиваются условия низкого уровня вредных выбросов при работе камеры сгорания по упрощенному алгоритму, исключающему режим работы камеры сгорания с сжиганием топлива в кольцевом зазоре жаровой трубы.

Использование: в теплоэнергетике, в устройствах для сжигания топлива. Сущность изобретения: в жаровой трубе камеры сгорания на наружной 2 и внутренней 1 стенках выполнены кольцевые элементы 6 10 с выступами 11, обеспечивающие формирование петлеобразного канала с минимальным проходным сечением на выходе из кольцевого канала 12, причем кольцевые элементы 8,9 и выступы 11 способствуют также возникновению дополнительных зон стабилизации, а отверстия 14 созданию спутного пристенного потока воздуха. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЖАРОВАЯ ТРУБА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ содержащая горелки и цилиндрические, коаксиально расположенные, внутреннюю и наружную стенки, соединенные фронтовой доской, образующие кольцевой зазор и кольцевые элементы, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными кольцевыми элементами, влияющими на газовый поток, один из которых закреплен на свободном торце внутренней стенки и размещен в кольцевом зазоре, а два других закреплены дальше по ходу потока на внутренней поверхности наружной стенки за кольцевым зазором на противоположной фронтовой доске стороне. 2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что первый по ходу потока кольцевой элемент, размещенный за кольцевым элементом, закрепленным на торце внутренней стенки, снабжен выступами, вершины которых обращены к оси симметрии жаровой трубы. 3. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что в кольцевом зазоре по ходу потока газа перед кольцевым элементом, закрепленным на свободном торце внутренней стенки, выполнены кольцевые уступы, один из которых закреплен на наружной стенке, а второй на внутренней. 4. Труба по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что в наружной и внутренней стенках между кольцевым элементом, размещенным в кольцевом зазоре и закрепленным на внутренней поверхности наружной стенки, и кольцевым элементом, закрепленным на торце внутренней стенки, выполнены отверстия, причем отверстия во внутренней стенке выполнены между кольцевым элементом, закрепленным на наружной поверхности внутренней стенки, и элементом, закрепленным на торце внутренней стенки.