Горелочное устройство камеры сгорания ГТД Российский патент 2021 года по МПК F23D14/02 

Изобретение относится к горелочным устройствам камер сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), работающих преимущественно на газообразном топливе.

Известны устройства топливовоздушных горелок, расположенных во фронтовом устройстве КС [Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. - М.; Машиностроение, 1967, с. 137.], содержащие осесимметричные лопаточные завихрители с расположенными по их оси топливными форсунками. В таком устройстве топливо из форсунок подается в зону обратных токов (ЗОТ), образующуюся ниже по потоку за завихрителем, создавая в ней топливо-воздушную смесь (ТВС). При горении такой смеси в ЗОТ (из-за высокой температуры и большого времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур) образуются в большом количестве окислы азота (NO_x=NO+NO₂), которые вместе с продуктами сгорания выделяются из ГТД, загрязняя окружающую среду, что является недостатком таких устройств.

Известно устройство топливовоздушной горелки [SU, авторское свидетельство 308653, кл. F23R 3/00, 1983.], в которой для уменьшения выделения окислов азота (NO_x) в нее подают до 55% воздуха, поступающего в КС, обедняя смесь, что уменьшает образование NO_x. Характерными недостатками данного устройства являются узкие области запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя (патент на изобретение РФ №2670858, МПК F23R 3/50, F23R 3/46(2006.01), опубликовано: 25.10.2018, Бюл. №30), содержащая жаровую трубу, фронтовое устройство, обтекатель с открытой передней центральной частью и диффузор. Диффузор содержит наружную стенку, внутреннюю стенку и две кольцевые перегородки между ними, образующие три кольцевых прохода внутри диффузора для подачи воздуха в камеру сгорания. Каждая перегородка состоит из основного участка, входного участка и выходного участка. Кромки входных участков перегородок выполнены острыми. Выходные участки перегородок выступают по отношению к стенкам диффузора и имеют форму, обеспечивающую предотвращение отрыва потока воздуха и образование в следе за ними зон обратных токов. Поверхности основных участков перегородок имеют коническую форму. Кромки открытой передней части обтекателя лежат на продолжении образующих поверхностей основных участков перегородок. Изобретение направлено на уменьшение образования оксидов азота при сжигании топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя.

Недостатками известной камеры сгорания являются перегрев кольцевой головки со стороны зоны горения, неравномерность температурного поля в зоне горения.

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением по совокупности признаков и достигаемому техническому результату по патенту на изобретение РФ №2160416 МПК F23R 3/60, опубл. 10.12.2000, Бюл. №34), сущность которого заключается в том, что камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки состоящие из корпуса и пробки, выходной срез форсунок установлен в отверстии корпусов завихрителей, входящих в горелки закрепленные в кольцевой головке при помощи резьбовых гаек, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя установлен уплотнительный узел закрепленный в отверстии корпуса завихрителя.

Однако, известное техническое решение небольшим ресурсом и ненадежностью в эксплуатации из-за локального перегрева кольцевой головки в местах между горелками, происходящего под воздействием рабочих температур, что приводит к прогару камеры сгорания, а также из-за неравномерности температур в зоне горения в результате возникновения отрыва потока на кромках резьбовых гаек; кроме того повышенные выбросы NO_x, которые вместе с продуктами сгорания выделяются из камеры сгорания ГТД, загрязняющие окружающую природную среду.

- для исключения локального перегрева кольцевой головки цилиндрическое сопло оснащенное охлаждающим тоннелем и защитным двухъярусным экраном между ярусами которого расположены отверстия;

- для исключения неравномерности температур в зоне горения на выходном срезе форсунки выполнены осевые и радиальные отверстия;

- для обеспечения низкой концентрации NO_x в продуктах сгорания корпус горелочного устройства имеет тангенциальные пазы и ряд отверстий, камеру смешения и цилиндрическое сопло, позволяющее обеспепечить хорошее перемешивание топлива с воздухом;

- для обеспечения надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания коэффициент избытка воздуха (а) на выходе из цилиндрического сопла составляет α=1,5…1,7, что достаточно для обеспечения устойчивого горения.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является создание высокоэффективной камеры сгорания с низким уровнем выхода токсичных веществ.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в обеспечении низкой концентрации NO_х, путем повышения равномерности температур в зоне горения и исключения локального перегрева кольцевой головки, а также в повышении надежности запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Технический результат достигается тем, что в горелочном устройстве камеры сгорания ГТД, содержащем корпус, включающий входную часть, камеру смешения и выходное сопло, топливную форсунку, закрепленную фланцами к обечайке камеры сгорания, выходной срез топливной форсунки установлен во входную часть корпуса, между выходным срезом топливной форсунки и корпусом установлен уплотнительный узел, корпус установлен в кольцевую головку жаровой трубы камеры сгорания, отличающееся тем, что в камере смешения выполнены последовательно равномерно по окружности рядами тангенциальные пазы и осесимметричные отверстия, в корпусе в выходной части сопла выполнены два концентрично расположенных канала, на входе сообщенные с каналом подачи воздуха, а на выходе которых, в полости жаровой трубы, расположены защитные экранирующие поверхности.

Выходное сопло выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлен продольный разрез горелочного устройства камеры сгорания ГТД.

На фиг. 2 - представлен вид А-А фиг. 1.

На фиг. 3 - вид Б фиг. 1.

Горелочное устройство камеры сгорания, содержит корпус горелочного устройства 1, топливную форсунку 2 закрепленную фланцами 3 к обечайке камеры сгорания, выходной срез форсунки 2 установлен в отверстие корпуса 1, между выходным срезом форсунки 2 и корпусом 1 установлен уплотнительный узел 4. Корпус 1 установлен в кольцевую головку 7. Камера смешения 8 имеет равномерно расположенные по окружности рядами тангенциальные пазы 5 и осесимметричные отверстия 6. Выходное сопло 9 может быть выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим. В корпусе 1 в выходной части сопла 9 выполнены два концентрично расположенных охлаждающих кольцевых каналов 10 и 15, на входе сообщенные с каналом подачи воздуха. На выходе кольцевого канала 15 имеются равномерно расположенные по окружности отверстия 14, через которые охлаждающий воздух поступает в пространство жаровой трубы. На выходе кольцевых каналов 10 и 15 в полости жаровой трубы, расположены защитные экранирующие поверхности 11. На выходном срезе форсунки 2 выполнены осевые 12 и радиальные 13 отверстия.

Воздух поступающий в горелочное устройство через тангенциальные пазы 5 и ряд отверстий 6, закручивается и поступает в камеру смешения 8. Топливо, выходящее из осевых 12 и радиальных 13 отверстий перемешивается с воздухом в камере смешения 8 и, сформировавшаяся топливовоздушная смесь, выходит в цилиндрическое сопло 9. Другая часть воздуха поступает в кольцевой канал 15 образованный между кольцевой головкой 7 и корпусом 1, разделяясь поступает в кольцевой канал 10 и одновременно через отверстия 14 выходит в жаровую полость и охлаждает сопло 9. Воздух, выходящий из кольцевого канала 10, также выходит в жаровую полость, охлаждая сопло 9. Защитные экранирующие поверхности 11 на выходе кольцевых каналов 10 и 15 усиливают эффект охлаждения сопла 9.

Таким образом заявленный технический результат достигается за счет:

- исключения локального перегрева кольцевой головки достигнутое за счет эффективного охлаждения сужающе-расширяющегося сопла, оснащенного охлаждающими кольцевыми каналами и защитными экранирующими поверхностями;

- исключение неравномерности температур в зоне горения достигнуто за счет эффективного смесеобразования топливовоздушной смеси, что обеспечивает низкую концентрацию NO_x в продуктах сгорания;

Надежный запуск и устойчивое горение топливовоздушной смеси в камере сгорания достигнуто за счет эффективного смесеобразования топливовоздушной смеси, что позволяет получать коэффициент избытка воздуха а на выходе из сопла равным α=1,5…1,7, что достаточно для обеспечения устойчивого горения.

Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, то есть заявленное техническое решение обеспечивает за счет внесения конструктивных изменений в горелочном устройстве более эффективное использование в камерах сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе, а именно: исключает локальный перегрев кольцевой головки, обеспечивает равномерность температур в зоне горения, обеспечивает низкую концентрацию NO_x, обеспечивает надежность запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Конструкция апробирована в КНИТУ - КАИ им. А.Н. Туполева и результаты испытаний показали реализацию поставленных целей.

Изобретение относится к горелочным устройствам камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе. Горелочное устройство камеры сгорания содержит корпус (1), топливную форсунку (2), закрепленную фланцами (3) к обечайке камеры сгорания, выходной срез форсунки (2) установлен в отверстие корпуса (1), между выходным срезом форсунки и корпусом установлен уплотнительный узел (4). Корпус (1) установлен в кольцевую головку (7) и имеет камеру смешения (8) с тангенциальными пазами (5) и рядами отверстий (6). Выходное сопло (9) выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим. В корпусе (1) в выходной части сопла (9) выполнены два концентрично расположенных охлаждающих кольцевых канала (10) и (15), на входе сообщенные с каналом подачи воздуха. На выходе кольцевого канала (15) имеются равномерно расположенные по окружности отверстия (14), через которые охлаждающий воздух поступает в пространство жаровой трубы (7). На выходе кольцевых каналов (10) и (15) в полости жаровой трубы расположены защитные экранирующие поверхности (11). На выходном срезе форсунки (2) выполнены осевые (12) и радиальные (13) отверстия. Изобретение позволяет обеспечить низкий уровень концентрации ΝΟ_x путем повышения равномерности температур в зоне горения и исключения локального перегрева кольцевой головки, а также повысить надежность запуска и устойчивость горения камеры сгорания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Горелочное устройство камеры сгорания ГТД, содержащее корпус, включающий входную часть, камеру смешения и выходное сопло, топливную форсунку, закрепленную фланцами к обечайке камеры сгорания, выходной срез топливной форсунки установлен во входную часть корпуса, между выходным срезом топливной форсунки и корпусом установлен уплотнительный узел, корпус установлен в кольцевую головку жаровой трубы камеры сгорания, отличающееся тем, что в камере смешения последовательно расположены равномерно по окружности рядами тангенциальные пазы и осесимметричные отверстия, в корпусе в выходной части сопла выполнены два концентрично расположенных канала, на входе сообщенные с каналом подачи воздуха, а на выходе которых, в полости жаровой трубы, расположены защитные экранирующие поверхности.

2. Горелочное устройство камеры сгорания ГТД по п. 1, отличающееся тем, что выходное сопло выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим.