Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F23R3/50 

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

Известна кольцевая камера сгорания (RU 2215241 С2) газотурбинного двигателя, содержащая наружный корпус с радиальными стойками, внутренний корпус и лобовую стенку, соединенную с наружным и внутренним кожухами, с экраном и форсунками расположенными в два яруса и внутренним смешением топлива и воздуха.

Недостатками известной кольцевой камеры сгорания являются малая длина жаровой трубы, что приводит к недожогу топлива и увеличенному содержанию оксидов углерода в продуктах сгорания. На «бедных» смесях и на переходных режимах работы камеры сгорания наблюдается неустойчивое горение. После скоростей воздуха на входе в камеру сгорания, вследствие неравномерного распределения расхода топлива по всем форсункам, также неравномерно, что приводит к неравномерному полю температур и скоростей на выходе из камеры.

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 описание к рис. 1.3. Министерство образования и науки Российской Федерации. Казанский государственный университет им. А.Н.Туполева. Казань 2006 - прототип изобретения, копия прилагается).

Такая камера сгорания включает фронтовое устройство, которое содержит головку кольцевую с наружным и внутренним коллекторами и отражателем на козырьках головки кольцевой. Наружный коллектор головки кольцевой через трубопровод и расположенный на его наружной поверхности штуцер, соединен с общим наружным коллектором, подвешенным к наружному корпусу камеры. Топливо из общего коллектора поступает в наружный коллектор головки кольцевой и далее по каналам выполненным в стойках воздушных фигурных окон, поступает во внутренние полости форсунок (горелок) наружного и внутреннего рядов, где распылителями дробятся на отдельные части, смешиваются с воздухом, поступающим в форсунки через воздушные фигурные окна, образуют топливно-воздушную смесь, которая сгорает в первичной зоне горения.

Основным недостатком указанной кольцевой камеры сгорания является высокая окружная неравномерность температурного поля за фронтовым устройством из-за неравномерной, односторонней подачи топлива в форсунки (горелки). Не возможность работы камеры сгорания в условиях форсированной подачи воздуха, так как плавный диффузор имеет ограничения по диапазону устойчивой работы и при увеличении скорости подачи воздуха возникают отрывы потока приводящие к неустойчивой работе камеры сгорания.

Известно фронтовое устройство жаровой трубы кольцевой камеры сгорания по патенту на изобретение RU №2499194. Сущность заключается в том, что фронтовое устройство жаровой трубы кольцевой камеры сгорания, содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним коллекторами, с равномерно расположенными по окружности наружного коллектора, штуцерами подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора и выполненными на головке кольцевой между коллекторами, концентрично и равномерно расположенными по окружности в один ряд воздушными фигурными окнами, подвода воздуха в первичную зону горения, с центральными отверстиями и стойками крепления горелок к головке кольцевой, при этом в стойках выполнены сквозные каналы подвода газа к горелкам, которые через горелки соединяют между собой полости наружного и внутреннего топливных коллекторов, с целью подвода газа к горелкам равномерно с двух сторон, как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего топливных коллекторов, в перемычках между воздушными фигурными окнами, выполнены дополнительные каналы, которые соединяют между собой полость внутреннего топливного коллектора с наружным, с площадью поперечного сечения канала, больше или равным площади поперечного сечения канала, выполненных в стойках, при этом количество каналов, выполненных в перемычках, равно количеству каналов, выполненных в стойках.

Недостатками известной кольцевой камеры сгорания являются то, что на выходе из горелки по соотношению воздуха и топлива формируется «обедненная» топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=1,8-2, что приводит к недожогу топлива, «бедному» срыву пламени, неустойчивому горению, проскоку пламени, высокой неравномерности температурного поля и высокому содержанию оксидов углерода в выхлопных газах.

Указанные выше недостатки в совокупности не позволяют реализовать цели, поставленные в заявленном 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,

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 сгорания газотурбинного двигателя (см. «Руководство по технической эксплуатации двигателя НК-16-18СТ книга 2 раздел 6», 1996 г., стр. 97, 98, рис. 6.25, стр. 98.1 рис. 6.25А, стр. 99, 101, рис. 6.26 копия прилагается), состоящая из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, общего топливного коллектора, жаровой трубы включающей наружное и внутреннее кольцо с отверстиями для подвода воздуха, дистанционные пластины, гофрированные ленты, наружный и внутренний кожухи, внутренние и наружные карманы, верхнее и нижнее уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, головку кольцевую жаровой трубы содержащую фронтовую плиту с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями и стойками крепления форсунок к головке кольцевой при помощи корончатой гайки.

Основными недостатками данного технического решения указанной камеры является:

Низкая полнота сгорания топлива в качества распыла газа форсункой, имеющей в конструкции шнек. Наличие шнека формирует сплошную веерную струю, которая неустойчива к внешним воздействиям при флуктуациях воздушного потока, что приводит к возникновению большой неравномерности температуры по оси форсунки.

Высокая окружная неравномерности температурного поля с появлением местных зон горения с высокой температурой за фронтовым устройством. Наличие разных диаметров каналов подвода топлива к форсункам и отсутствие отдельных каналов, которые соединяют между собой полость внутреннего коллектора головки кольцевой с наружным не обеспечивает равномерного распределения топлива по форсункам.

Вытянутая зона горения и большая протяженность высоких температур приводит к увеличению уровня содержания оксидов азота в продуктах сгорания. Наличие отверстий подвода воздуха на первом и втором кольцах жаровой трубы.

Не устойчивая работа камеры сгорания в условиях форсированной подачи воздуха, так как плавный диффузор имеет ограничения по диапазону устойчивой работы, при увеличении скорости подачи воздуха возникают отрывы потока, приводящие к неустойчивой работе камеры сгорания.

Высокие гидравлические потери на диффузоре из-за наличия отбора воздуха и перфорационных отверстий на наружной стенке диффузора. Известное техническое решение, так же как и предыдущий аналог, не обеспечивает:

- возможность повышения полноты сгорания топлива;

- отсутствие местного перегрева фронтового устройства;

- снижение выбросов вредных загрязняющих веществ;

- равномерное распределение топлива по форсункам;

- равномерное температурное поле на выходе из камеры сгорания;

- повышение надежности камеры сгорания.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно:

1 - повышение полноты сгорания топлива;

2 - исключение местных зон горения с высокой температурой за фронтовым устройством;

3 - снижение выбросов вредных загрязняющих веществ;

4 - обеспечение равномерного температурного поля на выходе из камеры сгорания;

5 - обеспечение равномерного распределения топлива по форсункам;

6 - обеспечение устойчивой работы камеры сгорания в условиях форсированной подачи воздуха;

7 - обеспечение надежности камеры сгорания;

8 - снижение гидравлических потерь на диффузоре камеры сгорания;

9 - упрощение конструкции.

Сущностью заявленного технического решения является то, что кольцевая камера сгорания состоит из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, общего топливного коллектора, жаровой трубы включающей наружное и внутреннее кольцо с отверстиями для подвода воздуха, дистанционные пластинки, гофрированные ленты, наружный и внутренний кожухи, внутренние и наружные карманы, верхнее и нижнее уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, содержащие шнек, фронтовое устройство жаровой трубы, содержащее головку кольцевую с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями и стойками крепления форсунок к головке кольцевой при помощи корончатой гайки.

Предложенная кольцевая камера сгорания характеризуется некоторыми конструктивными особенностями:

- во фронтовой плите выполнены четыре канала, соединяющие полость внутреннего топливного коллектора с полостью наружного;

- в форсунке установлен конусно - цилиндрический насадок;

- в корпус форсунки установлен распылитель с радиальными отверстиями;

- на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий выполнены отбортовки длиной в отношении к диаметру отверстия равной D/L=1,6;

- на входе в камеру сгорания размещен отрывной диффузор;

- на козырьках головки кольцевой нанесено теплозащитное покрытие;

- уплотнительные кольца имеют площадки для контакта с демпфирующими кольцами.

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

Для обеспечения высокой полноты сгорания топлива в распылителе выполнены радиальные отверстия, что позволяет организовать качественное перемешивание топлива с воздухом перед подачей в зону горения.

Для исключения местных зон горения с высокой температурой за головкой кольцевой приводящих к местному перегреву фронтовой плиты, в форсунке установлен конусно -цилиндрический насадок с толщиной стенки сопла вдвое превышающей толщину конусной части, а на козырьках головки кольцевой нанесено теплозащитное покрытие.

Для снижения выбросов вредных загрязняющих веществ в распылителе выполнены радиальные отверстия, в форсунке установлен конусно-цилиндрический насадок с толщиной стенки сопла вдвое превышающей толщину конусной части, на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий выполнены отбортовки длиной в отношении к диаметру отверстия равной D/L=l,6, что позволяет сместить фронт пламени и сократить время пребывания горячих газов в зоне горения и интенсифицировать процесс смешения топлива с воздухом, что приводит к снижению выбросов оксидов азота.

Для обеспечения равномерного распределения топлива по форсункам во фронтовой плите выполнены четыре канала соединяющие полость внутреннего топливного коллектора с полостью наружного.

Для обеспечения равномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий выполнены отбортовки длиной в отношении к диаметру отверстия равной D/L=l,6, что позволяет обеспечить увеличения проникающей способности струй воздуха в зону горения.

Для обеспечения устойчивой работы камеры сгорания в условиях форсированной подачи воздуха путем постановки на входе в жаровую трубу отрывного диффузора.

Для повышения надежности камеры сгорания уплотнительные кольца имеют площадки для контакта с демпфирующими кольцами, что позволяет исключить выработки на уплотнительных кольцах и их деформации.

Для снижения гидравлических потерь на диффузоре камеры сгорания на входе в жаровую трубу установлен отрывной диффузор.

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 камеры сгорания, продольный разрез.

Фиг. 2 - общий вид фронтовой плиты.

Фиг. 3 - разрез фронтовой плиты.

Фиг. 4 - общий вид на форсунку с распылителем.

Кольцевая камера сгорания (Фиг. 1) газотурбинного двигателя содержащая общий топливный коллектор (1), корпуса наружный (10) и внутренний (19), жаровую трубу (9), включающую кольцо наружное (8) и кольцо внутреннее (18) с воздухоподводящими отверстиями, пластины (17), гофрированные ленты (7), кожухи наружный (12) и внутренний (15), внутренние (16) и наружные (11) карманы, верхнее (13) и нижнее (14) уплотнительные кольца, головку кольцевую (20), состоящую из фронтовой плиты (22), содержащей фигурные окна (35), внутренние каналы (27) и колец (2), (23) формирующих внутренний (34) и наружный (26) коллекторы, фиксаторы (5) устанавливаемые на фланцы фиксаторов (4) и во втулку фиксаторов (6) необходимых для подвешивания жаровой трубы (9), крепление общего топливного коллектора (1) к корпусу (10) производится при помощи пластин (3), топливные форсунки (21), закрепленные корончатой гайкой (25) в окнах фронтовой плиты (22) (Фиг. 2,3).

Заявленная кольцевая камера сгорания характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, во фронтовой плите (22) выполнены четыре канала (30) соединяющие полость внутреннего коллектора с полостью наружного коллектора (26), в форсунке (21) установлен конусно-цилиндрический насадок (32) с толщиной стенки сопла вдвое превышающей толщину конусной части, в корпус форсунки установлен распылитель (31) с радиальными отверстиями (33), на наружном (8) и внутреннем (18) кольцах жаровой трубы (9) отбортовки воздухоподводящих отверстий (30) выполнены в соотношении D/L=1.6 (где D - диаметр отверстия, L - длина отбортовки), на входе в камеру сгорания размещен отрывной диффузор (24) сформированный профилем наружного (10) и внутреннего корпусов (19), на козырьках головки кольцевой (20) нанесено теплозащитное покрытие, уплотнительные кольца (13,14) имею площадки для контакта с демпфирующими элементами (28,29).

Воздух компрессора (на Фиг. 1. не показан) проходит через отрывной диффузор (24) к жаровой трубе (9) и разделяется на два потока - первичный и вторичный.

Первичный поток (Фиг. 2) попадает в форсунки (21) через фигурные окна (35).

Топливо (Фиг. 2,3) из общего топливного коллектора (1) поступает через штуцер подвода газа в наружный коллектор (26) и по четырем каналам (30) попадает во внутренний коллектор (34) кольцевой головки (20) далее по каналам (27) фронтовой плиты (22) распределяется во внутренние полости форсунок (горелок) наружного и внутреннего рядов. Затем топливо (Фиг. З.) попадает в распылитель (31) с радиальными отверстиями (33), смешиваются с воздухом, поступающим в форсунки (21) через фигурные окна (35), образуют топливно-воздушную смесь, которая поступает в конусно-цилиндрический насадок (32) увеличивая скорость истечения и попадает в жаровую трубу (9), где сгорает.

Вторичный поток (Фиг. 1.) попадает в жаровую трубу (9) через воздухоподводящие отверстия (30) на кольцах (8,18), и через карманы (11,16) на наружном (12) и внутреннем кожухах (15) жаровой трубы (9).

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

Обеспечение высокой полноты сгорания топлива достигнуто за счет выполнения в распылителе радиальных отверстий, что позволяет организовать качественное перемешивание топлива с воздухом перед подачей в зону горения.

Исключение местных зон горения с высокой температурой за кольцевой головкой приводящих к местному перегреву фронтовой плиты, достигнуто за счет установки в форсунке конусно-цилиндрического насадка с толщиной стенки сопла вдвое превышающей толщину конусной части, и нанесением теплозащитного покрытия на внутреннюю поверхность головки кольцевой.

Снижение выбросов вредных загрязняющих веществ достигнуто за счет выполнения в распылителе радиальных отверстий, установки в форсунку конусно-цилиндрического насадка с толщиной стенки сопла вдвое превышающей толщину конусной части, выполнение на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий с отбортовкой имеющей длину в отношении к диаметру отверстия равную D/L=l,6, что позволяет сместить фронт пламени и сократить время пребывания горячих газов в зоне горения и интенсифицировать процесс смешения топлива с воздухом, тем самым снизить выбросы оксидов азота. Обеспечение равномерного распределения топлива по форсункам достигнуто за счет того, что во фронтовой плите выполнены четыре канала соединяющие полость внутреннего топливного коллектора с полостью наружного.

Обеспечение равномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания достигается за счет того, что на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий выполнены отбортовки длиной в отношении к диаметру отверстия равной D/L=1,6, что позволяет обеспечить увеличения проникающей способности струй воздуха в зону горения.

Обеспечение устойчивой работы камеры сгорания в условиях форсированной подачи воздуха достигается за счет постановки на входе в жаровую трубу отрывного диффузора.

Повышения надежности камеры сгорания достигается за счет доработки уплотнительных колец, которые имеют площадки для контакта с демпфирующими кольцами, что позволяет исключить выработки на уплотнительных кольцах и их деформации.

Снижение гидравлических потерь на диффузоре камеры сгорания достигается за счет установки отрывного диффузора на входе в жаровую трубу.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение обеспечивается 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 безопасное, технологичное, так как обеспечивает снижение содержания оксидов азота, оксида углерода в продуктах сгорания, повышает надежность камеры сгорания.

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 газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора. Кольцевая камера сгорания состоит из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, общего топливного коллектора, жаровой трубы, включающей наружное и внутреннее кольца с отверстиями для подвода воздуха, дистанционные пластины, гофрированные ленты, наружный и внутренний кожухи, внутренние и наружные карманы, верхнее и нижнее уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, головку кольцевую жаровой трубы, содержащую фронтовую плиту с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями и стойками крепления форсунок к головке кольцевой при помощи корончатой гайки. Во фронтовой плите выполнены четыре канала, соединяющие полость внутреннего топливного коллектора с полостью наружного, в форсунке установлен конусно-цилиндрический насадок с толщиной стенки сопла, вдвое превышающей толщину конусной части, в корпус форсунки установлен распылитель с радиальными отверстиями, на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий выполнены отбортовки длиной в отношении к диаметру отверстия, равной D/L=l,6, на входе в камеру сгорания размещен отрывной диффузор, на козырьках головки кольцевой нанесено теплозащитное покрытие, уплотнительные кольца имеют площадки для контакта с демпфирующими кольцами. Изобретение позволяет обеспечить снижение содержания оксидов азота, оксида углерода в продуктах сгорания, повысить надежность камеры сгорания. 3 ил.

Кольцевая камера сгорания состоит из корпуса наружного и внутреннего, диффузора, общего топливного коллектора, жаровой трубы, включающей наружное и внутреннее кольца с отверстиями для подвода воздуха, дистанционные пластины, гофрированные ленты, наружный и внутренний кожухи, внутренние и наружные карманы, верхнее и нижнее уплотнительные кольца, фиксаторы для подвешивания жаровой трубы, топливные форсунки, головку кольцевую жаровой трубы, содержащую фронтовую плиту с наружным и внутренним топливными коллекторами, штуцером подвода газа во внутреннюю полость наружного коллектора, равномерно расположенными в два ряда фигурными окнами подвода воздуха, с центральными отверстиями и стойками крепления форсунок к головке кольцевой при помощи корончатой гайки, отличающаяся тем, что во фронтовой плите выполнены четыре канала, соединяющие полость внутреннего топливного коллектора с полостью наружного, в форсунке установлен конусно-цилиндрический насадок с толщиной стенки сопла, вдвое превышающей толщину конусной части, в корпус форсунки установлен распылитель с радиальными отверстиями, на наружном и внутреннем кольцах жаровой трубы воздухоподводящих отверстий выполнены отбортовки длиной в отношении к диаметру отверстия, равной D/L=l,6, на входе в камеру сгорания размещен отрывной диффузор, на козырьках головки кольцевой нанесено теплозащитное покрытие, уплотнительные кольца имеют площадки для контакта с демпфирующими кольцами.