КАМЕРА СГОРАНИЯ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СГОРАНИЕМ ДЛЯ НЕЕ Российский патент 2022 года по МПК F23R3/28 

Область техники, к которой относится изобретение. Настоящее изобретение относится к камере сгорания авиационной газовой турбины и способу управления сгоранием. Уровень техники

Основным трендом развития современных камер сгорания гражданских авиационных двигателей является сгорание с низким уровнем загрязнения. Камеры сгорания гражданских авиационных двигателей должны удовлетворять все более жесткие стандарты выбросов загрязняющих веществ авиационных двигателей. Применяемый в настоящее время стандарт САЕР6 (Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации) имеет очень строгие правила по выбросам загрязняющих веществ, особенно по NOx. Однако, самый последний стандарт САЕР8 предлагает снизить выбросы NOx на 15% по сравнению со стандартом выбросов САЕР6. С быстрым развитием авиационной промышленности и непрерывным улучшением информированности людей о защите окружающей среды, более высокие требования будут выдвигаться по выбросам загрязняющих веществ для камер сгорания газовых турбин в будущем. Для того, чтобы удовлетворять все более строгим стандартам выбросов загрязняющих веществ, улучшенные технологии сгорания с низким уровнем загрязнения постепенно применялись к конструкции камер сгорания гражданских авиационных двигателей, такие как технология LPP-сжигания (сжигание обедненной топливной смеси с предварительным смешиванием и предварительным испарением), технология RQL-сжигания (сжигание богатой смеси-обеднение смеси воздухом-дожигание обедненной смеси) и технология ступенчатого сжигания, и технология LDI-сжигания (прямой впрыск обедненной смеси). Технология LPP-сжигания с низким уровнем загрязнения является технологией сжигания с низким уровнем загрязнения с хорошей перспективой развития в настоящем, и, как показано в раскрытых данных, тестовые значения ее выбросов загрязняющих веществ из камеры сгорания могут быть уменьшены на 50% или более по сравнению со стандартом САЕР6, отражая хорошую рабочую характеристику сжигания с низким уровнем загрязнения. Головная часть улучшенной LPP-камеры сгорания с низким уровнем загрязнения (такой как TAPS-камера сгорания) обычно использует конструкцию соединенных LPP и ступенчатого сжигания, т.е., конструкцию, в которой ступень предварительного сжигания обеспечивает, в центре, пламя, которое частично предварительно смешивается и частично рассеивается, и ступень сжигания основной смеси окружает периферию ступени предварительного сжигания и концентрично размещается со ступенью предварительного сжигания, чтобы формировать канал предварительного смешивания и предварительного испарения, так что посредством многоточечного впрыска топлива посредством ступени сжигания основной смеси топливо и воздух предварительно смешиваются и предварительно испаряются в канале ступени сжигания основной смеси, входят в зону сжигания камеры сгорания и зажигаются пламенем ступени предварительного сжигания. Поскольку в условиях высокой мощности большая часть топлива предоставляется посредством форсунки ступени сжигания основной смеси, и ступень сжигания основной смеси находится в режиме сжигания обедненной предварительно смешанной, предварительно испарившейся смеси, этот режим организации сгорания может уменьшать температуру газообразного топлива в зоне сгорания таким образом, чтобы уменьшать формирование NOx.

Центральной проблемой технологии LPP-сжигания с низким уровнем загрязнения является уменьшение температуры в зоне сгорания, в то же время добиваясь единообразного температурного поля в зоне сгорания, т.е., проблема общего и локального регулирования коэффициента избытка горючего. Ступень сжигания основной смеси в головной части LPP-камеры сгорания с низким уровнем загрязнения, главным образом, использует смешанный режим, в котором завихряющийся воздух и многоточечный радиальный непосредственный впрыск топлива (обычно, струя в поперечном потоке) для предварительного смешивания и предварительного испарения топлива. В различных условиях работы двигателя, вследствие изменения входящего воздушного потока завихрителя и изменения интенсивности турбулентности завихряющегося воздуха, возможно вызывать несогласующуюся степень предварительного смешивания и предварительного испарения в различных рабочих условиях, приводящую в результате к обратному выхлопу ступени сжигания основной смеси (в больших рабочих условиях впрыск топлива имеет высокий момент, первоначальное распыление топлива является хорошим, эффект завихрения воздуха является сильным, и степень предварительного смешивания и предварительного испарения является очень хорошей), и существует крупнодисперсное неиспарившееся топливо на выпуске ступени сжигания основной смеси (в небольших рабочих условиях впрыск топлива имеет небольшой момент, интенсивность турбулентности воздуха является низкой, распыление топлива является плохим, и степень предварительного смешивания и испарения является очень плохой), и коэффициент избытка горючего не является единообразным, вызывая проблемы пониженной эффективности сгорания, горячим пятнам в зоне сгорания, повышенным выбросам NOx на выпуске камеры сгорания, и т.д.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является предоставление камеры сгорания с низким уровнем загрязнения, которая предоставляет возможность распределения сжигаемого смешанного газа более равномерно в камере сгорания в различных рабочих условиях.

Другой задачей настоящего изобретения является предоставление камеры сгорания с низким уровнем загрязнения и способ управления сгоранием для нее, которые обеспечивают эффективность сгорания и устойчивость сгорания в различных рабочих условиях и регулируют температуру горения в зоне сгорания основной смеси, чтобы снижать выбросы загрязняющих веществ камеры сгорания.

Камера сгорания с низким уровнем загрязнения, содержащая головную часть камеры сгорания, которая содержит ступень сжигания основной смеси и ступень предварительного сжигания, ступень сжигания основной смеси содержит канал ступени сжигания основной смести и завихритель ступени сжигания основной смеси, расположенный в канале ступени сжигания основной смеси, при этом ступень сжигания основной смеси дополнительно содержит предварительную пленочную пластину, расположенную в канале ступени сжигания основной смеси, и предварительная пленочная пластина радиально разделена на предварительную пленочную пластину внешнего слоя и предварительную пленочную пластину внутреннего слоя, и при этом положения точек впрыска топлива и направление впрыска для ступени сжигания основной смеси выполнены с возможностью регулирования топлива ступени сжигания основной смеси, которое должно быть впрыснуто в канал ступени сжигания основной смеси через сопла топливных инжекторов ступени сжигания основной смеси; и часть топлива непосредственно формирует струю топлива для прямого впрыска в ступени сжигания основной смеси, а другая часть ударяется о предварительную пленочную пластину рядом с внутренней стороной канала ступени сжигания основной смеси, или обе части соответственно ударяются о два слоя предварительных пленочных пластин.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения ступень сжигания основной смеси имеет число ступеней, равное 1 ≤ n ≤2, и каждая из ступеней использует осевой, радиальный или наклонный завихритель.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения ступень сжигания основной смеси имеет число ступеней, равное n≥2, и все завихрители имеют одинаковые или противоположные направления завихрения.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения, канал ступени сжигания основной смеси имеет канал, который сужается, а затем расширяется.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения предварительные пленочные пластины и головная часть камеры сгорания являются концентричными и расположены в форме кольца, обе предварительные пленочные пластины имеют поперечное сечение упорядоченной структуры, предварительная пленочная пластина внутреннего слоя находится ниже по потоку от предварительной пленочной пластины внешнего слоя в центральном осевом направлении головной части камеры сгорания, и два слоя предварительных пленочных пластин имеют различные радиальные высоты и находятся на 20-80% радиальной высоты канала ступени сжигания основной смеси.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения ступень сжигания основной смеси содержит кольцо для сбора топлива ступени сжигания основной смеси, которое имеет один ряд точек впрыска топлива в осевом направлении головной части, точки впрыска топлива включают в себя первые точки впрыска и вторые точки впрыска с различными направлениями впрыска, и первые точки впрыска и вторые точки впрыска равномерно и поочередно распределены в круговом направлении, с углом раствора, образованным направлением впрыска топлива первой точки впрыска и центральным осевым направлением головной части, равным 60-90°, так что топливо удаляется о поверхность стенки внутренней стороны предварительной пленочной пластины внешнего слоя, и с углом раствора, образованным направлением впрыска топлива второй точки впрыска и центральным осевым направлением головной части, равным 30-50°, так что топливо ударяется о поверхность стенки внутренней стороны предварительной пленочной пластины внутреннего слоя.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения первые точки впрыска и вторые точки впрыска поочередно расположены в осевом направлении в виде 1a1b, 1a2b, 2a1b, 3a1b или 1а3b, а - это первая точка впрыска, и b - это вторая точка впрыска, и значения потока для первых точек впрыска и вторых точек впрыска имеют различные проектные значения, чтобы обеспечивать соответствующие достаточные глубины их проникновения.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения ступень сжигания основной смеси содержит кольцо для сбора топлива ступени сжигания основной смеси, которое выполнено с множеством рядов распределенных по кругу и равномерно точек впрыска топлива в осевом направлении головной части, при этом некоторые ряды точек впрыска топлива выровнены с предварительной пленочной пластиной внутреннего слоя, а другие ряды точек впрыска топлива - с предварительной пленочной пластиной внешнего слоя.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения ступень сжигания основной смеси и ступень предварительного сжигания расположены концентрично, топливо ступени сжигания основной смеси составляет 50-92% суммарного количества топлива, а объем воздуха в головной части камеры сгорания составляет 60-90% суммарного объема воздуха в камере сгорания, при этом объем воздуха ступени сжигания основной смеси составляет 60-90% объема воздуха в головной части, а объем воздуха на стадии предварительного сжигания составляет 10-40% объема воздуха в головной части.

В реализации камеры сгорания с низким уровнем загрязнения завихритель ступени предварительного сжигания имеет число ступеней 1≤n≤3; конструкция завихрителя, используемая для каждой ступени завихрителя, является осевым завихрителем, радиальным завихрителем или наклонным завихрителем; завихрители на всех ступенях, прежде всего, соединяются как одно целое, а затем соединяются со ступенью сжигания основной смеси; и когда n ≥ 2, все завихрители имеют одинаковые направления завихрения, или некоторые имеют противоположные направления завихрения.

Способ управления сгоранием с низким уровнем загрязнения для камеры сгорания, способ содержит: предоставление, в канале ступени сжигания основной смеси, предварительной пленочной пластины внутреннего слоя и предварительной пленочной пластины внешнего слоя, которые являются распределенными в радиальном направлении; впрыск топлива ступени сжигания основной смеси из сопел топливных инжекторов ступени сжигания основной смеси, при этом в небольших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси имеет небольшую глубину проникновения и, главным образом, ударяется о предварительную пленочную пластину внутреннего слоя канала ступени сжигания основной смеси, или в больших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси соответственно ударяется о предварительную пленочную пластину внутреннего слоя или предварительную пленочную пластину внешнего слоя канала ступени сжигания основной смеси, и топливо ударяется о предварительные пленочные пластины с формированием жидких пленок; и дополнительное предоставление завихряющегося потока ступени сжигания основной смеси, разбивающего и распыляющего жидкие пленки под срезающим воздействием завихряющегося потока с формированием мелкодисперсной струи топлива, и смешивание струи топлива с воздухом, так что равномерно распределенная воздушно-топливная смесь, с центром концентрации, постепенно перемещающимся наружу от небольшой к большой, формируется в радиальном направлении выпускного отверстия ступени сжигания основной смеси и затем поступает в камеру сгорания для сжигания предварительно смешанной смеси.

Топливо ступени сжигания основной смеси впрыскивается через сопла топливных инжекторов ступени сжигания основной смеси. В небольших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси имеет небольшую глубину проникновения и, главным образом, ударяется о предварительную пленочную пластину рядом с внутренней стороной канала ступени сжигания основной смеси, а в больших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси соответственно ударяется о две предварительные пленочные пластины. Топливо ударяется о две предварительные пленочные пластины ступени сжигания основной смеси с формированием жидких пленок, и дополнительно разбивается и распыляется под срезающим воздействием завихряющего потока ступени сжигания основной смеси с формированием мелкодисперсной струи топлива. Два потока топливных струй смешиваются с воздухом, так что равномерно распределенная воздушно-топливная смесь, с центром концентрации, постепенно смещающимся наружу от небольшой к большой, формируется в радиальном направлении выпускного отверстия ступени сжигания основной смеси и затем поступает в камеру сгорания для сжигания предварительной смешанной смеси. По существу, сжигаемый смешанный газ распределяется в камере сгорания более равномерно, чтобы обеспечивать эффективность сгорания и устойчивость сгорания в различных рабочих условиях, и температура сгорания в зоне сгорания основной смеси регулируется таким образом, чтобы снижать выбросы загрязняющих веществ камеры сгорания.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего описания вариантов осуществления со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схематичный чертеж авиационного двигателя.

Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении камеры сгорания.

Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном сечении головной части камеры сгорания.

Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном сечении ступени предварительного сжигания.

Фиг. 5 представляет собой вид в поперечном сечении варианта осуществления ступени сжигания основной смеси.

Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном сечении другого варианта осуществления ступени сжигания основной смеси.

Фиг. 7 представляет собой вид в поперечном разрезе двух слоев предварительных пленочных пластин.

Фиг. 8 представляет собой вид в продольном разрезе какой-либо одной из предварительных пленочных пластин.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Различные реализации или варианты осуществления, выполняющие предмет изобретения и описанные технические решения, раскрываются следующим образом. Чтобы упрощать описание, конкретные экземпляры каждого элемента и компоновки описываются ниже. Конечно, эти экземпляры являются просто примерами и не предназначаются, чтобы ограничивать рамки защиты настоящего изобретения. Например, первый признак, записанный позже в спецификации как формируемый над или сверху второго признака, может включать в себя реализацию формирования непосредственного соприкосновения первого и второго признаков и может также включать в себя реализацию формирования дополнительного признака между первым признаком и вторым признаком, так что первый и второй признаки могут не находиться в непосредственном соприкосновении. Дополнительно, ссылочные номера и/или буквы могут повторяться в различных примерах в этих описаниях. Это повторение существует ради краткости и ясности, и как таковое не представляет соотношения между различными реализациями и/или структурами, которые должны быть обсуждены. Дополнительно, когда первый элемент описывается в соединении или в сочетании со вторым элементом, описание включает в себя реализацию, в которой первый и второй элементы непосредственно соединяются или сочетаются друг с другом, а также включает в себя использование одного или более других промежуточных элементов, так что первый и второй элементы опосредованно соединяются или сочетаются друг с другом.

Фиг. 1 является схематичным структурным чертежом двигателя. Двигатель содержит винт 1, компрессор 2 низкого давления, компрессор 3 высокого давления, камеру 4 сгорания, турбину 5 высокого давления и турбину 6 низкого давления. Когда двигатель работает, воздух сжимается посредством винта 1 и компрессора 2 низкого давления и затем поступает в компрессор 3 высокого давления, затем воздух высокого давления поступает в камеру 4 сгорания и смешивается с топливом для сжигания, и газ высокой температуры и высокого давления, сформировавшийся после сгорания, поступает в турбину 5 высокого давления и турбину 6 низкого давления и прикладывает рабочее усилие посредством турбин, чтобы соответственно приводить в действие компрессор 3 высокого давления, компрессор 2 низкого давления и винт 1.

Как показано на фиг. 2, камера 4 сгорания использует конструкцию с единственной кольцеобразной полостью, а внешний корпус 7 камеры сгорания и внутренний корпус 8 камеры сгорания формируют внешний профиль камеры сгорания и соединяются с компрессором 3 высокого давления впереди и турбиной 5 высокого давления сзади. Поступающий воздух компрессора 3 высокого давления входит в камеру 4 сгорания из диффузора 11 после снижения скорости и диффузии и сжигается с топливом в пространстве, окруженном внешней стенкой 9 камеры сгорания, внутренней стенкой 10 камеры сгорания и головными частями 12 камеры сгорания. Все топливо в камере сгорания предоставляется посредством узла 13 штока для впрыска топлива.

Фиг. 3 является видом поперечного сечения конструкции головной части 12 камеры сгорания. Головная часть 12 камеры сгорания содержит ступень 14 предварительного сжигания, ступень 15 сжигания основной смеси и основные конструкции, такие как кольцо для сбора топлива и корпус 13 центробежного сопла. В одной реализации топливная форсунка подает все топливо, требуемое камерой сгорания, и топливо в основной ступени 15 составляет 50-92% суммарного количества топлива. Ступень 15 сжигания основной смеси и ступень 14 предварительного сжигания расположены вместе концентричном образом, при этом ступень 14 предварительного сжигания находится в центре, а ступень 15 сжигания основной смеси размещается на периферии ступени 14 предварительного сжигания. Головные части 12 камеры сгорания равномерно расположены в круговом направлении, и, в одной реализации, число головных частей камеры сгорания равно 10-60, и объем воздуха головных частей камеры сгорания составляет 20-80% суммарного объема воздуха камеры сгорания, при этом объем воздуха ступени 15 сжигания основной смеси составляет 60-90% объема воздуха головных частей, а объем воздуха ступени 14 предварительного сжигания составляет 10-40% объема воздуха головных частей. Ступень 15 сжигания основной смеси соединяется и закрепляется, посредством болтов, с внешней стенкой 9 камеры сгорания, внутренней стенкой 10 камеры сгорания и головные насадки 19 через головную цельную торцевую стенку 18 и отражательным щитком 17, ступень 14 предварительного сжигания неподвижно соединяется со ступенью 15 сжигания основной смеси через межступенчатую конструкцию 16 отражательного щитка, и кольцо 2 0а для сбора топлива ступени сжигания основной смеси и полость 20b для сбора топлива форсунки ступени предварительного сжигания подают все топливо в камеру 4 сгорания. Головной отражательный щиток 17 приваривается к головной цельной торцевой стенке 18, так что они отделяются от высокотемпературного газа в камере сгорания так, чтобы обеспечивать структурную целостность.

На фиг. 4 ступень 14 предварительного сжигания использует конструкцию с двойным завихрителем, состоящую из завихрителя 22 первой ступени для ступени предварительного сжигания, завихритель 23 второй ступени для ступени предварительного сжигания, трубку 24 Вентури завихрителя ступени предварительного сжигания, клапан 29 ступени предварительного сжигания и межступенчатую конструкцию 16 отражательного щитка, которые свариваются вместе. Струя 28 топлива ступени предварительного сжигания подвергается распылению воздуха предварительной пленочной ступени с помощью трубки 24 Вентури завихрителя ступени предварительного сжигания. Число ступеней 14 предварительного сжигания не ограничивается двумя, и, в одном варианте осуществления, число ступеней завихрителей составляет 1≤n≤3; конструкция завихрителя, используемая для каждой ступени завихрителя, является осевым завихрителем, радиальным завихрителем или наклонным завихрителем; завихрители на всех ступенях, прежде всего, соединяются как одно целое и затем соединяются с головной торцевой стенкой ступени сжигания основной смеси; и когда n≥2, все завихрители имеют одинаковые направления завихрения, или некоторые могут иметь противоположные направления завихрения. Форсунка распыления под давлением, пневматическая распылительная форсунка или объединенная форсунка предусматривается в точке 21 впрыска топлива ступени предварительного сжигания.

Как показано на фиг. 5, ступень 15 сжигания основной смеси содержит завихритель 30 ступени сжигания основной смеси, предварительную пленочную пластину 31, поверхность 32 внешней стенки канала ступени сжигания основной смеси и отверстие 33 охлаждающей конструкции внешнего канала ступени сжигания основной смеси. Кольцо 20а для сбора топлива ступени сжигания основной смеси снабжается по окружности инжекционным отверстием 25 ступени сжигания основной смеси, чтобы предоставлять предварительно смешанное предварительно испарившееся топливо. В соединении с фиг. 5, воздух 34, предоставленный через отверстие 26 в межступенчатой конструкции 16 отражательного щитка, обеспечивает увеличение угла открытия выпускного отверстия для потока газа ступени сжигания основной смеси, и воздух 34 протекает из кольцевой канавки в межступенчатой конструкции 16 отражательного щитка к выпускному отверстию канала ступени сжигания основной смеси, тем самым, обеспечивая радиальный размер зоны возвратного потока. Как показано на фиг. 5 и 6, точки 25 впрыска ступени сжигания основной смеси могут быть спроектированы как один ряд в направлении потока головной части, и инжекционные отверстия 25а, 25b, имеющие два угла α, β впрыска топлива, поочередно равномерно распределяются в круговом направлении. Топливо ударяется о два слоя предварительных пленочных пластин с формированием жидких пленок, и разбивается и распыляется под срезающим воздействием завихряющегося потока ступени сжигания основной смеси, улучшая равномерное распределение топливо-газовой смеси в радиальном и круговом направлениях на выпуске канала ступени сжигания основной смеси; и в одной реализации число однорядных точек впрыска топлива равно 12-60. Точка впрыска топлива с углом α впрыска топлива задается как a, точка впрыска топлива с углом β впрыска топлива задается как b, и два типа точек впрыска равномерно распределяются в круговом направлении поочередным образом как 1a1b, 1a2b, 2a1b, 3a1b или 1а3b. Возьмем 1a1b в качестве примера, одна точка впрыска топлива с углом α впрыска чередуется с одной точкой впрыска топлива с углом β впрыска. Возьмем 1а2b в качестве примера, одна точка впрыска топлива с углом α впрыска чередуется с двумя точками впрыска топлива с углами β впрыска.

α представляет угол раствора, сформированный направлением впрыска топлива точки впрыска и центральным осевым направлением головной части, и равен 60-90° в одной реализации, спроектированный таким образом, что топливо ударяется о поверхность стенки внутренней стороны предварительной пленочной пластины внешнего слоя, β представляет угол раствора 30-50°, сформированный направлением впрыска топлива точки впрыска и центральным осевым направлением головной части, спроектированный таким образом, что топливо ударяется о поверхность стенки внутренней стороны предварительной пленочной пластины внутреннего слоя. Значения расхода точек а впрыска и точек b впрыска могут иметь различные расчетные значения, чтобы гарантировать соответствующие достаточные глубины проникновения для них.

В другом варианте осуществления, хотя не показано на чертеже, следует понимать, что два типа сопел топливных инжекторов проектируются в два ряда в направлении потока в головной части и равномерно распределяются в круговом направлении, т.е., сопла топливных инжекторов расположены в рядах в различных положениях в осевом направлении, соответственно выровненными с предварительной пленочной пластиной 31b внешнего слоя и внутреннего слоя 31а, как показано на фиг. 5.

Число ступеней сжигания основной смеси не ограничивается одной, и, в одной реализации, число ступеней предварительного сжигания равно 1≤n≤2, и каждая ступень использует осевой, радиальный или наклонный завихритель; и когда n≥2, все завихрители могут иметь одинаковые или противоположные направления завихрения. Как показано на фиг. 5, ступень сжигания основной смеси имеет канал ступени сжигания основной смеси, который сначала сужается, а затем расширяется с тем, чтобы улучшать предварительное смешивание топлива и воздуха в канале ступени сжигания основной смеси, в то же время направляя поток газа на выпуске ступени сжигания основной смеси, чтобы расширяться, тем самым, гарантируя характеристику зажигания головной части.

Как показано на фиг. 5, предварительная пленочная пластина 31 включает в себя предварительную пленочную пластину 31а внутреннего слоя и предварительную пленочную пластину 31b внешнего слоя, расположенные в радиальном направлении, и две предварительные пленочные пластины имеют различные радиальные высоты и соответственно располагаются на 20-80% радиальной высоты канала ступени сжигания основной смеси (также называемого воздушным каналом ступени сжигания основной смеси). Как показано на фиг. 5, предварительная пленочная пластина 31а внутреннего слоя располагается ниже по потоку от предварительной пленочной пластины 31b внешнего слоя. В небольших рабочих условиях топливо частично формирует струю топлива непосредственного впрыска ступени сжигания основной смеси, и топливо ступени сжигания основной смеси имеет небольшую глубину проникновения и, главным образом, ударяется о предварительную пленочную пластину 31а внутреннего слоя рядом с внутренней стороной канала ступени сжигания основной смеси. В больших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси впрыскивается в воздушный канал ступени сжигания основной смеси через сопло 25а или 25b топливного инжектора ступени сжигания основной смеси, и часть топлива формирует струю топлива для непосредственного впрыска ступени сжигания основной смеси, а другая часть ударяется о предварительную пленочную пластину 31, т.е., одновременно ударяет о предварительную пленочную пластину 31а внутреннего слоя и предварительную пленочную пластину 31b внешнего слоя с формированием жидких пленок, и разбиваются и распыляются под срезающим воздействием завихряющегося воздуха ступени сжигания основной смеси, чтобы формировать пневматически распыленную струю топлива ступени сжигания основной смеси, и два потока струй топлива смешиваются с воздухом, чтобы формировать относительно однородную воздушно-топливную смесь. В крупномасштабных рабочих условиях топливо ударяется о две предварительные пленочные пластины ступени сжигания основной смеси с формированием жидких пленок, и дополнительно разбивается и распылается под срезающим воздействием завихряющегося потока ступени сжигания основной смеси с формированием мелкодисперсной струи топлива. Два потока топливных струй смешиваются с воздухом, так что равномерно распределенная воздушно-топливная смесь, с центром концентрации, постепенно смещающимся наружу от небольшой к большой, формируется в радиальном направлении выпускного отверстия ступени сжигания основной смеси и затем поступает в камеру сгорания для сжигания предварительной смешанной смеси.

Как показано на фиг. 6 и 7, предварительная пленочная пластина 31 приваривается к поверхности 32 внешней стенки канала ступени сжигания основной смеси через ее поддерживающие пластины 35. Поддерживающие пластины 35 равномерно распределяются в круговом направлении и имеют число, равное 8-20. Как показано на фиг. 8, предварительная пленочная пластина 31 использует симметричную листообразную конструкцию, и посредством регулирования длины L хорды и максимальной толщины R листа предварительной пленочной пластины степень распыления предварительной пленки топлива ступени сжигания основной смеси и степень взаимодействия струи топлива и воздуха дополнительно улучшаются.

В одной реализации внешняя стенка 9 камеры сгорания и внутренняя стенка 10 камеры сгорания камеры сгорания охлаждаются посредством охлаждения газообразной пленки, диффузионного охлаждения или объединенного охлаждения с тем, чтобы регулировать температуру поверхностей стенок для продления срока службы камеры сгорания.

В приведенных выше реализациях весь воздух для сжигания входит в камеру сгорания из головных частей камеры сгорания, так что большая часть топлива равномерно смешивается с воздухом и затем поступает в камеру сгорания для сжигания, что является благоприятным для регулирования коэффициента избытка топлива в зоне сгорания, чтобы уменьшать выбросы загрязняющих веществ.

Используется центральная ступенчатая конструкция и ступенчатая схема сгорания. Когда ступень предварительного сжигания находится в центре, это является способом диффузионного сгорания, объединенного со сгоранием предварительно смешанной смеси с завихряющимся потоком, чтобы обеспечивать устойчивость сгорания для всей камеры сгорания. Когда ступень сжигания основной смеси находится на периферии ступени предварительного сжигания, это является способом сжигания предварительно смешанной смеси, в котором жидкое топливо распыляется и испаряется в секции предварительного смешивания и предварительного испарения и смешивается с воздухом, чтобы формировать равномерный горючий смешанный газ, который поступает в камеру сгорания, чтобы участвовать в сгорании. По сравнению с предшествующим уровнем техники вышеупомянутые реализации имеют следующие преимущества:

(1) на ступени сжигания основной смеси инжекционные отверстия, равномерно распределенные в круговом направлении, используются для непосредственного впрыска топлива, радиально расположенные два слоя предварительных пленочных пластин улучшают равномерное распределение струи топлива в круговом и радиальном направлениях в канале ступени сжигания основной смеси, а завихряющийся поток завихрителя имеет сильное срезающее действие на топливные пленки и струю топлива, так что посредством объединенной регулировки для направления завихрения и силы завихряющегося потока, чтобы регулировать степень предварительного смешивания топлива в канале ступени сжигания основной смеси, возможно добиваться более равномерной диффузии топлива и смешивания топлива и воздуха и лучшего эффекта предварительного испарения; и с увеличением рабочих условий центр воздушно-топливной смеси на выпуске канала ступени сжигания основной смеси постепенно радиально смещается наружу (регулировка распределения концентрации), так что горючий смешанный газ распределяется в камере сгорания более равномерно, чтобы обеспечивать эффективность сгорания и устойчивость сгорания в различных рабочих условиях, и температура сгорания в зоне сжигания основной смеси регулируется таким образом, чтобы снижать выбросы загрязняющих веществ камеры сгорания;

(2) топливные форсунки ступени сжигания основной смеси обеспечивают многоточечный равномерно распределенный прямой впрыск в круговом направлении, и положения и направления впрыска точек впрыска рассчитываются, чтобы регулировать равномерное направление топлива в радиальном и круговом направлениях в канале ступени сжигания основной смеси, что благоприятствует снижению выбросов загрязняющих веществ;

(3) секция предварительного смешивания и предварительного испарения ступени сжигания основной смеси использует конструкцию реактивного сопла, в которой поток газа в секции сужения ускоряется, что благоприятствует распылению воздуха и воздушно-топливному смешиванию топлива; секция расширения гарантирует, что зона возвратного потока не сжимается, в радиальном размере, посредством потока газа ступени сжигания основной смеси, что благоприятствует характеристикам зажигания; и ступень сжигания основной смеси имеет простую конструкцию и легкость сборки;

(4) с конструкцией камеры сгорания с единственной кольцевой полостью весь воздух для сжигания подается посредством головной части, и камера сгорания имеет лишь необходимые охлаждающие отверстия и, таким образом, имеет модульный признак, упрощающий конструкцию камеры сгорания, а круговая трубка предварительного смешивания и предварительного испарения имеет простую конструкцию и легкость механической обработки;

(5) на основе идеи ступенчатого сжигания ступень предварительного сжигания предоставляет устойчивый источник пламени, а ступень сжигания основной смеси реализует сжигание с низким уровнем загрязнения, тем самым, обеспечивая устойчивость камеры сгорания авиационного двигателя, в то же время снижая выбросы загрязняющих веществ; и цель снижения выбросов загрязняющих веществ также достигается посредством регулирования коэффициента избытка горючего для зоны сгорания в камере сгорания авиационного двигателя и изменения и однородности воздушно-топливной смеси в радиальном и круговом направлениях на выпуске ступени сжигания основной смеси.

Приведенные выше реализации могут быть использованы для камер сгорания гражданских авиационных двигателей, и на основе технологий центрального ступенчатого сжигания и сжигания обедненной предварительно смешанной предварительно испарившейся смеси возможно обеспечивать устойчивость камеры сгорания авиационного двигателя, в то же время снижая выбросы загрязняющих веществ.

С конструкцией ступени сжигания основной смеси, спроектированной согласно вышеупомянутым реализациям, возможно добиваться лучшего эффекта предварительного смешивания и предварительного испарения топлива ступени сжигания основной смеси и воздуха ступени сжигания основной смеси; степень предварительного смешивания секции предварительного смешивания и предварительного испарения ступени сжигания основной смеси может быть изменена посредством регулирования воздушного потока и числа завихряющихся потоков завихрителя ступени сжигания основной смеси; конструкция формы и положение предварительных пленочных пластин могут улучшать степень смешивания топлива и воздуха в канале ступени сжигания основной смеси и степень равномерного распределения горючего смешанного газа в круговом и радиальном направлениях на выпуске канала ступени сжигания основной смеси; с увеличением рабочих условий центр струи топлива на выпуске ступени сжигания основной смеси постепенно радиально перемещается наружу, с тем, чтобы гарантировать эффективность сжигания и устойчивость сжигания в различных рабочих условиях; на основе рационального расчета положений и направлений впрыска топливных инжекционных отверстий ступени сжигания основной смеси равномерное распределение топлива в круговом направлении в канале ступени сжигания основной смеси улучшается; и на основе расчета конструкции реактивного сопла секции предварительного смешивания и предварительного испарения ступени сжигания основной смеси, под объединенным действием конструкции выпускной секции проточного канала и пневматически направляемого радиального воздуха на выпуске ступени сжигания основной смеси размер зоны возвратного потока зоны сжигания основной смеси в камере сгорания может регулироваться, что благоприятствует улучшению устойчивости пламени при зажигании и в переходных состояниях. Следовательно, приведенные выше реализации благоприятствуют оптимизации структуры для организации сгорания, улучшению характеристики сгорания и эффективности сгорания и уменьшению выбросов загрязняющих веществ и уровню расхода топлива двигателя.

Настоящее изобретение было описано выше с точки зрения предпочтительных вариантов осуществления, которые, однако, не предназначены для ограничения настоящего изобретения, и любой специалист в области техники может выполнять возможные изменения и модификации, не выходящие за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Следовательно, любые исправления, эквивалентные изменения и модификации, которые выполняются в вышеупомянутых вариантах осуществления в соответствии с технической сущностью настоящего изобретения и без отступления от содержимого технических решений настоящего изобретения, будут попадать в рамки объема, определенного формулой настоящего изобретения.

Изобретение относится к камере сгорания с низким уровнем загрязнения и способу управления сгоранием для нее. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения содержит головную часть камеры сгорания, содержащую ступень сжигания основной смеси и ступень предварительного сжигания, ступень сжигания основной смеси содержит канал ступени сжигания основной смеси и завихритель ступени сжигания основной смеси, расположенный в канале ступени сжигания основной смеси, при этом ступень сжигания основной смеси дополнительно содержит предварительную пленочную пластину, расположенную в канале ступени сжигания основной смеси, и предварительная пленочная пластина радиально разделена на предварительную пленочную пластину внешнего слоя и предварительную пленочную пластину внутреннего слоя, и при этом положения и направления впрыска точек впрыска топлива ступени сжигания основной смеси конфигурируются, чтобы регулировать топливо ступени сжигания основной смеси, которое должно быть впрыснуто в канал ступени сжигания основной смеси через сопла топливных инжекторов ступени сжигания основной смеси; и часть топлива непосредственно формирует струю топлива для прямого впрыска в ступени сжигания основной смеси, а другая часть ударяется о предварительную пленочную пластину рядом с внутренней стороной канала ступени сжигания основной смеси, или обе части соответственно ударяются о два слоя предварительных пленочных пластин. Изобретение позволяет снизит уровень загрязнений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения, содержащая головную часть камеры сгорания, которая содержит ступень сжигания основной смеси и ступень предварительного сжигания, причем ступень сжигания основной смеси содержит канал ступени сжигания основной смеси и завихритель ступени сжигания основной смеси, расположенный в канале ступени сжигания основной смеси, при этом ступень сжигания основной смеси дополнительно содержит предварительную пленочную пластину, расположенную в канале ступени сжигания основной смеси, причем предварительная пленочная пластина радиально разделена на предварительную пленочную пластину внешнего слоя и предварительную пленочную пластину внутреннего слоя, и при этом положения и направления впрыска точек впрыска топлива ступени сжигания основной смеси выполнены с возможностью регулирования топлива ступени сжигания основной смеси, которое должно быть впрыснуто в канал ступени сжигания основной смеси через сопла топливных инжекторов ступени сжигания основной смеси; и часть топлива непосредственно формирует струю топлива для прямого впрыска в ступени сжигания основной смеси, а другая часть - ударяется о предварительную пленочную пластину рядом с внутренней стороной канала ступени сжигания основной смеси, или обе части соответственно ударяются о два слоя предварительных пленочных пластин.

2. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой ступень сжигания основной смеси имеет число ступеней, равное 1≤n≤2, и каждая из ступеней использует осевой, радиальный или наклонный завихритель.

3. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой ступень сжигания основной смеси имеет число ступеней, равное n≥2, и все завихрители имеют одинаковые или противоположные направления завихрения.

4. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой канал ступени сжигания основной смеси имеет канал, который сужается, а затем расширяется.

5. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой предварительные пленочные пластины и головная часть камеры сгорания являются концентричными и расположены в форме кольца, обе предварительные пленочные пластины имеют поперечное сечение упорядоченной структуры, при этом предварительная пленочная пластина внутреннего слоя находится ниже по потоку от предварительной пленочной пластины внешнего слоя в центральном осевом направлении головной части камеры сгорания, и два слоя предварительных пленочных пластин имеют различные радиальные высоты и находятся на 20-80% радиальной высоты канала ступени сжигания основной смеси.

6. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой ступень сжигания основной смеси содержит кольцо для сбора топлива ступени сжигания основной смеси, которое имеет один ряд точек впрыска топлива в осевом направлении головной части, причем точки впрыска топлива включают в себя первые точки впрыска и вторые точки впрыска с различными направлениями впрыска, и первые точки впрыска и вторые точки впрыска равномерно и поочередно распределены в круговом направлении, с углом раствора, образованным направлением впрыска топлива первой точки впрыска и центральным осевым направлением головной части, равным 60-90°, так что топливо ударяется о поверхность стенки внутренней стороны предварительной пленочной пластины внешнего слоя, и с углом раствора, образованным направлением впрыска топлива второй точки впрыска и центральным осевым направлением головной части, равным 30-50°, так что топливо ударяется о поверхность стенки внутренней стороны предварительной пленочной пластины внутреннего слоя.

7. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 6, в которой первые точки впрыска и вторые точки впрыска поочередно расположены в осевом направлении в виде 1a1b, 1a2b, 2a1b, 3a1b или 1а3b, где а - это первая точка впрыска, а b - это вторая точка впрыска, и значения расхода для первых точек впрыска и вторых точек впрыска имеют различные расчетные значения, чтобы обеспечивать соответствующие достаточные глубины их проникновения.

8. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой ступень сжигания основной смеси содержит кольцо для сбора топлива ступени сжигания основной смеси, которое выполнено с множеством рядов распределенных по кругу и равномерно точек впрыска топлива в осевом направлении головной части, при этом некоторые ряды точек впрыска топлива выровнены с предварительной пленочной пластиной внутреннего слоя, а другие ряды точек впрыска топлива - с предварительной пленочной пластиной внешнего слоя.

9. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой ступень сжигания основной смеси и ступень предварительного сжигания расположены концентрично, при этом топливо ступени сжигания основной смеси составляет 50-92% суммарного количества топлива, а объем воздуха в головной части камеры сгорания составляет 60-90% суммарного объема воздуха в камере сгорания, при этом объем воздуха ступени сжигания основной смеси составляет 60-90% объема воздуха в головной части, а объем воздуха в ступени предварительного сжигания составляет 10-40% объема воздуха в головной части.

10. Камера сгорания с низким уровнем загрязнения по п. 1, в которой завихритель ступени предварительного сжигания имеет число ступеней 1≤n≤3, при этом конструкция завихрителя, используемая для каждой ступени завихрителя, является осевым завихрителем, радиальным завихрителем или наклонным завихрителем, причем завихрители на всех ступенях, прежде всего, соединены за одно целое, а затем соединены со ступенью сжигания основной смеси, и когда n≥2, все завихрители имеют одинаковые направления завихрения, или некоторые имеют противоположные направления завихрения.

11. Способ управления сгоранием с низким уровнем загрязнения для камеры сгорания, включающий этапы, на которых:

обеспечивают, в канале ступени сжигания основной смеси, предварительную пленочную пластину внутреннего слоя и предварительную пленочную пластину внешнего слоя, которые распределены в радиальном направлении;

впрыскивают топливо ступени сжигания основной смеси через сопла топливных инжекторов ступени сжигания основной смеси, при этом в небольших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси имеет малую глубину проникновения и, главным образом, ударяется о предварительную пленочную пластину внутреннего слоя канала ступени сжигания основной смеси, или в больших рабочих условиях топливо ступени сжигания основной смеси соответственно ударяется о предварительную пленочную пластину внутреннего слоя и предварительную пленочную пластину внешнего слоя канала ступени сжигания основной смеси, и топливо ударяется о предварительные пленочные пластины с формированием жидких пленок; и

дополнительно обеспечивают завихряющийся поток ступени сжигания основной смеси, разбивающий и распыляющий жидкие пленки под срезающим воздействием завихряющегося потока с формированием мелкодисперсной струи топлива, и смешивают струю топлива с воздухом, так что равномерно распределенная воздушно-топливная смесь, с центром концентрации, постепенно перемещающимся наружу от небольшой к большой, формируется в радиальном направлении выпускного отверстия ступени сжигания основной смеси и затем поступает в камеру сгорания для сжигания предварительно смешанной смеси.