КОЛЬЦЕВАЯ МАЛОЭМИССИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК F23R3/34 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД), в частности к конструкциям кольцевых камер сгорания, и может быть использовано в камерах сгорания авиационных ГТД и наземных установок.

В настоящее время для создания малоэмиссионных камер сгорания используются схемы камер сгорания, в которых значительно увеличено количество воздуха, поступающего через фронтовое устройство для создания бедной топливовоздушной смеси. При этом площадь отверстий для подачи воздуха через фронтовое устройство составляет 60…90% от общей площади отверстий жаровой трубы.

В последнее время основной конструктивной схемой становится схема непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания без предварительного смешения топлива и воздуха.

Особенностью предлагаемого технического решения является то, что полноразмерная камера сгорания представлена в виде двухзонной камеры сгорания.

Известна кольцевая камера сгорания для турбореактивного двигателя, фронтовое устройство которой снабжено рядом концентрично расположенных горелочных модулей (патент РФ №2151343, МПК F23R 3/04, опубл. 2000 г.). Горелочные модули располагаются двумя концентрическими рядами вокруг оси симметрии и попарно в продольных плоскостях, проходящих через ось симметрии. Горелочные модули двух рядов располагаются на строго одинаковом расстоянии от выхода данной камеры сгорания и имеют оси, направленные в сторону этого выхода. Соответствующее распределение площади отверстий во фронтовом устройстве, площади отверстий вторичного воздуха и расходов воздуха через них позволяет уменьшить выбросы в атмосферу окислов азота.

Известна кольцевая камера сгорания, содержащая соосные наружный и внутренний корпуса, диффузор на входе, жаровую трубу в полости между корпусами, основную и дополнительную топливные системы с раздельными пневматическими форсунками (патент РФ №2343356, МПК F23R 3/18, опубл. 2009 г.). Жаровая труба включает наружную и внутреннюю обечайки с поясами поперечных отверстий. Фронтовое устройство содержит полый кольцевой стабилизатор пламени А-образного сечения, обращенный передней кромкой со сквозными отверстиями в сторону диффузора, и размещенные с зазором на его боковых стенках радиальные стабилизаторы пламени, ограниченные по свободным концам обечайками жаровой трубы. Радиальные стабилизаторы в поперечном сечении выполнены в виде клиновидных профилей с передними кромками, обращенными в сторону диффузора, и торцевыми участками напротив них, обращенными в сторону жаровой трубы. Топливные системы содержат два коллектора, расположенные в полости кольцевого стабилизатора пламени. Форсунки основной топливной системы выходят на боковые стенки кольцевого стабилизатора перед фронтовым устройством. Форсунки дополнительной топливной системы обращены в сторону выхода жаровой трубы. На выходе всех форсунок установлены топливовоздушные патрубки, сообщающиеся своими входами с полостью кольцевого стабилизатора. Каждый патрубок форсунки дополнительной топливной системы снабжен на выходе перегородкой, установленной под углом к его продольной оси, и образует со стенкой последнего щелевое сопло, расположенное тангенциально к продольной оси кольцевого стабилизатора.

Недостатком данных технических решений является то, что внешний и внутренний концентрические ряды форсунок указанных камер сгорания связаны с двумя различными топливными коллекторами. Для обеспечения запуска или для организации эффективного горения на других режимах расходы топлива в этих коллекторах могут сильно различаться, и это требует тщательной их настройки для реализации требуемого поля температур в объеме жаровой трубы.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является камера сгорания, относящаяся к конструкциям кольцевых камер сгорания, содержащая корпус, в нем кольцевую жаровую трубу, включающую две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части этой жаровой трубы фронтовым устройством, включающим топливные форсунки (патент РФ №2226652, МПК F23R 3/34, опубл. 2004 г.). Каждая из топливных форсунок выполнена в виде корпуса-стойки, ориентированного в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы или рядом с этой осью, с двумя горелочными модулями, каждый из которых снабжен осевым и (или) радиальным завихрителем воздуха. Горелочные модули в поперечном сечении жаровой трубы образуют два концентричных ряда.

Изобретение позволяет повысить топливную экономичность и ресурс газовой турбины газотурбинного двигателя.

Недостатком данного технического решения является то, что в данной конструктивной схеме не обеспечивается устойчивое горение, а расходы топлива в зависимости от режима невозможно изменить синхронно (в зависимости от требуемого поля температур). Кроме того, определенная объемная дискретность создаваемых топливных факелов (обусловленная особенностями конструктивной схемы) не обеспечивает оптимальных условий выгорания топлива.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- снижение эмиссии вредных веществ;

- повышение расхода воздуха через фронтовое устройство;

- обеспечение плавного запуска и широкого диапазона устойчивой работы;

- уменьшение габаритов камеры сгорания;

- обеспечение широких пределов обеднения топливовоздушной смеси;

- улучшение условий зажигания в камере сгорания.

Для достижения этого технического результата кольцевая малоэмиссионная камера сгорания ГТД содержит корпус с расположенной в нем кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части жаровой трубы фронтовым устройством. Камера сгорания снабжена системой подачи топлива и, по меньшей мере, двумя запальными свечами. Фронтовое устройство снабжено горелочными модулями, расположенными в наружном и внутреннем концентричных рядах, каждый из которых снабжен топливной форсункой и осевым завихрителем воздуха.

Новым в изобретении является то, что фронтовое устройство дополнительно снабжено кольцевым стабилизатором пламени с топливовоздушными патрубками, равнорасположенными по окружности, размещенным между концентричными рядами модулей. Фронтовое устройство содержит кольцевые щелевые отверстия подачи воздуха, расположенные между кольцевым стабилизатором пламени и концентричными рядами модулей. Система подачи топлива снабжена тремя каналами, где первый канал соединен с наружным рядом модулей, второй канал - с внутренним рядом модулей, а третий - с топливными форсунками патрубков кольцевого стабилизатора пламени. Запальные свечи размещены над наружным рядом горелочных модулей. Осевой завихритель воздуха каждого модуля выполнен с возможностью обеспечения закрутки воздушного потока в одну сторону, кроме осевых завихрителей модулей соседних с каждой запальной свечой, которые выполнены с возможностью обеспечения противоположной закрутки потока воздуха.

Новым также является то, что поверхность фронтового устройства и торцевая поверхность кольцевого стабилизатора пламени располагаются под углом γ=±0…45 градусов симметрично относительно центра стабилизатора, причем кольцевой стабилизатор пламени выполнен V-образным.

Кроме того, топливовоздушные патрубки расположены в кольцевом стабилизаторе пламени на одинаковом расстоянии, с шагом S, выбранным из диапазона S/H=2…5, где Н - высота стабилизатора. Каждый патрубок содержит трубку подвода топлива, щель для подачи топливовоздушной смеси и щель для подачи воздуха в полость камеры сгорания.

Кольцевая оболочка жаровой трубы может быть выполнена с поясами сквозных отверстий подвода воздуха или сплошной.

Отсутствие воздушных отверстий в обечайках жаровой трубы обеспечивает повышенный расход воздуха через фронтовое устройство:

(Fфр≤0,8 с охлаждением стенок жаровой трубы);

(Fфр≤0,95 с новыми материалами, без охлаждения стенок жаровой трубы).

Для снижения эмиссии вредных веществ увеличено количество воздуха, поступающего через фронтовое устройство для создания бедной топливовоздушной смеси. Малая эмиссия вредных веществ на режимах с α_∑≈2 поддерживается за счет большого расхода воздуха через фронтовое устройство и сжигания основной доли топлива (до 90%) в смеси с составом с α_∑≈2 за модулями малого размера.

Применение кольцевого стабилизатора и тангенциальной подачи топлива через ряд пневматических форсунок за торец стабилизатора обеспечивает плавный запуск (за счет достаточной мелкости распыливания топлива, размер капель составляет 30…100 мк) и широкий диапазон устойчивой работы (α_срыв>40 за счет «авторегулируемости» факелов, горящих за кольцевым стабилизатором).

В камере сгорания обеспечиваются широкие бедные пределы горения за счет конструкции фронтового устройства, состоящего из горелочных модулей, расположенных в наружном и внутреннем концентричных рядах, и центрального стабилизатора, расположенного под углом к ним, который обдувается воздухом, проходящим через две кольцевые щели, и имеет независимую подачу топлива через топливовоздушные патрубки.

Обратная закрутка в осевых завихрителях модулей напротив запальной свечи способствует улучшению условий зажигания в камере сгорания.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи, по сравнению с известными аналогами.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием кольцевой малоэмиссионной камеры сгорания ГТД и ее работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-4, где

на фиг.1 изображена кольцевая камера сгорания ГТД;

на фиг.2 изображено фронтовое устройство;

на фиг.3 изображен разрез горелочного модуля фронтового устройства;

на фиг.4 изображен разрез топливовоздушного патрубка.

Кольцевая малоэмиссионная камера сгорания ГТД содержит корпус 1 с расположенной в нем кольцевой жаровой трубой 2, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки 3 и 4, соединенные между собой в передней по потоку части жаровой трубы 2 фронтовым устройством 5 (см. фиг.1). Камера сгорания снабжена системой 6 подачи топлива и, по меньшей мере, двумя запальными свечами 7. Фронтовое устройство 5 снабжено горелочными модулями 8, расположенными в наружном и внутреннем концентричных рядах 9, 10 (см. фиг.2), каждый из которых снабжен топливной форсункой 11 и осевым завихрителем 12 воздуха (см. фиг.3).

Фронтовое устройство 5 дополнительно снабжено кольцевым стабилизатором 13 (см. фиг.2) пламени с топливовоздушными патрубками 14, равнорасположенными по окружности, размещенным между концентричными рядами 9, 10 модулей 8. Фронтовое устройство 5 содержит кольцевые щелевые отверстия 15 подачи воздуха, расположенные между кольцевым стабилизатором 13 пламени и концентричными рядами модулей 8. Система 6 подачи топлива снабжена тремя каналами (см. фиг.1-3), где первый канал соединен с наружным рядом 9 модулей 8, второй канал - с внутренним рядом 10 модулей 8, а третий - с топливными форсунками 11 патрубков 14 кольцевого стабилизатора 13 пламени. Запальные свечи 7 размещены над наружным рядом 9 модулей 8. Осевой завихритель 12 воздуха каждого модуля 8 выполнен с возможностью обеспечения закрутки воздушного потока в одну сторону, кроме осевых завихрителей 12 модулей 8, соседних с каждой запальной свечой 7, которые выполнены с возможностью обеспечения противоположной закрутки потока воздуха.

Топливовоздушные патрубки 14 содержат трубку 16 подвода топлива (d=1 мм), щель 17 для подачи топливовоздушной смеси (высота щели h=1,5 мм, диаметр патрубка 10 мм) и щель 18 для подачи воздуха (высота щели h=1,0 мм) в полость камеры сгорания (см. фиг.4).

Модуль 8, снабженный топливной форсункой 11 и осевым завихрителем 12 воздуха, расположен заподлицо с фронтовым устройством 5. Топливо впрыскивается в сопловом сечении модуля 8, практически реализуя непосредственный впрыск его в камеру сгорания. Назначение модулей 8 и их форсунок 11 - создавать бедную топливовоздушную смесь непосредственно в объеме жаровой трубы 2.

Назначение кольцевого стабилизатора 13 - поддерживать горение топливовоздушной смеси непосредственно за стабилизатором 13 и доставлять продукты сгорания к струям топливовоздушной смеси, вытекающей из модулей 8 наружного и внутреннего рядов 9, 10, обеспечивая тем самым их устойчивое поджигание. Для организации горения за стабилизатором 13 в нем на одинаковом расстоянии устанавливаются топливовоздушные патрубки 14. Кроме того, горение за стабилизатором 13 обеспечивает кольцевой переброс пламени по всей жаровой трубе 2. Кольцевой стабилизатор 13 работает на всех режимах. Модули 8 и форсунки 11 подключаются по мере набора мощности двигателя.

Фронтовое устройство 5 и кольцевые оболочки 3, 4 жаровой трубы 2 охлаждаются поясами сквозных отверстий 19 подвода воздуха.

Кольцевой стабилизатор 13 пламени обдувается воздухом, проходящим через кольцевые щелевые (5=2…3 мм) отверстия 15. Этот воздух за счет турбулентной диффузии поступает за стабилизатор 13, что обеспечивает широкие бедные пределы горения в камере сгорания. Кроме того, часть воздуха поступает за торец кольцевого стабилизатора 13 через патрубки 14, равномерно расположенные по окружности.

На крейсерском и взлетном режимах основное топливо (80…90%) подается в камеру сгорания через малоразмерные одноканальные центробежные форсунки 11, расположенные в модулях 8, а вспомогательное топливо (10…20%) подается через патрубки 14. При запуске и режиме малого газа доля топлива, подаваемого за кольцевой стабилизатор 13, может возрастать, как это принято для двухзонных камер сгорания. При расчете камеры сгорания принято, что расход воздуха через жаровую трубу 2 уменьшается на 20% от заданного расхода воздуха через камеру сгорания за счет отборов воздуха на охлаждение соплового аппарата турбины.

Для улучшения запуска камеры сгорания в месте установки запальной (электрической или плазменной) свечи 7 осевые завихрители 12 модулей 8 устанавливаются с противоположной закруткой относительно остальных модулей 8. Такая закрутка обеспечивает сложение вихревых движений, создаваемых соседними завихрителями 12 таким образом, что на выходе в камеру сгорания их общий поток направлен от стабилизатора 13 к месту установки свечи 7. Тем самым достигается дополнительная поставка топлива из-за стабилизатора 13 к свече 7 и возможность запуска только на вспомогательных форсунках 11 горелочных модулей 8, установленных за стабилизатором 13.

В этом случае для создания топливовоздушной смеси за стабилизатором 13 положение свечи 7 соответствует половине расстояния между патрубками 14.

Техническое решение позволяет за счет значительного увеличения количества воздуха, поступающего через фронтовое устройство 5 в камеру сгорания для создания бедной топливовоздушной смеси, снизить уровень эмиссии вредных веществ. Обратная закрутка в осевых завихрителях 12 модулей 8 напротив запальной свечи 7 способствует улучшению зажигания в камере сгорания. Особенность данного технического решение заключается также в относительной компактности камеры сгорания.

Кольцевая малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус с расположенной в нем кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части жаровой трубы фронтовым устройством, систему подачи топлива и, по меньшей мере, две запальные свечи. Фронтовое устройство снабжено горелочными модулями, расположенными в наружном и внутреннем концентричных рядах, каждый из которых снабжен топливной форсункой и осевым завихрителем воздуха. Фронтовое устройство дополнительно снабжено кольцевым стабилизатором пламени с топливовоздушными патрубками, равнорасположенными по окружности, размещенным между концентричными рядами модулей, кольцевыми щелевыми отверстиями подачи воздуха, расположенными между кольцевым стабилизатором пламени и концентричными рядами модулей. Система подачи топлива снабжена тремя каналами, где первый канал соединен с наружным рядом модулей, второй канал соединен с внутренним рядом модулей, а третий канал соединен с топливными форсунками патрубков кольцевого стабилизатора пламени. Запальные свечи размещены над наружным рядом модулей. Осевой завихритель воздуха каждого модуля выполнен с возможностью обеспечения закрутки воздушного потока в одну сторону, кроме осевых завихрителей модулей соседних с каждой запальной свечой, которые выполнены с возможностью обеспечения противоположной закрутки потока воздуха. Изобретение позволяет снизить уровень эмиссии вредных веществ, улучшить условия зажигания в камере сгорания и повысить компактность камеры сгорания. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кольцевая малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус с расположенной в нем кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части жаровой трубы фронтовым устройством, систему подачи топлива и, по меньшей мере, две запальные свечи, при этом фронтовое устройство снабжено горелочными модулями, расположенными в наружном и внутреннем концентричных рядах, каждый из которых снабжен топливной форсункой и осевым завихрителем воздуха, отличающаяся тем, что фронтовое устройство дополнительно снабжено кольцевым стабилизатором пламени с топливовоздушными патрубками, равнорасположенными по окружности, размещенным между концентричными рядами модулей, кольцевыми щелевыми отверстиями подачи воздуха, расположенными между кольцевым стабилизатором пламени и концентричными рядами модулей, система подачи топлива снабжена тремя каналами, где первый канал соединен с наружным рядом модулей, второй канал соединен с внутренним рядом модулей, а третий канал соединен с топливными форсунками патрубков кольцевого стабилизатора пламени, запальные свечи размещены над наружным рядом модулей, а осевой завихритель воздуха каждого модуля выполнен с возможностью обеспечения закрутки воздушного потока в одну сторону, кроме осевых завихрителей модулей соседних с каждой запальной свечой, которые выполнены с возможностью обеспечения противоположной закрутки потока воздуха.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что поверхность фронтового устройства и торцевая поверхность кольцевого стабилизатора пламени располагаются под углом γ=±0…45 градусов симметрично относительно центра стабилизатора, причем кольцевой стабилизатор пламени выполнен V-образным.

3. Камера сгорания по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что топливовоздушные патрубки расположены в кольцевом стабилизаторе пламени на одинаковом расстоянии, с шагом S, выбранным из диапазона S/H=2…5, где Н - высота стабилизатора, причем каждый патрубок содержит трубку подвода топлива, щель для подачи топливовоздушной смеси и щель для подачи воздуха в полость камеры сгорания.

4. Камера сгорания по п.3, отличающаяся тем, что кольцевые оболочки жаровой трубы выполнены с поясами сквозных отверстий подвода воздуха.

5. Камера сгорания по п.3, отличающаяся тем, что кольцевые оболочки жаровой трубы выполнены сплошными.