Камера сгорания газотурбинного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F23R3/46 F23R3/60 

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению и, в частности, к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей служащих для привода электрогенератора или нагнетателя газоперекачивающего агрегата.

Известно горелочное устройство камеры сгорания ГТД РФ №2746347, 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,

Недостатками известного горелочного устройства камеры сгорания являются:

Не обеспечивает предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей в зону горения.

Не обеспечивает безотрывного потока на входе в завихритель.

Не обеспечивает стабилизацию пламени зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания.

Не обеспечивает сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8.

Не обеспечивает технологичность конструкции жаровой трубы.

По патенту на изобретение РФ №2493490 известна одноконтурная горелка, содержащая завихритель, в полых лопатках которого выполнены отверстия подвода газа в межлопаточные полости завихрителя, сопло, пустотелый корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа к сменной дроссельной шайбе, расположенной внутри корпуса, и далее к полым лопаткам завихрителя, шлицевую гайку с уплотнительными кольцами, для крепления горелки к газораспределительному устройству, в частности к головке кольцевой камеры сгорания,

Недостатками известной одноконтурной горелки являются:

Не обеспечивает равномерность смешения топлива с воздухом по высоте межлопаточного канала.

Не обеспечивает стабилизацию пламени в зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания.

Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя по патенту на изобретение РФ №2670858 сущность заключается в том, что камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки, концы форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей размещающихся в кольцевой головке.

Недостатками известной камеры сгорания являются:

Не обеспечивает низкой температуры кольцевой головки.

Не обеспечивает технологичности конструкция кольцевой головки.

Не обеспечивает низкую концентрацию оксидов азота и оксидов углерода.

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 сущность заключается в том, что камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки, концы форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей входящих в горелки закрепленные в кольцевой головке жаровой трубы при помощи резьбовых гаек, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя установлен уплотнительный узел закрепленный в отверстии корпуса завихрителя

Известное техническое решение, так же как и предыдущие аналоги:

Не обеспечивает предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей в зону горения.

Не обеспечивает безотрывного потока на входе в завихритель.

Не обеспечивает стабилизацию пламени зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания.

Не обеспечивает сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8.

Не обеспечивает равномерность смешения топлива с воздухом по высоте межлопаточного канала.

Не обеспечивает стабилизацию пламени в зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания.

Не обеспечивает низкую концентрацию оксидов азота и оксидов углерода.

Не обеспечивает низкой температуры кольцевой головки.

Не обеспечивает технологичности конструкция кольцевой головки.

Не обеспечивает технологичность конструкции жаровой трубы.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно:

Обеспечение предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей в зону горения.

Обеспечение безотрывного потока на входе в завихритель.

Обеспечение стабилизации пламени в зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания.

Обеспечение сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8.

Обеспечение равномерности смешения топлива с воздухом по высоте межлопаточного канала.

Обеспечение низкой концентрации оксидов азота и оксидов углерода.

Обеспечение низкой температуры кольцевой головки.

Обеспечение технологичности конструкция кольцевой головки.

Обеспечение технологичности конструкции жаровой трубы.

Сущностью заявленного технического решения является, камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки, концы форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей входящих в горелки закрепленные в кольцевой головке жаровой трубы при помощи резьбовых гаек, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя установлен уплотнительный узел закрепленный в отверстии корпуса завихрителя.

Предложенная камера сгорания газотурбинного двигателя характеризуется некоторыми конструктивными особенностями: завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии, корпус завихрителя сужающийся формы с плавным переходом на диффузор, концы форсунок имеют отверстие с фаской и установлены в уплотнительный узел, размещенный в газораспределителе, жаровая труба состоит из секций, каждая секция имеет профиль с изгибом, в котором выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха, секции соединены друг с другом точечной электросваркой, образуют наружный и внутренний кожухи жаровой трубы, кольцевая головка жаровой трубы выполнена из листового материала и представляет собой две соединенные полуплиты с отверстиями для установки корпусов завихрителей, вокруг каждого корпуса завихрителя в полуплитах выполнены перфорации, для обеспечения жесткости конструкции к полуплитам устанавливается листовое кольцо с отверстиями для размещения корпусов завихрителей, установленные в полуплите и листовом кольце завихрители прижимаются резьбовой гайкой имеющей пазы, между полуплитой и корпусом завихрителя формируется канал, профиль жаровой трубы шарообразной формы в зоне горения, в зоне смешения цилиндрической формы, зона горения и смешения разделена воздухоподводящими втулками, установленными в секциях наружного и внутреннего кожухов, корпус форсунки каплевидной формы.

Поставленная задача в целом достигается тем, что:

Для обеспечения предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей в зону горения завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии

Для обеспечения безотрывного потока на входе в завихритель корпус форсунки каплевидной формы

Для обеспечения стабилизации пламени зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания профиль жаровой трубы шарообразной формы в зоне горения, в зоне смешения цилиндрической формы

Для обеспечения сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8 зона горения и смешения разделена воздухоподводящими втулками, установленными в секциях наружного и внутреннего кожухов,

Для обеспечения равномерности смешения топлива с воздухом концы форсунок имеют отверстие с фаской и установлены в уплотнительный узел, размещенный в газораспределителе, по высоте межлопаточного канала завихритель состоит полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии.

Для обеспечения низкой концентрации оксидов азота и оксидов углерода завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии, корпус завихрителя сужающийся формы с плавным переходом на диффузор.

Для обеспечения низкой температуры кольцевой головки вокруг каждого завихрителя в полуплитах выполнены перфорации, амежду полуплитой и корпусом завихрителя формируется канал.

Для обеспечения технологичности конструкция кольцевой головки она выполнена из листового материала и представляет собой две соединенные полуплиты с отверстиями для установки завихрителей. Для обеспечения жесткости конструкции к полуплитам устанавливается листовое кольцо с отверстиями для размещения завихрителей, установленные в полуплите и листовом кольце завихрители прижимаются резьбовой гайкой имеющей пазы.

Для обеспечения технологичности конструкции жаровой трубы, она состоит из секций, каждая секция имеет профиль с изгибом в котором выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха, секции соединены друг с другом точечной электросваркой, образуют наружный и внутренний кожухи жаровой трубы.

Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из исследованного заявителем уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизны» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом: На фиг. 1 представлен продольный разрез камеры сгорания газотурбинного двигателя;

Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус 1, на бобышках 2 которого закреплены фланцами 3 топливные форсунки 4, концы форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей 5 входящих в горелки 6 закрепленные в кольцевой головке 7 жаровой трубы 8 при помощи резьбовых гаек 9, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя 5 установлен уплотнительный узел 10 закрепленный в отверстии корпуса завихрителя 5.

Заявленная камера сгорания газотурбинного двигателя характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, завихритель состоит из газораспределителя 11 конусной формы, полых лопаток 12 с тремя отверстиями 13 по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии, корпус завихрителя 5 сужающийся формы с плавным переходом на диффузор 14, концы форсунок 4 имеют отверстие с фаской 15 и установлены в уплотнительный узел 10 размещенный в газораспределителе 11, жаровая труба 8 состоит из секций 16, каждая секция имеет профиль с изгибом в котором выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха, секции соединены друг с другом точечной электросваркой, образуют наружный 17 и внутренний 18 кожухи жаровой трубы 8, кольцевая головка 7 жаровой трубы 8 выполнена из листового материала и представляет собой две соединенные полуплиты 19 с отверстиями для установки корпусов завихрителей 5, вокруг каждого корпуса завихрителя 5 в полуплитах 19 выполнены перфорации 20, для обеспечения жесткости конструкции к полуплитам 19 устанавливается листовое кольцо 21 с отверстиями для размещения корпусов завихрителей 5, установленные в полуплитах 19 и листовом кольце 21 корпуса завихрителей 5 прижимаются резьбовой гайкой 9 имеющей пазы 22, между полуплитами 19 и корпусом завихрителя 5 формируется канал 23, профиль жаровой трубы 8 шарообразной формы в зоне горения, в зоне смешения цилиндрической формы, зона горения и смешения разделена воздухоподводящими втулками 24 установленными в секциях 16 наружного17 и внутреннего 18 кожухов, корпус форсунки 4 каплевидной формы 25.

Основываясь на изложенном выше представляется возможным сделать выводы о достижении заявленных целей, а именно:

Обеспечено предварительное смешение топлива с воздухом перед подачей в зону горения тем, что завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии.

Обеспечена безотрывность потока на входе в завихритель тем, что корпус форсунки каплевидной формы.

Обеспечена стабилизация пламени в зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания тем, что профиль жаровой трубы шарообразной формы в зоне горения, а в зоне смешения цилиндрической формы.

Обеспечено сжигание топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8, тем что зона горения и смешения разделена воздухоподводящими втулками установленными в секциях наружного и внутреннего кожухов. основная часть воздуха идет через завихрители размещенные в кольцевой головке.

Обеспечена равномерность смешения топлива с воздухом тем, что концы форсунок имеют отверстие с фаской и установлены в уплотнительный узел размещенный в газораспределителе, по высоте межлопаточного канала завихритель состоит полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии.

Обеспечена низкая концентрация оксидов азота и оксидов углерода тем, что завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии, корпус завихрителя сужающийся формы с плавным переходом на диффузор.

Обеспечена низкая температура кольцевой головки тем, что вокруг каждого завихрителя в полуплитах выполнены перфорации, а между полуплитой и корпусом завихрителя формируется канал.

Обеспечена технологичность конструкции кольцевой головки тем, что она выполнена из листового материала и представляет собой две соединенные полуплиты с отверстиями для установки завихрителей. Для обеспечения жесткости конструкции к полуплитам устанавливается листовое кольцо с отверстиями для размещения завихрителей, установленные в полуплите и листовом кольце завихрители прижимаются резьбовой гайкой имеющей пазы.

Обеспечена технологичность конструкции жаровой трубы тем, что она состоит из секций, каждая секция имеет профиль с изгибом, в котором выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха, секции соединены друг с другом точечной электросваркой, образуют наружный и внутренний кожухи жаровой трубы.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, то есть заявленное техническое решение обеспечивает за счёт внесения конструктивных изменений в конструкцию завихрителя, кольцевой головки, жаровой трубы и форсунки их более эффективное использование в камерах сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе, а именно: обеспечено предварительное смешение топлива с воздухом перед подачей в зону, обеспечена безотрывность потока на входе в завихритель, обеспечена стабилизация пламени в зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания, обеспечено сжигание топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8, обеспечена равномерность смешения топлива с воздухом, обеспечена низкая концентрация оксидов азота и оксидов углерода, обеспечена низкая температура кольцевой головки вокруг, обеспечена технологичность конструкции кольцевой головки и жаровой трубы.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна» предъявляемому к изобретениям.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень» предъявляемому к изобретениям, т.к. не является очевидным для специалиста.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость» предъявляемому к изобретениям, т.к. конструкция апробирована в КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева и результаты испытаний показали реализацию поставленных целей.

Воздуха (Фиг. 1) попадает в камеру сгорания и разделяется на два потока. Первый поток движется между лопатками 12 завихрителей. Топливный газ поступает в форсунки 4, концы форсунок имеют отверстие с фаской 15 и установлены в уплотнительный узел 10 размещенный в газораспределителе 11. Газораспределитель11 наполняется топливным газом, откуда он подается в полые лопатки 12 и выходит через отверстия 13. Затем смешивается с воздухом идущим между лопатками 12 формируя топливновоздушную смесь, которая выходит через в виде закрученного потока из корпуса завихрителя 5 сужающийся формы с плавным переходом на диффузор 14. Топливновоздушная смесь стабилизируется в зоне горения жаровой трубы 8 шарообразной формы сформированой секциями 16 наружного17 и внутреннего 18 кожухов. Так же воздух проникает через перфорации 20 в полуплитах 19 и попадает в канал 23 сформированый между полуплитами 19 и корпусом завихрителя 5 где выполняет функцию охлаждения кольцевой головки 7.

Второй поток попадает в жаровую трубу 8 через отверстия для подвода охлаждающего воздуха в секциях 16, а затем попадает в зону смешения цилиндрической формы, через воздухоподводящие втулки 24 установленные в секциях 16 наружного17 и внутреннего 18 кожухов.

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению и, в частности, к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей, служащих для привода электрогенератора или нагнетателя газоперекачивающего агрегата. Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки, концы форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей, входящих в горелки, закрепленные в кольцевой головке жаровой трубы при помощи резьбовых гаек, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя установлен уплотнительный узел, закрепленный в отверстии корпуса завихрителя. Отличается тем, что завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии, корпус завихрителя сужающейся формы с плавным переходом на диффузор, концы форсунок имеют отверстие с фаской и установлены в уплотнительный узел размещенный в газораспределителе, жаровая труба состоит из секций, каждая секция имеет профиль с изгибом в котором выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха, секции соединены друг с другом точечной электросваркой, образуют наружный и внутренний кожухи жаровой трубы, кольцевая головка жаровой трубы выполнена из листового материала и представляет собой две соединенные полуплиты с отверстиями для установки корпусов завихрителей, вокруг каждого корпуса завихрителя в полуплитах выполнены перфорации, для обеспечения жесткости конструкции к полуплитам устанавливается листовое кольцо с отверстиями для размещения корпусов завихрителей, установленные в полуплите и листовом кольце завихрители прижимаются резьбовой гайкой имеющей пазы, между полуплитой и корпусом завихрителя формируется канал, профиль жаровой трубы шарообразной формы в зоне горения, в зоне смешения цилиндрической формы, зона горения и смешения разделена воздухоподводящими втулками, установленными в секциях наружного и внутреннего кожухов, корпус форсунки каплевидной формы. Техническое решение обеспечивается за счёт внесения конструктивных изменений в конструкцию завихрителя, кольцевой головки, жаровой трубы и форсунки, их более эффективного использования в камерах сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе, а именно: обеспечено предварительное смешение топлива с воздухом перед подачей в зону, обеспечена безотрывность потока на входе в завихритель, обеспечена стабилизация пламени в зафиксированной области жаровой трубы при изменении условий работы камеры сгорания, обеспечено сжигание топлива при коэффициенте избытка воздуха смеси 1,6-1,8, обеспечена равномерность смешения топлива с воздухом, обеспечена низкая концентрация оксидов азота и оксидов углерода, обеспечена низкая температура кольцевой головки вокруг, обеспечена технологичность конструкции кольцевой головки и жаровой трубы. 1 ил.

Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки, концы форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей, входящих в горелки, закрепленные в кольцевой головке жаровой трубы при помощи резьбовых гаек, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя установлен уплотнительный узел, закрепленный в отверстии корпуса завихрителя, отличающаяся тем, что завихритель состоит из газораспределителя конусной формы, полых лопаток с тремя отверстиями по высоте, диаметры которых увеличиваются от основания к периферии, корпус завихрителя сужающейся формы с плавным переходом на диффузор, концы форсунок имеют отверстие с фаской и установлены в уплотнительный узел, размещенный в газораспределителе, жаровая труба состоит из секций, каждая секция имеет профиль с изгибом, в котором выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха, секции соединены друг с другом точечной электросваркой, образуют наружный и внутренний кожухи жаровой трубы, кольцевая головка жаровой трубы выполнена из листового материала и представляет собой две соединенные полуплиты с отверстиями для установки корпусов завихрителей, вокруг каждого корпуса завихрителя в полуплитах выполнены перфорации, для обеспечения жесткости конструкции к полуплитам устанавливается листовое кольцо с отверстиями для размещения корпусов завихрителей, установленные в полуплите и листовом кольце завихрители прижимаются резьбовой гайкой, имеющей пазы, между полуплитой и корпусом завихрителя формируется канал, профиль жаровой трубы шарообразной формы в зоне горения, в зоне смешения цилиндрической формы, зона горения и смешения разделена воздухоподводящими втулками, установленными в секциях наружного и внутреннего кожухов, корпус форсунки каплевидной формы.