КАМЕРА СГОРАНИЯ С ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ Российский патент 2010 года по МПК F23R3/26 

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 с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива, например камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя (С.А.Вьюнов, Ю.И.Гусев, А.В.Карпов и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1989, стр.388).

Недостатками известной камеры сгорания является то, что из-за крайней сложности и недостаточной изученности протекающих в ней процессов, значения геометрических и газодинамических критериев камеры сгорания не обеспечивают оптимальный режим ее работы.

Известна также принятая за прототип камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя ТВ7-117, содержащая корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения, фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива (Рекламный проспект TV7-117S Turboprop Engine, Москва, Aviation Publishing Hourse, 1993).

Жаровая труба камеры сгорания двигателя ТВ7-117 выполнена со следующими значениями геометрических и газодинамических критериев:

- отношение площади поперечного миделевого сечения жаровой трубы к суммарной эффективной площади всех отверстий в ней

относительная пропускная способность завихрителей

где µF₃ - эффективная площадь завихрителей фронтового устройства,

- суммарная эффективная площадь всех отверстий в жаровой трубе;

- интенсивность закрутки потока воздуха завихрителями фронтового устройства

где W_t и W_a - средние по сечению тангенциальная и осевая составляющие скорости воздуха на выходе завихрителя;

коэффициент скорости потока в отверстиях жаровой трубы

где W - скорость потока в отверстиях жаровой трубы, а_кр - критическая скорость звука.

Однако принятые значения геометрических и газодинамических критериев не обеспечивают оптимальный режим работы камеры сгорания, при котором обеспечивается максимальная экономичность, надежность и ресурс двигателя.

Задачей настоящего изобретения является определение значений геометрических и газодинамических критериев камеры сгорания, обеспечивающих оптимальный режим ее работы. Под оптимальным режимом работы понимается удовлетворение главным требованиям, предъявляемым в эксплуатации:

- максимальной полноты сгорания топлива и кпд термодинамического цикла двигателя;

- минимальной неравномерности поля температуры газа на выходе из камеры сгорания (на входе в турбину);

- максимального предела срыва пламени при максимальном обеднении топливовоздушной смеси.

Указанная задача достигается тем, что в камере сгорания, содержащей корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива, жаровая труба выполнена со следующими оптимальными значениями геометрических и газодинамических критериев:

Оптимальные значения указанных критериев установлены в результате расчетного анализа и обобщения данных более 300 испытаний камер сгорания газотурбинных двигателей различных схем и размеров.

На фиг.1 представлена конструктивная схема камеры сгорания.

На фиг.2 показана зависимость характеристик камеры сгорания от отношения критерия к его оптимальному значению

На фиг.3 показано отношение недожога топлива (1-η) к его минимальному значению (1-η)_min в зависимости от отношения значения к его оптимальному значению

На фиг.4 приведено отношение недожога топлива (1-η) к его минимальному значению (1-η)_min в зависимости от отношения к ее оптимальному значению

На фиг.5 показаны границы устойчивого горения (без срыва пламени) в камере при максимальном обеднении смеси топлива с воздухом.

Камера сгорания содержит корпус 1, жаровую трубу 2 с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения 3, фронтовое устройство с завихрителями воздуха 4 и форсунками подачи топлива 5. Площадь поперечного миделевого сечения жаровой трубы определяется ее высотой Н_ж и диаметром D_ж.

Камера сгорания работает следующим образом. Сжатый в компрессоре воздух поступает в полость корпуса 1, из которой воздух поступает в жаровую трубу 2 через множество отверстий подвода воздуха в зоны горения и смешения 3 и через завихрители воздуха 4. Через форсунки 5 в камеру сгорания подводится под давлением жидкое или газообразное топливо.

Рабочий процесс в камере сгорания газотурбинной установки характеризуется многообразием одновременно протекающих и взаимосвязанных физико-химических превращений в турбулентном потоке газа со сложной аэродинамической структурой и значения критериев как показывают исследования, играют определяющую роль в этом процессе.

Процессы смешения топлива с окислителем (воздух), взаимодействия холодных и горячих турбулентных струй, оказывающих существенное влияние на протекание химических реакций и выравнивание температур в камере, управляются важнейшим критерием . Существенное влияние критерия на характеристики камеры показано на фиг.2.

По оси абсцисс на графике отложены значения критерия , отнесенные к его оптимальному значению обеспечивающему максимальную величину эффективного кпд термодинамического цикла (η_e)_max и минимальную величину коэффициента максимальной окружной неравномерности поля температур газа (θ_max)_min.

По оси ординат отложены следующие величины:

- кпд термодинамического цикла двигателя η_е, отнесенные к его максимальному значению (η_е)_max (кривая 1);

- коэффициенты максимальной окружной неравномерности поля температуры газа θ_max, отнесенные к его минимальному значению (θ_max)_min (кривая 2);

- недожога топлива в камере сгорания (1-η), отнесенные к ее минимальному значению (1-η)_min, для которого оптимальное значение критерия (кривая 3).

Из графика следует некоторая противоречивость влияния критерия на максимальный кпд термодинамического цикла двигателя (η_e)_max, минимальную неравномерность поля температур газа на выходе из камеры сгорания (θ_max)_min и минимальную величину недожога топлива (1-η)_max.

Исследования показывают, что для обеспечения максимального значения кпд термодинамического цикла двигателя (η_e)_max и минимального значения неравномерности поля температур газа на выходе из камеры сгорания (θ_max)_min - оптимальное значение критерия ; а для обеспечения минимального значения недожога топлива (1-η)_min оптимальное значение критерия

Исходя из требований к тепловой машине: обеспечение максимальной экономии топлива за счет полного его сжигания и обеспечение ее надежности и ресурса (в газотурбинном двигателе за счет минимальной неравномерности поля температур газа на выходе из камеры сгорания), определяется оптимальное значение критерия

Критерий определяет долю воздуха, участвующего в формировании топливовоздушной смеси в отдельной горелке, а критерий характеризует интенсивность этого процесса. Совместное проявление этих факторов характеризует процессы смешения топливных и воздушных потоков и процессы тепломассообмена между зоной обратных потоков и закрученной струей воздуха, сформированных завихрителем.

Из графиков на фиг.3 и 4 видно, что и при оптимальном значении относительной пропускной способности завихрителей и при оптимальном значении интенсивности закрутки завихрителей недожог топлива (1-η) минимальный. Протекание и левой и правой частей кривых объясняется процессами неудовлетворительного распределения и смешения топлива в камере по всей массе воздуха, что сопровождается недожогом топлива.

На фиг.5 по оси абсцисс отложено отношение текущих значений коэффициента скорости λ_ож в отверстиях жаровой трубы к его оптимальному значению (λ_ож)_opt.

По оси ординат отложены отношения значений коэффициента избытка воздуха α к его максимальному значению (α^max) при оптимальной величине коэффициента скорости потока воздуха в отверстиях жаровой трубы (λ_ож)_opt.

Из графика следует, что максимальный предел устойчивой работы камеры сгорания при максимальном обеднении смеси топлива с воздухом, при котором еще не прекращается горение и не происходит срыв пламени, обеспечивается при оптимальном значении коэффициента скорости течения в отверстиях подвода воздуха в зоны горения и смешения жаровой трубы (λ_ож)_opt=0,22.

Сужение границ устойчивости горения по левой ветке на графике обусловлено «проскоком» пламени, а по правой ветке - «выносом» пламени из зоны его стабилизации.

Устойчивое горение в камере поддерживается за счет обеспечения оптимального соотношения скорости воздуха, поступающего в жаровую трубу через отверстия его подвода в зоны горения и смешения и турбулентной скорости распространения пламени.

Применение камеры сгорания, жаровая труба которой выполнена с предлагаемыми оптимальными значениями геометрических и газодинамических критериев, позволит обеспечить максимальные экономичность, надежность и ресурс двигателя.

Фиг.1. Конструктивная схема камеры сгорания.

Фиг.2. Зависимость характеристик камеры сгорания от отношения критерия

1 - кпд термодинамического цикла двигателя η_е отнесенный к его максимальному значению (η_e)_max (кривая 1).

2 - коэффициент максимальной окружной неравномерности поля температуры газа θ_max, отнесенный к его минимальному значению (θ_max)_min (кривая 2).

3 - недожог топлива в камере сгорания (1-η), отнесенный к ее минимальному значению (1-η)_min (кривая 3).

Фиг.3. Зависимость недожога топлива в камере сгорания (1-η), отнесенная к его минимальному значению (1-η)_min от отношения величины относительной пропускной способности завихрителей к ее оптимальному значению .

Фиг.4. Зависимость недожога топлива в камере сгорания (1-η), отнесенная к его минимальному значению (1-µ)_min от отношения величины интенсивности закрутки потока воздуха завихрителями фронтового устройства к ее оптимальному значению .

Фиг.5. Зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания α, отнесенного к его максимальной величине α^max, от отношения величины коэффициента скорости λ_ож в отверстиях жаровой трубы к его оптимальному значению (λ_ож)_opt.

Камера сгорания содержит корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива. Жаровая труба камеры сгорания выполнена с геометрическими и газодинамическими критериями, обеспечивающими оптимальный режим ее работы. Отношение площади поперечного миделевого сечения к суммарной эффективной площади всех отверстий равно 7,0±1,5. Относительная пропускная способность завихрителей равна 0,17±0,1. Интенсивность закрутки потока воздуха завихрителями фронтового устройства равна 0,8±0,4, а коэффициент скорости потока в отверстиях жаровой трубы равен 0,22±0,1. Изобретение обеспечивает максимальную экономичность, надежность и ресурс двигателя. 5 ил.

Камера сгорания, содержащая корпус, жаровую трубу с отверстиями для подвода воздуха в зоны горения и смешения и фронтовое устройство с завихрителями воздуха и форсунками подачи топлива, отличающаяся тем, что жаровая труба камеры сгорания выполнена с геометрическими и газодинамическими критериями: отношением площади поперечного миделевого сечения к суммарной эффективной площади всех отверстий
где µ - суммарный безразмерный коэффициент расхода;
F_ож - суммарная геометрическая площадь всех отверстий, щелей и завихрителей жаровой трубы;
относительной пропускной способностью завихрителей
где F_з - суммарная геометрическая площадь всех завихрителей на выходе из межлопаточных каналов,
интенсивностью закрутки потока воздуха завихрителями фронтового устройства и коэффициентом скорости потока в отверстиях жаровой трубы обеспечивающими оптимальный режим ее работы.