КАМЕРА СГОРАНИЯ С КОЛЬЦЕВЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ АВТОГЕНЕРАТОРОМ РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК F23R3/28 

Использование: в авиационных и стационарных энергетических установках.

Сущность изобретения: в кольцевой камере сгорания устанавливается кольцевой ультразвуковой автогенератор распыливания топлива, воды (водометанола) интенсификации процесса сгорания (КУГАРТВИПС). 8 ил.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к авиационным и стационарным, для энергетических установок.

Известны камеры сгорания, например авиационного газотурбинного двигателя ТВ7-117 [1, 2] , содержащие жаровую трубу с перфорированными отверстиями, стабилизатор пламени, топливные форсунки и корпус. Для создания равномерного поля распыла топлива в камере сгорания двигателя ТВ7-117 установлены 18 топливных форсунок.

Традиционными распылителями топлива (керосина) в камерах сгорания традиционных ГТД и вообще в газотурбомашинах служат топливные центробежные форсунки. Такой способ распыливания требует высокого давления в системе его подачи 70-80 атм. , что значительно утяжеляет конструкцию. Небольшое число топливных форсунок (обычно 10-20) создает большую окружную неравномерность полей температуры (30%) и полного давления (10%) на выходе газа из камеры сгорания по причине неодинаковой производительности топливных форсунок в комплекте, которая существенно увеличивается (в два раза) вследствие их закоксования с увеличением наработки. Крупность капель топлива на различных режимах работы ГТД составляет 200 мкм на режиме "малый газ" и 80-100 мкм на режиме "взлета". Этот недостаток на 25% снижает надежность и ресурс деталей горячей части ГТД.

Еще одним существенным недостатком таких камер сгорания является высокая эмиссия окислов азота.

Цель изобретения - повысить основные параметры маршевых газотурбинных двигателей совершенствованием и ультразвуковой интенсификацией процесса сжигания жидкого топлива в их камерах сгорания.

Это достигается тем, что установленный в кольцевой камере сгорания КУГАРТВИПС ультразвуковым волновым фронтом диспергирует подаваемое жидкое топливо на капли оптимальной грануляции на всех эксплуатационных режимах работы ГТД, равномерно распределяя их по сечению камеры сгорания, и полностью сжигает их в интенсифицированном ультразвуковом аэротермоакустическом поле турбулентного потока газа.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 4), где показан КУГАРТВИПС в разрезе. Он представляет собой тело вращения, поперечный размер которого много меньше диаметра оси сечения, и состоит из кольцевого корпуса 1, в котором размещены кольцевые профилированные вкладыши 17 и 18. Вкладыш 17 содержит тороидную полость главного резонатора 19 круглого поперечного сечения, профильные части узкощелевого конфузорного ультразвукового кольцевого сопла с косым срезом, оканчивающегося кольцевой задней острой кромкой щели (горловины) главного резонатора, а передней острой кромкой этой щели начинается горло экспоненциального рупора 27. Вкладыш 18 содержит кольцевую тороидную полость вторичного резонатора 20 круглого поперечного сечения, профильные части узкощелевого сопла с косым срезом, оканчивающегося острой кромкой щели (горловины) вторичного резонатора, а передняя его острая кромка служит началом горла экспоненциального рупора.

Вкладыши 17 и 18, каждый, имеет на периферии несколько сотен продольных каналов, равнорасположенных по окружности, которые соединены с кольцевыми коллекторными полостями подвода топлива (и воды, либо водометанола, когда это требуют условия эксплуатации ГТД) соответственно 8 и 10. Продольные каналы 4 и 5 соединены с жиклерными поперечными каналами 2 и 3, имеющими сегментное сечение по площади, в 10 раз меньшей поперечного сечения продольных каналов.

Для осуществления осевой закрутки потока продуктов сгорания в жаровой трубе поперечные каналы 2 и 3 могут быть выполнены с тангенциальным по отношению оси камеры сгорания наклоном.

Герметизация вкладышей 17 и 18 в корпусе 1 произведена кольцевыми прокладками 24, 23 из отожженной мягкой красной меди.

Кольцевые рупорные части 21 и 22 с помощью шлиц 14 и 15 ввинчиваются в корпус 1 с предварительной затяжкой, где и уплотняют коллекторные каналы вкладышей 17 и 18 красномедными кольцевыми прокладками.

Продолжением экспоненциального рупора 27 до его полного раскрытия до 180^o служит кольцевое фронтовое устройство 25. Шлицы 14 и 15 кольцевых частей рупора одновременно служат распределителями первичного потока воздуха в кольцевой щели обтекателя на входе в камеру сгорания.

Корпус 1 имеет в нижней части овальный фланец 6 с двумя отверстиями для крепления, расположенными в вертикальной плоскости. Через эти отверстия проходят винты крепления 7 КУГАРТВИПС к сопряженному фланцу нижнего силового ребра корпуса камеры сгорания. Через фланец 6 осуществлен подвод в коллекторные полости 8, 9, 10 соответственно топлива, воздуха, воды или водометанола (фиг. 3). На входе в эти полости стоят сетчатые фильтры. На корпусе 1 имеются две проушины, расположенные под углом 108^o, которые соединены с силовыми ребрами корпуса камеры сгорания через демпфирующие амортизаторы. Проушины поддерживают КУГАРТВИПС и гасят вибрации его массы, В передней части корпуса 1, заподлицо с его наружной поверхностью имеется распределитель 12 воздушного потока. Он быстро снимается с его посадочной поверхности за счет наличия откидной пряжки 13.

КУГАРТВИПС работает следующим образом. Из полости 9 через сопло 26 под малым углом поступает воздух с избыточным давлением, который тонкой плоской струей циклически обтекает внутреннюю полость главного резонатора 19 и создает в ней избыточное давление, а часть воздуха струи, протекающего над горловиной вторичного резонатора 20, создает в ней разрежение. Под действием этих сил тонкая кольцевая струя воздуха циклически деформируется так, что идущий друг за другом кольцевой цуг волн образует ультразвуковой волновой фронт в форме слегка расширяющейся гофрированной оболочки усеченного конуса толщиной в две амплитуды, колеблющегося около положения равновесия. Деформация струи главным резонатором является возбуждением ее колебаний, а деформация ее вторичным резонатором обусловливает ее соколебания, вследствие чего возникает виброструйная кольцевая коническая оболочка ультразвукового волнового фронта. Этот фронт, встречая на своем пути струйный веер топлива, а при служебной необходимости одновременно веер струй воды или водометанола (фиг. 2, сечение m - n), поступающих под давлением из кольцевых коллекторных полостей 8 и 10, по продольным каналам 4 и 5, через жиклерные каналы 2 и 3 к устью рупора, диспергирует эти струи на сферические капли оптимальной грануляции на всех эксплуатационных режимах ГТД. Конический кольцевой веер плоских струй сегментного профиля в то же время является стабилизатором, ограничивающим движение капель топлива только зоной горения жаровой трубы.

Волновой фронт 29, интенсифицируя ультразвуком зону горения газа, превращает капли топлива в раскаленные продукты сгорания, сжиганием их в турбулентном потоке вторичного воздуха, которые в зоне смешения жаровой трубы 30 разбавляются третичным потоком воздуха до приемлемой турбиной температуры. Таким путем в ГТД, снабженном автогенератором КУГАРТВИПС, осуществляется генерирование горячего газа.

Спецификация кольцевой камеры сгорания с КУГАРТВИПС ГТД
N п/п - Наименование элемента конструкции (фиг. 2, 3, 4)
1 - Корпус автогенератора
2 - Жиклерный канал подвода топлива (керосина)
3 - Жиклерный канал подвода топлива и одновременно при эксплуатационной необходимости подвода воды или водометанола
4 - Продольный канал подвода топлива
5 - Продольный канал подвода топлива, а при необходимости одновременно подвода воды или водометанола, сегментного сечения
6 - Овальный фланец с подводами топлива, воздуха, воды, водометанола
7 - Винты крепления фланца автогенератора к ребру корпуса камеры
8 - Кольцевая коллекторная топливная полость
9 - Кольцевая коллекторная полость воздуха
10 - Кольцевая коллекторная полость топлива, воды или водометанола
11 - Скользящая опора крепления КУГАРТВИПС
12 - Кольцевой распределитель первичного потока воздуха
13 - Откидная пряжка быстрого съема воздухораспределителя
14 - Шлицевой венец наружной части экспоненциального рупора
15 - Шлицевой венец внутренней части экспоненциального рупора
16 - Кольцевой обтекатель первичного потока воздуха жаровой трубы
17 - Профильный вкладыш с тороидной полостью главного резонатора
18 - Профильный вкладыш с тороидной полостью вторичного резонатора
19 - Главный тороидный резонатор автогенератора ультразвука
20 - Вторичный тороидный резонатор автогенератора ультразвука
21 - Наружная часть кольцевого экспоненциального рупора
22 - Внутренняя часть кольцевого экспоненциального рупора
23 - Красномедное уплотнительное кольцо
24 - Красномедное уплотнительное кольцо
25 - Кольцевое фронтовое устройство, раскрывающее рупор на 180^o
26 - Кольцевое узкощелевое сверхзвуковое сопло с косым срезом
27 - Экспоненциальный кольцевой рупор КУГАРТВИПС
28 - Горло кольцевого экспоненциального рупора
29 - Огневой факел пламени жаровой трубы камеры сгорания ГТД
30 - Жаровая труба камеры сгорания ГТД
Перечень фигур предлагаемого изобретения
Фиг. 1. Характеристика КУГАРТВИПС в сопоставлении с топливными центробежными форсунками ФР-20 по коэффициенту полноты сгорания керосина в камере сгорания ТВД АИ-20К в зависимости от грануляции его капель.

Фиг. 2. Схема действия сил и движения элемента массы среды во время работы КУГАРТВИПС.

Фиг. 3. Конструкция КУГАРТВИПС в жаровой трубе камеры сгорания ГТД с подводом топлива, воздуха, воды или водометанола.

Фиг. 4. Продольный разрез КУГАРТВИПС в жаровой трубе камеры сгорания ГТД. Основные параметры, полученные при стендовом испытании ГТД АИ-20К, со смонтированным в его камере сгорания автогенератором КУГАРТВИПС.

Фиг. 5. Факелы распыливания водыэспериментального отсека натурального профиля КУГАРТВИПС в 1/100 его окружной длины и центробежной форсунки ФР-20 на режиме малого газа ГТД АИ-20К.

Фиг. 6. Экспериментальный отсек натурного профиля КУГАРТВИПС в 1/5 его окружной длины и результаты огневых испытаний в сопоставлении с двумя топливными центробежными форсунками ФР-20 на эксплуатационных режимах работы маршевого ГТД АИ-20К.

Фиг. 7. Экспериментальный отсек натурного профиля КУГАРТВИПС в 1/50 его окружной длины с прозрачными стенками для фотографирования стадий процесса распыливания расплавленного парафина с целью определения грануляции капель топлива на режимах "малый газ" и "взлет" и основных параметров КУГАРТВИПС.

Технико-экономические преимущества изобретения КУГАРТВИПС.

ГТД, в лобовой части жаровой трубы камеры сгорания которого смонтирован КУГАРТВИПС, имеет совершенный процесс автогенерации горячего газа по сравнению с процессом, когда в ней топливо распыливается центробежными форсунками.

Совершенство процесса горения обусловливает увеличение основных параметров авиационного ГТД, в их числе:
1. Стабильную оптимальную грануляцию капель топлива 50-60 мкм на всех эксплуатационных режимах работы маршевого ГТД (фиг. 5, 7).

2. Интенсификация процесса сгорания ультразвуком дает прирост эффективной мощности (тяги) ГТД на 2%.

3. На всех эксплуатационных режимах ГТД обеспечивается полнота сгорания топливно-воздушной смеси 99% (фиг. 1).

4. Окружная неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания не превышает 50^oC, а поля полного давления не более 0,05%.

5. Масса конструкции топливной системы ГТД уменьшается на 5%.

6. Наличие кольцевого ультразвукового фронта в камере сгорания ГТД обеспечивает полное сгорание топлива, отсутствие кокса, окисленных пленок на деталях горячей части двигателя.

7. КУГАРТВИПС обладает самовозбуждением, обеспечивает быстродействие и малое время приемистости.

8. КУГАРТВИПС обеспечивает хороший запуск и стабильную работу ГТД при низкой и повышенной температуре окружающей среды, в электрических и магнитных полях, т.к. его рабочая среда - воздух - является индифферентной к их воздействиям.

9. КУГАРТВИПС обеспечивает малую эмиссию окислов азота, токсичность и дымность выхлопных газов вследствие полного сгорания топлива в турбулентном потоке воздуха в интенсифицированной ультразвуком зоне горения (фиг. 6).

10. Диапазон устойчивой работы камеры сгорания на высоте 8-10 км увеличивается в 1,5 раза для ГТД.

11. Расход топлива при той же мощности ГТД снизился на 1%.

12. КПД ГТД увеличивается на 1%.

13. Гарантийный ресурс ГТД увеличивается на 20% за счет снижения температурных градиентов в деталях горячей части двигателя.

14. КУГАРТВИПС характеризуется простотой изготовления деталей, технологичен, имеет низкую трудоемкость в изготовлении.

Источники информации
1. Патент RU N 2094705 С1, 6 F 23 R 3/18, 1997.

2. Рекламный проспект TV-117S Turboprop Engine, Москва, Aviation Publishing Hourse, 1993.

Камера сгорания с кольцевым ультразвуковым автогенератором распыливания топлива содержит форсуночное устройство, сообщенное с коллектором подвода, жаровую трубу с перфорированными отверстиями и стабилизатор пламени. Форсуночное устройство выполнено в виде кольцевого газоструйного ультразвукового генератора, представляющего тело вращения, поперечный размер сечения которого много меньше диаметра оси сечения, с акустически связанными главным и вторичным тороидальными резонаторами, возбуждаемыми воздухом, поступающим через кольцевое сопло с косым срезом, переходящее в экспоненциальный акустический рупор. Для раскрытия акустического рупора на 180° служит кольцевое фронтовое устройство с образующей экспоненциальной формы и равномерно расположенными по окружности перфорированными отверстиями для прохода первичного воздушного потока. Фронтовое устройство соединено с обтекателем жаровой трубы воздушного потока и с вводом топлива, воды либо водометанола через равномерно распределенные по окружности рупора жиклерные поперечные каналы сегментного сечения, отстоящие на расстоянии не менее длины волны ультразвука от горловины рупора и соединенные с кольцевыми коллекторными полостями, выполненными внутри форсуночного устройства. Стабилизатор пламени создан веером плоских поперечных к потоку струй жидкости из жиклерных каналов. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс сжигания жидкого топлива. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Камера сгорания с кольцевым ультразвуковым автогенератором распыливания топлива, содержащая форсуночное устройство, сообщенное с коллектором подвода, жаровую трубу с перфорированными отверстиями и стабилизатор пламени, отличающаяся тем, что форсуночное устройство выполнено в виде кольцевого газоструйного ультразвукового генератора, представляющего тело вращения, поперечный размер сечения которого много меньше диаметра оси сечения, с акустически связанными главным и вторичным тороидальными резонаторами, возбуждаемыми воздухом, поступающим через кольцевое сопло с косым срезом, переходящее в экспоненциальный акустический рупор, для раскрытия которого на 180° служит кольцевое фронтовое устройство с образующей экспоненциальной формы и равномерно расположенными по окружности перфорированными отверстиями для прохода первичного воздушного потока, которое соединено с обтекателем жаровой трубы воздушного потока, и с вводом топлива, воды либо водометанола через равномерно распределенные по окружности рупора жиклерные поперечные каналы сегментного сечения, отстоящие на расстоянии не менее длины волны ультразвука от горловины рупора и соединенные с кольцевыми коллекторными полостями, выполненными внутри форсуночного устройства, причем стабилизатор пламени создан веером плоских поперечных к потоку струй жидкостей из жиклерных каналов. 2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что жиклерные каналы выполнены с тангенциальным по отношению к оси камеры наклоном.