Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F23R3/00 

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к конструкциям камер сгорания наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора.

Из существующего уровня техники известна конструкция топливовоздушной горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя по патенту на изобретение RU №2133411, которая предназначена для сжигания топлива "на обедненных" составах смеси с целью снижения выбросов в атмосферу токсичных выделений на выхлопе двигателя, в частности NO_x и дыма, упрощения конструкции камеры и расширения пределов безсрывного горения. Сущностью известного патента на изобретение является топливовоздушная горелка камеры сгорания ГТД, содержащая полый тонкостенный корпус с диффузором на выходе, соосно в нем с зазором профилированное конфузорное сопло с перфорацией на выходной части, воздушным завихрителем и топливной форсункой на выходе, с целью обеспечения минимальных выбросов в атмосферу токсичных выделений, в частности оксидов азота, на выхлопе двигателя, расширения пределов устойчивости горения упрощения конструкции камеры, в увеличивающемся к выходу зазоре между диффузором и соплом на наружной поверхности стенки сопла установлен конический насадок с отбортовкой на кромке и раструбом к выходу, при этом, суммарная эффективная площадь проходных сечений каналов горелок фронтового устройства от суммарной эффективной площади проходных сечений жаровой трубы камеры составляет 0,55-0,8, а соответствующие им площади горелки и площадь сопла за насадком от площади горелки и площадь сопла за насадком от площади сопла 0,1-0,25. Горелка камеры сгорания на кромке конического насадка перед отбортовкой выполнены отверстия (см. патент RU 2133411, МПК F23 R3/34 опубл. 20.07.1999 г.).

Недостатками являются невозможность его применения для обеспечения высокой полноты сгорания топлива, вследствие того, что наличие диффузора на выходе из горелки снижает интенсификацию процесса в первичной зоне камеры сгорания и приводит к недожогу топлива и как следствие к увеличению выбросов оксидов углерода в атмосферу.

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением по совокупности признаков и достигаемому техническому результату по патенту на изобретение RU №2160416, у которого камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки, концы форсунок установлены в отверстиях корпусов завихрителей, закрепленных в горелках жаровой трубы, между концами каждой форсунки и корпусами завихрителей установлены плавающие уплотнительные кольца, а между концом каждой форсунки и корпусом завихрителя дополнительно расположены пакет тарельчатых пружин, нажимное и опорное кольца, а плавающее уплотнительное кольцо выполнено Г-образным с дисковым и цилиндрическим участками, при этом цилиндрическим участком оно надето на концы форсунок, а дисковый участок размещен между нажимным и опорным кольцами и зажат между ними пакетом тарельчатых пружин, причем пакет тарельчатых пружин, плавающее, нажимное и опорное кольца образуют уплотнительный узел, который закреплен в корпусе завихрителя, например, развальцовкой его бурта. При этом корпус форсунки изготавливается с внутренним каналом для подвода газа и с отверстием для выхода газа, имеет канал с резьбой, в который установлен шнек, служащий для закрутки газа, концы форсунок установлены в отверстиях корпусов завихрителей, закрепленных в горелках жаровой трубы, а между концами форсунок и корпусами завихрителей установлены плавающие уплотнительные кольца, согласно изобретению между концами форсунок и корпусами завихрителей дополнительно расположены пакет тарельчатых пружин (см. патент RU 2160416, МПК F23R 3/60, опубл. 10.12.2000 г.).

Недостатками известной камеры сгорания являются то, что на выходе из горелки по соотношению воздуха и топлива формируется «богатая» топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=0,4. Тарельчатые пружины изготавливаются из жаропрочных сплавов и собираются отдельно в уплотнительный пакет, далее монтируются в горелку, что не является технологичным. Трудность в обеспечении выставления конца форсунки по оси горелки в уплотнительном пакете и трудности в обеспечении равномерности температурного поля в соответствие с общепринятыми для камеры сгорания нормами. Появление выработки металла на носиках форсунок.

Указанные выше недостатки в совокупности не позволяют реализовать цели, поставленные в заявленном конструктивном решении, т.е.;

- не обеспечивает возможность повышения полноты сгорания топлива,

- не обеспечивают интенсификацию процессов горения,

- не исключают местные зоны горения с высокой температурой за фронтовым устройством,

- не обеспечивают снижение выбросов вредных загрязняющих веществ,

- не обеспечивают технологичность сборки камеры сгорания (вследствие наличия необходимости установки пакета тарельчатых пружин).

Известна камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус с кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части лобовой стенкой, снабженной теплоизолирующими экранами со стороны полости горения, причем теплоизолирующие экраны содержат полки ребра на стороне, обращенной к лобовой стенке, а лобовая стенка выполнена с отверстиями для установки горелочных модулей и прохода охлаждающего воздуха, так же на каждом теплоизолирующем экране ребро и полка выполнены замкнутыми вдоль контура, поверхность теплоизолирующего экрана с ребром и лобовой стенкой образуют полость, сообщенную с полостью жаровой трубы через отверстие для горелочного модуля, а полки соседних теплоизолирующих экранов образуют с лобовой стенкой проточные каналы, причем отверстия на лобовой стенке для прохода охлаждающего воздуха расположены по контуру каждого теплоизолирующего экрана с обеих сторон ребра, а сторона полок, обращенная к полости горения, является продолжением поверхности экрана. Полки теплозащитных экранов со стороны, обращенной к лобовой стенке, выполнены дугообразной формы.

Поверхность теплоизолирующих экранов выполнена вогнутой в сторону лобовой стенки (см. патент RU 2006137882, МПК F23R 3/00, опубл. 10.05.2008 г.).

Недостатками известной камеры сгорания являются:

- нетехнологичность изготовления экрана с вогнутой поверхностью

- необеспечение постоянства зазора для прохода охлаждающего воздуха по всей окружности лобовой стенки, что приведет к неравномерному нагреву и короблению в процессе работы.

- неремонтопригодность по причине исполнения лобовой стенки заодно с защитными теплоизолирующими экранами, что приводит к необходимости замены всей стенки при выходе из строя одного экрана.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков, так и по назначению, является кольцевая камера газотурбинного двигателя РФ №2 696 519, содержащая внутренний корпус, топливный коллектор, трубопровод, жаровую трубу включающую наружное и внутреннее кольцо с отверстиями для подвода воздуха внутрь жаровой трубы, дистанционные пластинки, гофрированные ленты для обеспечения высоты щелевого охлаждающего канала, кожухи, внутренние и наружные карманы, уплотнительные кольца для обеспечения стыка с турбиной, кольцевую головку, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, кронштейнов, тяг, наружного корпуса, на котором закреплены фланцами форсунки служащие для подвода топлива, выходные части форсунок установлены в отверстии корпусов завихрителей, закрепленных гайками в горелках жаровой трубы, между выходной частью каждой форсунки и корпусом завихрителя установлена втулка, размещенная в корпусе завихрителя, которая образует кольцевой лемнискатный канал. При этом корпус форсунки изготавливается с внутренним каналом для подвода топлива и с отверстиями для выхода топлива, в задней части имеет канал, в который установлена пробка. Горелка представляет сварной узел, состоящий из насадка профилированной конфузорной формы и завихрителя (см. патент RU 2696519, МПК F23R 3/23; F23R 3/24, опубл. 02.08.2019 г.).

Недостатками данного технического решения являются:

Невозможность снизить уровень концентрации оксидов азота в продуктах сгорания менее 150 мг/м³

Низкая надежность в работе в результате возникновения локального перегрева кольцевой головки в местах между горелками, происходящий под воздействием рабочих температур, что приводит к прогару камеры сгорания.

Не технологичность изготовления профилированного лемнискатного канала втулки и профилированного конфузорного канала.

Высокая себестоимость изготовления.

Отсутствует возможность доводки температурного поля.

Отсутствует возможность надежного розжига камеры сгорания

Отсутствует возможность настройки расхода топлива через форсунку.

Задачей заявленного изобретения является создание надежной и экономичной в эксплуатации камеры сгорания

Поставленная задача достигается тем, что кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливный коллектор, трубопровод, жаровую трубу включающую наружное и внутреннее кольцо, дистанционные пластинки, гофрированные ленты, кожухи, внутренние и наружные карманы, уплотнительные кольца, кольцевую головку, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, кронштейнов, тяг, корпус на бобышках которого закреплены фланцами форсунки, выходные части форсунок установлены в отверстиях корпусов завихрителей, закрепленных гайками в горелках жаровой трубы содержащих насадок, при этом кольцевая головка выполнена с раскрытыми козырьками, на фронтовой части кольцевой головки нанесены перфорационные охлаждающие отверстия, выходные части форсунок удлиненные, в корпусах завихрителей установлены защитные секторные экраны, насадки в горелках сужающейся формы, выходная часть форсунок находится в кольцевых каналах с фасками, внутренние и наружные карманы жаровой трубы выполнены из листового металла, в корпусах форсунок установлены жиклеры с отверстими.

Для обеспечения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания менее 150 мг/м³ сокращено время пребывания горячих газов в камере сгорания за счет уменьшения объема жаровой трубы исключением из конструкции двух колец и установкой кольцевой головки с раскрытыми козырьками и постановкой удлиненных форсунок.

Для обеспечения надежности в работе, и увеличение ресурса работы на фронтовой части кольцевой головки нанесены перфорационные охлаждающие отверстия, а в корпусе завихрителя установлены защитные секторные экраны.

Для обеспечения технологичности изготовления изменена конструкция каналов втулок и насадков горелок. Исключена лемниската в каналах втулок и исключен профилированный конфузорный насадок, который в новом исполнении выполнен сужающейся формы.

Выходные части форсунок установлены в кольцевые каналы с фасками, выполненными во втулках, размещенных в корпусах завихрителей, что так же позволило обеспечить технологичность изготовления.

Для обеспечения низкой себестоимости изготовления из конструкции жаровой трубы наружного и внутреннего колец исключены два кольца, что удешевило конструкцию.

Для обеспечения доводки температурного поля, карманы выполнены из листового металла, что позволяет в процессе проведения испытания камеры сгорания менять площади проходных сечений карманов влияя на расход проходящего воздуха и формировать оптимальное температурное поле.

Для обеспечения надежного розжига камеры сгорания изменена конструкция каналов втулок путем исключения лемнискаты и уменьшения площади проходного сечения каналов, что ограничивает расход поступающего воздуха и исключает поджатие топливной струи воздушным потоком.

Для обеспечения настройки расхода топлива необходимого для работы камеры сгорания, корпуса форсунок снабжены жиклерами с отверстиями. Отверстия могут быть разных диаметров в зависимости от необходимости обеспечения расходных параметров.

Благодаря использованию в заявляемой конструкции перечисленных существенных признаков, создана надежная по конструкции и экономичная в эксплуатации кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя.

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

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - общий вид кольцевой камеры сгорания, продольный разрез.

Фиг. 2 - общий вид на кольцевую головку с раскрытыми козырьками, форсунку, горелку с насадком сужающейся формы, кольцевой канал с фаской во втулке, корпус завихрителя с установленными защитными секторными экранами.

1 - трубопровод; 2 - кронштейн; 3 - топливный коллектор; 4 - тяги; 5, 6 - фиксаторы; 7 - наружное кольцо; 8 - жаровая труба, 9 - внутренние карманы; 10, 13 - кожухи; 11, 12 - уплотнительные кольца; 14 - наружные карманы; 15 -дистанционные пластинки; 16 - внутреннее кольцо; 17 - гофрированные ленты; 18 - насадок сужающейся формы; 19 - кольцевая головка; 20 - горелка; 21 - корпус завихрителя; 22 - гайка; 23 - форсунка, 24 - втулки; 25 - внутренний корпус камеры сгорания; 26 - корпус форсунки; 27 - пробка; 28 - внутренний канал; 29 - отверстия; 30 - фланец; 31 - бобышки; 32 - корпус камеры сгорания; 33 - втулка; 34 - защитные секторные экраны; 35 - перфорационные охлаждающие отверстия; 36 – жиклер; 37 - кольцевой канал с фаской.

Кольцевая камера сгорания (см. Фиг. 1) газотурбинного двигателя содержащая топливный коллектор 3, трубопровод 1, жаровую трубу 8 включающую наружное и внутреннее кольца 7, 16 содержащие втулки 24, дистанционные пластинки 15, гофрированные ленты 17, кожухи 10, 13, внутренние и наружные карманы 9, 14, уплотнительные кольца 11, 12, кольцевую головку 19 с раскрытыми козырьками, фиксаторы 5, 6 для подвешивания жаровой трубы 8, кронштейнов 2, тяг 4, форсунки 23, корпуса завихрителя 21 с установленными защитными секторными экранами 34, закрепленными гайками 22 в горелках 20.

Насадки 18 горелок 20 имеют сужающуюся форму. Выходные части форсунок 23 установлены в кольцевые каналы с фасками 37 выполненными во втулках 33, размещенных в корпусах завихрителей 21.

В выходной части форсунок 23 выполнены отверстия 29, позволяющие организовать струйную подачу топлива в зону горения, а в задней части форсунок установлены пробки 27.

Форсунки 23 (см. Фиг. 2) включают в себя корпуса форсунок 26 с установленными жиклерами 36 с отверстиями, пробок 27. Корпуса форсунок 26 изготавливается с внутренними каналами 28 для подвода топлива к отверстиям 29 для выхода струй топлива.

При помощи фланцев 30 форсунки 23 закреплены на бобышках 31 корпуса камеры сгорания 32.

Удлиненные выходные части форсунок 23 установлены в кольцевых каналах с фасками 37 во втулках 33 и размещенные в корпусах завихрителей 21, закрепленных гайками 22 в горелках 20 содержащих насадки 18 сужающейся формы.

Воздух компрессора проходит к жаровой трубе 8 через канал, образованный наружным 32 и внутренним 25 корпусами камеры сгорания и разделяется на два потока - первичный и вторичный.

Первичный поток (см. Фиг. 2) движется через отверстия 35, лопатки завихрителей и через кольцевые каналы с фасками во втулках 33 расположенных в корпусах завихрителей 21, и установленных в них выходными частями форсунок 23 проходит в жаровую трубу 8, а так же проходит через отверстия 35 в кольцевой головке 19 попадая в пространство между кольцевой головкой 19 и защитными секторными экранами 34 и распределяясь по стенкам кольцевой головки 19 формирует защитную пленку.

Топливо через отверстия 29 в форсунках подается во внутренние полости насадков 18 сужающейся формы горелок 20. Горелки 20 с форсунками 23, расположенные равномерно по окружности, обеспечивают предварительную частичную подготовку и подачу топливовоздушной смеси в зону горения жаровой трубы 8.

Вторичный поток (см. Фиг. 1) попадает в жаровую трубу 8 через два пояса отверстий на наружном и внутреннем кольцах 7, 16 в которые установлены цилиндрические втулки 24 и через внутренние и наружные карманы 9, 14 выполненные из листового материала на кожухах 10, 13 жаровой трубы 8.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, то есть заявленное техническое решение обеспечивает за счет внесения конструктивных изменений в конструкцию кольцевой камеры сгорания газотурбинных двигателей их более эффективное использование в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора, а именно: экологически безопасное, более дешевое, технологичное и надежное, так как обеспечивает снижение содержания оксидов азота, оксида углерода в продуктах сгорания, повышает надежность камеры сгорания, а значит и ресурс двигателя, в который она устанавливается, снижает себестоимость изготовления.

Заявленное техническое решение соответствует критерию промышленной применимости, может быть выполнено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий. Опытный образец изготовлен и испытан на стендовом оборудовании Акционерное общество «Казанское моторостроительное производственное объединение».

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к конструкциям камер сгорания наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит топливный коллектор (3), трубопровод (1), жаровую трубу (8), включающую наружное (7) и внутреннее кольцо (16), дистанционные пластинки (15), гофрированные ленты (17), кожухи (10,13), внутренние (14) и наружные карманы (9), уплотнительные кольца (11, 12), кольцевую головку (19), фиксаторы (5, 6) для подвешивания жаровой трубы (8), кронштейнов (2), тяг (4), корпус (32). На бобышках (31) корпуса (32) закреплены фланцами форсунки (30). Выходные части форсунок (30) установлены в отверстиях (29) корпусов завихрителей (21), закрепленных гайками в горелках жаровой трубы (8), содержащих насадки (18). Кольцевая головка (19) выполнена с раскрытыми козырьками, на фронтовой части кольцевой головки (19) нанесены перфорационные охлаждающие отверстия (35), выходные части форсунок (23) удлиненные, в корпусах завихрителей (21) установлены защитные секторные экраны (34), в горелках (20) насадки сужающейся формы (18), выходные части форсунок (23) находятся в кольцевых каналах с фасками (27), внутренние (9) и наружные (14) карманы жаровой трубы (8) выполнены из листового металла, в корпусах форсунок (26) установлены жиклеры (36) с отверстиями. Изобретение направлено на обеспечение регулировки подачи топлива, на повышение технологичности изготовления, улучшение защиты от перегрева и сокращение выбросов оксидов азота. 2 ил.

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливный коллектор, трубопровод, жаровую трубу, включающую наружное и внутреннее кольцо, дистанционные пластинки, гофрированные ленты, кожухи, внутренние и наружные карманы, уплотнительные кольца, кольцевую головку, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, кронштейнов, тяг, корпус, на бобышках которого закреплены фланцами форсунки, выходные части форсунок установлены в отверстиях корпусов завихрителей, закрепленных гайками в горелках жаровой трубы, содержащих насадки, отличающаяся тем что, кольцевая головка выполнена с раскрытыми козырьками, на фронтовой части кольцевой головки нанесены перфорационные охлаждающие отверстия, выходные части форсунок удлиненные, в корпусах завихрителей установлены защитные секторные экраны, насадки в горелках сужающейся формы, выходная часть форсунок находится в кольцевых каналах с фаской, внутренние и наружные карманы жаровой трубы выполнены из листового металла, в корпусах форсунок установлены жиклеры с отверстиями.