ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО ЖАРОВОЙ ТРУБЫ КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/28 

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к камерам сгорания, и может быть использовано в тепловырабатывающих устройствах, работающих на газообразном топливе с кольцевыми блоками горелок.

Известна кольцевая камера сгорания, содержащая наружный и внутренний корпуса, кольцевую жаровую трубу с охлаждаемыми наружной и внутренней стенками, концентрично расположенными в передней части жаровой трубы горелками с отдельными форсунками, закрепленными на наружном корпусе (см. материалы - Семинар по камерам сгорания в ЦИАМ 14-16.12.2004 г., Камеры сгорания промышленных ГТД, ОАО НПО «Сатурн», А.В. Охлабыстин и другие «Опыт доводки экологических характеристик камер сгорания». Камера сгорания ГТД - 4РМ, стр.3, 6 - копии прилагаются).

Основным недостатком указанной кольцевой камеры сгорания является наличие выносных форсунок, закрепленных на наружном корпусе, что увеличивает гидравлическое сопротивление жаровой трубы и массу наружного корпуса, из-за применения усиленного кольца для крепления форсунок.

Известна также кольцевая камера сгорания, содержащая наружный и внутренний корпусы, кольцевую жаровую трубу с охлаждаемыми наружной и внутренней стенками. Фронтовое устройство жаровой трубы выполнено в виде кольцевого блока форсунок (горелок), содержащего головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами подвода топлива к 139 форсункам (горелкам) второго и первого контуров. Форсунки (горелки) концентрично расположены между наружным и внутренним топливным коллекторами в два ряда в шахматном порядке, (см. Б.Г. Мингазов «Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Конструкция, моделирование процессов и расчет», стр.12, Министерство образования и науки Российской Федерации. Казанский государственный университет им. А.Н. Туполева. Казань 2006 - прототип изобретения, копия прилагается).

При конвертировании двигателя с указанной камерой сгорания, для работы двигателя в составе газоперекачивающего агрегата на газообразном топливе, фронтовое устройство практически сохраняется и выполняется в виде кольцевого блока форсунок (горелок), концентрично расположенными в шахматном порядке в два ряда на головке кольцевой. Такая камера сгорания с фронтовым устройством в виде кольцевого блока форсунок в увеличенном виде, представлена на стр.12а. Фронтовое устройство, содержит головку кольцевую 1 с наружным 2 и внутренним 3 топливными коллекторами. Наружный 2 топливный коллектор через трубопроводы и четыре равномерно расположенными на его наружной поверхности штуцерами 12 (см. увеличенное сечение А-А, стр.12б), соединен с общим наружным коллектором, подвешенным к наружному корпусу камеры. Топливный газ из общего коллектора поступает в наружный 2 топливный коллектор жаровой трубы и далее по каналам 4 и 5, выполненных в стойках 8 и 9 воздушных фигурных окнах 10 и 11, поступает во внутренние полости форсунок (горелок) наружного 6 и внутреннего 7 рядов, где распылителями 13 дробятся на отдельные струи, смешиваются с воздухом, поступающим в форсунки через воздушные фигурные окна 10 и 11, образуют топливно-воздушную смесь, которая сгорает в первичной зоне горения.

Основным недостатком указанного фронтового устройства является высокая окружная неравномерность температурного поля за фронтовым устройством из-за неравномерной, односторонней подачи топливного газа в форсунки (горелки), что приводит к образованию местных зон горения с высокой температурой, с завышенными выбросами вредных веществ, в частности оксида азота (NOx более 150 мг/м³).

Задачей заявленного изобретения является снижение окружной неравномерности температурного поля с исключением местных зон горения с высокой температурой за фронтовым устройством.

Поставленная задача для фронтового устройства жаровой трубы кольцевой камеры сгорания, содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами, с равномерно расположенными по окружности наружного топливного коллектора штуцерами подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора и выполненными на головке кольцевой между коллекторами, концентрично и равномерно расположенными по окружности в один ряд воздушными фигурными окнами, подвода воздуха в первичную зону горения, с центральными отверстиями и стойками крепления горелок к головке кольцевой, при этом, в стойках выполнены сквозные каналы подвода газа к горелкам, которые через горелки соединяют между собой полости наружного и внутреннего топливных коллекторов, достигается тем, что с целью подвода газа к горелкам равномерно с двух сторон, как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего топливных коллекторов, в перемычках между воздушными фигурными окнами, выполнены дополнительные каналы, которые соединяют между собой полость внутреннего топливного коллектора с наружным, с площадью поперечного сечения канала, больше или равным площади поперечного сечения канала, выполненных в стойках, при этом, количество каналов, выполненных в перемычках равно количеству каналов, выполненных в стойках.

Кроме того, горелки установлены в центральных отверстиях стоек воздушных фигурных окон, на наружных поверхностях пустотелых корпусов горелок выполнено четное число (6, 8, 10, 12 и т.д.) отверстий с кольцевой канавкой над отверстиями, причем, двойная площадь поперечного сечения кольцевой канавки больше или равна половине суммарной площади отверстий, при этом горелки подобраны по расходу газа между горелками с разницей не более 1% в комплекте.

При этом газ, поступающий к горелкам раздельно из наружного и внутреннего топливных коллекторов на пересечениях каналов, выполненных в стойках фигурных окон, с кольцевыми канавками корпусов горелок с обоих сторон горелок, разделяется на два потока и через отверстия равномерно поступает во внутренние полости горелок, далее через отверстия в полых лопатках завихрителей в межлопаточные полости завихрителей, где смешивается с воздухом, поступающим к завихрителям, через воздушные фигурные окна и образует гомогенную газо-воздушную смесь, близкую по составу для всех горелок, при сгорании которой образуется практически равномерное окружное температурное поле без местных зон горения, с высокой температурой, чем и достигается поставленная задача.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлено фронтовое устройство, содержащее головку кольцевую 1 с наружным 2 и внутренним 3 топливными коллекторами. На наружной поверхности наружного топливного коллектора 2, равномерно по окружности, расположены четыре штуцера 4, подвода топливного газа в полость наружного 2 топливного коллектора. В головке кольцевой 1 закреплены горелки 7 с пустотелыми корпусами 13, на наружной поверхности которых выполнено четное число отверстий 9 (6, 8, 10, 12 и т.д.) с кольцевой канавкой 12 над отверстиями. Для подвода газа в головке кольцевой 1 выполнены отверстия 8, соединяющие между собой наружный 2 и внутренний 3 топливные коллектора.

На фиг.2 представлено поперечное сечение А-А головки кольцевой 1, которая содержит наружный 2 и внутренний 3 топливные коллектора, соединенные между собой каналами 8, выполненными в стойках 6, и каналами 11, изготовленными в перемычках 10. Для подвода воздуха к горелкам, в головке кольцевой 1, между наружным 2 и внутренним 3 топливными коллекторами концентрично и равномерно по окружности в один ряд выполнены воздушные фигурные окна 5.

Устройство работает следующим образом.

Топливный газ через четыре штуцера 4 поступает в наружный 2 топливный коллектор. Далее, часть топливного коллектора, через сквозные каналы 8, выполненных в стойках крепления 6 и соединяющих через горелки 7 полости наружного 2 и внутреннего 3 топливных коллекторов, поступает к горелкам, со стороны наружного 2 топливного коллектора. Другая часть топливного газа, через сквозные каналы 11, выполненных в перемычках 10 между воздушными фигурными окнами 5, в количестве равным количеству сквозных каналов, выполненных в стойках 6, причем, площадь поперечного сечения каналов 11, выполненных в перемычках 10, больше или равна площади поперечного сечения каналов 8, выполненных в стойках, поступает во внутренний топливный коллектор 2 и далее к горелкам 7, обеспечивая подвод газа к горелкам со стороны внутреннего 3 топливного коллектора.

Фронтовое устройство жаровой трубы кольцевой камеры сгорания содержит головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами и выполненными на головке кольцевой между коллекторами, концентрично и равномерно расположенными по окружности в один ряд воздушными фигурными окнами подвода воздуха в первичную зону горения, с центральными отверстиями и стойками крепления горелок к головке кольцевой. По окружности наружного топливного коллектора равномерно расположены штуцера подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора. В стойках выполнены сквозные каналы подвода газа к горелкам, которые через горелки соединяют между собой полости наружного и внутреннего топливных коллекторов. Для подвода газа к горелкам равномерно с двух сторон как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего топливных коллекторов, в перемычках между воздушными фигурными окнами выполнены дополнительные каналы, которые соединяют между собой полость внутреннего топливного коллектора с наружным, с площадью поперечного сечения канала, больше или равной площади поперечного сечения канала, выполненных в стойках. Количество каналов, выполненных в перемычках, равно количеству каналов, выполненных в стойках. Изобретение направлено на снижение окружной неравномерности температурного поля с исключением местных зон горения с высокой температурой за фронтовым устройством. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фронтовое устройство жаровой трубы кольцевой камеры сгорания, содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами, с равномерно расположенными по окружности наружного топливного коллектора, штуцерами подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора и выполненными на головке кольцевой между коллекторами, концентрично и равномерно расположенными по окружности в один ряд воздушными фигурными окнами, подвода воздуха в первичную зону горения, с центральными отверстиями и стойками крепления горелок к головке кольцевой, при этом в стойках выполнены сквозные каналы подвода газа к горелкам, которые через горелки соединяют между собой полости наружного и внутреннего топливных коллекторов, отличающееся тем, что, с целью подвода газа к горелкам равномерно с двух сторон, как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего топливных коллекторов, в перемычках между воздушными фигурными окнами, выполнены дополнительные каналы, которые соединяют между собой полость внутреннего топливного коллектора с наружным, с площадью поперечного сечения канала, больше или равным площади поперечного сечения канала, выполненных в стойках, при этом количество каналов, выполненных в перемычках, равно количеству каналов, выполненных в стойках.

2. Фронтовое устройство по п.1, отличающееся тем, что горелки установлены в центральных отверстиях стоек воздушных фигурных окон, на наружных поверхностях пустотелых корпусов горелок выполнено четное число (6, 8, 10, 12 и т.д.) отверстий с кольцевой канавкой над отверстиями, причем двойная площадь поперечного сечения кольцевой канавки больше или равна половине суммарной площади отверстий, при этом горелки подобраны по расходу газа между горелками с разницей не более 1% в комплекте.