Низкоэмиссионная камера сгорания турбореактивного двигателя на водородном топливе Российский патент 2025 года по МПК F02C3/14 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к низкоэмиссионным камерам сгорания турбореактивных двигателей на водородном топливе, и может быть использовано в перспективных высокопараметрических турбореактивных двигателях на водородном топливе.

Применение водорода вместо широко применяемого углеводородного топлива позволяет исключить выработку оксидов углерода (СО₂ и СО), а также сажи, и многократно снизить эмиссию оксидов азота (NOx) в продуктах сгорания. Для улучшения эмиссионных характеристик в настоящее время в турбореактивных двигателях используют технологию сжигания бедных, заранее перемешанных топливо - воздушных смесей (ТВС), при которой температура в зоне горения с обедненным топливом существенно снижается относительно максимальной стехиометрической температуры. Чем беднее состав ТВС во фронтовой зоне и чем ниже температура продуктов сгорания, тем ниже уровни эмиссии NOx. Возможность обеднения состава ТВС и снижения температуры продуктов сгорания во многом определяется расходом воздуха, идущего на охлаждение жаровой трубы и лопаток соплового аппарата турбины, отбираемого от потока воздуха, идущего во фронтовое устройство и участвующего в формировании состава топлива. Использование водорода вместо воздуха в качестве хладоагента при охлаждении жаровой трубы и лопаток соплового аппарата турбины приводит к значительному снижению потерь полного давления газа в газовоздушном тракте турбореактивного двигателя, позволяет в результате снизить удельный расход топлива на всех режимах его работы и как следствие повысить коэффициент полезного действия. Кроме того, организация низкоэмиссионного рабочего процесса с горением бедной, заранее перемешанной ТВС с высокими значениями конечного коэффициента Пк повышения давления (Пк≥40) имеет преимущество по сравнению с турбореактивнымным двигателем на керосине, в котором используются диффузионная схема сжигания топлива, а воздух используется в системе охлаждения.

Известна противоточная камера сгорания, содержащая корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для подачи воздуха, предназначенными для получения топливовоздушной смеси, и образующую с корпусом проточную полость для воздуха, фронтовое устройство, расположенное на входе в жаровую трубу, и экран, расположенный внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха (RU 105006, 2011 г.).

В известном техническом решении в стенке жаровой трубы напротив экрана выполнены дополнительные отверстия, предназначенные для подачи к экрану охлаждающего воздуха.

Существенным недостатком известного технического решения является использование воздуха как для охлаждения стенок жаровой трубы, так и для снижения температуры газа перед турбиной, что приводит к росту потерь полного давления газа в системе охлаждения жаровой трубы и в проточной полости. При этом использование воздуха для охлаждения жаровой трубы, отбираемого от воздуха, идущего во фронтовое устройство и формирующего состав ТВС, приводит к тому, что ее состав становится более богатым, а температура пламени более высокой, что приводит к значительному возрастанию эмиссии NOx и сажи.

Наиболее близкой по технической сущности и назначению является камера сгорания для работающей на водороде газовой турбины, включающая корпус, установленную в нем камеру сгорания, содержащую фронтовое устройство и кольцевую жаровую трубу, образованную наружной и внутренней стенками, причем последние выполнены двойными, устройства для впуска и выпуска водородного топлива, теплообменник, образованный двойными стенками жаровой трубы, и сопловой аппарат турбины, (RU 2133849, 1999 г.).

Известное техническое решение предназначено для применения в турбореактивного двигателях и установках с низкими значениями конечного коэффициента Пк повышения давления (при Пк≤5) и температурой Тг газа перед турбиной высокого давления (при Тг≤1200К), что позволяет не охлаждать лопатки соплового аппарата турбины и использовать вытеснительную систему подачи жидкого водорода из топливного бака в камеру сгорания. При этом в процессе газификации водорода, необходимом для организации устойчивого горения перед подачей его в камеру сгорания, используется теплообменник-газификатор, расположенный внутри наружной стенки жаровой трубы и представляющий собой канал между наружной и внутренней стенками жаровой трубы. Это позволяет частично охладить наружную стенку кольцевой жаровой трубы. Внутренняя стенка последней не охлаждается водородом и для ее охлаждения используется воздух. Низкая температура продуктов сгорания в жаровой трубе не обеспечивает испарения жидкого водорода, в результате чего последний подается во фронтовое устройство, рассчитанное на газообразное состояние топлива, в жидком или в двухфазном состоянии, что затрудняет режимы его воспламенения и горения в жаровой трубе, и в результате приводит к повышению эмиссии оксидов углерода в продуктах сгорания.

Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений являются высокие эмиссионные характеристики камеры сгорания турбореактивного двигателя.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в высокой эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в охлаждении лопаток соплового аппарата турбины, внешней и внутренней стенок кольцевой жаровой трубы газообразным водородом без использования воздуха в системах охлаждения и сжигании обедненной и гомогенизированной ТВС при снижении температуры продуктов сгорания.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в низкоэмиссионной камере сгорания турбореактивного двигателя на водородном топливе, включающей корпус, установленную в нем камеру сгорания, содержащую фронтовое устройство и кольцевую жаровую трубу, образованную наружной и внутренней стенками, причем последние выполнены двойными, устройства для впуска и выпуска водородного топлива, теплообменник, образованный двойными стенками жаровой трубы, и сопловой аппарат турбины, согласно предлагаемому техническому решению, устройство для впуска водородного топлива выполнено в виде входного тороидального коллектора, расположенного на выходе жаровой трубы и охватывающего сопловой аппарат турбины со стороны наружной стенки, устройство выпуска водородного топлива выполнено в виде выпускных тороидальных коллекторов, расположенных на входе жаровой трубы концентрично относительно оси камеры сгорания, один из которых охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы, камера сгорания снабжена дополнительными тороидальными коллекторами, расположенными на выходе жаровой трубы, причем один из дополнительных тороидальных коллекторов охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы, теплообменник выполнен в виде многозаходных спиралевидных каналов, при этом лопатки соплового аппарата содержат петлевые и полупетлевые каналы, разделенные соответствующими перегородками, и расположены радиально и попеременно, входы петлевых и полупетлевых каналов лопаток соплового аппарата сообщены с входным тороидальным коллектором, выходы петлевых каналов сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, выходы полупетлевых каналов сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы, выход дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, сообщен с входами спиралевидных каналов, расположенных в наружной стенке жаровой трубы, выход дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы, сообщен с входами спиралевидных каналов, расположенных во внутренней стенке жаровой трубы, выходы спиралевидных каналов, охватывающих наружную и внутреннюю стенки жаровой трубы, сообщены с соответствующими входами выпускных тороидальных коллекторов, а выходы последних сообщены с фронтовым устройством.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих изобретение, позволяет обеспечить решение технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в охлаждении лопаток соплового аппарата турбины, внешней и внутренней стенок кольцевой жаровой трубы газообразным водородом без использования воздуха в системах охлаждения и сжигании обедненной и гомогенизированной ТВС при снижении температуры продуктов сгорания.

Изобретение поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 изображена схема низкоэмиссионной камеры сгорания;

- на фиг. 2 изображены сечения А-А и Б-Б на фиг. 1 и В-В на фиг. 2;

- на фиг. 3 изображена схема подачи водородного топлива в систему охлаждения наружных стенок жаровой трубы;

- на фиг. 4 изображена схема подачи водородного топлива в систему охлаждения внутренних стенок жаровой трубы;

- на фиг. 5 в изометрии изображена схема подачи водородного топлива в систему охлаждения.

На фиг. 1-5 приняты следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - фронтовое устройство;

3 - жаровая труба;

4 - наружная стенка жаровой трубы 3;

5 - внутренняя стенка жаровой трубы 3;

6 - входной тороидальный коллектор;

7 - сопловой аппарат турбины;

8, 9 - выпускные тороидальные коллекторы;

10, 11 - дополнительные тороидальные коллекторы;

12 - теплообменник;

13 - многозаходные спиралевидные каналы;

14 - лопатки соплового аппарата;

15 - петлевые каналы лопаток 14;

16 - перегородки петлевых каналов 15;

17 - полупетлевые каналы лопаток 14;

18 - перегородки полу петлевых каналов 17.

Низкоэмиссионная камера сгорания турбореактивного двигателя на водородном топливе включает корпус 1 с установленной в нем камерой сгорания, которая содержит фронтовое устройство 2 и кольцевую жаровую трубу 3, образованную наружной и внутренней стенками 4 и 5, причем последние выполнены двойными. На выходе жаровой трубы 3 установлено устройство для впуска водородного топлива, выполненное в виде входного тороидального коллектора 6, охватывающего сопловой аппарат 7 турбины со стороны наружной стенки 4, и устройство выпуска водородного топлива, выполненное в виде выпускных тороидальных коллекторов 8 и 9. Последние расположены на входе жаровой трубы 3, причем выпускной тороидальный коллектор 8 охватывает наружную стенку 4, а выпускной тороидальный коллектор 9 охватывает внутреннюю стенку 5 жаровой трубы 3. Камера сгорания снабжена дополнительными тороидальными коллекторами 10 и 11, расположенными на выходе жаровой трубы 3. При этом дополнительный тороидальный коллектор 10 охватывает наружную стенку 4, а дополнительный тороидальный коллектор 11 охватывает внутреннюю стенку 5 (см. фиг. 1). Камера сгорания включает теплообменник 12, образованный двойными стенками 4 и 5, и выполненный в виде многозаходных спиралевидных каналов 13 (см. фиг. 2). Лопатки 14 соплового аппарата 7 турбины содержат петлевые каналы 15, разделенные перегородками 16 (см. фиг. 3), и полупетлевые каналы 17, разделенные перегородками 18 (см. фиг. 4). При этом лопатки 14 соплового аппарата 7 турбины расположены радиально и попеременно. Конструктивные элементы камеры сгорания связаны между собой следующим образом. Входы петлевых и полупетлевых каналов 15 и 17 сообщены с входным тороидальным коллектором 6. Выходы петлевых каналов 15 сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора 10, охватывающего наружную стенку 4 жаровой трубы 3, а выходы полупетлевых каналов 17 сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора 11, охватывающего внутреннюю стенку 5 жаровой трубы 3. Выход дополнительного тороидального коллектора 10, охватывающего наружную стенку 4 жаровой трубы 3, сообщен с входами многозаходных спиралевидных каналов 13, расположенных в наружной стенке 4 жаровой трубы 3, а выход дополнительного тороидального коллектора 11, охватывающего внутреннюю стенку 5 жаровой трубы 3, сообщен с входами многозаходных спиралевидных каналов 13, расположенных во внутренней стенке 5 жаровой трубы 3. Выходы многозаходных спиралевидных каналов 13, охватывающих наружную 4 и внутреннюю 5 стенки жаровой трубы 3 сообщены с соответствующими входами выпускных тороидальных коллекторов 8 и 9, а выходы последних сообщены с фронтовым устройством 2.

Низкоэмиссионная камера сгорания турбореактивного двигателя на водородном топливе работает следующим образом.

Жидкий водород из топливного бака (на чертеже не показан) при температуре, близкой к 20К, поступает в турбонасосный агрегат (на чертеже не показан), сжимающий его до давления, превышающего давление в низкоэмиссионной камерае сгорания. В процессе сжатия в турбонасосоном агрегате водород газифицируется, а его температура поднимается до 40 - 50К. Газифицированный водород подается во входной тороидальный коллектор 6, и поступает на входы петлевых и полупетлевых каналов 15 и 17 лопаток 14 соплового аппарата, при прохождении через которые происходит конвективное охлаждения последних. На выходе из петлевых и полупетлевых каналов 15 и 17 лопаток 14 поток газифицированного водорода поступает в дополнительные тороидальные коллекторы 10 и 11 соответственно наружной и внутренней стенок 4 и 5 жаровой трубы 3, на выходе из которых распределяется по многозаходным спиралевидным каналам 13 теплообменника 12. При этом, в процессе прохождения газифицированного водорода через спиралевидные каналы 13 теплообменника 12, образованного двойными стенками 4 и 5, осуществляется конвективное охлаждение как внешней стенки 4, так и внутренней стенки 5 жаровой трубы 3. На выходе из многозаходных спиралевидных каналов 13 газообразный водород через выпускные тороидальные коллекторы 8 и 9 с двух сторон поступает в фронтовое устройство 2, смешивается с потоками воздуха, и формирует к началу жаровой трубы 3 обедненный состав ТВС. Предварительное смешение воздуха с низкотемпературным водородом позволяет существенно снизить температуру ТВС, что способствует улучшению качества смешения и гомогенизации последней до ее воспламенения и горения, что в конечном плане способствует снижению эмиссионных характеристик. В процессе сгорания обедненной ТВС формируются турбулентные фронты пламени с низкими температурами, что приводит к существенному снижению эмиссии NOx и полному исключению выбросов СО, СО₂ и сажи.

Таким образом, выполнение устройства для впуска водородного топлива в виде входного тороидального коллектора, расположенного на выходе жаровой трубы и охватывающего сопловой аппарат турбины со стороны наружной стенки, выполнение устройства выпуска водородного топлива выполнено в виде выпускных тороидальных коллекторов, расположенных на входе жаровой трубы концентрично относительно оси камеры сгорания, один из которых охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы, снабжение камеры сгорания дополнительными тороидальными коллекторами, расположенными на выходе жаровой трубы, один из которых охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы, выполнение теплообменника в виде многозаходных спиралевидных каналов, выполнение в лопатках соплового аппарата петлевых и полупетлевых каналов, разделенных соответствующими перегородками, и расположение лопаток радиально и попеременно, сообщение входов петлевых и полупетлевых каналов лопаток соплового аппарата с входным тороидальным коллектором, выходов петлевых каналов с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, выходов полупетлевых каналов с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы, выхода дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы с входами спиралевидных каналов, расположенных в наружной стенке жаровой трубы, выхода дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы с входами спиралевидных каналов, расположенных во внутренней стенке жаровой трубы, выходов спиралевидных каналов, охватывающих наружную и внутреннюю стенки жаровой трубы с соответствующими входами выпускных тороидальных коллекторов, а выходов последних с фронтовым устройством обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в охлаждении лопаток соплового аппарата турбины, внешней и внутренней стенок кольцевой жаровой трубы газообразным водородом без использования воздуха в системах охлаждения и сжигании обедненной и гомогенизированной ТВС при снижении температуры продуктов сгорания.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к низкоэмиссионным камерам сгорания турбореактивных двигателей на водородном топливе, и может быть использовано в перспективных высокопараметрических турбореактивных двигателях на водородном топливе. Низкоэмиссионная камера сгорания турбореактивного двигателя на водородном топливе включает корпус, установленную в нем камеру сгорания, содержащую фронтовое устройство и кольцевую жаровую трубу, образованную наружной и внутренней стенками, причем последние выполнены двойными, устройства для впуска и выпуска водородного топлива, теплообменник, образованный двойными стенками жаровой трубы, и сопловой аппарат турбины. Устройство для впуска водородного топлива выполнено в виде входного тороидального коллектора, расположенного на выходе жаровой трубы и охватывающего сопловой аппарат турбины со стороны наружной стенки. Устройство выпуска водородного топлива выполнено в виде выпускных тороидальных коллекторов, расположенных на входе жаровой трубы концентрично относительно оси камеры сгорания, один из которых охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы. Камера сгорания снабжена дополнительными тороидальными коллекторами, расположенными на выходе жаровой трубы, причем один из дополнительных тороидальных коллекторов охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы. Теплообменник выполнен в виде многозаходных спиралевидных каналов, при этом лопатки соплового аппарата содержат петлевые и полупетлевые каналы, разделенные соответствующими перегородками, и расположены радиально и попеременно. Входы петлевых и полупетлевых каналов лопаток соплового аппарата сообщены с входным тороидальным коллектором. Выходы петлевых каналов сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, выходы полупетлевых каналов сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы. Выход дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, сообщен с входами спиралевидных каналов, расположенных в наружной стенке жаровой трубы, выход дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы, сообщен с входами спиралевидных каналов, расположенных во внутренней стенке жаровой трубы. Выходы спиралевидных каналов, охватывающих наружную и внутреннюю стенки жаровой трубы, сообщены с соответствующими входами выпускных тороидальных коллекторов, а выходы последних сообщены с фронтовым устройством. Технический результат заключается в охлаждении лопаток соплового аппарата турбины, внешней и внутренней стенок кольцевой жаровой трубы газообразным водородом без использования воздуха в системах охлаждения и сжигании обедненной и гомогенизированной топливовоздушной смеси при снижении температуры продуктов сгорания. 5 ил.

Низкоэмиссионная камера сгорания турбореактивного двигателя на водородном топливе, включающая корпус, установленную в нем камеру сгорания, содержащую фронтовое устройство и кольцевую жаровую трубу, образованную наружной и внутренней стенками, причем последние выполнены двойными, устройства для впуска и выпуска водородного топлива, теплообменник, образованный двойными стенками жаровой трубы, и сопловой аппарат турбины, отличающаяся тем, что устройство для впуска водородного топлива выполнено в виде входного тороидального коллектора, расположенного на выходе жаровой трубы и охватывающего сопловой аппарат турбины со стороны наружной стенки, устройство выпуска водородного топлива выполнено в виде выпускных тороидальных коллекторов, расположенных на входе жаровой трубы концентрично относительно оси камеры сгорания, один из которых охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы, камера сгорания снабжена дополнительными тороидальными коллекторами, расположенными на выходе жаровой трубы, причем один из дополнительных тороидальных коллекторов охватывает наружную, а второй - внутреннюю стенки жаровой трубы, теплообменник выполнен в виде многозаходных спиралевидных каналов, при этом лопатки соплового аппарата содержат петлевые и полупетлевые каналы, разделенные соответствующими перегородками, и расположены радиально и попеременно, входы петлевых и полупетлевых каналов лопаток соплового аппарата сообщены с входным тороидальным коллектором, выходы петлевых каналов сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, выходы полупетлевых каналов сообщены с входом дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы, выход дополнительного тороидального коллектора, охватывающего наружную стенку жаровой трубы, сообщен с входами спиралевидных каналов, расположенных в наружной стенке жаровой трубы, выход дополнительного тороидального коллектора, охватывающего внутреннюю стенку жаровой трубы, сообщен с входами спиралевидных каналов, расположенных во внутренней стенке жаровой трубы, выходы спиралевидных каналов, охватывающих наружную и внутреннюю стенки жаровой трубы, сообщены с соответствующими входами выпускных тороидальных коллекторов, а выходы последних сообщены с фронтовым устройством.