КАМЕРА СГОРАНИЯ С ОПТИМАЛЬНЫМ ЧИСЛОМ ФОРСУНОК Российский патент 2001 года по МПК F23R3/28 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках.

Известна камера сгорания, содержащая корпус, жаровую трубу и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи жидкого или газообразного топлива, например камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя ТВ7-117 и другие (см.[1], Рекламный проспект TV7-117S Turboprop Engine, Москва, Aviation Publishing Hourse, 1993; [2] Авторское свидетельство СССР N 308653, кл. P 23 K 3/00, 1983).

Известна также принятая за прототип камера сгорания, построенная на принципе микрофакельного сжигания топлив, содержащая корпус, жаровую трубу и фронтовое устройство с завихрителями и форсунками подачи жидкого или газообразного топлива, причем количество форсунок определяется по формуле (см. патент РФ N 2094705 от 27.10.97).

Например, для двигателя ТВ7-117 рекомендуется устанавливать 72 форсунки, что приводит к снижению выброса NO_x в 2 раза.

Однако количество форсунок, выбранное по патенту N 2094705, не учитывает изменение полноты сгорания топлива от числа форсунок на единицу площади поперечного сечения жаровой трубы.

Задачей настоящего изобретения является снижение выброса оксидов азота при минимальном уровне недожога топлива, т.к. главное требование к тепловой машине состоит в необходимости экономии топлива.

Указанная задача достигается тем, что в "микрофакельной" камере сгорания, содержащей корпус, жаровую трубу и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи жидкого или газообразного топлива, фронтовое устройство камеры выполнено с оптимальным числом форсунок на единицу площади поперечного сечения жаровой трубы - три форсунки на 100 см² площади поперечного (миделевого) сечения жаровой трубы.

Предлагаемая камера сгорания отличается от известной, принятой в качестве прототипа, признаками, приведенными выше, следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Существенным отличием предлагаемой камеры сгорания является резкое уменьшение в ней количества форсунок по сравнению с рекомендациями по патенту N 2094705. Например, для двигателя ТВ7- 117 оптимальное количество форсунок составляет 30 штук вместо 72-х штук по патенту 2094705.

На фиг. 1, для примера, представлена конструктивная схема камеры сгорания. Она содержит корпус 1, жаровую трубу 2, завихрители воздуха 3 и форсунки подачи жидкого или газообразного топлива 4. Поперечное (миделевое) сечение жаровой трубы определяется диаметром жаровой трубы D_ж и высотой жаровой трубы H_ж.

На фиг. 2 показаны варианты вида A расположения оптимального количества форсунок: 3 штуки на 100 см² миделевого сечения жаровой трубы.

Камера сгорания работает следующим образом.

Сжатый в компрессоре воздух поступает в полость корпуса 1, из которой поступает в жаровую трубу 2 через множество щелей и отверстий и через завихрители воздуха 3. Через форсунки 4 в камеру сгорания подводится под давлением жидкое или газообразное топливо.

Сжигание углеводородных топлив в камере сгорания для обеспечения высокой температуры газа на выходе сопровождается выбросом оксидов азота.

На фиг. 3 сплошной линией показано отношение выброса NO_x к (NO_x)_opt и пунктирной линией отношение недожога топлива (1-η) к минимальному недожогу (1-η)_min в зависимости от числа форсунок на 100 см² площади поперечного сечения жаровой трубы,
где η - коэффициент полноты сгорания топлива, N_ф - количество форсунок;
F_ж - площадь поперечного (миделевого) сечения жаровой трубы, см²;
(NO_x)_opt - выброс NO_x при оптимальном числе форсунок.

Кривые построены на основе обработки и обобщений экспериментальных данных более 300 испытаний камер сгорания различных двигателей.

Наименьшему значению недожога топлива и практически минимальному уровню выброса NO_x соответствует число форсунок из расчета: три штуки на 100 см² площади поперечного (миделевого) сечения жаровой трубы.

При уменьшении (от оптимального) количества форсунок возрастают и недожог топлива и выброс NO_x.

При увеличении (от оптимального) количества форсунок выброс NO_x снижается практически незаметно (сплошная кривая ассимптотически приближается к горизонтали), а недожог топлива резко возрастает.

Протекание левой части кривых объясняется процессами неудовлетворительного распределения и смешения топлива в камере сгорания по всей массе воздуха, что сопровождается недожогом топлива и выбросом NO_x.

Протекание правой части кривых связано с процессами интенсивного выравнивания температур и обеднения смеси.

Применение на двигателях камер сгорания с оптимальным числом форсунок (3 штуки на 100 см² площади поперечного сечения жаровой трубы) позволяет обеспечить минимальные уровни недожога топлива и выброса NO_x, снизить вес, трудоемкость и стоимость изготовления двигателя, повысить его экономичность и экологическую чистоту.

Камера сгорания газотурбинного двигателя с оптимальным числом форсунок содержит корпус, жаровую трубу и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи жидкого или газообразного топлива. Фронтовое устройство камеры выполнено с оптимальным числом форсунок - три штуки на 100 см² площади поперечного (миделевого) сечения жаровой трубы. Изобретение позволяет снизить выброс оксидов азота при минимальном недожоге топлива. 3 ил.

Камера сгорания газотурбинного двигателя с оптимальным числом форсунок, содержащая корпус, жаровую трубу и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи жидкого или газообразного топлива, отличающаяся тем, что фронтовое устройство камеры выполнено с оптимальным числом форсунок - три штуки на 100 см² площади поперечного (миделевого) сечения жаровой трубы.