КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК F23R3/28 F02C3/30 

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, преимущественно к камерам сгорания наземных энергетических установок, работающих на жидком или газообразном топливе с впрыском воды или пара в камеру сгорания с целью снижения выброса вредных веществ.

Известны камеры сгорания газотурбинного двигателя, используемые в наземных энергетических установках, содержащие наружный корпус, жаровую трубу, пусковые воспламенители, коллекторы с трубопроводами подвода топлива, воды или пара, форсунки, горелки (см. Патент РФ №2137936, МПК 7 F 02 C 3/30, 20.09.1999 г.). Известная камера сгорания уменьшает выброс окислов азота NO_x за счет подачи воды или пара в зону смешения горячих газов и воздуха, но подача воды или пара через отверстия в полых стойках смесителя, размещенных внутри жаровой трубы в зоне смешения, значительно увеличивает гидравлические потери в камере сгорания, что в итоге приводит к ухудшению основных параметров двигателя.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой камере сгорания относится камера, описанная в газотурбинной установке (см. Патент РФ №2181163, МПК 7 F 02 C 3/30, 14.06.2001 г.). Известная камера сгорания содержит наружный корпус, жаровую трубу, пусковые воспламенители, коллекторы с трубопроводами подвода топлива, воды или пара, комбинированные форсунки, горелочные устройства. В этой конструкции впрыск воды или пара осуществляется через теплообменники, расположенные на наружной и внутренней стенках жаровой трубы, что приводит к увеличению объема рабочего тела и увеличению скорости течения потока продуктов сгорания, а следовательно, и к уменьшение времени пребывания газов в зоне высоких температур и, как следствие, к снижению выброса окислов азота NO_x. Однако наличие трубопроводов подвода воды или пара в проточной части наружного и внутреннего кольцевых каналов камеры сгорания приводит к загромождению ее проточной части, увеличению гидравлических потерь, что в итоге приводит к ухудшению основных параметров двигателя в целом. Кроме того, подача воды или пара в зону смешения горячих газов и воздуха менее эффективно снижает температуру пламени в камере сгорания и, как следствие, менее эффективно снижает выбросы окислов азота NO_x, чем, например, при подаче воды или пара в зону горения. Более эффективное снижение температуры пламени при подаче воды или пара в зону смешения достигается за счет существенного увеличения количества подаваемой воды или пара в камеру сгорания, что является также нежелательным из-за ухудшения эксплуатационных свойств камеры сгорания.

Задачей изобретения является снижение гидравлических потерь в камере сгорания и уменьшение выбросов окислов азота NO_x.

Технический результат достигается тем, что камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая наружный корпус, жаровую трубу, пусковые воспламенители, коллекторы с коммуникациями подвода топлива и воды, комбинированные форсунки, горелочные устройства, при этом каждое горелочное устройство состоит из пустотелого цилиндрического корпуса, в стенках которого размещены улиточный и воздушный радиальные завихрители с лопатками, имеющими противоположную закрутку, обечайки, втулку с возможностью перемещения в радиальном направлении, патрубок, завихрительные камеры и сопла, а каждая комбинированная форсунка включает в себя центробежную форсунку, корпус которой своей наружной поверхностью контактирует с внутренней поверхностью втулки, и струйную форсунку с цилиндрическим корпусом, размещенную коаксиально во внутренней полости патрубка с зазором между наружной стенкой корпуса струйной форсунки и внутренней стенкой патрубка, причем выходная часть корпуса струйной форсунки изогнута по направлению канала спирали улиточного радиального завихрителя, а выходное сечение струйной форсунки выполнено в виде плоского среза параллельно стенке входной части патрубка и отстоит от нее на расстоянии 0,8...1,2 величины диаметра корпуса струйной форсунки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза узла камеры сгорания.

На фиг.2 представлена принципиальная схема входной части камеры сгорания с разрезами, поясняющими конструкцию горелочного устройства со струйной форсункой.

На фиг.3 представлено сечение А-А фиг.2.

На фиг.4 представлено сечение Б-Б фиг.3.

На фиг.5 представлена принципиальная схема входной части камеры сгорания с разрезами, поясняющими конструкцию горелочного устройства с центробежной форсункой.

На фиг.6 представлено сечение В-В фиг.5.

На фиг.7 представлен внешний вид комбинированной форсунки.

На фиг.8 представлено сечение Г-Г фиг.7.

На фиг.9 представлен вид со входа по стрелке Д фиг.1.

Камера сгорания содержит наружный корпус 1, жаровую трубу 2, пусковые воспламенители 3, коллекторы 4, 5 с коммуникациями подвода топлива и воды, комбинированные форсунки 6, горелочные устройства 7 с пустотелыми цилиндрическими корпусами 8, улиточный 9 и воздушный 10 радиальные завихрители с лопатками 11 и 12, с обечайками 13 и 14, с втулками 15, патрубками 16, завихрительными камерами 17 и 18, соплами 19 и 20. Комбинированная форсунка состоит из центробежной 21 форсунки с корпусом 22 и струйной 23 форсунки с цилиндрическим корпусом 24, размещенной коаксиально во внутренней полости патрубка 16 с зазором 25 между наружной стенкой корпуса 24 и внутренней стенкой 26 патрубка 16, выходная часть корпуса 24 струйной форсунки 23 изогнута по направлению канала 27 спирали улиточного завихрителя 9, при этом выходное сечение струйной форсунки 23 выполнено в виде плоского среза 28 параллельно стенке 26 входной части патрубка 16.

Кроме того, на чертежах показано: трубопроводы 29 и 30, передняя стенка жаровой трубы 31, обечайки стабилизатора пламени 32 и 33.

Камера сгорания работает следующим образом. Топливо жидкое или газообразное, например природный газ, или резервное подается в коллекторы 4 и 5 и по трубопроводам 29 и 30 поступает на вход комбинированных форсунок 6, откуда поступает в горелочные устройства 7, где оно перемешивается с воздухом, распыливается, превращается в гомогенную смесь, поступает в зону горения и поджигается (при запуске камеры), например, факельными воспламенителями 3, и далее камера сгорания работает, обеспечивая работу двигателя во всем экспуатационном диапазоне режимов.

При работе с впрыском воды или пара в системе топливопитания двигателя переключатель (на чертежах не показан) отсекает подачу жидкого или газообразного топлива в коллектор 4 и трубопроводы 29 подвода к струйным форсункам 23 и вместо топлива подключает подачу воды или пара (количество впрыска воды или пара определяется расчетным или экспериментальным путем) с одновременной подачей топлива в коллектор 5 и трубопроводы 30 центробежных форсунок 21. Вода или пар из струйных форсунок 23 с воздухом поступает в патрубки 16 улиточных радиальных завихрителей 9, а топливо из центробежных форсунок 21 поступает через втулки 15 на лопатки 11 улиточных радиальных завихрителей 9.

Топливо распыливается центробежными форсунками 21 и поступает в завихрительные камеры 17 горелочных устройств 7, а вода или пар распыливается струйными форсунками 23 и со среза 28 выходного сечения по направлению канала 27 спирали улиточного радиального завихрителя 9 попадает на его лопатки 11 и далее поступает в завихрительные камеры 17. Воздух поступает на лопатки 12 воздушного завихрителя 10. Так как крутка потоков в завихрителях 9 и 10 имеет противоположные направления, потоки распыленного топлива, воздуха с распыленной водой или паром пересекаются, перемешиваются в завихрительных камерах 17 и 18 и направляются на внутреннюю поверхность сопел 19 и 20, образуя тонкий слой смеси, которая, срываясь с выходной кромки сопел 19 и 20, образует конус распыла гомогенной смеси. Кроме того, в завихрительных камерах 17 и 18 происходит вращение потока с большой угловой скоростью, в результате чего на передней стенке 31 жаровой трубы 2 образуется перепад давления, что, в свою очередь, приводит к образованию устойчивой зоны обратных токов смеси воздуха, распыленного топлива, распыленной воды или пара. Гомогенная смесь поступает в зону горения и сгорает с выделением тепла, испаряющаяся вода или пар отбирают тепло и увеличивают объем рабочего тела, что вызывает снижение температуры горения, увеличения скорости течения продуктов сгорания, уменьшая тем самым время пребывания продуктов сгорания в камере, что в итоге приводит к снижению вредных выбросав окислов азота NO_x.

Выполнение каждого горелочного устройства в виде пустотелого цилиндрического корпуса, в стенках которого размещены улиточный и воздушный радиальные завихрители с лопатками, имеющими противоположную закрутку, цилиндрические обечайки, плавающую втулку, патрубок, завихрительные камеры, сопла и комбинированную форсунку с центробежной и струйной форсунками, позволяет при работе на жидком и газообразном топливах распылить топливогазовую смесь в карбюрированную, связанную с зоной обратных токов на выходе из цилиндрических обечаек, и тем самым получить сгорание топлива с высоким коэффициентом полноты сгорания во всем эксплуатационном диапазоне коэффициента избытка воздуха, с минимальным задымлением и вредными выбросами из камеры сгорания, не превышающими допустимые нормы. При подаче воды (в системе топливопитания двигателя автоматический переключатель устанавливается на подачу воды) в струйную форсунку, размещенную коаксиально во внутренней полости проточной части патрубка улиточного завихрителя с зазором между наружной стенкой корпуса форсунки и внутренней стенкой патрубка, с изгибом части корпуса струйной форсунки с выходным сечением по направлению канала спирали улиточного завихрителя и выполнение выходного сечения струйной форсунки в виде плоского среза, параллельного стенке входной части патрубка и отстоящего от нее на расстоянии l=0,8...1,2d, где d - диаметр струйной форсунки (значение величины зазора "l" определяется расчетным или экспериментальным путем), позволяет подавать воду через струйную форсунку в горелочное устройство в нужном направлении и предотвращать прямое попадание струи воды в стенку улиточного завихрителя и обеспечивать подачу воды в зону горения и превращать ее в пар.

Размер l выбран оптимальным 0,8-1,2 величины диаметра корпуса струйной форсунки исходя из следующих условий:

- при l>1,2 поток воды будет резко направлен к торцевой задней стенке улитки, и входящий поток воздуха в патрубок будет сносить поток воды прямо на стенку без образования воздушного распыла;

- при l<0,8 увеличивается кривизна изгиба корпуса форсунки, что приводит к перемещению форсунки к передней торцевой стенке улитки, и нарушается симметрия входа в улитку.

Превращение воды в пар вызывает снижение температуры горения, увеличение объема продуктов сгорания и, как следствие, увеличение скорости течения продуктов сгорания по проточному тракту камеры и уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в камере, а следовательно, и к снижению вредных выбросов на выходе из двигателя. Использование трубопроводов подвода топлива в струйные форсунки для подачи воды или пара позволяет избежать прокладки дополнительных трубопроводов по тракту проточной части камеры сгорания, избежать загромождения проточной части камеры сгорания, а следовательно, минимизировать гидравлические потери в камере сгорания от проектного уровня при одновременном уменьшении вредных выбросов окислов азота NO_x.

Использование одних и тех же коммуникаций подвода топлива к комбинированной форсунке как для подачи жидкого или газообразного топлива (в том числе и резервного топлива), так и для подачи воды или пара по специальной команде, без дополнительного загромождения трубопроводами проточной части камеры сгорания, позволяет без дополнительных переборок и замены материальной части обеспечить снижение вредных выбросов из камеры сгорания без увеличения гидравлических потерь по ее тракту во всем эксплуатационном диапазоне работы двигателя.

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит наружный корпус, жаровую трубу, пусковые воспламенители, коллекторы с коммуникациями подвода топлива и воды, комбинированные форсунки, горелочные устройства. Каждое горелочное устройство состоит из пустотелого цилиндрического корпуса, в стенках которого размещены улиточный и воздушный радиальные завихрители с лопатками, имеющими противоположную закрутку, обечайки, втулки с возможностью перемещения в радиальном направлении, патрубка, завихрительных камер и сопла. Каждая комбинированная форсунка включает в себя центробежную форсунку, корпус которой своей наружной поверхностью контактирует с внутренней поверхностью втулки, и струйную форсунку с цилиндрическим корпусом, размещенную коаксиально во внутренней полости патрубка с зазором между наружной стенкой корпуса струйной форсунки и внутренней стенкой патрубка. Выходная часть корпуса струйной форсунки изогнута по направлению канала спирали улиточного радиального завихрителя. Выходное сечение струйной форсунки выполнено в виде плоского среза параллельно стенке входной части патрубка и отстоит от нее на расстоянии 0,8...1,2 величины диаметра корпуса струйной форсунки. Изобретение позволяет снизить гидравлические потери в камере сгорания и уменьшить выбросы окислов азота. 9 ил.

Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая наружный корпус, жаровую трубу, пусковые воспламенители, коллекторы с коммуникациями подвода топлива и воды, комбинированные форсунки, горелочные устройства, при этом каждое горелочное устройство состоит из пустотелого цилиндрического корпуса, в стенках которого размещены улиточный и воздушный радиальные завихрители с лопатками, имеющими противоположную закрутку, обечайки, втулки с возможностью перемещения в радиальном направлении, патрубка, завихрительных камер и сопла, а каждая комбинированная форсунка включает в себя центробежную форсунку, корпус которой своей наружной поверхностью контактирует с внутренней поверхностью втулки, и струйную форсунку с цилиндрическим корпусом, размещенную коаксиально во внутренней полости патрубка с зазором между наружной стенкой корпуса струйной форсунки и внутренней стенкой патрубка, причем выходная часть корпуса струйной форсунки изогнута по направлению канала спирали улиточного радиального завихрителя, а выходное сечение струйной форсунки выполнено в виде плоского среза параллельно стенке входной части патрубка и отстоит от нее на расстоянии 0,8...1,2 величины диаметра корпуса струйной форсунки.