КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК F23R3/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кольцевой камере сгорания и, более конкретно, к кольцевой камере сгорания, содержащей первую кольцевую стенку и вторую кольцевую стенку, расположенные коаксиально вокруг одной оси, дно камеры, соединяющее первую и вторую стенки, и множество форсунок, при этом первая стенка содержит первые отверстия подачи воздуха на выходе форсунок. Такая камера сгорания может быть камерой сгорания газотурбинного двигателя.

Уровень техники

Камеры сгорания этого типа известны, например, из документа ЕР 0 569 300, в котором раскрыто отсечное устройство, позволяющее изменять осевое положение элемента перекрывания первичных отверстий подачи. Таким образом, во время работы камеры сгорания можно регулировать расстояние между каналами подачи воздуха и дном камеры, что позволяет получить камеру сгорания, почти не загрязняющую окружающую среду.

Однако такая система является сложной и не позволяет в достаточной степени контролировать температурное поле на выходе камеры сгорания. Вместе с тем, это температурное поле является очень важным для того, чтобы газообразные продукты горения, выходящие из камеры сгорания, не могли повредить смежную с указанной камерой турбину. Следовательно, существует потребность в новом типе камеры сгорания.

Раскрытие сущности изобретения

Эта задача решается за счет того, что, по меньшей мере для первой из указанных форсунок, по меньшей мере три и предпочтительно по меньшей мере четыре из первых отверстий, имеющих общую первую форсунку в качестве ближайшей форсунки, находятся на равном расстоянии от первой форсунки.

Поскольку указанные по меньшей мере три или четыре первые отверстия находятся на одинаковом расстоянии от ближайшей к ним форсунки, а именно от первой форсунки, указанные первые отверстия расположены по дуге окружности с центром на первой форсунке. Дуга окружности является кривой линией, строго выпуклой в радиальной проекции, вогнутость которой в данном случае обращена к первой форсунке. Иначе говоря, кривая образует в радиальной проекции строго выпуклую поверхность, при этом форсунка находится в указанной поверхности. Можно напомнить, что выпуклая поверхность - это такая поверхность, при которой для любых двух точек, принадлежащих к выпуклой поверхности, сегмент прямой, соединяющий эти две точки, полностью принадлежит к указанной выпуклой поверхности. Кроме того, поверхность является строго выпуклой, если ограничивающая ее кривая не содержит ни одного прямого участка.

Таким образом, в отличие от решения, которое состоит в расчете положения первых отверстий относительно дна камеры и в их расположении в линию, настоящим изобретением предложено рассчитывать положение первых отверстий относительно форсунки, ближайшей к указанным отверстиям. В результате достигается лучший контроль потока и температурного поля в камере сгорания.

Первая форсунка и предпочтительно все форсунки могут быть расположены на дне камеры или на одной из кольцевых стенок, в частности, на первой стенке.

Осью камеры сгорания называют ее ось симметрии (или квазисимметрии). Осевое направление соответствует направлению оси камеры сгорания, а радиальное направление является направлением, перпендикулярным к оси камеры сгорания и секущим эту ось. Точно так же, осевая плоскость является плоскостью, содержащей ось камеры сгорания, а радиальная плоскость является плоскостью, перпендикулярной к этой оси. Окружность следует понимать как круг, который принадлежит к радиальной плоскости и центр которого принадлежит к оси камеры сгорания. Тангенциальное или окружное направление является направлением, касательным к окружности; оно является перпендикулярным к оси камеры сгорания, но не проходит через эту ось.

В некоторых вариантах осуществления первые отверстия могут быть первичными отверстиями, то есть отверстиями, выполненными с возможностью подачи холодного воздуха, например, поступающего из компрессора, таким образом, чтобы при помощи завихрений ограничить между форсунками и указанными отверстиями зону фиксирования пламени для обеспечения его стабильности и хорошего горения. Эту зону называют первичной зоной.

В некоторых вариантах осуществления первые отверстия могут быть разбавляющими отверстиями, то есть отверстиями, выполненными с возможностью подачи холодного воздуха, например, поступающего от компрессора, в рабочую зону камеры сгорания на расстоянии на выходе от пламени форсунки.

В некоторых вариантах осуществления все первые отверстия, имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку, находятся на равном расстоянии от этой форсунки. Таким образом, во всей камере сгорания первые отверстия расположены в зависимости от их расстояния относительно ближайшей форсунки, что позволяет контролировать зоны рециркуляции и, следовательно, температурное поле в камере сгорания.

В некоторых вариантах осуществления вторая стенка содержит вторые отверстия подачи воздуха на выходе форсунок. Вторые отверстия могут быть расположены аналогично первым отверстиям или по-другому.

В некоторых вариантах осуществления вторые отверстия, предпочтительно все вторые отверстия, имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку, находятся на равном расстоянии от этой форсунки. Таким образом, положение вторых отверстий можно тоже контролировать не относительно дна камеры, а относительно соответственно ближайших к ним форсунок. Кроме того, положение вторых отверстий можно контролировать независимо от положения первых отверстий.

В некоторых вариантах осуществления первые отверстия и вторые отверстия, имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку, находятся на равном расстоянии от этой форсунки. Это позволяет получать однородное в радиальном направлении температурное поле.

В некоторых вариантах осуществления все первые и/или вторые отверстия соответственно находятся на одинаковом расстоянии от ближайшей к ним форсунки. Благодаря этих признакам, температурное поле имеет симметрию вращения вокруг оси камеры сгорания. Следовательно, оно является более стабильным и легче контролируемым.

В некоторых вариантах осуществления первые отверстия и/или вторые отверстия расположены по дугам окружности соответственно с центрами на ближайших форсунках.

В некоторых вариантах осуществления первая стенка является радиально наружной стенкой, а вторая стенка является радиально внутренней стенкой. Возможно также обратное расположение.

Объектом настоящей заявки является также газотурбинный двигатель, содержащий описанную выше кольцевую камеру сгорания.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве не ограничительных примеров. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан сектор камеры сгорания, вид в продольном разрезе;

на фиг. 2 показана часть первой стенки согласно первому варианту осуществления, в направлении II фиг. 1, вид в радиальном разрезе;

на фиг. 3 показан сектор камеры сгорания, схематичный вид в продольном разрезе;

на фиг. 4 показана часть первой стенки согласно второму варианту осуществления, в направлении IV фиг. 3, вид в радиальном разрезе.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлен вид в продольном разрезе сектора камеры 10 сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Камера 10 сгорания является кольцевой с продольной осью Х. Она ограничена первой по существу кольцевой стенкой 12 вокруг оси Х, в данном случае радиально наружной стенкой, второй по существу кольцевой стенкой 13 вокруг оси Х, в данном случае радиально внутренней стенкой, и дном 14 камеры, которое соединяет конец первой стенки 12 и находящийся напротив конец второй стенки 13, закрывая входной конец камеры 10 сгорания. В данном случае дно 14 камеры является кольцевым.

Кроме того, кольцевая камера 10 сгорания содержит множество топливных форсунок 16, которые впрыскивают топливо в камеру 10 сгорания. Форсунки 16 распределены вокруг продольной оси Х. В настоящем варианте осуществления форсунки установлены, проходя через дно 14 камеры. Каждая форсунка 16 определяет направление впрыска I.

Воздух поступает в камеру 10 сгорания через дно 14 камеры через первые первичные отверстия 18, возможно, через первые разбавляющие отверстия 20 и через охлаждающие отверстия (не показаны), причем все эти отверстия находятся на первой стенке 12, а также через вторые первичные отверстия 19, возможно, через вторые разбавляющие отверстия 21 и через охлаждающие отверстия (не показаны), причем все эти отверстия находятся на второй стенке 13. Иначе говоря, первая стенка 12 содержит первые отверстия, образованные первыми первичными отверстиями 18 и, возможно, первыми разбавляющими отверстиями 20. Вторая стенка 13 содержит вторые отверстия, образованные вторыми первичными отверстиями 19 и, возможно, вторыми разбавляющими отверстиями 21.

Согласно первому варианту осуществления, представленному на фиг. 2, по меньшей мере для первой форсунки 16, по меньшей мере три и предпочтительно по меньшей мере четыре из первых отверстий 18, имеющих общую первую форсунку 16 в качестве ближайшей форсунки, находятся вдоль строго выпуклой в радиальной проекции кривой С, при этом вогнутость кривой С обращена к первой форсунке 16. Первые отверстия 18 могут быть последовательными и смежными друг к другу, в частности, в окружном направлении. В частности, в данном случае показаны шесть первых отверстий 18, которые в этом примере являются первыми первичными отверстиями 18, расположенными вдоль строго выпуклой кривой С. В этом примере кривая С является дугой окружности, в данном случае с центром на первой форсунке 16 и, как правило, на точке впрыска А указанной первой форсунки 16. Таким образом, первые отверстия 18, имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку, а именно первую форсунку 16, находятся на равном расстоянии D от этой форсунки.

Благодаря этим признакам, пламя 24 оказывается стабилизированным при помощи зоны 26 рециркуляции и подпитывается находящимся во взвешенном виде топливом 22.

Как показано на фиг. 1 и 2 относительно дна камеры, направление впрыска I является компланарным с осью Х камеры сгорания.

На фиг. 3 и 4 представлены виды, соответственно аналогичные видам на фиг. 1 и 2, во втором варианте осуществления. На этих фигурах элементы, соответствующие или идентичные элементам из первого варианта осуществления, имеют такие же цифровые обозначения, увеличенные на сто, и их повторное описание опускается.

Во втором варианте осуществления форсунки 116 расположены не на дне 114 камеры. В данном случае форсунки 116 расположены на первой стенке 112. Кроме того, форсунки 116 находятся на выходе дна 114 камеры. Кроме того, как показано на фиг. 3 относительно ориентации дна камеры, направление впрыска I не является компланарным с осью Х камеры сгорания. Таким образом, направление впрыска I имеет не равную нулю составляющую в окружном направлении вокруг оси Х. Кроме того, направление впрыска I имеет осевую составляющую в направлении дна 114 камеры.

В камере сгорания согласно второму варианту осуществления воздушный поток показан стрелками. Воздух поступает от выхода 130 компрессора и заходит в камеру 110 сгорания через форсунки 116, через первые первичные отверстия 118, вторые первичные отверстия 119, первые разбавляющие отверстия 120 и вторые разбавляющие отверстия 121. Газообразные продукты горения удаляются в сторону входа 132 турбины.

В этом варианте осуществления, как показано на фиг. 4, по меньшей мере для первой форсунки 116 по меньшей мере три и предпочтительно четыре из первых отверстий 118, имеющие одну и ту же общую форсунку 116 в качестве ближайшей форсунки, находятся вдоль строго выпуклой в радиальной проекции кривой С, при этом вогнутость кривой С обращена к первой форсунке 116. В частности, в данном случае показаны шесть первых отверстий 118, которые в этом примере являются первыми первичными отверстиями 118, четыре из которых расположены вдоль строго выпуклой кривой С. Поскольку три первых отверстия 118, показанные в правом нижнем углу фиг. 4, расположены на одной линии, они не могут находиться на одной строго выпуклой кривой.

Благодаря этим признакам, местонахождение воздушных подводов (в данном случае первых отверстий 118) оказывается оптимизированным, при этом первые отверстия расположены во взаимосвязи с физическими явлениями внутри камеры 110 сгорания. Таким образом, несмотря на смещенную относительно оси ориентацию форсунки 116, пламя 124 оказывается стабилизированным при помощи зоны 126 рециркуляции и подпитывается находящимся во взвешенном виде топливом 122. Положение первичных отверстий 118 вдоль строго выпуклой кривой, вогнутость которой обращена к первой форсунке 116, такой как кривая С на фиг. 4, позволяет остановить зону 126 рециркуляции и обеспечивает лучшую рециркуляцию газообразных продуктов горения, а также гомогенизацию температурного поля в камере 110 сгорания.

Хотя описанные варианты осуществления были представлены для случая одной форсунки 16, 116 и для первых отверстия 18, 118 первой стенки 12, 112, аналогичные примеры можно предусмотреть для распределения вторых отверстий на второй стенке. Как было указано выше, вторые отверстия 19, 119, имеющие в качестве общей одну и ту же ближайшую форсунку 16, 116, могут находиться на равном расстоянии от этой форсунки. Это расстояние может отличаться от расстояния D, которое отделяет первые отверстия 18, 118 от форсунки 16, 116, или может быть равным, как показано на фиг. 1. Кроме того, расстояние между первыми и/или вторыми отверстиями и ближайшей от них форсункой может меняться от одной форсунки к другой или может быть идентичным для всех форсунок. Понятно также, что расстояние между первыми и/или вторыми отверстиями и ближайшей от них форсункой может меняться в зависимости от типа отверстия, например, может отличаться для первых первичных отверстий 18, 118 и первых разбавляющих отверстий 20, 120, хотя они и имеют одну и ту же ближайшую форсунку 16, 116.

Хотя расположение первых отверстий 18 согласно первому варианту осуществления было описано относительно камеры сгорания, показанной на фиг. 1, а расположение первых отверстий 118 согласно второму варианту осуществления было описано относительно камеры сгорания, показанной на фиг. 3, первый вариант осуществления можно применять для камеры сгорания, показанной на фиг. 3, форсунки которой находятся на одной из кольцевых стенок, а второй вариант осуществления можно применять для камеры сгорания, показанной на фиг. 1, форсунки которой находятся на дне камеры.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры осуществления, в эти примеры можно вносить изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенные в формуле изобретения. В частности, отдельные отличительные признаки различных показанных/упомянутых вариантов осуществления можно комбинировать в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничительные.

Кольцевой камере (10) сгорания, содержащей первую кольцевую стенку (12) и вторую кольцевую стенку (13), коаксиальные вокруг одной оси (Х), дно (14) камеры, соединяющее первую и вторую стенки (12,13), и множество форсунок (16). Первая стенка (12) содержит первые отверстия (18) подачи воздуха на выходе форсунок (16). В камере (10) сгорания по меньшей мере для первой из указанных форсунок (16), по меньшей мере три из первых отверстий (18), имеющих общую первую форсунку в качестве ближайшей форсунки, находятся на равном расстоянии (D) от первой форсунки (16). Изобретение направлено на стабилизацию пламени и позволяет контролировать температурное поле на выходе камеры сгорания. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кольцевая камера (10, 110) сгорания, содержащая первую кольцевую стенку (12, 112) и вторую кольцевую стенку (13, 113), коаксиальные вокруг одной оси (Х), дно (14, 114) камеры, соединяющее первую и вторую стенки (12, 13, 112, 113), и множество форсунок (16, 116), при этом первая стенка (12, 112) содержит первые отверстия (18, 118) подачи воздуха на выходе форсунок (16, 116), отличающаяся тем, что, по меньшей мере для первой из указанных форсунок (16, 116), по меньшей мере три из первых отверстий (18, 118), имеющих общую первую форсунку в качестве ближайшей форсунки, находятся на равном расстоянии (D) от первой форсунки (16, 116).

2. Камера (110) сгорания по п. 1, в которой первая форсунка (116) расположена на первой стенке (112).

3. Камера (10) сгорания по п. 1 или 2, в которой по меньшей мере четыре отверстия (18), имеющие одну и ту же общую ближайшую первую форсунку, находятся на равном расстоянии (D) от этой форсунки (16).

4. Камера (10) сгорания по любому из пп. 1-3, в которой все первые отверстия (18), имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку (16), находятся на равном расстоянии (D) от этой форсунки (16).

5. Камера (10) сгорания по любому из пп. 1-4, в которой вторая стенка (13) содержит вторые отверстия (19) подачи воздуха на выходе форсунок (16), и в которой вторые отверстия (19), предпочтительно все вторые отверстия (19), имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку (16), находятся на равном расстоянии (D) от этой форсунки.

6. Камера (10) сгорания по п. 5, в которой первые отверстия (18) и вторые отверстия (19), имеющие одну и ту же общую ближайшую форсунку (16), находятся на равном расстоянии (D) от этой форсунки.

7. Камера (10) сгорания по любому из пп. 1-6, в которой все первые и/или вторые отверстия (18, 19) соответственно находятся на одинаковом расстоянии от ближайшей к ним форсунки (16).

8. Камера (10) сгорания по любому из пп. 1-7, в которой первые отверстия (18) и/или вторые отверстия (19) расположены по дугам окружности соответственно с центрами на ближайших форсунках.

9. Камера (10) сгорания по любому из пп. 1-8, в которой первая стенка (12) является радиально наружной стенкой, а вторая стенка (14) является радиально внутренней стенкой.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру (10) сгорания по любому из пп. 1-9.