ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F23R3/34 

Изобретение относится к камерам сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), работающих преимущественно на жидком и газообразном углеводородных топливах.

Известна топливовоздушная горелка, устанавливаемая во фронтовое устройство (ФУ) КС, преимущественно трубчатой или трубчато-кольцевой конструкции, для двухстадийного сжигания топлива, например, по а.с. N 1166568, кл. F 23 R 3/24.

Известна также горелка, содержащая топливную форсунку, корпус с двумя соосными воздушными завихрителями, профилированное сопло, например, с перфорацией на входной части и диффузорный насадок на выходе (а.с. N 230557, кл. F 02 C 7/03 - прототип).

Эти горелки набирают по кольцу ФУ камеры, имеют индивидуальную вихревую структуру течения за ФУ, хорошее перемешивание топлива с воздухом в сопле, обеспечивают энергичное сжигание топливовоздушной смеси (ТВС) в относительно короткой жаровой трубе (ЖТ) камеры с высокой полнотой сгорания на номинальном и максимальном режимах работы и с умеренным выбросом дыма на выхлопе двигателя. Камеры с такими и подобного типа горелками нашли широкое применение в авиационных ГТД, например, Д18, Д36.

Однако эти КС без существенных усложнений конструкции ЖТ и системы топливоподачи пока не могут обеспечить современные и тем более перспективные нормы на выброс в атмосферу токсичных выделений (эмиссии) от сжигания углеводородных топлив, особенно окислов азота NO_х, во всем эксплуатационном диапазоне работы.

Целью предлагаемого изобретения является усовершенствование конструкции горелок для улучшения эмиссионных характеристик традиционных однозонных камер, особенно по выбросам NO_х, расширение диапазона устойчивой работы по "белому" срыву пламени и повышения высотности запуска без усложнения конструкции ЖТ и системы топливоподачи.

Эта цель достигается тем, что в топливовоздушной горелке, имеющей тонкостенный пустотелый корпус с диффузором на выходе, соосно в нем с относительно большим зазором профилированное конфузорное сопло с перфорацией на выходной части, воздушным завихрителем и топливной форсункой на входе, на наружной поверхности сопла у выхода устанавливается конический насадок с отверстиями и отбортовкой на кромке и раструбом к выходу. При этом для увеличения пропускной способности ФУ суммарная эффективная площадь сечений для прохода первичного воздуха через ФУ с данными горелками составляет 0,55-0,8 от суммарной эффективной площади отверстий ЖТ, чтобы обеспечить в зоне горения, например при 3,5 ТВС с α_фу ≥ 1,8, при которой практически не образуются оксиды азота. Вместе с этим, эффективная площадь сопла, составляющая 0,15.. 0,25 от площади горелки, за счет сечений перфорации в его стенках и выходного отверстия обеспечивает выпуск 80-90% ТВС в наружный поток до конического насадка и 10-20% за ним. Это делается для того, чтобы организовать в циркуляционных зонах за насадком "дежурный" очаг горения с α_см ≈ 0,6-1,2, который должен поджигать и поддерживать процесс горения наружного потока с "бедным" составом ТВС за горелкой.

Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями, т.к. отличительные признаки изобретения в других объектах техники не обнаружены.

На чертеже для примера показана конструкция горелки по предлагаемому изобретению.

Как видно, горелка имеет тонкостенный пустотелый корпус 1 с элементами крепления к лобовой плите ФУ, например, с помощью гайки 2, диффузор 3, соосно в нем с большим зазором профилированное конфузорное сопло 4 с перфорацией на выходной части, воздушным завихрителем 5 и топливной форсункой 6 на входе. В расширяющемся к выходу зазоре между диффузором и соплом на его внешней поверхности имеется конический насадок 7 с отверстиями и отбортовкой на выходной кромке. Насадок в сопряжении с выходной частью сопла образует в сечении профиль тела V - образной формы, в следе за которым при натекании воздушного потока возникают циркуляционные зоны сложной структуры (в представлении авторов картина течения показана на чертеже) и создаются благоприятные условия для организации высокотемпературного "дежурного" очага горения ТВС, которая выходит через отверстия сопла за насадкой.

Отбортовка и отверстия на выходной кромке насадка служат для турбулизации наружного потока с "бедной" ТВС и создания, таким образом, промежуточного кольцевого слоя контакта центральной высокотемпературной зоны с ним. Сопло крепится внутри корпуса с помощью, например, 3-4 пилонов обтекаемой формы (на фиг. не показано).

Из литературы (А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", М., Мир, 1986) известно, что значительное уменьшение NO_х (в 3-10 раз от современного уровня, т.е. до 3-6 г на 1 кг сгоревшего топлива) можно достичь организацией процесса сжигания за ФУ камер "бедных" смесей с α_фу ≥ 1,4, т.е. при температуре факела пламени менее 1800^oC.

В рассматриваемой конструкции горелки проходные сечения каналов, и особенно наружного, специально увеличены так, что суммарная эффективная площадь для первичного воздуха всех горелок ФУ составляла 0,55-0,8 от суммарной эффективной площади проходных сечений всей ЖТ. Это обеспечивает за горелками, например, при α_кс ≈ 3,5, π_K≈ 25(Tг*≈1550 K ), α_фу ≥ 1,8 и температуру факела пламени не более 1800^oC.

Для обеспечения розжига и поддержания процесса горения "бедной" ТВС наружного потока служит высокотемпературная зона горения в следе за коническим насадком и соплом, куда подается 0,10-0,25 расхода топлива и воздуха горелки.

Уточнение площадей для прохода первичного воздуха и ТВС горелки делается в ходе экспериментальной отработки КС в зависимости от назначения и типа ГТД.

Принцип работы горелок в системе камеры ГТД заключается в следующем.

После раскрутки ротора ГТД от постороннего источника до заданной частоты вращения начинает поступать топливо в форсунку, которое смешивается с набегающим закрученным потоком воздуха в полости сопла за завихрителем. Под перепадом давления на ЖТ (обычно 3-4%), а также от разрежения, создаваемого наружным потоком горелки, ТВС выходит в отверстия перфорации перед насадкой и за ним, где поджигается от кратковременно включенного малогабаритного воспламенителя или свечи непосредственного розжига (на чертеже не показано) и начинает гореть в следе за конусом и соплом в зонах циркуляции и в высокотемпературном фронте за ними. По мере увеличения режима, т.е. увеличения расхода топлива и выхода его в виде ТВС за пределы горелки, все в больших и больших количествах начинает вступать в горение воздух "бедной" смеси наружного контура, т.к. растет объем зоны горения по фронту и по длине факела.

В связи с наличием в горелках лишь ослабленного перфорацией отверстий сопла центрального воздушного вихря и отсутствием наружного вихря за ФУ, видимо, не будут возникать "горячие" следы большой протяженности, которые приводят к перегреву стенок ЖТ и лопаток турбины. Известно, что "следы" являются следствием взаимодействия индивидуальных вихреобразований между собой и стенками ЖТ.

По предлагаемому изобретению разработана экспериментальная документация, изготовлена в одном экземпляре горелка, выполнены предварительные исследования ее в модельных условиях стендов предприятия при работе на керосине, дизтопливе и природном газе. В экспериментах подтвержден эффект сжигания ТВС в широком диапазоне по составу ТВС в коротком факеле пламени; определены также границы по розжигу и погасанию горелки. Они оказались в 3-4 раза шире, чем у традиционных двухзавихрительных горелок. Принято решение о проверке предлагаемой конструкции горелок в составе ГТД.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит полый тонкостенный корпус с диффузором на выходе, установленное в нем соосно с образованием увеличивающегося к выходу зазора профилированное конфузорное сопло с коническим насадком с раструбом к выходу, расположенным на наружной поверхности стенки в зазоре, воздушный завихритель и топливную форсунку. Конический насадок выполнен с отбортовкой на кромке. Суммарная эффективная площадь проходных сечений для прохода первичного воздуха через фронтовое устройство горелки составляет 0,55 - 0,8 от суммарной эффективной площади проходных сечений отверстий жаровой трубы, а соответствующие им площадь сопла от площади горелки и площадь сопла за насадком от площади сопла 0,1 - 0,25. На кромке конического насадка перед отбортовкой выполнены отверстия. Такое выполнение горелки расширяет диапазон устойчивой работы и повышает высотность запуска. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая полый тонкостенный корпус с диффузором на выходе, установленное в нем соосно с образованием увеличивающегося к выходу зазора профилированное конфузорное сопло с коническим насадком с раструбом к выходу, расположенным на наружной поверхности стенки в зазоре, воздушный завихритель и топливную форсунку, отличающаяся тем, что конический насадок выполнен с отбортовкой на кромке, суммарная эффективная площадь проходных сечений для прохода первичного воздуха через фронтовое устройство горелки составляет 0,55 - 0,8 от суммарной эффективной площади проходных сечений отверстий жаровой трубы, а соответствующие им площадь сопла от площади горелки и площадь сопла за насадком от площади сопла 0,1 - 0,25. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что на кромке конического насадка перед отбортовкой выполнены отверстия.