СПОСОБ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК F02C7/26 F23R3/28 F02C9/48 

Настоящее изобретение касается способа зажигания для камеры сгорания, а также газотурбинного двигателя, в котором применяют этот способ.

Как известно, в газотурбинном двигателе воздух в камеру сгорания поступает от компрессора высокого давления, а топливо - через форсунки, головки которых расположены в отверстиях дна камеры сгорания, при этом форсунки равномерно распределены вокруг оси камеры. Средства зажигания, такие как свечи, установлены на выходе форсунок в отверстиях кольцевых стенок камеры и заходят внутрь этой камеры.

На земле перед впрыском топлива в камеру сгорания приводят в действие стартер, который вращает ротор компрессора высокого давления, чтобы подать воздух под давлением внутрь камеры сгорания. Начиная от заданного режима, то есть от заданного числа оборотов в минуту ротора компрессора высокого давления, внутрь камеры сгорания подают постоянный поток топлива одновременно с активизацией средств зажигания. Топливо смешивается со сжатым воздухом внутри камеры и воспламеняется от искр, генерируемых свечами зажигания.

Для облегчения зажигания, как известно, на одной линии со свечами в осевом направлении устанавливают форсунки с расходом топлива, превышающим расход в других форсунках, чтобы получить на уровне свечей более насыщенную топливом смесь и обеспечить, таким образом, быстрое зажигание в камере.

Хотя эта конфигурация и обеспечивает надежное воспламенение топлива в камере сгорания, ее применение является более сложным, чем конфигурация, при которой все форсунки являются идентичными, поскольку форсунки с увеличенным расходом требуют другой регулировки их впускных клапанов по сравнению с другими форсунками. Кроме того, чтобы избежать ошибочной установки форсунки с меньшим расходом в место, предусмотренное для форсунки с увеличенным расходом, необходимо предусматривать средства предотвращения неверной установки, что усложняет изготовление камеры. При этом увеличиваются также и расходы, поскольку при изготовлении и при обслуживании применяют форсунки с разными характеристиками.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого, эффективного и экономичного решения этой проблемы, позволяющего избежать вышеуказанных недостатков известных технических решений.

Для решения этой задачи предложен способ зажигания для камеры сгорания газотурбинного двигателя, питаемой топливом через форсунки и содержащей средства зажигания топлива, впрыскиваемого внутрь камеры, отличающийся тем, что содержит первоначальную фазу, во время которой в камеру впрыскивают топливо с постоянным расходом одновременно с возбуждением средств зажигания, и при отсутствии воспламенения в камере в конце первоначальной фазы - вторую фазу, во время которой резко увеличивают расход впрыскиваемого топлива на 20-30%, при этом за второй фазой следует фаза постепенного увеличения расхода топлива, которая является менее интенсивной и менее быстрой, чем вторая фаза.

В отличие от известных решений, где расход топлива поддерживают постоянным с момента начала возбуждения средств зажигания до момента воспламенения в камере сгорания, способ зажигания в соответствии с изобретением содержит первоначальную фазу с постоянным расходом, после которой в случае отсутствия воспламенения следует фаза, во время которой расход резко увеличивают на 20-30%, чтобы быстро повысить степень обогащения смеси внутри камеры (степень обогащения соответствует соотношению между расходом топлива, впрыскиваемого внутрь камеры, и расходом воздуха, подаваемого в камеру сгорания).

В случае стойкого невоспламенения постепенное увеличение расхода топлива позволяет продолжить повышение степени обогащения смеси топлива внутри камеры. Это второе увеличение является менее интенсивным и менее быстрым, чем первое, чтобы во время зажигания в камере избежать образования сильного пламени, которое может воздействовать на турбину на выходе камеры сгорания.

Это повышение степени обогащения топлива облегчает зажигание в камере, так как коэффициент надежности зажигания повышается по сравнению с поддержанием расхода в постоянном значении.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, быстрое увеличение расхода топлива осуществляют за короткое время примерно от 1 до 2 секунд, чтобы очень быстро повысить обогащение смеси воздух/топливо в камере и облегчить быстрое зажигание в камере.

Предпочтительно постепенное увеличение расхода топлива длится примерно 10-15 секунд.

В конце этого постепенного увеличения расход топлива форсунок превышает примерно на 50-80% постоянный расход в первоначальной фазе.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, когда расход топлива повысился до максимального значения, составляющего от 1,5 до 1,8 расхода в первоначальной фазе, во время вышеуказанного постепенного увеличения, он стабилизируется в этом максимальном значении до конца процедуры зажигания.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, скорость вращения газотурбинного двигателя постепенно повышается во время двух вышеуказанных фаз.

Предпочтительно способ в соответствии с изобретением применяют с идентичными форсунками, одинаково питаемыми топливом во время двух вышеуказанных фаз.

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид в осевом разрезе половины камеры сгорания газотурбинного двигателя известного типа;

Фиг. 2 - график, содержащий три кривых, две из которых показывают изменение расхода топлива в зависимости от времени согласно известному решению и в соответствии с изобретением, а третья кривая показывает изменение режима стартера в зависимости от времени;

Фиг. 3 - график, показывающий изменение степени обогащения топливом смеси в зависимости от скорости вращения компрессора высокого давления.

На фиг. 1 показана кольцевая камера 10 сгорания газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, расположенная между компрессором 12 высокого давления на входе и турбиной 14 высокого давления на выходе.

Камера 10 сгорания установлена внутри наружного картера 16 и содержит две кольцевые стенки, внутреннюю 18 и наружную 20, соединенные своими входными концами с дном 22 кольцевой камеры, содержащим отверстия для прохождения головок 24 форсунок, питаемых топливом через каналы 26 подачи топлива.

В наружном картере 16 установлена, по меньшей мере, одна свеча 28 зажигания, заходящая в направляющие средства 30, выполненные на наружной кольцевой стенке 20. Внутренний конец свечи 28 заходит внутрь камеры 10 для воспламенения топлива, впрыскиваемого внутрь этой камеры.

На земле запуск газотурбинного двигателя производят при помощи электрического стартера, выходной вал которого соединен через зубчатую передачу с валом компрессора высокого давления, что обеспечивает подачу внутрь камеры воздуха под давлением, который делится на воздушный поток, заходящий внутрь камеры сгорания и смешивающийся с топливом (стрелка А), и на воздушный поток (стрелки В), обходящий камеру сгорания. Обходящий воздушный поток проходит между внутренним картером 32 и внутренней кольцевой стенкой 18, с одной стороны, и между наружным картером 16 и наружной кольцевой стенкой 20, с другой стороны.

Возбуждение свечей 28 обеспечивает воспламенение топлива, впрыскиваемого внутрь камеры 10 и смешивающегося с воздухом, поступающим из компрессора 12 высокого давления.

На фиг. 2 показан график, содержащий три кривые, из которых первая кривая С₁ показывает на оси ординат (правая шкала на графике) изменение скорости вращения стартера в оборотах в минуту в зависимости от времени на оси абсцисс. Две другие кривые показывают изменение расхода топлива в кг/ч, впрыскиваемого внутрь камеры, на оси ординат (левая шкала на графике) в зависимости от времени на оси абсцисс, при этом одна С₂ из кривых относится к известному способу зажигания, а другая кривая С₃ - к заявленному способу зажигания.

В известных технических решениях, когда режим стартера достигает примерно 5000-5500 об/мин, внутрь камеры впрыскивают поток 34 топлива с постоянным расходом примерно 150 кг/ч одновременно с возбуждением свечей зажигания в момент Т_а.

Этот расход поддерживают постоянным до момента Т₄, соответствующего завершению процесса зажигания, в конце которого питание форсунок 26 прекращается, если воспламенение не произошло, при этом интервал Т₄-Т_а равен, например, приблизительно 25 секунд.

Для обеспечения надежного зажигания в камере сгорания форсунки, которые находятся в осевом направлении на одной линии со свечами 28 зажигания, имеют постоянный расход, который превышает примерно на 20% расход топлива других форсунок. Таким образом, степень обогащения смеси, то есть соотношение между расходом топлива и расходом воздуха, поступающего в камеру сгорания, локально увеличивается на уровне свечей зажигания, что облегчает зажигание в камере сгорания.

Изобретение предлагает решение проблем, связанных с использованием форсунок разного типа, благодаря надежному способу зажигания, работающему с идентичными форсунками, питаемыми одинаково по расходу и по давлению.

Этот способ зажигания (кривая С₃) содержит первоначальную фазу 36 питания форсунок с постоянным расходом одновременно с возбуждением свечей зажигания между моментами Т_а и Т₁, причем эта фаза длится примерно 5-8 секунд.

При отсутствии воспламенения в камере сгорания во время этой первоначальной фазы 36 расход топлива всех форсунок изменяют одновременно таким образом, чтобы расход топлива в камере резко увеличился на 20-30% между моментами Т₁ и Т₂, причем продолжительность этой фазы 38 составляет примерно 1-2 секунды.

Это быстрое увеличение расхода топлива позволяет очень быстро увеличить степень обогащения в камере и облегчает, таким образом, зажигание в камере 10.

В конце этой второй фазы 38 и в случае невоспламенения в камере 10 сгорания расход топлива постепенно увеличивают во время следующей фазы 40 между моментами Т₂ и Т₃, чтобы в конце этой фазы 40 постепенного увеличения достичь расхода, превышающего на 50-80% расход в первоначальной фазе 36. Эта фаза 40 постепенного увеличения длится примерно 10-15 секунд. В случае отсутствия воспламенения расход поддерживают постоянным во время фазы 42, которая проходит между моментами Т₃ и Т₄ и длится примерно 8-10 секунд.

Если в момент Т₄ воспламенение не произошло, впрыск топлива и возбуждение свечей прекращают и осуществляют известную процедуру, прежде чем возобновить процесс запуска.

Таким образом, изобретение позволяет получать надежное зажигание в камере сгорания, не прибегая к применению форсунок с повышенным расходом, как в известных технических решениях. Все форсунки являются идентичными и работают одинаково с точки зрения расхода и давления, что позволяет сократить расходы и облегчает сборку, а также операции обслуживания.

На фиг. 3 представлена кривая С₄, показывающая изменение степени обогащения смеси воздух/топливо в камере сгорания в зависимости от скорости вращения ротора компрессора высокого давления, выраженной в процентах от его максимальной скорости. Кривая С₄ соответствует границе зажигания в камере. Так, в зоне 44, находящейся под кривой С₄, процентное содержание топлива является слишком низким, чтобы можно было обеспечить зажигание в камере сгорания.

Момент Т_а начала фазы зажигания на фиг. 2 соответствует скорости вращения, составляющей примерно от 30 до 50% максимальной скорости вращения ротора компрессора высокого давления. Этот момент Т_а показан на графике фиг. 3 точкой 46. Способ зажигания в соответствии с изобретением посредством увеличения степени обогащения после первоначальной фазы в случае невоспламенения позволяет сместить точку зажигания в 48 вверх по отношению к точке 50, соответствующей степени обогащения, поддерживаемой постоянной, как в известных решениях. Таким образом, запас надежности 52 точки 48 относительно границы зажигания превышает запас надежности 54 точки 50.

Способ зажигания для камеры сгорания газотурбинного двигателя, питаемой топливом через форсунки и имеющей свечу зажигания, содержит первоначальную фазу, во время которой в камеру впрыскивают топливо с постоянным расходом одновременно с активизацией свечи зажигания, и, - при отсутствии воспламенения в камере в конце первоначальной фазы, - вторую фазу. Во время второй фазы резко увеличивают расход впрыскиваемого топлива на 20-30%. За второй фазой следует фаза постепенного увеличения расхода топлива, которая является менее интенсивной и менее быстрой, чем вторая фаза. Изобретение направлено на повышение надежности воспламенения в камере сгорания. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ зажигания для камеры (10) сгорания газотурбинного двигателя, питаемой топливом через форсунки (26) и содержащей свечу (28) зажигания топлива, впрыскиваемого внутрь камеры (10), отличающийся тем, что содержит первоначальную фазу (36), во время которой в камеру (10) впрыскивают топливо с постоянным расходом одновременно с активизацией свечи (28) зажигания, и, - при отсутствии воспламенения в камере (10) в конце первоначальной фазы (36), - вторую фазу (38), во время которой резко увеличивают расход впрыскиваемого топлива на 20-30%, при этом за второй фазой следует фаза постепенного увеличения (40) расхода топлива, которая является менее интенсивной и менее быстрой, чем вторая фаза.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первоначальная фаза длится примерно 5-8 секунд, и быстрое увеличение расхода топлива осуществляют за короткое время примерно от 1 до 2 секунд.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что постепенное увеличение (40) расхода топлива длится примерно 10-15 секунд.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в конце фазы постепенного увеличения (40) расхода топлива последний превышает примерно на 50-80% постоянный расход в первоначальной фазе (36).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость вращения газотурбинного двигателя постепенно повышается во время двух вышеуказанных фаз (38, 40).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все форсунки являются идентичными форсунками и питаются топливом одинаково во время двух вышеуказанных фаз (38, 40).

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при повышении расхода топлива до максимального значения, составляющего от 1,5 до 1,8 расхода в первоначальной фазе (36), он стабилизируется в этом максимальном значении до конца процедуры зажигания.