КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F23R3/00 

Изобретение относится к турбинным установкам, в частности, к устройству камеры сгорания турбины.

Известна независимая камера сгорания постоянного объема, работа которой осуществляется совместно с камерой сжатия и камерой расширения, при этом они представляют собой три отдельные и полностью независимые друг от друга части, каждая из которых приспособлена к оптимальному выполнению соответствующей функции без взаимного влияния друг на друга (патент РФ №2161711 С2, F02B 75/10, 1996 г.).

В независимой камере сгорания постоянного объема осуществляются все фазы рабочего цикла: продувка сжатым воздухом постоянного давления, поступающим по каналу подвода через впускной клапан, формирование топливно-воздушной смеси стехиометрического состава, ее поджиг и сгорание с последующим выпуском рабочего тела через выпускной клапан в камеру расширения.

В результате анализа известного решения следует отметить, что у двигателя, оснащенного камерой сгорания данного типа:

- отсутствует предварительный нагрев сжатого воздуха перед его поступлением в камеру сгорания, как способ повышения термического КПД;

- используется не вся энергия рабочего тела, так как его давление падает во все большей степени по мере увеличения объема камеры расширения из-за расхождения поршней во время рабочего хода.

Кроме того, количество топлива, впрыскиваемого для образования топливно-воздушного заряда, не корректируется при изменении плотности сжатого воздуха, происходящем при изменении температуры во времени, что исключает получение стехиометрической пропорции в каждом рабочем цикле, и, следовательно, ведет к неполному сгоранию топлива и наличию вредных выбросов в выхлопных газах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является применяемая в газотурбинной установке камера сгорания постоянного объема, связанная с полностью независимыми камерами сжатия и расширения. Повышение эффективности сгорания в камере осуществляется с применением в конструкции впускного и выпускного клапанов, обеспечивающих процесс сгорания без утечек газов и в постоянном объеме со стехиометрическим составом горючей смеси, за счет чего достигается относительно высокая чистота выхлопных газов. Мощность газотурбинной установки регулируется изменением времени истечения газов из камеры сгорания с помощью клапана, связанного с педалью акселератора (патент РФ №2147341 C1, F02C 5/12, 1998 г.).

В результате анализа известного решения следует отметить, что в камере сгорания такой конструкции не всегда обеспечивается стехиометрическая пропорция, а, значит, и полное сгорание топливно-воздушной смеси по следующим причинам:

- количество топлива, впрыскиваемого для образования топливно-воздушного заряда, не корректируется в зависимости от плотности сжатого воздуха, которая обратно пропорциональна температуре, изменяющейся во времени;

- образование застойных зон с непредсказуемым составом топливно-воздушной смеси, создаваемых сложной формой камеры сгорания;

- неизбежно появление областей, содержащих остаточные отработавшие газы, из-за неравномерного движения сжатого воздуха по сложной траектории канала, образующегося при продувке.

Кроме того, в такой конструкции не реализован предварительный нагрев воздуха, поступающего в камеру сгорания, как способ повышения термического КПД турбины.

Техническим результатом изобретения является получение высокого термического КПД турбины и минимизация вредных выбросов отработанных газов в атмосферу за счет полного сгорания топлива в каждом цикле, что обеспечивается поддержанием стабильного стехиометрического состава топливно-воздушной смеси в камере сгорания на всех режимах ее работы и во всем диапазоне длительностей рабочих циклов.

Указанный технический результат достигается тем, что в камере сгорания постоянного объема, оснащенной системой подвода сжатого воздуха, форсункой для подачи топлива, средством его поджига, обратным и запорным клапанами, имеющими возможность занимать открытое и закрытое положение, новым является то, что в камере сгорания сделан теплоизолирующий круговой канал подогрева сжатого воздуха, температура которого измеряется датчиком, и имеет теплоизолированные внутренние стенки, образующие в верхней части камеры сгорания сопло Лаваля, у входа в которое установлена форсунка непосредственного впрыска топлива, а вблизи

критического сечения установлено средство его поджига, при этом, в нижней части камеры сгорания установлен датчик горения топливно-воздушной смеси, а выпускной канал, имеющий теплоизолированные стенки, переходит в плоское сопло Лаваля.

Данная конструкция камеры сгорания турбины обеспечивает поставленный технический результат за счет:

1) достижения более высокого термического КПД, чем у традиционных поршневых ДВС посредством:

- создания канала со сжатым воздухом, обладающего высокими теплоизолирующими свойствами, разделяющего канал подвода охлаждающей жидкости от камеры сгорания, в результате чего тепловые потери через систему охлаждения существенно снижены;

- предварительного нагрева сжатого воздуха перед его поступлением в камеру сгорания;

- снижения тепловых потерь термоизоляцией стенок камеры сгорания и снижения температуры рабочего тела в плоском сопле Лаваля, что увеличивает термический КПД.

2) формирования в каждом рабочем цикле гомогенной топливно-воздушной смеси стехиометрического состава в зависимости от температуры поступающего сжатого воздуха, что обеспечивает ее полное сгорание с минимумом вредных выбросов.

Сущность заявленного изобретения и его отличительные признаки раскрывает нижеследующее описание, представленное в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - сечение камеры сгорания по плоскости симметрии турбины, перпендикулярно оси вращения ее ротора, иллюстрирующее устройство камеры сгорания в соответствии с изобретением;

фиг. 2 - поперечное сечение камеры сгорания турбины по оси вращения;

фиг. 3 - сечение по осям полюсов П-образного электромагнита;

фиг. 4 - сечение камеры сгорания в области запорного клапана в открытом положении;

фиг. 5 - сечение камеры сгорания в области запорного клапана в закрытом положении.

В базовом варианте исполнения камера сгорания, установленная на корпусе турбины 1, преимущественно, но не обязательно, тангенциальной, содержит (фиг. 1 и фиг. 2), в том числе, выполненные в виде тел вращения: крышку 2, оболочку 3 и находящиеся внутри нее разделитель 4 и корпус 5, состоящий из двух герметично соединяемых частей. На площадке, фрезерованной на корпусе турбины 1 установлены две вставки 6 и 7, между которыми сформированы канал 8 и сопло 9. Торцевая часть разделителя 4 установлена в круговой паз крышки 2 с уплотнительным элементом (не показан), обеспечивающим герметичность соединения. Аналогично, круговые буртики и пазы с уплотнительными элементами обеспечивают герметичность соединения оболочки 3 с крышкой 2 и корпусом турбины 1.

Между внутренней стенкой оболочки 3 и наружной стенкой разделителя 4 имеется герметичный круговой проточный канал 10, в который поступает и выходит охлаждающая жидкость. К каналу 10 подведены трубопроводы (не показаны) системы охлаждения, подсоединяемые на входе посредством установленного на оболочке 3 фитинга 11 и фитинга 12 на выходе.

Подвод сжатого воздуха в камеру сгорания осуществляется от пневмомагистрали (не показана) через фитинг 13 в канал 14, образованный между внутренней стенкой разделителя 4 и наружной стенкой корпуса 5 и связанный каналом 15, выполненным в крышке 2, с обратным клапаном 16. В качестве обратного клапана может быть использован нормально открытый клапан на основе электромагнита 17 и запорного элемента 18, выполненного, например, в виде шарика из магнитного материала с коротким ходом между крайними положениями и ограниченного, например, штифтом (позицией не обозначен).

У выхода из канала 15 установлен датчик 19, передающий на электронный блок управления (не показан) электрический сигнал, пропорциональный текущему значению температуры сжатого воздуха. На сердечнике обратного клапана 16 закреплен датчик 20, регистрирующий изменение магнитного поля.

Кроме перечисленных элементов, на крышке 2 камеры сгорания установлены, преимущественно, но не обязательно до критического сечения сопла Лаваля:

- форсунка 21 непосредственного впрыска топлива, имеющая возможность соединения с трубопроводом подачи топлива (не показан);

- средство поджига 22 топливно-воздушной смеси в камере сгорания (например, свеча зажигания), связанное высоковольтным проводом с блоком электронного зажигания (не показан).

На оболочке 3 камеры сгорания установлен П-образный электромагнит 23 (фиг. 3), два полюса 24 которого проходят через вставку 6 и изолированы от прямого контакта с рабочим телом, выходящим из камеры сгорания, при этом обеспечивается возможность их касания сердечника 25 при его притяжении. С другого конца полюсы соединены сердечником (позицией не обозначен), на котором закреплена обмотка (позицией не обозначена).

Вдоль центральной оси внутри корпуса 5 сделан сквозной канал сначала в виде сопла Лаваля, расширяющегося за критическим сечением и после достижения диаметра максимального размера в средней части корпуса 5 плавно сужающегося книзу и далее сопрягающегося с конусообразным каналом, плавно переходящим, преимущественно, но не обязательно, в выпускной канал 8, который может герметично перекрываться запорным клапаном 26, и далее в сопло 9, формирующее плоский поток рабочего тела, направляемый касательно к ротору 27. Такая форма внутренних поверхностей камеры сгорания исключает образование застойных зон с непредсказуемым составом топливно-воздушной смеси.

Для защиты от перегрева и коробления деталей, работающих в экстремальных температурных условиях целесообразно напыление керамического покрытия на внутреннюю поверхность камеры сгорания и на поверхности канала 8 и сопла 9, а объединение этих деталей или некоторых из них, в разных комбинациях в одну деталь, выполненную по аддитивной технологии из керамики, например, из оксида алюминия.

Запорный клапан 26 расположен в прямоугольной полости (позицией не обозначена) вставки 7 и состоит из керамической пластины из, например, оксида алюминия, и прикрепленного к ней сердечника 25 из магнитного материала, который имеет возможность притягиваться к полюсам 24 П-образного электромагнита 23, образуя замкнутый контур магнитного поля.

Запорный клапан 26 выполнен с возможностью занимать одно из двух положений: в открытом (фиг. 4) - он обеспечивает выход рабочего тела в канал 8, а в закрытом (фиг. 5) - имеет возможность герметично перекрывать канал 8, и, таким образом, вместе с запорным клапаном 16, может образовывать замкнутую камеру сгорания постоянного объема.

На краю плоскости запорного клапана 26, перекрывающей выпускной канал 8, со стороны внутренней полости камеры сгорания предусмотрена фаска, площадь поверхности которой с одной стороны при воздействии на нее давления 0,6 МПа недостаточна для открытия клапана 26, удерживаемого электромагнитом 23 в закрытом состоянии, а с другой - обеспечивает открытие клапана 26 при воздействии образовавшегося рабочего тела с давлением более 6 МПа.

На оболочке 3 камеры сгорания сделаны резьбовые отверстия, необходимые для монтажа фитингов и трубки 28, проходящей через оболочку 3, разделитель 4 и корпус 5. С внешнего конца на трубке 28 установлен фотоэлектрический датчик 29 регистрации горения топливно-воздушной смеси. У внутреннего конца трубки 28 установлен защитный элемент 30 из прозрачной керамики, связанный каналом 31 с внутренней полостью камеры сгорания.

Крепление камеры сгорания турбины выполнено посредством фиксации оболочки 3 болтами (не показаны) к корпусу турбины 1.

В конструкции камеры сгорания заявляемого типа предусмотрена возможность дальнейшего повышения термического КПД турбины посредством реализации непосредственного впрыска охлаждающей жидкости, например, дистиллированной воды, в трех вариантах установки форсунок (позицией не обозначены): в камеру сгорания, в сопло 9 или в камеру сгорания и в сопло 9 одновременно.

Обработку сигналов от датчиков 19, 20 и 29, а также выдачу исполнительных команд на обратный клапан 16, форсунку 21, электромагниты 17 и 23 и блок электронного зажигания осуществляет электронный блок управления (не показан) на программируемом микроконтроллере.

Сопоставление существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Работа камеры сгорания инициируется включением, например, замка зажигания, при этом электронный блок управления подает напряжение на обмотку электромагнита 17, притягивающего запорный элемент 18 обратного клапана 16 (фиг. 1).

Рабочий цикл камеры сгорания постоянного объема заявляемой конструкции начинается при нажатии на педаль акселератора (не показана), пропорционально открывающую пневмодроссельную заслонку (не показана), после чего сжатый воздух с температурой окружающей среды и со стабилизированным номинальным давлением, например, в 6 бар, из пневмомагистрали поступает в канал 14 и далее по каналу 15 до запорного элемента 18.

Одновременно с открытием пневмодроссельной заслонки электронный блок управления отключает напряжение на обмотке электромагнита 17, обратный клапан 16 открывается, при этом скачкообразно снижается магнитный поток в сердечнике электромагнита 17, что ведет к появлению на датчике 20 сигнала, поступающего на электронный блок управления. Сжатый воздух обтекает запорный элемент 18 и через сопло Лаваля поступает в камеру сгорания со скоростью, превышающей скорость звука, последовательно вытесняет остаточные отработавшие газы, заполняет весь объем камеры сгорания и мимо запорного клапана 26 (фиг. 1 и фиг. 2), находящегося в нормально открытом положении, выходит в канал 8.

После установленной в программе микроконтроллера задержки с момента поступления с датчика 20 сигнала об открытии обратного клапана 16, необходимой для полной продувки камеры сгорания, электронный блок управления подает импульс заданной длительности на форсунку 21, осуществляющую дозированный впрыск топлива в поток сжатого воздуха. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь стехиометрического состава поступает в сопло Лаваля и в этот момент электронный блок управления подает импульс на электромагнит 23, закрывающий запорный клапан 26 и импульс на электромагнит 17 для закрытия обратного клапана 16, запорный элемент 18 которого после выравнивания давления до и после него, мгновенно притягивается к седлу в сердечнике электромагнита 17.

После прохождения критического сечения сопла Лаваля снижается как температура, так и давление образовавшейся топливно-воздушной смеси, при этом ее поток приобретает сверхзвуковую скорость и, многократно отражаясь от стенок камеры сгорания, формирует гомогенный состав, равномерно распределяемый во всем замкнутом объеме.

При закрытии обратного клапана 16 в сердечнике электромагнита 17 скачкообразно возрастает магнитный поток, регистрируемый датчиком 20, передающим сигнал в электронный блок управления. На основе полученного сигнала электронный блок управления генерирует управляющий импульс на блок электронного зажигания (не показан), который создает высоковольтный разряд на свече зажигания 22, осуществляющий воспламенение топливно-воздушной смеси.

В замкнутом объеме, при резко нарастающем давлении и температуре, топливно-воздушная смесь стехиометрического состава сгорает полностью, что исключает наличие продуктов неполного сгорания углеводородов и минимизирует содержание вредных веществ. Образовавшееся рабочее тело характеризуется давлением порядка 9 МПа и температурой около 2400°С.

В процессе сгорания топливно-воздушной смеси фронт пламени от электродов свечи зажигания 22 распространяется последовательно через всю камеру сгорания до канала 31. Свечение пламени, проникающее через элемент 30 преобразуется датчиком 29 в сигнал, поступающий на электронный блок управления, который отключает электропитание электромагнита 23, удерживающего запорный клапан 26 от перехода в открытое положение и, затем, с необходимой задержкой отключает электропитание электромагнита 17.

Рабочее тело, образовавшееся после сгорания топливно-воздушной смеси и находящееся под высоким давлением, создает давление на фаску запорного клапана 26, что при отсутствии его притяжения электромагнитом 23 ведет к открытию канала 8. Рабочее тело устремляется через расширяющееся сопло 9 плоским потоком по касательной к ротору 27, при этом скорость потока возрастает, а температура рабочего тела при расширении падает, что в некоторой степени снижает напряженный температурный режим работы лопаток ротора (не показаны).

Падение давления рабочих газов в камере сгорания приводит к тому, что в определенный момент сила давления сжатого воздуха в канале 14 преодолеет силу притяжения электромагнитом 17 обратного клапана 16, и он открывается. При этом происходит изменение магнитного поля в сердечнике электромагнита 17, на что реагирует датчик 20 подачей сигнала на электронный блок управления.

Далее начинается продувка и следующие фазы нового рабочего цикла.

В начальный период работы камеры сгорания турбины происходит постепенный разогрев корпуса 5, сопровождающийся ростом его температуры. При контакте с внешней стенкой корпуса 5 температура сжатого воздуха от цикла к циклу начинает возрастать, пока не достигнет рабочей точки. При этом, поскольку датчик температуры 19 передает электрический сигнал, пропорциональный текущему значению температуры нагреваемого сжатого воздуха в электронный блок управления, в каждом рабочем цикле происходит программная установка количества впрыскиваемого топливной форсункой 21 топлива, что обеспечивает стабильное поддержание стехиометрического состава топливно-воздушной смеси.

Дополнительное снижение температуры продуктов сгорания до более предпочтительной для соплового аппарата и лопаток турбины, возможно установкой за запорным клапаном 26 форсунки (не показана), которая непосредственно впрыскивает в область канала 8 охлаждающую жидкость, например, дистиллированную воду, превращающуюся в пар, смешивающийся с газообразными продуктами сгорания, выходящими из камеры. В этом случае тепловая энергия газов преобразуется в кинетическую энергию пара, реализуемую совместно с газообразными продуктами сгорания на лопатках турбины. При этом создается менее напряженный температурный режим работы лопаток (не показаны) ротора турбины и достигается максимальное использование энергии рабочего тела, поступающего на все лопатки вращающегося ротора турбины.

При этом во всех конструктивных исполнениях, когда форсунка непосредственного впрыска установлена до запорного клапана 26 или после него, либо установлены обе форсунки, охлаждающая жидкость, превращающаяся в пар высокого давления, резко повышает давление образовавшейся парогазовой смеси. Одновременно происходит существенное снижение температуры рабочего тела на завершающем этапе рабочего цикла, что позволяет достичь максимально возможного значения термического КПД турбины с камерой сгорания заявляемой конструкции.

Камера сгорания турбины преимущественно состоит из деталей, имеющих несложную конструкцию и изготавливаемых, в основном, на токарном оборудовании.

Изобретение относится к турбинным установкам, в частности к устройству камеры сгорания турбины. Камера сгорания постоянного объема оснащена системой подвода сжатого воздуха, форсункой для подачи топлива, средством его поджига, обратным и запорным клапанами, имеющими возможность занимать открытое и закрытое положения. Камера сгорания оснащена теплоизолирующим круговым каналом подогрева сжатого воздуха, температура которого определяется датчиком, и имеет теплоизолированные внутренние стенки, образующие в верхней части камеры сгорания сопло Лаваля, у входа в которое установлены форсунка непосредственного впрыска топлива и средство его поджига. При этом в нижней части камеры сгорания установлен датчик горения топливно-воздушной смеси, а выпускной канал, имеющий теплоизолированные стенки, переходит в сопло Лаваля. Технический результат - получение высокого термического КПД турбины и минимизация вредных выбросов отработанных газов в атмосферу за счет полного сгорания топлива в каждом цикле, что обеспечивается поддержанием стабильного стехиометрического состава топливно-воздушной смеси в камере сгорания во всем диапазоне длительностей рабочих циклов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Камера сгорания постоянного объема, содержащая систему подвода сжатого воздуха, форсунку для подачи топлива, средство поджига, обратный и запорный клапаны, выполненные с возможностью занимать открытое и закрытое положения, отличающаяся тем, что камера сгорания содержит оболочку и находящиеся внутри нее корпус и разделитель, между внутренней стенкой оболочки и наружной стенкой разделителя выполнен герметичный кольцевой проточный канал охлаждающей жидкости, а между внутренней стенкой разделителя и наружной стенкой корпуса выполнен теплоизолирующий кольцевой канал подогрева сжатого воздуха с датчиком температуры, связанный с обратным клапаном, камера сгорания выполнена с теплоизолированными внутренними стенками, образующими в верхней части камеры сгорания сопло Лаваля, у входа в которое установлены форсунка непосредственного впрыска топлива и средство его поджига, в нижней части камеры сгорания установлены датчик регистрации горения топливно-воздушной смеси, две вставки, между которыми выполнен выпускной канал с теплоизолированными стенками, запорный клапан, размещенный в одной из вставок, причем стенки выпускного канала выполнены в виде расширяющейся части сопла Лаваля.

2. Камера сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что содержит форсунку непосредственного впрыска охлаждающей жидкости до запорного клапана или за запорным клапаном, либо обе форсунки.