Газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F23R3/28 F23R3/14 F23D14/24 

Газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя предназначены для сжигания газа в тепловырабатывающих устройствах, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей, где требуется низкая концентрация вредных загрязняющих веществ и организация устойчивого процесса горения на всех режимах работы стационарного газотурбинного двигателя.

Известно (Патент РФ №2 499 194) фронтовое устройство жаровой трубы кольцевой камеры сгорания (газораспределительное устройство) содержащее полость подвода топлива, воздухоподводящие окна.

Недостатком данного газораспределительного устройства является отсутствие равномерного поля скоростей и давлений на входе в завихритель, а также отсутствие возможности подачи топлива в два контура горелочного устройства.

Известно (Патент РФ №2 137042) горелочное устройство которое содержит внешний цилиндрический кожух и цилиндрическую втулку, образующие проточную полость, магистраль подвода топлива, расположенную внутри цилиндрической втулки, аксиальный лопаточный завихритель, установленный между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой, по меньшей мере два ряда газовых сопел (распылителей), расположенных с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющих по одному цилиндрическому осевому отверстию, также может содержать дополнительную топливную магистраль, расположенную внутри цилиндрической втулки, систему отверстий, расположенных на цилиндрической втулке вблизи концевого сечения,

Недостатками данной конструкции является размещение двух рядов газовых сопел за аксиальным лопаточным завихрителем, что не обеспечивает полного перемешивания топливновоздушной смеси и усложняет конструкцию.

Известно устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки (Патент РФ №2143642) содержит коаксиально размещенные центральную топливную форсунку, воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе, топливовоздушный канал с топливоподводящим устройством в районе его входа и завихрителем и наружный канал с воздушным подводом. Завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе. Наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством. Выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями.

В этом устройстве производится предварительное смешение топлива и воздуха в топливовоздушном канале и подается при помощи струй в закрученный завихрителем поток воздуха. В камеру сгорания из этого устройства поступает недостаточно подготовленная топливовоздушная смесь, что приводит к неравномерности распределения температур в зоне горения камеры сгорания. Так как смешение топлива и воздуха в топливовоздушном канале организовано недостаточно эффективно это приведет к увеличению содержания оксидов азота NO_x в продуктах сгорания и возникновению не устойчивого процесса горения. Так же в данном конструктивном решении не предусмотрено обеспечение равномерного поле скоростей и давлений на входе в завихритель.

Известно горелочное устройство (Патент РФ №2170391) содержит вспомогательную центральную горелку диффузионного типа, отделанную со стороны горения от основной кольцевым экраном, лопаточный завихритель с полыми лопатками, у которых во внешнем ярусе выполнены щели для раздачи топлива. Лопатки внутреннего яруса лопаточного завихрителя выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Отношение площадей щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным.

Недостатком данного горелочного устройств являются некачественная подготовка топливновоздушной смеси, так как перфорации находятся на выходной кромке лопаток непосредственно перед входом в зону горения, что приведет к локальным образованиям высоких температур в зоне горения и как следствие не обеспечение стабильного розжига.

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением как по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно, известна горелка, содержащая газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая завихритель с лопатками, сопло, корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа внутри корпуса и далее к лопаткам завихрителя, шлицевую гайку выполненную в виде полого цилиндра с резьбой с уплотнительными кольцами для крепления к газораспределительному устройству содержащему воздухоподводящие окна

Основными недостатками данного технического решения указанной горелки является:

Низкая полнота сгорания топлива.

Отсутствие возможности регулировки процесса сжигания топлива.

Не устойчивый процесс горения.

Не обеспечение стабильного розжига.

Высокая концентрация выбросов окислов углерода (более 300мг/м³) на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды.

Кроме указанного известное техническое решение, так же как и предыдущие аналоги, не обеспечивает:

-высокую полноту сгорания топлива.

- возможности регулировки процесса сжигания топлива.

- устойчивого процесса горения.

- стабильный розжиг.

- низкий уровень выбросов окислов углерода на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды.

-качественную подготовку топливновоздушной смеси.

- равномерное поле скоростей и давлений на входе в завихритель.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно:

- обеспечение высокой полноты сгорания топлива.

- обеспечение возможности регулировки процесса сжигания топлива.

- обеспечение устойчивого процесса горения.

- обеспечение стабильного розжига.

- обеспечение низкого уровня выбросов окислов углерода, оксидов азота на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды.

- обеспечение качественной подготовки топливновоздушной смеси.

-обеспечение равномерного поля скоростей и давлений на входе в завихритель.

Сущностью заявленного технического решения является, газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая завихритель с лопатками, сопло, корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа внутри корпуса и далее к лопаткам завихрителя, шлицевую гайку выполненную в виде полого цилиндра с резьбой с уплотнительными кольцами для крепления к газораспределительному устройству содержащему воздухоподводящие окна,

Предложенное газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя характеризуется некоторыми конструктивными особенностями:

газораспределительное устройство содержит две полости подвода топлива, к газораспределительному устройству установлены наружный и внутренний кольцевые козырьки содержащие плавный вход,

перед завихрителем в середине между лопатками установлены распылители обтекаемой формы которые выступают в тракт между соплом и корпусом, по высоте распылителя нанесены отверстия в три ряда и выполнены перпендикулярно входной кромке лопатки завихрителя, в корпусе выполнена полость для равномерного распределения топлива между распылителям, а так же центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями, входная часть шлицевой гайки сферической формы, корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе, сопло цилиндрической формы с плавным расширением к выходу и длиной достаточной для обеспечения однородной топливновохдушной смеси.

Таким образом, поставленная задача в целом достигается тем, что

Для обеспечения высокой полноты сгорания топлива корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе, в корпусе выполнен центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями для выхода топлива.

Для обеспечения возможности регулировки процесса сжигания топлива газораспределительное устройство содержит две полости подвода топлива, что позволяет производить распределение расхода топлива между центральным каналом круглой формы заканчивающимся перемычкой с отверстиями и распылителем обтекаемой формы который выступает в тракт между соплом и корпусом.

Для обеспечения устойчивого процесса горения в корпусе выполнен центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями, корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе.

Для обеспечения низкого уровня выбросов окислов углерода, оксидов азота на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды газораспределительное устройство содержит две полости подвода топлива, что обеспечивает дозированную подачу топлива в центральный канал круглой формы заканчивающимся перемычкой с отверстиями и распылитель обтекаемой формы который выступает в тракт между соплом и корпусом.

Для обеспечения качественной подготовки топливновоздушной смеси сопло цилиндрической формы с плавным расширением к выходу и длиной достаточной для обеспечения однородной топливновохдушной смеси, перед завихрителем в середине между лопатками установлены распылители обтекаемой формы которые выступают в тракт между соплом и корпусом, по высоте распылителя нанесены отверстия в три ряда и выполнены перпендикулярно входной кромке лопатки завихрителя, в корпусе выполнена полость для равномерного распределения топлива между распылителям.

Для обеспечения стабильного в корпусе выполнен центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями для выхода топлива формирующего диффузионный факел.

Для обеспечения равномерного поля скоростей и давлений на входе в завихритель к газораспределительному устройству установлены наружный и внутренний кольцевые козырьки содержащие плавный вход, входная часть шлицевой гайки сферической формы

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - общий вид газораспределительного устройства и горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя, продольный разрез.

Газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая завихритель 1 с лопатками 2, сопло 3, корпус 4, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу 5 для соединения со шлицевой гайкой 6 и отверстия 7 подвода газа внутри корпуса 4 и далее к лопаткам 2 завихрителя 1, шлицевую гайку 6 выполненную в виде полого цилиндра с резьбой с уплотнительными кольцами 8 для крепления к газораспределительному устройству 9 содержащему воздухоподводящие окна 24,

Заявленная газораспределительное устройство и горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, что газораспределительное устройство 9 содержит две полости подвода топлива 10, к газораспределительному устройству установлены наружный 11 и внутренний 12 кольцевые козырьки содержащие плавный вход 13, перед завихрителем 1 в середине между лопатками 2 установлены распылители 14 обтекаемой формы которые выступают в тракт между соплом 3 и корпусом 4, по высоте распылителя 14 нанесены отверстия 15 в три ряда и выполнены перпендикулярно входной кромке лопатки 2 завихрителя 1, в корпусе 4 выполнена полость 16 для равномерного распределения топлива между распылителям 14, а так же центральный канал 17 круглой формы, заканчивающийся перемычкой 18 d1/d =4..6 с отверстиями 19, входная часть 20 шлицевой гайки 6 сферической формы, корпус 4 имеет расширяющееся центральное тело 21 D/d1=1,2…1,4 и L=10…18мм с нишей 22 в форме усеченного конуса на выходе, сопло 3 цилиндрической формы с плавным расширением к выходу 23 и длиной достаточной для обеспечения однородной топливновохдушной смеси L1/Dзав=2…4.

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

Обеспечение высокой полноты сгорания топлива достигнуто за счет того, что корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе, в корпусе выполнен центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями для выхода топлива.

Обеспечение возможности регулировки процесса сжигания топлива достигнуто за счет того, что газораспределительное устройство содержит две полости подвода топлива, что позволяет производить распределение расхода топлива между центральным каналом круглой формы заканчивающимся перемычкой с отверстиями и распылителем обтекаемой формы который выступает в тракт между соплом и корпусом.

Обеспечение устойчивого процесса горения достигнуто за счет того, что в корпусе выполнен центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями, корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе.

Обеспечение низкого уровня выбросов окислов углерода, оксидов азота достигнуто за счет того, что на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды газораспределительное устройство содержит две полости подвода топлива, что обеспечивает дозированную подачу топлива в центральный канал круглой формы заканчивающимся перемычкой с отверстиями и распылитель обтекаемой формы который выступает в тракт между соплом и корпусом.

Обеспечение качественной подготовки топливновоздушной смеси достигнуто за счет того, что сопло цилиндрической формы с плавным расширением к выходу и длиной достаточной для обеспечения однородной топливновохдушной смеси, перед завихрителем в середине между лопатками установлены распылители обтекаемой формы которые выступают в тракт между соплом и корпусом, по высоте распылителя нанесены отверстия в три ряда и выполнены перпендикулярно входной кромке лопатки завихрителя, в корпусе выполнена полость для равномерного распределения топлива между распылителям.

Обеспечение стабильного розжига достигнуто за счет того, что в корпусе выполнен центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями для выхода топлива формирующего диффузионный факел.

Обеспечение равномерного поля скоростей и давлений на входе в завихритель достигается за счет того, что к газораспределительному устройству установлены наружный и внутренний кольцевые козырьки содержащие плавный вход, входная часть шлицевой гайки сферической формы.

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 газораспределительного устройства и горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя их более эффективное использование, а именно: обеспечение высокой полноты сгорания топлива, обеспечение возможности регулировки процесса сжигания топлива, обеспечение устойчивого процесса горения, обеспечение стабильного розжига, обеспечение низкого уровня выбросов окислов углерода, оксидов азота на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды, обеспечение качественной подготовки топливновоздушной смеси, обеспечение равномерного поля скоростей и давлений на входе в завихритель.

Устройство работает следующим образом.

Сжатый воздух (Фиг.1.) через наружный 11 и внутренний 12 кольцевые козырьки содержащие плавный вход 13 проходит к воздухоподводящим окнам 24 и поступает в канал между корпусом 4 и соплом 3 обтекая распылители 14 которые выступают в тракт и далее попадает между лопатками 2 завихрителя 1. Топливо из одной полости 10 газораспределительного устройства 9 поступает центральный канал 17 круглой формы содержащийся в корпусе 4, заканчивающийся перемычкой 18 выходя из отверстий 19 в нишу 22 имеющую форму усеченного конуса на выходе из центрального тела 21 и образует диффузионный факел. Топливо из второй полости 10 газораспределительного устройства 9 поступает в корпус 4 в котором выполнена полость 16, из которой топливо равномерно распределяется между распылителям 14 и выходит через отверстия 15 расположенные в три ряда и выполненные перпендикулярно входной кромке лопаток 2 завихрителя 1. Происходит смешение топлива с воздухом и далее топливоздушная смесь пройдя между соплом 3 и расширяющемся центральным телом 21 поступает в зону горения.

Конструкция газораспределительного устройства и горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя позволяет производить распределение расхода топлива в распылители 14 и отверстия 19 в перемычке 18 в процессе розжига камеры сгорания и при выполнении выхода газотурбинного двигателя на необходимый режим для обеспечения устойчивого горения и низких выбросов вредных веществ.

Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит завихритель с лопатками, сопло, корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа внутри корпуса и далее к лопаткам завихрителя, шлицевую гайку, выполненную в виде полого цилиндра с резьбой с уплотнительными кольцами для крепления к газораспределительному устройству, содержащему воздухоподводящие окна. Горелка содержит две полости подвода топлива, к газораспределительному устройству установлены наружный и внутренний кольцевые козырьки, содержащие плавный вход. Перед завихрителем в середине между лопатками установлены распылители обтекаемой формы, которые выступают в тракт между соплом и корпусом. По высоте распылителя нанесены отверстия в три ряда и выполнены перпендикулярно входной кромке лопатки завихрителя. В корпусе выполнена полость для равномерного распределения топлива между распылителями, а также центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями, входная часть шлицевой гайки сферической формы. Корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе, сопло цилиндрической формы с плавным расширением к выходу и длиной, достаточной для обеспечения однородной топливовоздушной смеси. Достигается обеспечение высокой полноты сгорания топлива, обеспечение возможности регулировки процесса сжигания топлива, обеспечение устойчивого процесса горения, обеспечение стабильного розжига, обеспечение низкого уровня выбросов окислов углерода, оксидов азота на режимах набора мощности и в условиях отрицательных температур окружающей среды, обеспечение качественной подготовки топливовоздушной смеси, обеспечение равномерного поля скоростей и давлений на входе в завихритель. 1 ил.

Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая завихритель с лопатками, сопло, корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа внутри корпуса и далее к лопаткам завихрителя, шлицевую гайку, выполненную в виде полого цилиндра с резьбой с уплотнительными кольцами для крепления к газораспределительному устройству, содержащему воздухоподводящие окна, отличающаяся тем, что перед завихрителем в середине между лопатками установлены распылители обтекаемой формы, которые выступают в тракт между соплом и корпусом, по высоте распылителя нанесены отверстия в три ряда и выполнены перпендикулярно входной кромке лопатки завихрителя, в корпусе выполнена полость для равномерного распределения топлива между распылителями, а также центральный канал круглой формы, заканчивающийся перемычкой с отверстиями, входная часть шлицевой гайки сферической формы, корпус имеет расширяющееся центральное тело с нишей в форме усеченного конуса на выходе, сопло цилиндрической формы с плавным расширением к выходу и длиной, достаточной для обеспечения однородной топливовоздушной смеси.