Кольцевая камера сгорания Российский патент 2024 года по МПК F23R3/28 F23R3/46 

Изобретение относится к стационарным газотурбинным двигателям ГТД, используемом в наземных условиях в судостроении, на газоперекачивающих станциях в качестве привода насоса и для пиковых энергетических установках в качестве привода электрогенератора.

Из существующего уровня техники известна камера сгорания содержащая корпус, жаровую трубу, имеющую плиту кольцевой формы с установленными на ней в два ряда форсуночными модулями и основной топливный коллектор, установленный на плите, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешней и внутренний корпусы жаровой трубы. Старцев Н.И. Конструкция и проектирование камеры сгорания ГТД: учеб пособие / Н.И. Старцев. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм., ун-та. 2007. - 120 с.: ил.].

Недостатком известной камеры сгорания высокая эмиссия вредных загрязняющих веществ, неполное сгорание топлива, высокая неравномерность поля температур на выходе их камеры сгорания.

Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая многофорсуночную головку, соединенную с кожухами для смещения для смешения вторичного воздуха с продуктами сгорания, кольцевые топливные коллекторы, форсунки (см. патент № RU 2103611, МПК; F23R 3/46, опубл. 1998 г.).

Недостатком данной камеры сгорания является то, что после скоростей воздуха на входе в камеру сгорания вследствие особенности распределения входных частей приводит к неравномерному полю температур и скоростей на выходе из камеры.

Известна камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая внешний корпус, жаровую трубу и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и топливный коллектор, соединенный с плитой и установленный в воздушной полости перед форсуночной плитой, полость которого соединена с одной стороны с топливопроводом, а с другой топливными каналами с форсуночными модулями, содержащими струйную топливную форсунку и каналы подвода и закрутки воздуха (см. патент № RU 2612231, МПК; F02C 7/22, F23R 3/14 опубл.2017 г.).

К недостаткам данной камеры сгорания можно отнести не обеспечение высокой полноты сгорания топлива в условиях уменьшенного объема жаровой трубы.

Известна камера сгорания ГТД, которая содержит корпус, жаровую трубу, имеющую внешнюю и внутреннюю стенки и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешней и внутренний корпусы (см. патент № RU 2493495, МПК; F02C 7/22, F23R 3/28, опубл. 2013 г.).

К недостаткам данной камеры сгорания можно отнести долгое время пребывания газа в жаровой трубе и образование местных зон горения с высокой температурой, что приводит к завышенным выбросами оксида азота (NO_x более 150 мг/м³).

Известна также кольцевая камера сгорания, содержащая наружный и внутренний корпусы, кольцевую жаровую трубу с охлаждаемыми наружной и внутренней стенками. Фронтовое устройство жаровой трубы выполнено в виде кольцевого блока форсунок (горелок), содержащего головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами подвода топлива к 139 форсункам (горелкам) второго и первого контуров. Форсунки (горелки) концентрично расположены между наружным и внутренним топливным коллекторами в два ряда в шахматном порядке, (см. Б.Г. Мингазов «Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Конструкция, моделирование процессов и расчет», стр. 12-14, Министерство образования и науки Российской Федерации. Казанский государственный университет им. А.Н. Туполева. Казань 2006, копия прилагается).

Основным недостатком указанной камеры сгорания является высокая окружная неравномерность температурного поля за фронтовым устройством из-за неравномерной, односторонней подачи топливного газа в форсунки, что приводит к образованию местных зон горения с высокой температурой, с завышенными выбросами вредных веществ, в частности оксида азота (NO_x более 150 мг/м³).

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением как по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно, известна кольцевая камера газотурбинного двигателя, состоящая из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, топливного коллектора, жаровой трубы включающей наружное и внутреннее кольцо, состоящее из трех секций с отверстиями для подвода воздуха, кожухи состоящие из двух секций, внутренние и наружные карманы, уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, фронтовое устройство жаровой трубы, содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора и закрепленного при помощи проходника и вкладыша установленного в гильзу, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями и стойками крепления форсунок к головке кольцевой при помощи корончатой гайки (см. «Руководство по технической эксплуатации двигателя НК-16-18СТ книга 2 раздел 6», 1996 г., стр. 97-98, рис. 6.25, стр. 99-101, рис. 6.26 копия прилагается).

Основными недостатками данного технического решения указанной камеры является:

- неравномерное поле скоростей и давлений на входе в жаровую трубу, наличие короткого плавного диффузора не позволяет выровняться потоку воздуха, идущему из компрессора;

- ненадежная фиксация штуцера подвода топлива, что приводит к снижению надежность топливоподводящей системы;

- необеспечение низкой концентрации оксидов азота в продуктах сгорания из-за ограниченного в кольцах жаровой трубы количества отверстий;

- необеспечение низкой себестоимости изготовления жаровой трубы включающей наружное и внутреннее кольцо, состоящее из трех секций с отверстиями для подвода воздуха и кожухов состоящих из двух секций;

- необеспечение высокой полноты сгорания топлива в условиях уменьшенного объема жаровой трубы, так как зона горения вытянута из-за дозированного подвода воздуха в жаровую трубу через отверстия в кольцах;

- необеспечение перемешивания топлива с воздухом на коротком расстоянии из-за высокой скорости потока топливно-воздушной смеси выходящей из форсунок.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно:

- выравнивание поля скоростей и давлений потока на входе в жаровую трубу;

- повышение надежности топливоподводящей системы;

- обеспечение низкой концентрации оксидов азота в продуктах сгорания;

- обеспечение низкой себестоимости изготовления жаровой трубы;

- повышение полноты сгорания топлива;

- обеспечение перемешивания топлива с воздухом на коротком расстоянии;

- повышение технологичности изготовления;

- обеспечение минимальной неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания.

Сущностью заявленного технического решения является то что, Кольцевая камера сгорания состоит из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, топливоподводящего коллектора, жаровой трубы включающей наружное и внутреннее кольцо, состоящее из трех секций с двумя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный и внутренний кожухи, состоящие из двух секций, внутренние и наружные карманы, уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, фронтовое устройство жаровой трубы содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора и закрепленного при помощи проходника и вкладыша установленного в гильзу, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями для установки топливных форсунок к кольцевой головке при помощи корончатой гайки.

Предложенная кольцевая камера сгорания характеризуется некоторыми конструктивными особенностями: наружное и внутреннее кольцо жаровой трубы состоит из двух секций с тремя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный и внутренний кожухи состоят из одной секции, объем жаровой трубы сокращен на 40%, диффузор имеет разъемный выравнивающий участок с переходом на плавное расширение, наружные карманы развернуты против основного потока и имеют одинаковую конструкцию с внутренними карманами, лопатки завихрителя верхнего ряда топливных форсунок по отношению к лопаткам завихрителя нижнего яруса топливных форсунок закручены в противоположную сторону, в штуцер подвода газа при помощи резьбового соединения установлен проходник, в стык между ними располагается уплотнительное кольцо, на цилиндрическую часть проходника одеты вкладыши полусферической формы, размещенные в плавающих втулках которые прижаты пакетом тарельчатых пружин при помощи резьбовой втулки установленной в гильзе располагаемой на корпусе наружном, топливоподводящий коллектор соединен с проходником при помощи топливопроводов количество которых выбирается в диапазоне от четырех до восьми.

Таким образом, поставленная задача в целом достигается тем, что:

для обеспечения выравнивания поля скоростей и давлений потока на входе в жаровую трубу диффузор имеет выравнивающий участок с переходом на плавное расширение.

Для повышения надежности топливоподводящей системы в штуцер подвода газа при помощи резьбового соединения установлен проходник, в стык между ними располагается уплотнительное кольцо, на цилиндрическую часть проходника одеты вкладыши полусферической формы, размещенные в плавающих втулках которые прижаты пакетом тарельчатых пружин при помощи резьбовой втулки, установленной в гильзе располагаемой на корпусе наружном.

Для обеспечения снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания 50% воздуха направлено в зону горения достигаемое тем, что наружное и внутреннее кольцо состоит из двух секций с тремя рядами отверстий для подвода воздуха.

Для снижения себестоимости изготовления из конструкции жаровой трубы исключены секции: наружное и внутреннее кольцо состоит из двух секций, наружный и внутренний кожух состоят из одной секции. Наружные карманы имеют одинаковую конструкцию с внутренними карманами.

Для обеспечения перемешивания топлива с воздухом на коротком расстоянии лопатки завихрителя верхнего ряда форсунок по отношению к лопаткам нижнего яруса форсунок закручены в противоположную сторону.

Для обеспечения технологичности изготовления наружное и внутреннее кольцо состоит из двух секций, наружный и внутренний кожух состоят из одной секции, карманы наружного и внутреннего кожуха одинаковой конструкции при этом карманы кожуха наружного развернуты против основного потока.

Для повышения полноты сгорания лопатки завихрителя верхнего ряда топливных форсунок по отношению к лопаткам завихрителя нижнего яруса топливных форсунок закручены в противоположную сторону.

Для обеспечения минимальной неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания, топливоподводящий коллектор соединен с проходником при помощи топливопроводов, количество которых выбирается в диапазоне от четырех до восьми, наружные карманы развернуты против основного потока.

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 чертежами:

фиг. 1 - общий вид кольцевой камеры сгорания,

фиг. 2 - вид на штуцер.

Кольцевая камера сгорания (фиг. 1) состоит из корпуса наружного 1 и внутреннего 2, диффузора 3, топливоподводящего коллектора 4, жаровой трубы 5, включающей наружное 6 и внутреннее кольцо 7, состоящее из трех секций с двумя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный 8 и внутренний 9 кожухи, состоящие из двух секций, внутренние 10 и наружные 11 карманы, уплотнительные кольца 12, фиксаторы 13 для подвешивания жаровой трубы 5, топливные форсунки 14, фронтовое устройство 15 жаровой трубы 5 содержащее головку кольцевую 16 с наружным 17 и внутренним 18 топливными коллекторами, штуцером 19 подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора 17 и закрепленного при помощи проходника 20 и вкладыша 21 установленного в гильзу 22, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами 23 подвода воздуха, с центральными отверстиями 24 для установки топливных форсунок 14 к кольцевой головке 16 при помощи корончатой гайки 25.

Заявленная кольцевая камера сгорания характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, наружное 6 и внутреннее 7 кольцо жаровой трубы 5 состоит из двух секций с тремя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный 8 и внутренний 9 кожухи состоят из одной секции, объем жаровой трубы 5 сокращен на 40%, диффузор 3 имеет разъемный выравнивающий участок 26 с переходом на плавное расширение, наружные карманы 11 развернуты против основного потока и имеют одинаковую конструкцию с внутренними карманами 10, лопатки 27 завихрителя 28 верхнего ряда топливных форсунок 14 по отношению к лопаткам 27 завихрителя 28 нижнего яруса топливных форсунок 14 закручены в противоположную сторону, (фиг. 2) в штуцер 19 подвода газа при помощи резьбового соединения установлен проходник 20, в стык между ними располагается уплотнительное кольцо 29, на цилиндрическую часть проходника 20 одеты вкладыши 21 полусферической формы, размещенные в плавающих втулках 30 которые прижаты пакетом тарельчатых пружин 31 при помощи резьбовой втулки 32 установленной в гильзе 22 располагаемой на корпусе наружном 1.

Топливоподводящий коллектор 4 соединен с проходником 20 при помощи топливопроводов 33, количество которых выбирается в диапазоне от четырех до восьми.

Воздух компрессора (фиг. 1) движется через разъемный выравнивающий участок, в котором выравнивается поле скоростей и давлений, затем поток попадает на плавное расширение и диффузор 24, проходя к жаровой трубе 9, и разделяется на два потока - первичный и вторичный.

Первичный поток (фиг. 1) попадает в топливные форсунки 14 через фигурные окна 23.

Топливо (фиг. 2) из топливоподводящего коллектора 4 поступает при помощи топливопроводов 33 в наружный коллектор 17 и по внутренним каналам головки кольцевой 16 распределяется по форсункам 14. Затем топливо смешиваются с воздухом, выходящим из лопаток 27 завихрителей 28 топливной форсунки 14 образуя топливно-воздушную смесь, которая поступает в жаровую трубу 5. При этом лопатки 27 завихрителя 28 верхнего ряда топливных форсунок 14 по отношению к лопаткам 27 завихрителя 28 нижнего яруса топливных форсунок 14 закручены в противоположную сторону, что усиливает взаимодействие турбулентных вихревых потоков и позволяет произвести сжигание на коротком расстоянии.

Вторичный поток (фиг. 1) для обеспечения процесса горения попадает в жаровую трубу 5 через три ряда отверстий на наружном 8 и внутреннем 9 кольцах жаровой трубы 5, а для разбавления горячего газа воздух проходит через карманы 10, 11 жаровой трубы 5. При этом наружные карманы 10 развернуты против основного потока.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, т. е. заявленное техническое решение обеспечивает за счет внесения конструктивных изменений в конструкцию камеры сгорания газотурбинных двигателей их более эффективное использование в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора, а именно: экологически безопасно, технологичное и надежное, т. к. обеспечивает снижение содержания окислов азота в продуктах сгорания, повышает надежность камеры сгорания, а значит и ресурс двигателя, в который она устанавливается, снижает себестоимость изготовления.

Заявленное техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

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 АО «Казанское моторостроительное производственное оборудование».

Изобретение относится к стационарным газотурбинным двигателям ГТД, используемым в наземных условиях в судостроении, на газоперекачивающих станциях в качестве привода насоса и для пиковых энергетических установок в качестве привода электрогенератора. Кольцевая камера сгорания состоит из корпуса наружного (1) и внутреннего (2), диффузора (3), топливоподводящего коллектора (4), жаровой трубы (5), включающей наружное (6) и внутреннее (7) кольцо, состоящее из трех секций с двумя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный (8) и внутренний (9) кожухи, состоящие из двух секций, внутренние (10) и наружные (11) карманы, уплотнительные кольца (12), фиксаторы (13) для подвешивания жаровой трубы (5), топливные форсунки (14). Фронтовое устройство (15) жаровой трубы (5) содержит головку кольцевую (16) с наружным (17) и внутренним (18) топливными коллекторами, штуцером (19) подвода газа во внутреннюю полость наружного (17) коллектора, закрепленным при помощи проходника (20) и вкладыша (21), установленного в гильзу (22), равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами (23) подвода воздуха, с центральными отверстиями (24) для установки топливных форсунок (14) к кольцевой головке (16) при помощи корончатой гайки (25). При этом наружное (6) и внутреннее (7) кольцо жаровой трубы (5) состоят из двух секций с тремя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный (8) и внутренний (9) кожухи состоят из одной секции, объем жаровой трубы (5) сокращен на 40%. Диффузор (3) имеет разъемный выравнивающий участок с переходом на плавное расширение, наружные карманы (11) развернуты против основного потока и имеют одинаковую конструкцию с внутренними карманами (10). Лопатки (27) завихрителя (28) верхнего ряда топливных форсунок (14) по отношению к лопаткам (27) завихрителя (28) нижнего яруса топливных форсунок (14) закручены в противоположную сторону. В штуцер (19) подвода газа при помощи резьбового соединения установлен проходник (20), в стык между ними располагается уплотнительное кольцо (29). На цилиндрическую часть проходника (20) надеты вкладыши (21) полусферической формы, размещенные в плавающих втулках (30), которые прижаты пакетом тарельчатых пружин (31) при помощи резьбовой втулки (32), установленной в гильзе, располагаемой на корпусе наружном (1). Топливоподводящий коллектор (4) соединен с проходником (20) при помощи топливопроводов (23), количество которых выбирается в диапазоне от четырех до восьми. 2 ил.

Кольцевая камера сгорания состоит из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, топливоподводящего коллектора, жаровой трубы, включающей наружное и внутреннее кольцо, состоящее из трех секций с двумя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный и внутренний кожухи, состоящие из двух секций, внутренние и наружные карманы, уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, фронтовое устройство жаровой трубы, содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора и закрепленного при помощи проходника и вкладыша, установленного в гильзу, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями для установки топливных форсунок к кольцевой головке при помощи корончатой гайки, отличающаяся тем, что наружное и внутреннее кольцо жаровой трубы состоит из двух секций с тремя рядами отверстий для подвода воздуха, наружный и внутренний кожухи состоят из одной секции, объем жаровой трубы сокращен на 40%, диффузор имеет разъемный выравнивающий участок с переходом на плавное расширение, наружные карманы развернуты против основного потока и имеют одинаковую конструкцию с внутренними карманами, лопатки завихрителя верхнего ряда топливных форсунок по отношению к лопаткам завихрителя нижнего яруса топливных форсунок закручены в противоположную сторону, в штуцер подвода газа при помощи резьбового соединения установлен проходник, в стык между ними располагается уплотнительное кольцо, на цилиндрическую часть проходника надеты вкладыши полусферической формы, размещенные в плавающих втулках, которые прижаты пакетом тарельчатых пружин при помощи резьбовой втулки, установленной в гильзе, располагаемой на корпусе наружном, топливоподводящий коллектор соединен с проходником при помощи топливопроводов, количество которых выбирается в диапазоне от четырех до восьми.