Кольцевая камера сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя Советский патент 1993 года по МПК F23R3/24 

(Л

С

Использование: в газотурбостроении. Сущность изобретения: кольцевая камера сгорания содержит корпус, жаровую трубу с испарительными патрубками, снабженными грибковыми стабилизаторами, улиткой с кольцевым профилированным патрубком. Патрубок соединен с жаровой трубой. Плоскость минимального сечения кольцевого профилированного патрубка перпендикулярна оси камеры сгорания и параллельна плоскости симметрии осей испарительных патрубков. Кромки грибковых стабилизаторов установлены напротив профилированного патрубка. Система зажигания расположена в улитке. 2 ил.

пользу

Изобретение относится к получению продуктов сгорания высокой скорости, а именно к камерам сгорания непрерывного действ 1я, использующим жидкое топливо.

Дл i обеспечения надежного запуска и повыш гния полноты сгорания топлива на переходных режимах работы двигателя в крупногабаритных кольцевых камерах сгорания используются две зоны горения. Из )естна камера сгорания, которая истся в малоразмерном газотурбинном джгателе. Она содержит корпус, жаровую трубу с испарительными патрубками, снабженными грибковыми стабилизаторами, v

Из

вает о

систему зажигания, зестная камера сгорания обеспечи- игэние гомогенной топливовоздушной смеси, подготавливаемой в испарительных патрубках, оси которых параллельны оси камеры. Тем самым достигаются наилучшие показатели эффективности горения: высокая полнота сгорания и низкий уровень вредных и токсичных выбросов.

Однако такая камера сгорания ввиду специфики кинетического горения имеет узкий диапазон устойчивой работы по коэффициенту избытка воздуха и неприменима на переходных режимах работы со значительным обеднением топливовоздушной смеси. Кроме того, обеспечение надежного запуска (без забросов температуры перед турбиной) требует большого числа пусковых рас- пыливающих форсунок, применяемых в системе зажигания такой камеры, которые

vi

ю со

( о

располагают в зоне испарительных патрубков между ними. Расположение пусковых форсунок в зоне горения и их отключение после запуска приводит к закоксовыванию отверстий форсунок, что снижает ресурс работы пусковых форсунок и не обеспечивает надежность запуска.

Целью изобретения является обеспечение надежного запуска и повышение полноты сгорания топлива на переходных режимах работы двигателя.

Указанная цель достигается тем, что кольцевая камера сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя, содержащая корпус, жаровую трубу с испарительными патрубками, снабженными грибковыми стабилизаторами, и систему зажигания, снабжена улиткой с кольцевым профилированным патрубком, соединенной с жаровой трубой посредством последнего, плоскость минимального сечения которого перпендикулярна оси камеры сгорания ипараллельна плоскости симметрии осей испарительных патрубков, при этом кромки грибковых стабилизаторов установлены напротив профилированного патрубка, а система зажигания располох ена в улитке.

Такое выполнение приводит к тому, что продукты сгорания из системы зажигания при помощи улитки и кольцевого профилированного патрубка равномерно распределяются между испарительными патрубками. Расположение профилированного патрубка и кромок грибковых стабилизаторов испарительных патрубков формирует около каждого испарителя область, в которой кольцевая струя, поступающая из улитки, испытывает7 встречный удар кольцевых струй из испарителей. Такой удар интенсифицирует процесс диффузии горячих продуктов сгорания, поступающих из улитки, в горючую смесь, образуемую в каждом испарителе. Это приводит к быстрому и устойчивому воспламенению горючей смеси на режиме запуска и поддержанию горения гомогенной смеси на переходных режимах работы. Причем обеспечивается равномерное горение по всему периметру жаровой трубы, .что дает требуемую равномерность окружной эпюры температур на выходе из камеры.

Кроме того, система зажигания не выключается во время работы двигателя, что позволяет избежать закоксовывэния в ней топлива.

На переходном режиме - режиме малого газа достигается работа камеры на очень бедных топливовоздушных смесях. При этом работает лишь система зажигания, а в испарительные патрубки топливо не подается.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез общего вида предложенной кольцевой камеры сгорания, на фиг.2 - поперечный разрез камеры сгорания плоскостью, проходящей через середину улитки и системы зажигания.

Камера сгорания содержит корпус 1, внутри которого размещается жаровая труба 2 с осесимметричными испарительными патрубками 3 в зоне а, в жаровой трубе имеются проходные отверстия 4. Система зажигания камеры имеет фронтовое устройство 5 и включает одну топливную форсунку 6 и

пусковую свечу 7. Фронтовое устройство 5 установлено в улитке 8, соединенной с жаровой трубой 2 посредством кольцевого профилированного патрубка 9 со створом б. Каждый испарительный патрубок 9 снабжен

грибковым стабилизатором 10. Между испарительными патрубками 3 и стабилизаторами 10 имеется кольцевая щель в. Кромки г грибковых стабилизаторов размещены в створе кольцевого профилированного патрубка 9. Плоскость минимального сечения д кольцевого профилированного патрубка 9 перпендикулярна оси е камеры и параллельна плоскости ж, в которой лежат оси симметрии испарительных патрубков 3.

Стрелками показаны: К - подвод воздуха в камеру сгорания; L - подвод топлива; М - подвод воздуха во фронтовое устройство системы зажигания; N - топливовоздушная смесь; R - кольцевая струя продуктов сгорания; Q - кольцевая струя горючей смеси.

Камера сгорания работает следующим образом.

От компрессора воздушный поток К поступает в объем между корпусом 1 камеры сгорания и жаровой трубой 2 и далее рас- пределяется между испарительными патрубками 3 и проходными отверстиями 4 жаровой трубы. Первоначально осуществляется запуск системы зажигания. Топливо L .подается в форсунку 6 и распыливается ею на мелкие капли. Капли топлива перемешиваются с воздушным потоком М, поступающим через фронтовое устройство 5. При

этом образуется топливовоздушная смесь N. Одновременно с форсункой б включается свеча зажигания 7, которая воспламеняет смесь N, после чего свеча 7 выключается. Образуемые продукты сгорания Р (см. фиг.2)

5 двигаются поулиткеЗ в зону а испарительных патрубков. При этом в кольцевом профилированном патрубке 9 формируется кольцевая закрученная струя R продуктов сгорания. Улитка 8 выполнена таким обра зрм, что обеспечивается равномерное распроявление расхода продуктов сгорания по периметру кольцевого профилированного патрубка 9, т.е. спрофилирована по рекомендациям, данным, например, в книге Иванова Ю.В. Газогорелочные устройства. M.:j Недра, 1972.

3 кольцевую щель в, образуемую испарительным патрубком 3 и грибковым стабилизатором 10 (см. фиг,1), поступает тог ливовоздушная смесь. В момент запуска исгзрителей - это смесь крупных капель тоглива и воздуха; при работе испарителей - гомогенная топливовоздушная смесь. Тог ливовоздушная смесь вытекает в виде кольцевой струи Q. Так как кромки г грибковых стабилизаторов 10 размещены в створе б кольцевого профилированного патрубка 9, то струи Q от каждого испарителя ззаимодействуют с кольцевой струей R. Вы юлнение плоскости д минимального сечзния кольцевого профилированного патрубка 9 перпендикулярной оси е камеры и параллельной плоскости ж, в которой лежат оси симметрии испарительных патруб- КОЕ 3, обеспечивает наличие областей около каждого испарителя, где струи Q и. R i/меют встречное столкновение. Такое стоткновение интенсифицирует диффузи- онюе смешение продуктов сгорания и топпивовоздушной смеси, что обеспечивает i ыстрое и устойчивое воспламенение, а также горение смеси. Так как продукты сгорания в струе R распределены равномерно, то на режиме запуска воспламенение в зоне

испарительных патрубков осуществляется сразу вокруг всех испарителей. Это позволяет избежать забросов температуры продуктов сгорания в окружной эпюре темпернеп вая топ поз и в заж

рех де под сче

ЭТО

вре мал сун

тур. Кроме того, форсунка б работает зерывно вместе с двигателем, обеспечи- тем самым отсутствие закоксовывания в форсунке. Указанные свойства оляют обеспе ить надежность запуска сокий ресурс использования системы /1гания.

При обеднении смеси в струях Q (пе|дный режим) интенсивное взаимо;твие горячей струи R со струями Q

1ерживает горение гомогенной смеси за

создания гибридного горения. При

достигается низкий уровень выброса

ных и токсичных веществ, На режиме

iro газа топливо подается только в фору 6. Это позволяет обеспечить работу на

очень бедных топливовоздушных смесях, при которых неприменимы гомогенное и гибридное горение.

Таким образом, за счет взаимодействия

кольцевых струй обеспечивается быстрое и надежное воспламенение и достигается высокая полнота сгорания топлива на переходных режимах работы. Это позволяет расширить область использования двигателя, улучшить запуск при отрицательных тем- перзтуоах воздуха, повысить надежность запуска и ресурс системы зажигания.

При конкретном выполнении макетного образца он представлял собой кольцевую

камеру сгорания. В корпусе 1 камеры размещалась жаровая труба 2 с двенадцатью испарительными патрубками 3, имеющими тангенциально-лопаточные завихрители и систему нанесения топливной пленки. В жаровой трубе имелись проходные отверстия 4. Фронтовое устройство 5 системы зажигания имело диаметр 60 мм. Выход системы зажигания был подсоединен к улитке 8 прямоугольного поперечного сечения, при этом

был обеспечен плавный переход от круглого сечения фронтового устройства к прямоугольному сечению улитки. Кольцевой профилированный патрубок 9 имел зазор в минимальном сечении величиной 8 мм. На

входе в испарительные патрубки размещались- струйные топливные форсунки с диаметром отверстия 0,4 мм,

Стендовые испытания макетного образца камеры показали, что обеспечивается бы- етрый и надежный запуск при температурах воздуха до 50°С. При этом окружная эпюра температуры имеет неравномерность не более 25%. На переходных режимах работы

удалось получить полноту сгорания более 96%. При этом работа камеры осуществлялась при обеднении топливовоздушной смеси до величины коэффициента избытка воздуха 40...50, в то время как камера-прототип обеспечивает работу лишь до величины 12...15.

Использование камеры сгорания позволит расширить область применения и повысить ресурс работы малоразмерных

двигателей, обеспечив низкий уровень вредных выбросое и высокую полноту сгорания топлива, а также благодаря уменьшению числа пусковых форсунок до одной упростить и удешевить камеру сгорания.

Ф о р м у л а и з о б р ете н и я Кольцевая камера сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя, содержащая корпус, жаровую трубу с испарительными патрубками, снабженными грибковыми стабилизаторами, и систему зажигания, от л и- чающаяся тем, что, с целью обеспечения надежности запуска и повышения полноты сгорания топлива на переходных режимах работы двигателя, камера сгорания снабжена улиткой с кольцевым профилированным патрубком, соединенной с жаровой трубой посредством последнего, плоскость минимального сечения которого перпендикулярна оси камеры сгорания и параллельна плоскости симметрии осей испарительных патрубков, при этом кромки грибковых стабилизаторов установлены напротив профилированного патрубка, а система зажигания установлена в улитке.

Фиг. I

Фиг. 2,