КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в газотурбинных двигателях.

При создании камер сгорания газотурбинных двигателей, как правило, возникают трудности с охлаждением фронтового устройства. Одним из путей преодоления указанных затруднений является использование керамических материалов. Однако в настоящее время до конца не решенными остаются значительная усадка при изготовлении, повышенная хрупкость, практическое отсутствие пластических деформаций при нагружении. Также возможно использование материалов с транспирационным охлаждением. Эти материалы в сравнении с керамическими имеют ряд преимуществ, однако имеются и недостатки. Величина площади проходного сечения отдельных отверстий и каналов имеет ограничение исходя из условий достаточной прочности, что ведет к возможности засорения каналов и вследствие чего к уменьшению теплоотвода.

В большинстве камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих на предварительно подготовленных топливовоздушных смесях, возникают пульсации давления, ведущие к снижению ресурса двигателя. Основным методом борьбы с пульсациями давления в настоящее время является введение систем активного управления. Применение систем активного управления позволяет обеспечить статическую и динамическую устойчивость камеры сгорания, однако подобные системы содержат высокочастотные подвижные элементы, что сводит к нулю положительный эффект от их применения, поскольку данные системы, в свою очередь, имеют низкий ресурс.

Известен проницаемый материал ламиллой [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986], изготавливаемый из нескольких металлических листов с отверстиями, получаемый методом фототравления. Листы соединяются между собой посредством диффузионной пайки. Применение транспирационного охлаждения фронтовых устройств камер сгорания наземных газотурбинных двигателей является затруднительным по нескольким причинам. Большое содержание твердых частиц в приземном слое атмосферы, которые засоряют отверстия, что приводит к снижению теплоотвода, неоправданно высокая стоимость материала, низкие эксплуатационные свойства.

Известна камера сгорания [А.И. Крюков. Некоторые вопросы проектирования ГТД. - М.: МАИ, 1993], содержащая корпус, жаровую трубу, фронтовое устройство, имеющее внутренний экран, выполненный из нитрида кремния, наружную стенку, пальцы крепления внутреннего экрана к наружной стенке. Применение керамических материалов для снижения тепловой нагрузки на фронтовое устройство имеет ряд недостатков, таких, как высокая стоимость, низкие эксплуатационные свойства, ряд специальных конструктивных элементов и решений, усложняющие конструкцию, что также ведет к удорожанию и усложнению конструкции камеры сгорания.

Известна камера сгорания фирмы Rolls-Royce [Патент GB № 2278431, кл. F 23 R 3/34, 1994 г.], которая содержит первичную и вторичную зону горения, созданную множеством вторичных смесительных топливовоздушных трубок, расположенных вокруг первичной зоны горения. Вторичные смесительные топливовоздушные трубки ограничены парой кольцевых стенок и множеством стенок расположенных равномерно между кольцевыми стенками. Каждый канал смешения вторичного топлива с воздухом имеет отверстия для направления топливовоздушной смеси во вторичную зону горения. Эти отверстия имеют одинаковую проходную площадь. Каждый смеситель имеет один или более топливный инжектор для впрыска топлива вверх по потоку от смесителя. Эта компоновка предполагает, что отношение топливо/воздух в смеси, выбрасываемой через каждое отверстие, отличается примерно на 3% от среднего отношения топливо/воздух, даже если поле скоростей воздушного потока в смесителе неравномерное. Недостатком данной камеры сгорания, помимо узкого рабочего диапазона, является склонность к динамической неустойчивости, что ведет к снижению ресурса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является камера сгорания [Кашапов Р.С. Концепция создания низкоэмиссионной камеры сгорания. Газотурбинные технологии. - Рыбинск, 2000, №9, стр.16-19], содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, образующие проточную полость для подвода воздуха, цилиндрический экран, расположенный соосно, внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, периферийные горелочные устройства, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное устройство, расположенное на оси жаровой трубы и задвинутое в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, при этом все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, крышку камеры сгорания, закрывающую корпус камеры сгорания с торца. Недостатком данной конструкции является высокая теплонапряженность фронтовой доски, что снижает ресурс камеры сгорания, а так же возникновение пульсаций давления на некоторых режимах работы, что снижает ресурс газотурбинного двигателя в целом.

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение ресурса газотурбинного двигателя за счет выполнения на фронтовом устройстве охлаждающих глушителей в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы глушителей закрыты крышками, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, а также установки фронтового устройства на известном расстоянии от крышки камеры сгорания.

Технический результат достигается тем, что в камере сгорания, содержащей цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, образующие проточную полость для подвода воздуха, цилиндрический экран, расположенный соосно, внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, периферийные горелочные устройства, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное устройство, расположенное на оси жаровой трубы и задвинутое в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, при этом все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, крышку камеры сгорания, закрывающую корпус камеры сгорания с торца, в отличие от прототипа на фронтовом устройстве выполнены охлаждающие глушители в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы охлаждающих глушителей закрыты крышками, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, а также само фронтовое устройство установлено на расстоянии l₁ от крышки камеры сгорания, выполненном из соотношения

где f - частота продольных колебаний в камере сгорания, Гц; T - температура воздуха перед камерой сгорания, К;

k=2,4-2,7, К^-1/2м/с,

n = 0, 1, 2, 3 и т.д.

Существо конструкции поясняется чертежом, на котором изображена схема заявляемой камеры сгорания.

Заявляемая камера сгорания содержит цилиндрический корпус 1, соосную с ним жаровую трубу 2, образующих проточную полость для подвода воздуха 3, цилиндрический экран 4, расположенный соосно внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал 5 для прохода охлаждающего воздуха, фронтовое устройство 6, периферийные горелочные устройства 7, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное 8, расположенную на оси жаровой трубы и задвинутую в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, охлаждающие глушители 9, установленные на фронтовом устройстве, выполненные в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы охлаждающих глушителей закрыты крышками 10, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха 11, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, крышку камеры сгорания 12, закрывающую корпус камеры сгорания с торца.

Работа камеры сгорания осуществляется следующим образом. Часть воздуха, проходя по проточной полости для подвода воздуха 3, подается в кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха 5, проходя по которому охлаждает экран 4 и далее смешивается с продуктами сгорания. Другая часть воздуха, проходя по проточной полости для подвода воздуха 3 через отверстия 11, поступает в охлаждающие глушители 9 и, охлаждая их, проходит к зоне горения. Оставшаяся часть воздуха, проходя по проточной полости для подвода воздуха 3, мимо охлаждающих глушителей 9 и дополнительно охлаждая их, поступает в горелочные устройства с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси 7 и 8, где смешивается с подведенным топливом и далее поступает в зону горения. Возникающие пульсации давления частично подавляются охлаждающими глушителями 9, а частично объемом, образованным между крышкой камеры сгорания 12 и фронтовым устройством 6. Температура фронтовой доски снижается за счет теплоотвода по охлаждающим глушителям 9.

Таким образом, в заявляемой камере сгорания благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно размещению на фронтовом устройстве охлаждающих глушителей, а также установки фронтового устройства на расстоянии l₁ от крышки камеры сгорания, обеспечивается увеличение ресурса газотурбинного двигателя.

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, образующие проточную полость для подвода воздуха, цилиндрический экран, периферийные горелочные устройства, центральное горелочное устройство, крышку камеры сгорания, закрывающую корпус камеры сгорания с торца. Цилиндрический экран расположен соосно внутри жаровой трубы и образует с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха. Периферийные горелочные устройства расположены равномерно по окружности во фронтовом устройстве. Все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси. Центральное горелочное устройство расположено на оси жаровой трубы и задвинуто в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства. На фронтовом устройстве выполнены охлаждающие глушители в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения. Противоположные торцы охлаждающих глушителей закрыты крышками, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя. Фронтовое устройство установлено от крышки на расстоянии, определяемом из защищаемого изобретением соотношения. Изобретение увеличивает ресурс газотурбинного двигателя. 1 ил.

Камера сгорания, содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, образующие проточную полость для подвода воздуха, цилиндрический экран, расположенный соосно, внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, периферийные горелочные устройства, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное устройство, расположенное на оси жаровой трубы и задвинутое в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, при этом все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, крышку камеры сгорания, закрывающую корпус камеры сгорания с торца, отличающаяся тем, что на фронтовом устройстве выполнены охлаждающие глушители в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы охлаждающих глушителей закрыты крышками, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, а также само фронтовое устройство установлено на расстоянии l₁ от крышки камеры сгорания, выполненном из соотношения

где f - частота продольных колебаний в камере сгорания (Гц);

Т - температура воздуха перед камерой сгорания (К);

к=2,4-2,7 (К^-1/2 м/с);

n=0, 1, 2, 3 и т.д.