СОДЕРЖАЩИЙ ПРЕДКАМЕРУ МОДУЛЬ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩЕЙ СГОРАНИЕ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ Российский патент 2020 года по МПК F02C5/12 F23R3/28 F02C5/02 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

2420-546589RU/042

СОДЕРЖАЩИЙ ПРЕДКАМЕРУ МОДУЛЬ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩЕЙ СГОРАНИЕ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к области турбомашин, а конкретнее - к области камер сгорания предусматривающих сгорание при постоянном объеме, турбомашин.

Изобретение применимо к наземным или авиационным турбомашинам, а в качестве примера - к турбомашинам воздушных судов, таким, как турбореактивные двигатели и турбовинтовые двигатели.

Точнее, оно посвящено камере сгорания, предусматривающей сгорание при постоянном объеме, турбомашины, включающей в себя предкамеру, а также к турбомашине, включающей в себя такой модуль камеры сгорания.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Камера сгорания турбомашины обычно работает в соответствии с термодинамическим циклом Брайтона, предусматривая называемое сгорание при постоянном давлении.

Вместе с тем, для некоторого прироста удельного потребления предусмотрена замена камеры сгорания по циклу Брайтона камерой сгорания по термодинамическому циклу Хамфри, предусматривающей так называемое сгорание при постоянном объеме, или «СПО», что приводит к воплощению изохорического процесса.

В качестве примере, отметим, что в заявке FR 2945316 A1 на патент описано создание камеры сгорания, предусматривающей СПО. Эта камера содержит на входе клапан впуска сжатого газа, выполненный с возможностью переключения между открытым положением и закрытым положением, и включает в себя на выходе клапан выпуска выхлопных газов, тоже выполненный с возможностью переключения между открытым положением и закрытым положением. Положения клапанов изменяют синхронизировано, чтобы воплотить три последовательные фазы цикла Хамфри, а именно: впуск - сгорание - выпуск.

Поскольку воплощаемый процесс является изохорическим, цикл Хамфри подразумевает сохранение нагрузки в течение некоторого периода времени в физически замкнутом объеме. Этот рабочий режим вызывает появление импульсной системы. В самом деле, происходит забор воздуха из компрессора внутрь камеры сгорания. Затем, после смыкания кулачков, искра инициирует сгорание в камере. Как только это сгорание заканчивается, камеру открывают, давая горячим газам выйти в турбину для выработки мощности или непосредственно в сопло для создания аэродинамического давления.

Конкретнее, процесс сгорания при постоянном объеме согласно циклу Хамфри требует подвода энергии в каждый цикл сгорания, чтобы иметь возможность запуска сгорания посредством распространения фронта пламени. В частности, такое сгорание требует значительной энергии, подвод которой со временем повторяется.

Среди современных решений, целью которых является подвод энергии, необходимой для воспламенения в камере сгорания, предусматривающей СПО, известно решение, заключающееся в том, что воспламенение инициируют с помощью системы воспламенения посредством электрической дуги. Однако такое решение подразумевает использование системы, стойкой к внешним воздействиям и избыточной. Также известно решение, заключающееся в использовании выхлопных газов предыдущего цикла сгорания или даже выхлопных газов из близкой или соседней камеры сгорания. Однако такая система очень сложна в управлении и может понизить потенциал, присущий системе сгорания. Поэтому современные решения не являются полностью удовлетворительными.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вследствие этого, задачей изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично удовлетворить вышеупомянутые потребности и преодолеть вышеупомянутые недостатки, связанные с вариантами осуществления технических решений.

В частности, изобретение имеет задачей обеспечение альтернативного решения по подводу энергии, необходимой для воспламенения в камере сгорания, предусматривающей сгорание при постоянном объеме, турбомашины.

Таким образом, задача изобретения в соответствии с одним из его аспектов, состоит в том, чтобы разработать модуль камеры сгорания турбомашины, включающий в себя, по меньшей мере, одну камеру сгорания, предусматривающую сгорание при постоянном объеме, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя - выше по потоку от упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания, предусматривающей сгорание при постоянном объеме, - предкамеру, выполненную с возможностью выработки горячих газообразных продуктов сгорания, подаваемых в упомянутую, по меньшей мере, одну камеру сгорания, предусматривающую сгорание при постоянном объеме, чтобы обеспечить воспламенение этих продуктов.

Посредством изобретения достигается возможность выработки - выше по потоку от камеры (камер) сгорания, предусматривающей (предусматривающими) СПО, модуля сгорания в соответствии с изобретением, посредством предкамеры - горячих газов, подводящих энергию, необходимую для воспламенения в камере (камерах) сгорания, предусматривающей (предусматривающими) СПО. В частности, изобретение может дать желаемую емкость, предусматриваемую для того, чтобы обеспечить воспламенение в камере (камерах) сгорания, предусматривающей (предусматривающими) СПО, в так называемых «тяжелых» условиях эксплуатации, в частности - в случае холода или высокогорья. Таким образом, изобретение может дать возможность встроить в модуль сгорания турбомашины специальную систему для теплового воспламенения в одной или нескольких камерах сгорания, предусматривающих СПО, для ограничения дестабилизации двигателя и для оптимизации кпд двигателя.

Модуль камеры сгорания в соответствии с изобретением может дополнительно предусматривать одну или несколько следующих характеристик, взятых в отдельности или в соответствии с любыми технически возможными комбинациями.

Предкамера преимущественно предусматривает сгорание при постоянном давлении, что приводит к воплощению изобарического процесса.

Упомянутая, по меньшей мере, одна камера сгорания, предусматривающая СПО, преимущественно включает в себя клапан впуска сжатого газа, выполненный с возможностью допускать открытое положение, а также закрытое положение, в котором он противодействует впуску сжатого газа, а кроме того - клапан выпуска выхлопных газов, выполненный с возможностью допускать открытое положение, а также закрытое положение, в котором он противодействует выпуску выхлопного газа наружу из камеры.

С другой стороны, конфигурация предкамеры предпочтительно обеспечивает выработку главным образом выхлопных газов, содержащих монооксид углерода и молекулярный водород.

Кроме того, в соответствии с одним альтернативным вариантом осуществления, модуль в соответствии с изобретением может включать в себя - ниже по потоку от предкамеры и выше по потоку от упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания, предусматривающей сгорание при постоянном объеме, - модуль катализатора окисления, делающий возможным, в частности, увеличение расхода молекулярного водорода горячих газообразных продуктов сгорания, подаваемых в упомянутую, по меньшей мере, одну камеру сгорания, предусматривающую сгорание при постоянном объеме, чтобы обеспечить воспламенение этих продуктов.

Модуль в соответствии с изобретением предпочтительно включает в себя множество камер сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, распределенных вокруг оси вращения турбомашины.

Кроме того, предкамера может обеспечивать подачу горячих газообразных продуктов сгорания в камеру сгорания, предусматривающую сгорание при постоянном объеме, посредством системы типа центробежного распределителя.

Помимо этого, одна задача изобретения в соответствии с еще одним из его аспектов состоит в том, чтобы разработать турбомашину, отличающуюся тем, что она включает в себя модуль камеры сгорания, охарактеризованный ранее.

Модуль камеры сгорания и турбомашина в соответствии с изобретением могут предусматривать любую из характеристик, приведенных выше, взятых в отдельности или в соответствии с любыми технически возможными комбинациями с другими характеристиками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематический вид сбоку газогенератора турбореактивного двигателя, включающего в себя возможную камеру сгорания, предусматривающую сгорание при постоянном объеме, в соответствии с изобретением, а

фиг.2 - схематический вид спереди модуля камеры сгорания согласно фиг.1.

На всех чертежах одинаковые позиции могут обозначать одинаковые или аналогичные элементы.

Кроме того, разные части, представленные на чертежах, не обязательно вычерчены в неизменном масштабе, чтобы сделать чертежи читабельнее.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Отметим, что по всему тексту описания термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» надлежит рассматривать в связи с главным направлением F нормального потока газов (из положения выше по потоку в положение ниже по потоку) для турбомашины. С другой стороны, под осью T турбомашины понимается радиальная ось симметрии турбомашины. Осевое направление турбомашины соответствует направлению оси T турбомашины. Радиальное направление турбомашины - это направление, перпендикулярное оси T турбомашины. Кроме того, если не упоминается иное, прилагательные и обстоятельства «осевое», «радиальное», «аксиально» и «радиально» употребляются применительно к вышеупомянутым осевому и радиальному направлениям.

Обращаясь к фиг.1, отмечаем, что здесь - на схематическом виде сбоку - представлен возможный вариант осуществления газогенератора 1 турбомашины воздушного судна, предпочтительно турбореактивного двигателя, включающего в себя возможный модуль 4 камеры сгорания, предусматривающей сгорание при постоянном объеме (СПО), в соответствии с изобретением.

Газогенератор 1 обычно включает в себя - в положениях от находящегося выше по потоку к находящемуся ниже по потоку - один или несколько модулей 2 компрессоров, модуль 4 камеры сгорания и один или несколько модулей 3 турбин. Модули 2 компрессоров и модули 3 турбин обычно соединены посредством системы 5 валов, которая приводит в движение приемник турбомашины воздушного судна, например - вентилятор (не представлен) в случае турбореактивного двигателя.

В соответствии с изобретением, модуль 4 камеры сгорания включает в себя множество камер 7 сгорания, предусматривающих СПО, а выше по потоку от них - предкамеру 6, выполненную с возможностью выработки горячих газообразных продуктов сгорания, подаваемых в камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, чтобы обеспечить воспламенение этих продуктов.

Предкамера 6 преимущественно является предусматривающей сгорание при постоянном давлении. Она вырабатывает струи горячего газа выше по потоку от камер 7 сгорания, предусматривающих СПО, чтобы подвести энергию, требующуюся для воспламенения этого газа.

Изобарическая предкамера 6 находит вполне конкретное применение при работе на богатой смеси для выработки выхлопных газов с примесью главным образом монооксида углерода, CO, и молекулярного водорода, H₂. Таким образом, эти газы являются подводимыми для воспламенения в главные камеры 7 сгорания предусматривающие СПО, и благоприятствуют восстановлению при задержке инициирования сгорания по отношению к выхлопным газам, вырабатываемым с низким содержанием CO и H₂.

На фиг.2 представлен посредством схематического вида спереди поперечно оси вращения T турбомашины модуль 4 камеры сгорания согласно фиг.1.

Как можно увидеть на этой фиг.2, множество камер 7 сгорания, предусматривающих СПО равномерно распределены вокруг системы 5 валов, центрированной на оси Т двигателя.

Обеспечивают, например, 4 камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, но это число ни в коем случае не является ограничительным. Все они предпочтительно идентичны.

Кроме того, число этих камер 7 сгорания, предусматривающих СПО, предпочтительно является четным числом, чтобы иметь возможность нейтрализовать два барабана камеры, диаметрально противоположные, в случае аномалии одного из них и тем самым избежать асимметрий потока на входе турбины.

В самом деле, камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, скомпонованы в так называемой барабанной конфигурации, будучи предназначенными предпочтительно для того, чтобы оставаться неподвижными относительно кожуха двигателя при эксплуатации турбомашины.

Каждая камера 7 сгорания предусматривает СПО и закрыта на своих концах двумя синхронизированными клапанами впуска и выпуска, чтобы воплотить три последовательные фазы цикла Хамфри, а именно: впуск - сгорание - выпуск. Даже если они идентичны, камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, предпочтительно являются преднамеренно сдвинутыми по фазе друг относительно друга в связи с воплощением цикла Хамфри. В качестве примера, отметим, что некоторая заданная камера, находящаяся в фазе впуска, может примыкать к другой камере, находящейся в фазе сгорания, и т.п.

С другой стороны стороны, как можно заметить на рассматриваемой фиг.2, изобарическая предкамера 6 обеспечивает подачу горячих газообразных продуктов сгорания в камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, через систему 8 типа центробежного распределителя, которая позволяет распределять горячие газы в камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, как представлено стрелками D на фиг.2.

Кроме того, хотя это и не отображено, также есть возможность использовать - ниже по потоку от предкамеры 6 и выше по потоку от камер 7 сгорания, предусматривающих СПО, - модуль катализатора окисления. Тем самым, этот катализатор окисления размещается на выходе предкамеры 6 и обеспечивает, в частности, увеличение расхода молекулярного водорода H₂ горячих газообразных продуктов сгорания, подаваемых в камеры 7 сгорания, предусматривающие СПО, создавая возможность воспламенения этих продуктов. В самом деле, известно, что высокий расход молекулярного водорода благоприятствует стойкости системы сгорания к разбавлению остаточными газами. Поэтому оказывается возможным повышение надежности всей предусматриваемой системы.

Конечно, изобретение не ограничивается только что описанным вариантом осуществления. Специалисты в данной области техники смогут внести в него различные модификации.

Термин «включающий (-ую, -ее) в себя один (одну, одно)» следует понимать как синонимичный термину «включающий (-ую, -ее) в себя, по меньшей мере, один (одну, одно)», если не указано иное.

Модуль (4) камеры сгорания турбомашины содержит множество камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, распределенных вокруг оси вращения (T) турбомашины, выше по потоку от упомянутого множества камер (7) сгорания, предкамеру (6), выполненную с возможностью выработки горячих газообразных продуктов сгорания, подаваемых в упомянутое множество камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, чтобы обеспечить воспламенение этих продуктов, посредством системы (8) типа центробежного распределителя. Предкамера (6) выполнена с возможностью подачи горячих газообразных продуктов сгорания в множество камер (7) сгорания посредством системы (8) типа центробежного распределителя, которая позволяет распределять горячие газы в множество камер 7 сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, в радиальном направлении (D) изнутри наружу. Предкамера (6) расположена внутри множества камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, и отстоит в осевом направлении от множества камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме. Изобретение направлено на обеспечение воспламенения в камере сгорания, предусматривающей сгорание при постоянном объеме. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Модуль (4) камеры сгорания турбомашины, отличающийся тем, что он содержит:

- множество камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, распределенных вокруг оси вращения (T) турбомашины,

- выше по потоку от упомянутого множества камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, предкамеру (6), выполненную с возможностью выработки горячих газообразных продуктов сгорания, подаваемых в упомянутое множество камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, чтобы обеспечить воспламенение этих продуктов, посредством системы (8) типа центробежного распределителя, причем

предкамера (6) выполнена с возможностью подачи горячих газообразных продуктов сгорания в множество камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, посредством системы (8) типа центробежного распределителя, которая позволяет распределять горячие газы в множество камер 7 сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, в радиальном направлении (D) изнутри наружу,

причем предкамера (6) расположена внутри множества камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, и

отстоит в осевом направлении от множества камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что предкамера (6) предусматривает сгорание при постоянном давлении.

3. Модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что предкамера (6) выполнена с возможностью выработки преимущественно выхлопных газов, содержащих монооксид углерода (CO) и молекулярный водород (H₂).

4. Модуль по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя - ниже по потоку от предкамеры (6) и выше по потоку от упомянутого множества камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, - модуль катализатора окисления, делающий возможным, в частности, увеличение расхода молекулярного водорода (H₂), содержащегося в горячих газообразных продуктах сгорания, подаваемых в упомянутое множество камер (7) сгорания, предусматривающих сгорание при постоянном объеме, чтобы обеспечить воспламенение этих продуктов.

5. Турбомашина, отличающаяся тем, что она включает в себя модуль (4) камеры сгорания по любому из предыдущих пунктов.