кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя. Камера сгорания кольцевая

1. Общая компоновка и основные типы камер сгорания.

Камера сгорания независимо от способа выполнения состоит из двух основных частей – жаровой трубы, в которой происходит сжигание топлива, и внешнего кожуха, расположенного вокруг жаровой трубы. Топливо впрыскивается через форсунки в начальную, фронтовую часть жаровой трубы.

Воздух из компрессора поступает в пространство между кожухом и жаровой трубой, откуда проходит внутрь трубы через имеющиеся в ее стенках отверстия. Продукты сгорания топлива и избыточный воздух, т. е. газовая смесь, из жаровой трубы выходят в турбину.

По общей компоновке различают три основных типа камер сгорания: трубчатая или индивидуальная (рис. 3.2), кольцевая (рис. 3.3) и трубчато-кольцевая (рис. 3.4).

Рис. 3.2. Схема трубчатой камеры сгорания:

1 - жаровая труба; 2 - кожух; 3 - фиксатор; 4 - форсунка;

5 - соединительный патрубок

Кольцевая камера сгорания представляет собой жаровую кольцевую трубу, размещенную между наружным и внутренним цилиндрическими кожухами. В двигателе всегда используется только одна кольцевая камера, расположенная коаксиально с ротором (см. рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема кольцевой камеры сгорания:

1 И 5 - внешняя и внутренняя стенки жаровой трубы; 2 и 6 - наружный и внутренний кожухи; 3 - фиксатор жаровой трубы; 4 - форсунка

Трубчато-кольцевая камера имеет наружный и внутренний кожухи, между которыми размещены цилиндрические жаровые трубы, т.е. она представляет собой комбинацию двух предыдущих типов (см. рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема трубчато-кольцевой камеры сгорания:

1 - жаровая труба; 2 и 6 - наружный и внутренний кожухи; 3 - фиксатор;

4 - форсунка; 5 - соединительный патрубок

В рабочем состоянии температура жаровой трубы намного выше, чем кожуха. Поэтому для устранения тепловых напряжений при всех компоновочных решениях жаровая труба фиксируется в осевом направлении по отношению к кожуху только в одном месте, причем способ фиксации предусматривает возможность свободной деформации трубы в радиальном направлении.

Установка форсунки во фронтовой части трубы и способ присоединения выходной ее части допускают свободное осевое перемещение трубы, но фиксируют ее положение в радиальном направлении.

В трубчатых и трубчато-кольцевых камерах отдельные жаровые трубы связаны друг с другом соединительными патрубками. Этим повышается надежность действий камер, поскольку при срыве пламени в одной из жаровых труб горючая смесь поджигается раскаленными газами, поступающими через патрубок из соседней, работающей трубы. Кроме того, применение соединительных патрубков упрощает систему запуска, так как позволяет устанавливать пусковые устройства (пусковые воспламенители) не на всех жаровых трубах.

Трубчатая камера сгорания более проста для экспериментальной отработки, чем кольцевая; в случае каких-либо дефектов в эксплуатации ее смена не требует разборки двигателя, что невозможно при кольцевой камере. Вместе с тем комплект трубчатых камер на двигатель при одинаковой общей площади поперечного сечения, что и у кольцевой камеры, имеет существенно больший диаметральный габарит и массу. Применение трубчатых камер связано с необходимостью двукратной перестройки потока (с кольцевой формы на ряд цилиндрических струй при поступлении из компрессора в камеры и наоборот при выходе из камер в турбину), что приводит к дополнительным гидравлическим потерям и усложняет конструкцию двигателя. Кожухи кольцевой камеры в отличие от трубчатых кожухов могут использоваться в качестве силовых элементов двигателя.

Трубчато-кольцевая камера сгорания во многих отношениях позволяет объединить преимущества трубчатой и кольцевой камер. Однако в сравнении с кольцевой камерой при одинаковом поперечном габарите она имеет меньшие площади поперечного сечения газового тракта и хуже согласуется с входом в турбину.

В настоящее время применяются в основном только кольцевые и трубчато-кольцевые камеры. Трубчатые камеры используются лишь в маломощных двигателях, в которых можно ограничиться одной камерой.

studfiles.net

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям и может быть использована в качестве камер сгорания газотурбинных установок.

Заявляемая кольцевая камера сгорания содержит наружный каркас 1, в кольцевой полости 2 расположен газосборник, который состоит из наружной обечайки 3 и внутренней обечайки 4. На входе в газосборник установлен смеситель, выполненный в виде стакана 10, с одного торца стенки стакана 10 образуют входной цилиндр 11, который соединен с лопаточным завихрителем 8 фронтового устройства 7. На смесителе 10 выполнены поперечные пояса отверстий 5, предназначенные для охлаждения смесителя 10, и отверстия 6, предназначенные для поджима факела, причем диаметр отверстий поперечных поясов 5 меньше чем диаметр отверстий поперечного пояса 6. Отверстия поперечных поясов 5 выполнены неотбротованными, а отверстия поясов 6 выполнены отбортованными. На входе в газосборник расположено фронтовое устройство 7 с лопаточным завихрителем 8 и топливной форсункой 9.

Технический результат - повышение надежности камеры, стабилизация температуры по объему камеры, повышение равномерности смешения топлива.1 н.п. ф-лы, 1 рисунок

Известна трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении лобовую стенку, скрепленную со стенкой жаровой трубы и соединенную с газосборником, в жаровой трубе в плоскости лобовой стенки, обращенной к потоку, по периметру стенки жаровой трубы выполнены каналы, отличающаяся тем, что лобовая стенка соединена с газосборником с возможностью перемещения вдоль оси жаровой трубы, в последней перед лобовой стенкой выше по потоку выполнен минимум один ряд отверстий, от которых стенка жаровой трубы сплошная, а каналы в жаровой трубе выполнены щелевьми (патент на изобретение РФ 2107227, опубл. 20.03. 1998 г.).

Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит корпус, жаровую трубу, на фронтальной стенке которой размещены воздушные завихрители, а на боковых стенках - отверстия для подвода воздуха и, по меньшей мере, одно запальное устройство. Топливные форсунки установлены коаксиально воздушным завихрителям и выполнены в виде топливного завихрителя с тангенциальными каналами и/или выходного сопла. По меньшей мере, одна топливная форсунка, расположенная в зоне запального устройства, выполнена с суммарной площадью ее тангенциальных каналов и/или сопла, на 2-30% большей, чем у остальных форсунок (патент на изобретение РФ

2250415, опубл. 20.04.2005 г.).

Наиболее близким техническим решением выбранным заявителем в качестве прототипа является кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит наружный корпус и внутренний корпус, выполненный в виде газосборника, установленный на входе в камеру сгорания заборное устройство в виде кольцевого диффузора, газосборник размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха. На входе в газосборник расположено кольцевое фронтовое устройство, с лопаточным завихрителем (патент на изобретение РФ

2349840, опубл. 20.03.2009 г.).

Недостатком данной конструкции является недостаточная надежность из-за возможного выноса языка пламени в сопловой аппарат и как следствие пережег лопаток первой ступени.

Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности камеры, стабилизация температуры по объему камеры, повышение равномерности смешения топлива.

Техническая задача достигается тем, что кольцевая камера сгорания газотурбинной установки содержит наружный каркас и газосборник, который размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, на входе в газосборник расположено фронтовое устройство с лопаточным завихрителем и топливной форсункой, отличается тем, что на входе в газосборник дополнительно установлен смеситель, выполненный в виде стакана, причем с одного торца стенки смесителя образуют входной цилиндр, который соединен с лопаточным завихрителем фронтового устройства, а с другого торца смеситель соединен с газосборником, смеситель снабжен поясами отверстий подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя и для поджима факела, отверстия пояса подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя выполнены неотбортованными и по диаметру меньше, чем отверстия пояса подвода воздуха для поджима факела.

Сравнение заявляемой полезной модели с прототипом показывает, что она отличается следующими признаками:

- на входе в газосборник дополнительно установлен смеситель;

- смеситель выполнен в виде стакана;

- с одного торца стенки смесителя образуют входной цилиндр;

- входной цилиндр соединен с лопаточным завихрителем фронтового устройства;

- с другого торца смеситель соединен с газосборником;

- смеситель снабжен поясами отверстий для подвода воздуха;

- пояса отверстий подвода воздуха, предназначенные для охлаждения поверхности смесителя выполнены неотбортованными;

- пояса отверстий подвода воздуха предназначенные для охлаждения поверхности смесителя по диаметру меньше чем отверстия пояса подвода воздуха предназначенного для поджима факела.

Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».

Полезная модель может быть изготовлена на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».

На рисунке показана кольцевая камера сгорания. Заявляемая камера сгорания содержит наружный каркас 1, в кольцевой полости 2 расположен газосборник, который состоит из наружной обечайки 3 и внутренней обечайки 4. На входе в газосборник установлен смеситель, выполненный в виде стакана 10, с одного торца стенки стакана 10 образуют входной цилиндр 11, который соединен с лопаточным завихрителем 8 фронтового устройства 7. На смесителе 10 выполнены поперечные пояса отверстий 5, предназначенные для охлаждения смесителя 10, и отверстия 6, предназначенные для поджима факела, причем диаметр отверстий поперечных поясов 5 меньше чем диаметр отверстий поперечного пояса 6. Следует отметить, что отверстия поперечных поясов 5 выполнены неотбротованными, а отверстия поясов 6 выполнены отбортованными. На входе в газосборник расположено фронтовое устройство 7 с лопаточным завихрителем 8 и топливной форсункой 9.

Устройство работает следующим образом. Топливо подается по газоподводящей трубе 12 в топливную форсунку 9. В кольцевой полости 2 подается поток сжатого воздуха, который через входной цилиндр 11 смесителя 10 проходит через лопаточный завихритель 8, который турбулизирует поток газовой смеси. Газовая смесь воспламеняется обычным для таких систем способом, например при помощи воспламенителя искрового действия (на рисунке не показан), при этом во фронтовом устройстве 7 образуется факел пламени. Сжатый воздух поступает в смеситель 10 из кольцевой полости 2 через отверстия поперечных поясов 5, которые выполнены неотбортованными, поэтому воздух, выходя из этих отверстий, растекается по внутренней поверхности стакана 10 и обеспечивает охлаждение стенок стакана, предотвращая их прогорание. Часть сжатого воздуха поступает в смеситель через отверстия поясов 6, которые имеют диаметр больше, чем отверстия поперечных поясов 5, и выполнены отбортованными, вследствие этого в проистекающие столбы воздуха смесителе создают объем воздуха, направленный навстречу фронту факела пламени, который образует обратный вихрь и не дает пламени сорваться с форсунки, поджимая факел к фронтовому устройству, при этом происходит дополнительное перемешивание газовоздушной смеси и стабилизация температуры горения. Испытания заявляемой камеры сгорания показали, что выноса языка пламени в сопловой аппарат не происходит, а также обеспечивается минимальный перекос температурного поля перед турбиной высокого давления, и обеспечивается повышение полноты сгорания топлива.

Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает повышение надежности кольцевой камеры сгорания.

Кольцевая камера сгорания газотурбинной установки, которая содержит наружный каркас и газосборник, который размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, на входе в газосборник расположено фронтовое устройство с лопаточным завихрителем и топливной форсункой, отличающаяся тем, что на входе в газосборник дополнительно установлен смеситель, выполненный в виде стакана, причем с одного торца стенки смесителя образуют входной цилиндр, который соединен с лопаточным завихрителем фронтового устройства, а с другого торца смеситель соединен с газосборником, смеситель снабжен поясами отверстий подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя и для поджима факела, отверстия пояса подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя выполнены неотбортованными и по диаметру меньше, чем отверстия пояса подвода воздуха для поджима факела.

poleznayamodel.ru

Кольцевая камера сгорания

Предлагаемое изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД), работающим преимущественно на жидком и газообразном углеводородных топливах.

Известны конструкции кольцевых камер сгорания (КС) с большим числом одноконтурных с воздушным распылом малорасходных форсунок, установленных в лобовой стенке двухъярусного фронтового устройства (ФУ) с топливным коллектором на входе, которые нашли применение в авиационных ГТД, например по а.с. N 308653, М. кл. P 23 P 3/00, 1983 г. Эти камеры по сравнению с ранними конструкциями трубчатого и трубчато-кольцевого типа имеют лучшие показатели по окружному полю температуры газа (ТГ*) на выходе, по тепловому состоянию стенок жаровой трубы (ЖТ) и высотности розжига; но одновременно имеют пониженную полноту сгорания на малом газе (МГ) и на промежуточных режимах вблизи МГ с большим содержанием токсичных выделений в виде CH и CO на выхлопе двигателя. Причина этого недостатка заложена самой конструкцией ФУ и объясняется следующим. При низких параметрах воздуха вблизи МГ и отсутствии четко организованных зон стабилизации процесса горения форсунки запуска (25% от общего количества) имеют растянутые низкотемпературные факелы пламени, поэтому не обеспечивают высокоэффективное горение "бедной" топливовоздушной смеси (ТВС) рабочих форсунок. Известны также более совершенные многогорельчатые кольцевые камеры с двухзонно-последовательным сжиганием топлива в ЖТ сначала в зоне МГ (

10-20%), затем в зоне основного режима (ОР) (

80-90%) с "обедненным" составом ТВС до

см

2 на номинальном режиме работы двигателя с

кс

3,5. Названные КС отличаются тем, что на режимах работы вблизи МГ и ОР имеют значительно меньшие выбросы CO, CH, оксидов азота NOx и дыма на выхлопе (А.Лефевр. "Процессы в камерах сгорания ГТД". М., Мир, 1986 г.). К таким конструкциям, например, относится КС ТРДД PW-4000 фирмы Пр. Уитин, разработанная в США по национальной программе E3, у которой выбросы NOx снижены до уровня

20 г/кг (С.96). Однако и они не лишены серьезных недостатков, мешающих широкому внедрению их в авиационные и стационарные ГТД, а именно: 1) чрезвычайно сложные в изготовлении кожуха ДТ с двойными стенками (внешними - силовыми, внутренними - плавающими из металло-керамических плиток, в виде черепицы, перфорированной мелкими отверстиями и каналами), т. к. простая традиционная конструкция кожухов с конвективно-пленочным охлаждением не имеет ресурса вследствие локальных зон перегревов от "горячих следов" за индивидуальными вихревыми горелками ФУ; 2) провалы полноты сгорания на промежуточных режимах работы МГ-ОР из-за задержки розжига сравнительно крупных высокоскоростных струй с "бедной" ТВС горелок зоны ОР; 3) конструкцией ФУ не обеспечивается стабильное поле ТГ* по радиусу, т. к. подача ТВС ОР осуществляется горелками лишь с периферии, а не с обеих сторон ЖТ. Проблемы по п. п.2 и 3 зарубежными фирмами решаются уже более 20 лет с помощью создаваемых вновь сложной электронно-цифровой системы управления топливоподачей и устройств перепуска первичного воздуха в ЖГ за зону горения. Таким образом, главной причиной несовершенства процесса горения топлива, усложнения конструкции и системы регулирования топливоподачей в одно- и двухзонных кольцевых КС является традиционное и неоправданное применение в ФУ набора ограниченного количества вихревых горелок или форсунок с воздушным распылом топлива. Задачей изобретения является усовершенствование конструкции КС с двухзонно-последовательным сжиганием топлива для повышения полноты сгорания на промежуточных режимах работы, снижения местных пиковых температур на стенках ЖТ и лопатках турбины, уровня выделений NOx до перспективных норм 3-8 г/кг и существенного упрощения конструкции без ухудшения других характеристик, а в итоге - создания унифицированного модуля ФУ для широкого класса типоразмеров камер ГТД различного назначения. Поставленная задача достигается тем, что в кольцевой камере ГТД с двухзонно-последовательным сжиганием преимущественно жидкого и газообразного углеводородных топлив, содержащей корпус, расположенную в нем жаровую трубу, съемные форсунки малого газа и основного режима перед ней и выносной двухполостный, по крайней мере, топливный коллектор с трубопроводами подвода топлива к форсункам, фронтовое устройство жаровой трубы выполнено из двух спаренных со щелевым зазором тонкостенных (U-образных в сечении стабилизаторов пламени, наружный из которых в лобовой части имеет отверстия, расположенные соосно форсункам, и на выходе - удлиненные полки, скрепленные с кожухами вторично части жаровой трубы, а внутренний стабилизатор - Г-образные патрубки с раструбами на входе, соосно форсункам малого газа и соплами внутри полости стабилизатора на выходе загнутых в одном направлении по окружности участков патрубков, при этом полки стабилизатора на кромках имеют отбортовки, а перед ними ряд отверстий, кроме того, в зазоре между стабилизаторами установлены группы фасонных тонкостенных патрубков, входные части которых вставлены плотно в соосные форсункам основного режима отверстия наружного стабилизатора, причем раздвоенные и плавно обжатые в щелевых зазорах выходные участки срезами размещены перед отверстиями внутреннего стабилизатора и образуют по окружности непрерывные цепи сегментных по форме сопел. Г-образные патрубки имеют конфузорно-диффузорные сопла с лепестками в виде гофров и отверстия между ними на кормовой части. Внутренний стабилизатор по окружности набирается из сегментов и его полки, кроме того, могут быть изготовлены с продольными гофрами с максимальной высотой на кромках. С целью исключения срывного течения ТВС в полости патрубков изменения площадей их каналов от входа до выходов выполняются плавными. Для обеспечения сжигания топлива с минимальными токсичными выбросами на всех режимах работы КС суммарная эффективная площадь проходных сечений каналов ФУ для первичного воздуха от суммарной эффективной площади проходных сечений ЖГ должна выдерживаться в пределах 0,6-0,8, а аналогичная им суммарная площадь каналов Г- образных патрубков от площади ФУ должна составлять 0,05-0,1. Поскольку в зонах МГ и ОР должно сжигаться соответственно 10-20% и 80-90% топлива, то, выбрав необходимую производительность форсунок, можно выдержать требуемые для эффективного сжигания топлива диапазоны по

см= 0,6-1,2 в зоне МГ и

см

2 в зоне ОР. На основании имеющегося опыта можно утверждать, что существенному улучшению воспламенения и поддержания устойчивого горения ТВС ОР на факеле пламени МГ должны способствовать малоскоростной кольцевой горящий вихрь, который создается в полости внутреннего стабилизатора благодаря тангенциальным вдувам ТВС Г-образными патрубками, а также турбулизированные отбортовками и отверстиями промежуточные слои контакта между вихрем и скоростными потоками ТВС, выходящими из щелей между стабилизаторами. Для этой цели, кроме того, форсунки МГ и ОР должны устанавливаться по окружности с шагом 60 мм в чередующихся группах с кратностью 1:2-1:5, которые в целом определяются конструктивно в зависимости от среднего диаметра ФУ, результатов расчетов и, по-возможности, заранее выполненных на моделях ФУ экспериментов. Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями, т.к. отличительные признаки изобретения в других объектах техники не обнаружены. На фиг. 1 для примера показана принципиальная схема конструкции КС; на фиг. 2 - вид на ФУ спереди; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4, 5 - сечение Б-Б и В-В по форсункам фиг. 3; на фиг. 6 - фрагмент Г-образного патрубка фиг. 3. Как видно, КС имеет ЖТ 1, размещенную в корпусе 2, причем ее крепление к корпусу осуществляется за выходную часть с помощью конической обечайки 3. ЖГ на входе имеет кольцевое ФУ 4 со съемными форсунками МГ (1 к) 5 и ОР (2 к) 6, а на выходе - вторичную часть 7 с наружным и внутренним кожухами, которые заканчиваются телескопическими замками для соединения с сопловым аппаратом турбины. В состав ФУ, кроме форсунок, входят два спаренных со щелевым зазором тонкостенных U-образных в сечении наружного 8 и внутреннего 9 стабилизаторов пламени, чередующиеся группы фасонных раздваивающихся к выходу патрубков 10 и Г-образные патрубки 11 (фиг. 1, фиг. 3). Стабилизатор 8 в лобовой части имеет отверстия 12 и 13 для подвода первичного воздуха в зону горения, которые выполняются соосно форсункам, и удлиненные полки для скрепления с кожухами вторичной части 7 и создания таким образом единого жесткого узла - ЖТ. На фиг. 1 и фиг. 3 видно также, что стабилизатор 9 на выходных кромках имеет ряд отверстий и отбортовки в сторону щелей и может набираться по окружности из сегментов 14, чтобы обеспечить компенсацию от термических расширений стабилизатора во время работы. В этом случае крепление сегментов в окружном направлении к стабилизатору 8 осуществляется в двух точках с помощью винтов или шпилек 15 (фиг. 3) с плавающим соединением по одному месту. Г- образные патрубки устанавливаются входными раструбами 16 в отверстия 13 соосно форсункам 1к, а на выходе загнутые участки патрубка заканчиваются конфузорно-диффузорными соплами 17 с гофрами и отверстиями между ними (фиг. 6). Все форсунки по окружности набираются чередующимися группами с кратностью 1: 2-1: 5 между 1к и 2к (фиг. 2, фиг. 3) и могут выполняться двухканальными под раздельный подвод жидкого и газообразного топлива (фиг. 2, фиг. 5). Кроме того, для упрощения монтажа и снижения гидравлических потерь давления от загромождения сечения тракта корпуса форсунок можно изготавливать, например, в спаренном виде (фиг. 2, фиг. 3). Для подвода топлива к корпусам форсунок 1к и 2к с внешней стороны корпуса камеры размещен двух- или четырехполостной коллектор 18 с трубопроводами многоразового использования (фиг. 1). Для организации двухзонно-последовательного процесса сжигания топлива за ФУ сначала в зоне МГ (10-20%) с

см= 0,6-12, затем в зоне ОР (80-90%) с

см

2 эффективная площадь проходных сечений воздушных каналов ФУ от суммарной эффективной площади проходных сечений ЖТ выбрана в пределах 0,6-0,8, при этом соответствующая им площадь каналов Г-образных патрубков от площади ФУ составляет 0,05-0,1. Уточнение площадей проходных сечений ЖТ для первичного и вторичного воздуха и производительности форсунок в группах делается в ходе экспериментальной доводки КС на автономных стендах и в составе ГГД. Принцип работы КС в составе ГТД заключается в следующем. После раскрутки ротора ГТД от постороннего источника до заданной частоты вращения начинает поступать топливо в форсунки 1к, которое смешивается с набегающим потоком воздуха в Г-образных патрубках 11 и в виде ТВС под перепадом давления на ЖГ (обычно 3-4%) вдувается измельченными струями сопла в полость стабилизатора 9 по касательной к среднему диаметру, создавая малоскоростной кольцевой вихрь. Подготовленная таким образом ТВС поджигается от кратковременно включенных свечей непосредственного розжига или воспламенителем (на фиг. не показана) и продолжает устойчиво гореть в вихре, т.к. он защищен полками от преждевременного захолаживания и разрушения скоростным потоком воздуха, обтекающего стабилизатор 9. По мере увеличения режима работы двигателя агрегатом регулирования начинает подаваться топливо в форсунки 2к, которое подхватывается набегающим потоком и поступает в патрубки 10, где оно смешивается и в виде ТВС выпускается под перепадом давления на ЖГ через две кольцевые щели между стабилизаторами в центральную зону ЖТ - зону ОР. На фронте факела пламени зоны МГ смесь поджигается и устойчиво горит в кольцевом пространстве с малым временем пребывания (

3 мс) в факеле с температурой

1800oC, чему также способствуют отверстия и отбортовки на кромках стабилизатора 9, создавшие два турбулизированных слоя контакта ТВС между потоками МГ и ОР (фиг. 1, а-а). Конструкцией ЖТ предусмотрен также интенсивный обдув выходных кромок стабилизатора 8 потоком вторичного воздуха (фиг. 1,

1 ), что является дополнительной защитой стенок кожухов 7 от контакта с факелом пламени. Подбором экспериментальным путем расхода вторичного воздуха на обдув кромок и охлаждение стенок кожухов обеспечивается заданная радиальная эпюра ТГ* на выходе из ЖТ. Можно ожидать, что отсутствие в предлагаемом ФУ дискретных очагов горения за вихревыми горелками, присущих всем известным КС ГТД, позволит получить ровное поле ТГ* по окружности. Предлагаемая конструкция ФУ после оптимизации его геометрических характеристик может быть использована в качестве унифицированных модулей для разработки многих типоразмеров КС ГТД авиационного и наземного применения.

Формула изобретения

1. Кольцевая камера ГТД с двухзонно-последовательным сжиганием преимущественно жидкого и газообразного углеводородных топлив, содержащая корпус, расположенную в нем жаровую трубу, съемные форсунки малого газа и основного режима перед ней и выносной двухполостный, по крайней мере, топливный коллектор с трубопроводами подвода топлива к форсункам, отличающаяся тем, что фронтовое устройство жаровой трубы выполнено из двух спаренных с щелевым зазором тонкостенных U-образных в сечении стабилизаторов пламени, наружный из которых в лобовой части имеет отверстия, расположенные соосно форсункам, и на выходе - удлиненные полки, скрепленные с кожухами вторичной части жаровой трубы, а внутренний стабилизатор - Г-образные патрубки с раструбами на входе соосно форсункам малого газа и соплами внутри полости стабилизатора на выходе загнутых в одном направлении по окружности участков патрубков, при этом полки стабилизатора на кромках имеют отбортовки, а перед ними ряд отверстий, в зазоре между стабилизаторами установлены группы фасонных тонкостенных патрубков, входные части которых вставлены плотно в соосные форсункам основного режима отверстия наружного стабилизатора, причем раздвоенные и плавно обжатые в щелевых зазорах выходные участки срезами размещены перед отверстиями внутреннего стабилизатора и образуют по окружности непрерывные цепи сегментных по форме сопел. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что Г-образные патрубки имеют конфузорно-диффузорные сопла с лепестками в виде гофров и отверстия между ними на кормовой части. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что внутренний стабилизатор по окружности набирается из сегментов и его полки могут быть изготовлены с продольными гофрами с максимальной высотой на кромках.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

www.findpatent.ru

кольцевая камера сгорания - патент РФ 2161756

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя с двухзонно-последовательным сжиганием преимущественно жидкого и газообразного углеводородных топлив содержит корпус, расположенную в нем жаровую трубу, съемные форсунки малого газа и основного режима перед ней и выносной двухполостный, по крайней мере, топливный коллектор. Фронтовое устройство жаровой трубы выполнено из двух спаренных с щелевым зазором тонкостенных U-образных в сечении стабилизаторов пламени, наружный из которых в лобовой части имеет отверстия, расположенные соосно форсункам, а на выходе - удлиненные полки, скрепленные с кожухом вторичной части жаровой трубы. Внутренний стабилизатор имеет Г-образные патрубки с раструбами на входе соосно форсункам малого газа и соплами внутри полости стабилизатора. В зазоре стабилизаторами установлены группы фасонных тонкостенных патрубков, входные части которых вставлены плотно в соосные форсункам основного режима отверстия наружного стабилизатора, а выходные участки срезами размещены перед отверстиями внутреннего стабилизатора и образуют по окружности непрерывные цепи сегментных по форме сопел. Такое выполнение кольцевой камеры сгорания приводит к повышению полноты сгорания на промежуточных режимах работы. 2 з.п.ф-лы, 6 ил. Предлагаемое изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД), работающим преимущественно на жидком и газообразном углеводородных топливах. Известны конструкции кольцевых камер сгорания (КС) с большим числом одноконтурных с воздушным распылом малорасходных форсунок, установленных в лобовой стенке двухъярусного фронтового устройства (ФУ) с топливным коллектором на входе, которые нашли применение в авиационных ГТД, например по а.с. N 308653, М. кл. P 23 P 3/00, 1983 г. Эти камеры по сравнению с ранними конструкциями трубчатого и трубчато-кольцевого типа имеют лучшие показатели по окружному полю температуры газа (ТГ*) на выходе, по тепловому состоянию стенок жаровой трубы (ЖТ) и высотности розжига; но одновременно имеют пониженную полноту сгорания на малом газе (МГ) и на промежуточных режимах вблизи МГ с большим содержанием токсичных выделений в виде CH и CO на выхлопе двигателя. Причина этого недостатка заложена самой конструкцией ФУ и объясняется следующим. При низких параметрах воздуха вблизи МГ и отсутствии четко организованных зон стабилизации процесса горения форсунки запуска (25% от общего количества) имеют растянутые низкотемпературные факелы пламени, поэтому не обеспечивают высокоэффективное горение "бедной" топливовоздушной смеси (ТВС) рабочих форсунок. Известны также более совершенные многогорельчатые кольцевые камеры с двухзонно-последовательным сжиганием топлива в ЖТ сначала в зоне МГ ( кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

10-20%), затем в зоне основного режима (ОР) ( кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

80-90%) с "обедненным" составом ТВС до кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

см

2 на номинальном режиме работы двигателя с кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

кс

см= 0,6-1,2 в зоне МГ и кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

см

см= 0,6-12, затем в зоне ОР (80-90%) с кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

см

3 мс) в факеле с температурой кольцевая камера сгорания, патент № 2161756

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

www.freepatent.ru

кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя - патент РФ 2476774

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит: корпус, по меньшей мере, с одним отверстием отбора воздуха, которое размещается на входе в камеру; устройство подачи топлива в камеру. Устройство подачи топлива в камеру включает в себя множество расположенных по окружности инжекторов, среди которых, по меньшей мере, один расположен рядом с данным отверстием отбора. Устройство подачи топлива содержит средство уменьшения количества поступающего топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора, чем другие топливные инжекторы. Изобретение позволяет уменьшить горячие точки в зоне после камеры сгорания, образуемые в результате отбора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил. кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, патент № 2476774

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и направлено, в частности, на функционирование камер сгорания с целью улучшения, в частности, температурного профиля на выходе из камеры сгорания.

Газотурбинный двигатель, такой как двигатель, формирующий газы, приводящие в движение летательный аппарат, содержит средство сжатия поступающего в камеру сгорания воздуха, в которой воздух смешивается с топливом и сгорает. Образованные в камере сгорания газы проходят через рабочие колеса турбины, в которых происходит снижение давления газов, а затем их удаление. Турбины приводят в движение различные колеса компрессора, в том числе вентилятор турбореактивного двигателя. В летательном аппарате отбор мощности и сжатого воздуха происходит для выполнения многочисленных вспомогательных функций. В частности, отбор воздуха осуществляется в расположенном непосредственно после диффузора сжатого воздуха пространстве, выходящем в камеру сгорания.

Воздух удаляется через отверстия отбора, расположенные на корпусе камеры сгорания, в многочисленных точках этого кольцеобразного пространства.

Теперь на двигатель возлагается функция обеспечения летательного аппарата воздухом для осуществления широкого спектра задач, вплоть до работы на полную мощность. Такой отбор оказывает влияние на качество топлива.

В связи с этим на выходе камеры сгорания отмечается появление горячих точек. Анализ проблемы показал, что эти зоны повышенных температур располагаются в задней части, в спутном следе отверстий отбора. Явление связано с установкой всех топливных инжекторов вокруг оси. Действительно, процесс сгорания в кольцевой камере распадается на множество очагов горения, которые располагаются вслед за топливными инжекторами. Топливо впрыскивается в переднюю часть камеры инжекторами через отверстия, выполненные в основании камеры, а сгорание является результатом смешения воздуха, поступающего через эти отверстия, с топливом. Было отмечено, что отбор воздуха посредством отверстий отбора, поскольку они в необходимой степени локализованы, оказывал влияние на качество горения в очагах, расположенных сразу после этих отверстий отбора. Воздуха, удаляемого через эти отверстия отбора, не хватает для очагов горения, расположенных в этой же зоне. Из этого следует образование чрезмерной насыщенности топлива в этих зонах, что приводит к повышению температуры топочных газов, в связи с чем отмечается неоднородный температурный профиль после камеры.

Задача изобретения - улучшение температурного профиля газов на выходе из камеры сгорания и уменьшение горячих точек, которые ухудшают прочность конструктивных элементов, расположенных в этой зоне, в частности направляющих сопловых аппаратов высокого давления.

Согласно изобретению данная задача решается путем использования кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит корпус, по меньшей мере, с одним отверстием отбора воздуха, расположенным на входе в камеру, устройство подачи топлива в камеру посредством множества топливных инжекторов, расположенных по окружности, при этом, по меньшей мере, один инжектор расположен рядом с данным отверстием отбора, отличающейся тем, что устройство подачи топлива содержит устройство подачи меньшего количества топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора, по сравнению с другими топливными инжекторами.

Преимуществом предлагаемого в изобретении решения является возможность при помощи простого устройства добиться одинаковой насыщенности топливом по всех точках камеры сгорания. Из этого следует ограничение отмечаемых спутных следов и улучшение температурного графика в режиме работы на полную мощность. Следствием этого является повышение срока эксплуатации направляющих сопловых аппаратов высокого давления, установленных непосредственно после камеры сгорания.

Согласно другому отличительному признаку средство уменьшения количества подаваемого топлива устанавливается для подачи в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора воздуха, топлива меньше на 3-10%, чем в другие инжекторы.

Согласно одному варианту осуществления изобретения данное средство уменьшения количества подаваемого топлива является мембраной в питательной линии инжектора.

Согласно другому варианту осуществления изобретения топливные инжекторы содержат питательные линии для работы в режиме малого газа и питательные линии для работы в режиме на полную мощность с устройством управления подачи в питательную линию, обеспечивающую работу на полную мощность, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива установлено для оказания воздействия на данное средство управления.

В частности, устройством управления является заслонка клапана, возвращаемая в исходное положение пружиной, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива образовано пружиной, обладающей определенным коэффициентом упругости.

Согласно другому варианту осуществления изобретения устройство подачи содержит коллектор, с которым соединены отдельные питательные линии инжекторов, при этом питательная линия инжектора, расположенного рядом с отверстием отбора, управляется посредством клапана, положение которого определено таким образом, чтобы обеспечивалась подача меньшего количества топлива по сравнению с другими инжекторами.

Другие отличительные признаки и преимущества станут яснее после изучения прилагаемого описания способов осуществления изобретения, которые не носят ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых:

Фиг.1 изображает выполненный в осевом разрезе вид половины камеры сгорания газотурбинного двигателя;

Фиг.2 изображает кольцевую камеру сгорания двигателя со стороны поступления воздуха в направлении задней части относительно движения потока газов;

Фиг.3 - инжектор аэромеханического типа с двумя параллельными трубками подачи топлива;

Фиг.4 - инжектор с одной трубкой подачи топлива;

Фиг.5 изображает вариант осуществления изобретения.

На фиг.1 изображен в разрезе частичный вид половины камеры сгорания 11 турбореактивного двигателя 10 самолета. Камера сгорания, имеющая в целом кольцевую геометрическую форму, содержит основание 12 камеры с отверстиями, внутри которых располагаются распылительные головки 14 определенного количества инжекторов 15, закрепленных на корпусе 16, окружающем камеру сгорания. Инжекторы 15 равномерно размещены по окружности. Сжатый воздух, который подается из компрессора высокого давления, расположенного в передней части (не показан), поступает в корпус через кольцеобразный диффузор 18. Направляющими листами 19, которые покрывают основание камеры 12, горячий воздух разделяется на два потока, при этом один поток проходит сквозь корпус 16, огибая камеру сгорания 11, перед тем как попасть в ее заднюю часть, а другой поток поступает в камеру сгорания через отверстия между направляющим листом и отверстиями основания камеры 12, после чего смешивается с топливом, которое посредством распылительных головок впрыскивается в камеру сгорания. Топливо воспламеняется в результате замыкания свечи зажигания 17, расположенной в углу конуса, распыляющего топливо, что приводит к образованию газов, подаваемых в турбину высокого давления, расположенную в задней части (не показана). Каждый инжектор 15 содержит рукав инжектора, удерживающего и обеспечивающего подачу в распылительную головку 14. Рукав изогнут таким образом, чтобы он мог удерживать распылительную головку в положении, перпендикулярном основанию камеры. В конструкции камеры сгорания, к которой применимо предлагаемое изобретение, отверстия 20 отбора воздуха выполняются в корпусе 16. Отверстия отбора воздуха соединены с кольцевой зоной, расположенной между диффузором 18 и направляющими листами 19.

На фиг.2 изображена камера сгорания, расположенная соосно с двигателем, от входа к выходу согласно направлению движения потока газов. Инжекторы 15 равномерно располагаются вокруг камеры. В данном случае они образованы трубками 151, соединенными индивидуальными регуляторами подачи 152 с кольцевым трубопроводом 153, по которому топливо распределяется по трубкам 152, обеспечивающим подачу топлива в различные инжекторы. Инжекторы располагаются в предназначенных для каждого из них отверстиях, выполненных в листах 19, для подачи топлива внутрь камеры сгорания. На данной фигуре чертежа изображена трубка отбора 21, которая включает в себя два участка трубки 21а и 21b, каждый из которых соединен соответственно с отверстиями отбора 20а и 20b, которые оба выполнены на корпусе камеры сгорания. Два участка трубки соединяются в одну трубку 21, которая направляет удаляемый воздух в различные зоны применения.

На данной фигуре чертежа отчетливо видно, что два отверстия 20а и 20b располагаются непосредственно перед определенной частью инжекторов. В данном случае речь идет об инжекторах 15а и 15b, с одной стороны, и инжекторах 15с и 15d, с другой стороны. Поступающий из диффузора 18 воздух образует кольцеобразный поток, который подразделяется на потоки первичного воздуха, попадающие в каждое из отверстий 19а обтекателя 19 на входе в камеру 11 и с которыми соединены инжекторы 15. В процессе работы топливо, подаваемое каждым из инжекторов, смешивается с потоком первичного воздуха и образует такое же количество очагов горения, которые рассредоточены по окружности.

Поскольку подача топлива в инжекторы осуществляется одним и тем же способом из общей топливной системы, качество горения в каждом из очагов зависит от соотношения количества топлива и первичного воздуха. В частности, отбор воздуха через отводящие отверстия 20а и 20b приводит к изменению соотношения воздуха и топлива в зоне после инжекторов 15а, 15b и 15c, 15d. Возникающая в результате этого чрезмерная насыщенность топлива выражается в более высокой температуре топочных газов в очагах горения, которые взаимосвязаны с этими инжекторами, чем в других очагах. Из этого следует кольцеобразный температурный профиль после камеры сгорания, который содержит более горячие точки.

Согласно предлагаемому изобретению данная проблема решается путем уменьшения подачи топлива в вышеупомянутые инжекторы, который позволяет добиться того, чтобы соотношение воздух/топливо было аналогичным, как и в других очагах.

Необходимые для решения этой задачи средства приведены в соответствие с устройствами впрыска.

Как это известно, инжекторы обеспечивают подачу топлива в камеру сгорания во время запуска двигателя и его нормальной работы. В основном существуют два типа инжекторов, а именно: так называемые «аэромеханические» инжекторы, разработанные для двух топливных систем (первичная и вторичная схемы подачи топлива), которые зависят от режимов работы двигателя (пуск, переход от работы в режиме холостого хода к работе на полную мощность), и так называемые «аэродинамические» инжекторы, которые содержат только одну топливную систему, используемую на всех режимах работы.

В случае применения аэромеханического двухсоплового устройства инжектор содержит рукав, который крепится к корпусу камеры сгорания и завершается распылительной головкой. Пример аэромеханического устройства впрыска изображен на фиг.3. Каждый рукав 151 содержит, например, две трубки, как и в устройстве, описание которого приведено в патенте ЕР 1770333 от имени заявителя, в том числе первую внешнюю трубку 24, вокруг которой располагается защитный кожух 25, и вторую внутреннюю трубку 26, устанавливаемую соосно во внешней трубке таким образом, чтобы образовались два коаксиальных канала, в том числе центральный канал 28, ограниченный данной внутренней трубкой, и периферийный, имеющий кольцеобразное сечение канал 29, располагаемый вокруг центрального канала и ограниченный двумя, внутренней и внешней, трубками 24, 26. Каждый рукав инжектора 151 соединен с двумя топливными системами, что позволяет привести подачу топлива в соответствие с различными рабочими режимами двигателя. Выделяется первичный контур подачи топлива для работы в режиме торможения и на малой мощности, в которых подача топлива осуществляется в малых количествах и постоянно независимо от режима работы двигателя, и вторичный контур подачи топлива, в котором количество подаваемого топлива в основном меняется от малых, даже нулевых, до максимальных значений.

Два топливных канала 28 и 29 соединены, например, с дозатором 152, описание типа которого приведено в патенте FR 2540186 или также ЕР 1209338.

При помощи насоса топливо подается под давлением в устройство 152 через впускной топливозаборник 31. Этот заборник соединен с запорным клапаном 32, который открывается, когда давление топлива превышает первый порог, и остается открытым во время работы двигателя. После запорного клапана топливо непрерывно подается по переходному каналу 32а к первому каналу 28, вплоть до распылительной головки. Управление другой частью топлива, образующей вторичный поток, осуществляется посредством дозирующего клапана. Таким образом, вторичный поток контролируется устанавливаемым после запорного клапана 32 дозирующим клапаном 34, который предназначен для открывания и дозировки топлива после достижения давления, превышающего первый порог. После клапана 34 топливо подается по переходному каналу 34а до канала 29, откуда оно направляется к распылительной головке. Клапан 34 открывается в результате давления топлива на возвратную силу пружины 35.

Решения, базирующиеся на достигнутом уровне техники, направлены на регулировку вспомогательного дозирующего клапана топлива таким образом, чтобы количество подаваемого топлива было, по возможности, максимально одинаковым во всех инжекторах одной и той же камеры сгорания. В соответствии с изобретением осуществляется усовершенствование регулировки дозирующих клапанов, соединенных с инжекторами 15а-15d, таким образом, чтобы количество подаваемого в них топлива было меньше на определенную величину, а именно на 3-10%, по сравнению с количеством подачи в другие инжекторы камеры сгорания. В результате уменьшения количества подаваемого топлива снижается насыщенность топливной смеси в очагах горения, расположенных в районе отверстий отвода воздуха.

Средство регулировки дозирующих клапанов 34 заключается в регулировке пружин 35, которые с ними сопряжены.

Подача топлива в инжектор 15' аэродинамического типа, как это было показано на фиг.4, осуществляется, в частности, через дозирующий клапан, который устанавливается для открытия под определенным давлением подачи топлива и остается открытым в случае увеличения этого давления подачи для обеспечения подачи топлива, а затем его выброса к носику инжектора, на уровне которого топливо распыляется в камере сгорания.

В питательной линии 152' рукавов инжектора 151' определение количества подачи осуществляется посредством неподвижно установленной мембраны. Эти мембраны в обычном исполнении идентичны и обеспечивают подачу одинакового количества топлива в различные инжекторы. Такая мембрана изображена на фиг.4. Монотрубчатый рукав инжектора 15' соединен с трубопроводом подачи топлива, дозированное поступление в который осуществляется посредством заборника 40, содержащего мембрану 41, имеющую выверенные размеры сечения. Согласно изобретению выбирается мембрана, имеющая соответствующие выверенные размеры и позволяющая, чтобы количество топлива, поступающего в инжекторы 15'а-15'd, положение которых соответствует положению инжекторов 15а-15d, изображенных на фиг.2, было меньше, чем количество топлива, поступающего в другие инжекторы.

Согласно одному варианту осуществления изобретения топливные инжекторы 15а-15d или 15'-15'd снабжаются по каналам, отличающимся от каналов подачи топлива в другие инжекторы, которые управляются посредством электроклапанов или регулируемых клапанов.

Как это показано на фиг.5, трубопровод, по которому осуществляется подача топлива в инжекторы 15а-15d, управляется посредством электроклапана или клапана 50. Электроклапан принимает два возможных положения: положение открытия и положение ограниченного пропуска, позволяющее создать потерю нагрузки в соответствующем канале. Когда через отверстия отбора не производится отбор воздуха, электроклапан открыт. Совокупность инжекторов функционирует аналогичным образом. Когда происходит отбор, электроклапан находится в положении, обеспечивающем создание потери нагрузки в канале подачи топлива в инжекторы 15а-15d. В результате такой потери нагрузки происходит существенное уменьшение поступающего в инжекторы топлива.

В случае если порядок регулировки функционирования отбора носит более сложный характер, то устанавливается регулируемый клапан, который регулируется в зависимости от количества отбираемого воздуха с целью оптимизации выравнивания насыщенности инжекторов на всех этапах полета.

Представленные примеры не носят ограничительного характера, и возможны другие варианты осуществления изобретения. Таким образом, предлагаемое изобретение не ограничивается отбором посредством выполненных на корпусе двух отверстий, возможны другие варианты компоновки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит: корпус, по меньшей мере, с одним отверстием отбора воздуха, которое размещается на входе в камеру; устройство подачи топлива в камеру, которое включает в себя множество расположенных по окружности инжекторов, среди которых, по меньшей мере, один расположен рядом с данным отверстием отбора, отличающаяся тем, что устройство подачи топлива содержит средство уменьшения количества поступающего топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора, чем другие топливные инжекторы.

2. Камера сгорания по п.1, в которой вышеупомянутое средство уменьшения количества поступающего топлива устанавливается для подачи топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора воздуха, меньше на 3-10%, чем в другие инжекторы.

3. Камера сгорания по п.1, в которой средство уменьшения количества подаваемого топлива является неподвижно установленной в питательной линии инжектора мембраной.

4. Камера сгорания по п.1, в которой топливные инжекторы содержат источник питания для работы в режиме холостого хода и источник питания для работы в режиме на полную мощность с устройством управления подачи в источник питания в режиме работы на полную мощность, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива установлено для оказания воздействия на данное средство управления.

5. Камера сгорания по п.4, в которой устройством управления является клапан, возвращаемый в исходное положение пружиной, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива образовано пружиной, обладающей заданным коэффициентом упругости.

6. Камера сгорания по п.1, в которой устройство подачи содержит коллектор, с которым соединены отдельные питательные линии инжекторов, при этом питательная линия инжектора, расположенного рядом с отверстием отбора, управляется посредством клапана, положение которого определено таким образом, чтобы сократить подачу топлива по сравнению с другими инжекторами.

7. Камера сгорания по п.6, в которой клапаном является электроклапан.

8. Камера сгорания по п.6, в которой клапан отрегулирован в зависимости от количества отбираемого воздуха.

9. Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания по любому из пп.1-8.

www.freepatent.ru

Кольцевая камера сгорания

О П

ИЗО

Союз Советскнх

Социалистических

Республик

308653

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-вувЂ” (22) Заявлено 19. 11. 66 {21) 978449/24-6 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет ($))М Кл 3

F 23 R 3/00

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий

Опубликовано 30.01,83. Бюллетень ¹ 4

Дата опубликования описания 30.01ВЗ (53) УДК 621. 43. 056 (038. 8) Н. Д. Кузнецов, Е.М. Семенов, Л. С. Коровкин, Н. А.Маркушин, ;Л.ф.Епейкин, А.И.кулаков, Б.В.Чистяков, Б.М.11аховкин и С.Н.Липкин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ

Изобретение относится к газотурбинным двигателям.

Известны кольцевые камеры сгорания, содержащие многофорсуночную головку, соединенную с кожухом для смешения вторичного воздуха с продуктами сгорания, кольцевые рабочий и пусковой топливные коллекторы, рабочие и пусковые форсунки. Большие тепловые потоки от камеры к коллекторам приводят к нагреву топлива и коксованию форсунок. На бедных смесях наблюдается неустойчивое горение. Поле скоростей воздуха на входе в камеру вследствие неравномерного загромождения тракта также неравномерно, что приводит к неравномерному полю температур и скоростей на выходе из камеры.

Цель изобретения вЂ” создание такой конструкции кольцевой камеры, которая обеспечивала бы минимальный нагрев топлива в коллекторах, устойчивое горение на бедных смесях и равномер- ное поле скоростей воздуха на входе в нее.

Достигается она тем, что пусковой и рабочий коллекторы выполнены в виде полого кольца с разделительной перегородкой, пусковые форсунки снабжены смесительными втулками в виде двух взаимно расходящихся конусов с отверстиями у внутреннего конуса, а на топливном коллекторе установлены кольцевые стабилизаторы.

На фиг.1 изображена схема камеры, на фиг.2 =вид на камеру со стороны входа в нее, на фиг.3 вЂ” коллектор с

)p пусковой форсункой, на фиг.4 вЂ” коллектор с рабочей форсункой.

Многофорсуночная головка 1 кольцевой камеры 2 сгорания, жестко соединенная с конусом 3 и прикрепленная тягами 4 к наружному корпусу 5, имеет диск б с кольцевым топливным коллектором 7, равномерно закрепленными рабочими форсунками 8 и пусковыми форсунками 9. Коллектор выполнен в виде о полого кольца, разделенного перегородкой 10 на канал 11 для подачи рабочего топлива и канал 12 для пускового.

Каждая форсунка соединена с каналами

11 и 12 сооответствующими каналами

13, 14 и 15, 16 ° Снаружи коллектора установлен защитный экран 17 а внутри каналов 14 и 16 вЂ” трубки 18. Форсунки прикреплены к дискам б колпачковыми гайками 19 и уплотнены кольцами 20. Каждая из них имеет топливные фильтры 21, распылители 22 и смеси308653 тельные втулки: 23 у рабочей форсунки 8 и 24 - у пусковой форсунки 9, закрепленные на корпусе 25 с помощью эанихрителя 2б. Воздух подводится к завихрителям через отверстия 27 в диске 6. К этому диску и коллектору 5 ,7 приварены штуцер 28 рабочего топли ва и 29 - пускового. Смесительная втулка 24 имеет двойной расходящийся конус с отверстиями 30 и 31.

При запуске двигателя топливо по- щ дают только в пусковые форсунки 9.

По мере увеличения оборотов давление . топлива повышается, и оно начинает поступать и в рабочие форсунки 8.

Количество топлива, поступающее в форсунки 8 и 9, выбирают таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха о(в их внутренней полости на наиболее длительном и напряженном режиме соответствовал -=1.

2О

Большое количество очагов горения и подача к ним заранее подготовленной топливо-воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха с6 =1 позволяет получить .короткий факел пламени с высокой полнотой сгорания и низкой тепловой радиацией и, следовательно, малую окружную неравномерность температуры газа на выходе иэ камеры 2 и сравнительно низкий нагрев ее стенок.

Объединение пускового и рабочего топ- ливных коллекторов в общий кольцевой коллектор 7 уменьшает нагрев топлива.

Для расширения диапазона устойчивой работы камеры 2 по составу смеси используется стабилизирующий эффект сме 35 сительных втулок 24 пусковых форсунок 9.

Во внутренних полостях конуса втулки 24 организуют зоны горения с широким диапазоном коэффициента избытка воздуха с помощью воздуха, поступающего через перепускные отверстия 30 иэ внутренней полости конуса.

Не оказывая существенного влияния на общий характер горения топлива, эти зоны поддерживают горение в головке

1 при резких обеднениях состава смеси сгорания 2 в целом.

Формула изобретения

1. Кольцевая камера сгорания, например для авиационного газотурбинного двигателя, содержащая многофорсуночную головку, соединенную с кожухом для смешения вторичного воздуха с продуктами сгорания, кольцевые рабочий и пусковой топливные коллекторы, рабочие и пусковые форсунки, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью уменьшения нагрева топлива до подхода к распылителям форсунок, пусковой и рабочий коллекторы выполнены в виде полого кольца с разделительной перегородкой.

2. Камера-по п.1, о т л и ч а ювЂ” щ а я с я тем, что, с целью расширения границ устойчивого горения по составу смеси и повышения полноты сгорания на бедных смесях, пусковые форсунки имеют смесительные втулки в виде двух взаимно расходящихся кону сов с отверстиями у внутреннего конуса.

3. Камера по пп.1 и 2, о т л ивЂ” чающая с я тем, что, с целью получения равномерного поля скоростей воздуха, поступающего в камеру сгорания, на топливном коллекторе установлены кОльцевые стабилизаторы.

www.findpatent.ru

кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя - патент РФ 2349840

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха. На входе в жаровую трубу расположено кольцевое фронтовое устройство, имеющее равномерно размещенные по окружности ряд вспомогательных модулей и расположенный под ним концентрично внутренний ряд основных модулей для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Каждый модуль выполнен с отдельной топливной форсункой вдоль своей продольной оси соответственно основной или вспомогательной топливных систем и с размещенным вокруг каждой топливной форсунки воздушным осесимметричным трактом, разделенным продольно кольцевыми элементами на наружный и внутренний каналы. Для вспомогательного модуля наружный канал состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал - из сужающегося участка. Для основного модуля наружный и внутренний каналы состоят из сужающихся участков. На входе наружные каналы для всех модулей и внутренние каналы для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители воздуха, а внутренние каналы вспомогательных модулей - кольцевые завихрители воздуха. Наружный кольцевой элемент каждого модуля установлен на фронтовом устройстве через фланцевую втулку и скреплен со своей топливной форсункой через внутренний кольцевой элемент и кольцевые завихрители. Камера сгорания дополнительно содержит расположенный концентрично ряду вспомогательных модулей наружный ряд основных модулей. Смежные по радиусу основные модули наружного и внутреннего рядов составляют между собой отдельную пару модулей, которая расположена симметрично относительно ряда вспомогательных модулей. Пары основных модулей рассредоточены по окружности с постоянным угловым шагом. Каждый вспомогательный модуль установлен относительно соседних радиальных пар основных модулей со смещением по углу на половину этого шага. Изобретение обеспечивает создание компактной камеры сгорания, получение высокой эффективности ее работы и устойчивости горения, снижение уровня дымления и эмиссии вредных выбросов. 14 з.п. ф-лы, 6 ил. кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, патент № 2349840

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД) и может быть использовано в камерах сгорания авиационных ГТД и наземных установок.

Известна камера сгорания газотурбинного двигателя (Патент РФ №2226652 С2, 7 F23R 3/34, 28.05.2002), которая содержит корпус, а в нем кольцевую жаровую трубу, включающую две отстоящие друг от друга оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части фронтовым устройством, включающим топливные форсунки. Каждая из топливных форсунок выполнена в виде корпуса-стойки, ориентированного в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы или рядом, с двумя горелочными модулями, каждый из которых снабжен осевым и (или) радиальным завихрителем воздуха. Горелочные модули в поперечном сечении жаровой трубы образуют два концентричных ряда на фронтовом устройстве. Горелочные модули в каждой форсунке расположены в разных рядах. Расстояния от центра каждого модуля внутреннего ряда до центров двух ближайших модулей внутреннего и наружного рядов идентичны. Расстояния от центра каждого модуля наружного ряда до центров двух ближайших модулей внутреннего ряда равны расстоянию между центрами модулей внутреннего ряда. Изобретение позволяет повысить топливную экономичность и ресурс двигателя. Однако камера сгорания с модулями только одной конструктивной схемы не может для всех режимов работы двигателя обеспечить высокой эффективности горения жидких углеводородных топлив при низком уровне дымления и эмиссии вредных веществ продуктов сгорания (CnHm, CO, Nox).

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является камера сгорания ГТД фирмы General Electric Company с устройством смешения топлива для уменьшения эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания (Патент США №6,550,251 В1, НКИ 60/776, Apr.22, 2003). Данная камера сгорания выполнена кольцевой, содержит расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу кольцевое фронтовое устройство, имеющее равномерно размещенные по окружности ряд вспомогательных модулей и расположенный под ним концентрично внутренний ряд основных модулей для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, где каждый модуль выполнен с отдельной топливной форсункой вдоль своей продольной оси соответственно основной или вспомогательной топливных систем и размещенным вокруг каждой топливной форсунки воздушным осесимметричным трактом, разделенным продольно кольцевыми элементами на наружный и внутренний каналы, причем для вспомогательного модуля наружный канал состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал - из сужающегося участка, для основного модуля наружный и внутренний каналы состоят из сужающихся участков, а внутренний кольцевой элемент, разделяющий их, имеет острую кромку на выходе, при этом на входе наружные каналы для всех модулей и внутренние каналы для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители, а внутренние каналы вспомогательных модулей - кольцевые завихрители, кроме того, наружный кольцевой элемент каждого модуля установлен на фронтовом устройстве через фланцевую втулку и скреплен со своей топливной форсункой через внутренний кольцевой элемент и кольцевые завихрители. В этой камере сгорания на разных режимах работы двигателя работают кольцевые ряды вспомогательных и основных модулей в разных сочетаниях. При запуске двигателя и на режиме малого газа только один верхний ряд вспомогательных модулей работает на богатой топливовоздушной смеси. На основных режимах верхний ряд вспомогательных модулей и внутренний ряд основных модулей работают совместно на бедной топливовоздушной смеси. Это обеспечивает оптимальные условия для снижения эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания углеводородного топлива на основных режимах и необходимый уровень полноты сгорания топлива на основных режимах и режиме малого газа. Однако при такой схеме расположения модулей в кольцевых рядах не полностью используются возможности каждого отдельного вспомогательного модуля на дополнительное поддержание процесса устойчивого горения в близлежащих боковых основных модулях.

Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии загрязняющих веществ. Основное внимание уделяется снижению дымления (сажи) и снижению в продуктах сгорания несгоревших углеводородов (CnHm), моноокиси углерода (СО) и оксида азота (NOx). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. Средствами снижения уровня эмиссии вредных выбросов для ГТД могут быть либо устройства и способы их уменьшения в камере сгорания двигателя, либо устройства и способы обработки выхлопных газов двигателя. По массовым характеристикам устройства и способы обработки выхлопных газов годятся только для наземных газотурбинных установок, а устройства и способы снижения уровня эмиссии вредных выбросов в камере сгорания подходят как для авиационных, так и для наземных газотурбинных двигателей, (см. Технический перевод №15060 ФГУП ЦИАМ им.Баранова, «Камеры сгорания ГТД и технология снижения уровня эмиссии: состояние и перспективы», 2000 г., стр.2-44).

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- создание компактной кольцевой камеры сгорания ГТД;

- получение высокой эффективности и устойчивости горения в компактной камере сгорания ГТД;

- снижение уровня дымления и эмиссии вредных веществ (CnHm, CO, NOx) в продуктах сгорания компактной камеры сгорания ГТД.

Поставленные задачи решаются тем, что предлагаемая кольцевая камера сгорания ГТД содержит расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу кольцевое фронтовое устройство, имеющее равномерно размещенные по окружности ряд вспомогательных модулей и расположенный под ним концентрично внутренний ряд основных модулей для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, где каждый модуль выполнен с отдельной топливной форсункой вдоль своей продольной оси соответственно основной или вспомогательной топливных систем и размещенным вокруг каждой топливной форсунки воздушным осесимметричным трактом, разделенным продольно кольцевыми элементами на наружный и внутренний каналы, причем для вспомогательного модуля наружный канал состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал - из сужающегося участка, для основного модуля наружный и внутренний каналы состоят из сужающихся участков, а внутренний кольцевой элемент, разделяющий их, имеет острую кромку на выходе, при этом на входе наружные каналы для всех модулей и внутренние каналы для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители, а внутренние каналы вспомогательных модулей - кольцевые завихрители, кроме того, наружный кольцевой элемент каждого модуля установлен на фронтовом устройстве через фланцевую втулку и скреплен со своей топливной форсункой через внутренний кольцевой элемент и кольцевые завихрители.

Согласно изобретению камера сгорания дополнительно содержит расположенный концентрично ряду вспомогательных модулей наружный ряд основных модулей, где по радиусу смежные основные модули наружного и внутреннего рядов составляют между собой отдельную пару модулей, которая расположена симметрично относительно ряда вспомогательных модулей, причем пары основных модулей рассредоточены по окружности с постоянным угловым шагом, а каждый вспомогательный модуль установлен относительно соседних радиальных пар основных модулей со смещением по углу на половину этого шага. Таким образом, каждый вспомогательный модуль оказывается в окружении четырех близлежащих основных модулей. При такой схеме расположения модулей в кольцевых рядах полностью используются энергетические возможности каждого отдельного вспомогательного модуля по поддержанию процесса устойчивого горения в близлежащих боковых основных модулях, и обеспечивается более быстрое и полное перемешивание жидкого топлива с воздухом, подаваемым в камеру. Такая схема расположения модулей с топливными форсунками уменьшает масштаб зон смешения топлива с воздухом, увеличивает их число, сокращает время пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения и ускоряет выгорание закрученной, обладающей высокой турбулентностью топливовоздушной смеси. Это обеспечивает сокращение длины камеры сгорания, повышение эффективности и устойчивости горения в камере сгорания, уменьшение дымления и эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива. Кроме того, данная конструкция камеры сгорания:

- при запуске двигателя ускоряет переброс пламени по фронту от вступивших в работу модулей, которые расположены рядом с воспламенителями, к модулям, которые расположены дальше от воспламенителей, что уменьшает время выхода двигателя на устойчивый режим работы;

- при запуске позволяет дополнительно подключить основные модули, что сокращает время запуска;

- повышает дисперсность распыла топлива и скорость его перемешивания с воздухом, закрученным в каналах сужающихся на выходе модулей.

Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и уточнение:

- первые поперечные пояса отверстий на наружной и внутренней обечайках жаровой трубы расположены от фронтового устройства на удалении, составляющем от 0,15 до 0,30 от максимальной высоты кольцевого канала между ее обечайками, что ограничивает оптимальные размеры зоны циркуляции обратных токов продуктов сгорания за вспомогательными модулями, а это обеспечивает устойчивый запуск и работу двигателя;

- основная и вспомогательная топливные системы соединены своими коллекторами соответственно с рядами топливных форсунок основных и вспомогательных модулей, что расширяет возможности регулирования камеры сгорания с целью получения высокой эффективности и устойчивости горения, а также снижения уровня дымления и эмиссии вредных веществ на всех режимах работы двигателя;

- так как в конструкции данных модулей при низком давлении подачи топлива в камеру смешения осуществляется его пневматический распыл, то форсунки отдельных рядов выполняют функцию дозаторов и могут быть выполнены центробежными или струйными, что определяется возможностями производства;

- кольцевые лопаточные завихрители воздуха наружного и внутреннего каналов основных модулей и кольцевые лопаточные завихрители воздуха наружных каналов вспомогательных модулей выполнены осевыми, что обеспечивает компактность конструкции модулей;

- лопатки воздушных завихрителей наружных каналов основных и вспомогательных модулей направлены в одну сторону, а это при работе увеличивает турбулентность и максимальную поверхность контакта взаимодействующих между собой свежей топливовоздушной смеси и продуктов сгорания, что повышает эффективность горения в компактной камере сгорания и обеспечивает хорошую стабилизацию горения;

- вспомогательный модуль снабжен дополнительным кольцевым каналом, образованным зазором между наружным кольцевым элементом и фланцевой втулкой, имеющим отверстия на выходе, что позволяет надежно охладить элементы конструкции модуля;

- во вспомогательном модуле расширяющаяся часть кольцевого элемента наружного канала на выходе выполнена конусной с углом раскрытия от 90 до 120°, что позволяет образовать устойчивую зону обратных токов продуктов сгорания топлива за ней;

- кольцевой завихритель воздуха внутреннего канала вспомогательного модуля выполнен с тангенциальными равнорасположенными отверстиями или радиальным лопаточным, что позволяет выполнить модуль компактным и сделать его технологичным;

- стенки внутренних кольцевых элементов вспомогательных и основных модулей на выходе имеют острую кромку, омываемую с двух сторон закрученными воздушными потоками, что обеспечивает эффективное дробление на мелкие капли пелены топлива, образующейся на стенках кольцевых элементов, чем создаются условия для образования гомогенной топливовоздушной смеси в модулях обоих видов;

- угол наклона отдельной лопатки завихрителя наружного канала воздушного тракта вспомогательного модуля к его продольной оси составляет от 50 до 75°, что обеспечивает за модулем существование протяженной зоны обратных токов продуктов сгорания, позволяющей иметь устойчивый запуск и широкий диапазон устойчивой работы двигателя даже на холодном воздухе;

- во вспомогательном модуле лопатки завихрителя воздуха наружного канала, элементы тракта завихрителя воздуха внутреннего канала и элементы тракта топливной форсунки на выходе направлены в одну сторону, что обеспечивает устойчивое течение за модулем и широкий диапазон устойчивой работы камеры сгорания на «бедных» топливовоздушных смесях;

- в основном модуле лопатки завихрителей воздуха наружного и внутреннего каналов направлены в противоположные стороны, а закрученные в них воздушные потоки на выходе при слиянии образуют поток высокой турбулентности, что приводит к быстрому и эффективному дроблению топливной пелены, стекающей с разделяющей потоки острой кромки;

- угол наклона отдельной лопатки завихрителей основного модуля к его продольной оси на выходе составляет от 30 до 45°, что обеспечивает условия отсутствия образования зон обратных токов за модулем, что, в свою очередь, ведет к высокофорсированному малоэмиссионному горению топлива в потоке высокой турбулентности.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием кольцевой камеры сгорания ГТД и ее работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-6, где:

На фиг.1 изображен продольный разрез кольцевой камеры сгорания ГТД;

На фиг.2 - схема расположения вспомогательных и основных модулей на фронтовом устройстве со стороны жаровой трубы по виду А фиг.1;

На фиг.3 - продольный разрез Б-Б по вспомогательному модулю на фиг.2;

На фиг.4 - продольный разрез В-В по основному модулю на фиг.2;

На фиг.5 - вид Г на фиг.3 снаружи на лопаточный завихритель наружного канала воздушного тракта вспомогательного модуля;

На фиг.6 - вид Д на фиг.4 снаружи на лопаточные завихрители наружного и внутреннего каналов основного модуля.

Кольцевая камера сгорания ГТД (см. фиг.1) содержит расположенные соосно наружный 1 и внутренний 2 корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор 3 и размещенную в кольцевой полости 4 между корпусами 1 и 2 жаровую трубу.

Жаровая труба выполнена из наружной 5 и внутренней 6 обечаек с поперечными поясами отверстий 7 подвода воздуха и включает расположенное на входе в жаровую трубу кольцевое фронтовое устройство 8. Фронтовое устройство 8 имеет блок обращенных в сторону выхода 9 жаровой трубы ряда 10 (см. фиг.2) равномерно размещенных по окружности вспомогательных модулей 11 и расположенных под ним концентрично внутреннего ряда 12 основных модулей 13 для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания.

Каждый модуль 11 и 13 (см. фиг.3, 4) выполнен с отдельной топливной форсункой 14 и 15 вдоль своей продольной оси соответственно вспомогательной или основной топливных систем и размещенными вокруг каждой топливной форсунки 14 и 15 воздушными осесимметричными трактами. Форсунки 14 и 15 могут быть выполнены одноканальными или, что лучше, двухканальными. Двухканальные форсунки обеспечивают оптимальную устойчивую работу камеры сгорания во всем диапазоне давлений подачи топлива.

Воздушный тракт вспомогательного модуля 11 (см. фиг.2, 3) разделен продольно наружным 16 и внутренним 17 кольцевыми элементами на наружный 18 и внутренний 19 каналы. Наружный канал 18 состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал 19 - из сужающегося участка.

Воздушный тракт основного модуля 13 (см. фиг.2, 4) разделен продольно наружным 20 и внутренним 21 кольцевыми элементами на наружный 22 и внутренний 23 каналы. Наружный канал 22 и внутренний канал 23 выполнены сужающимися, где внутренний кольцевой элемент 21, разделяющий их, имеет острую кромку на выходе.

На входе наружные каналы 18 и 22 для всех модулей и внутренние каналы 23 для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители воздуха 24, 25 и 26, а внутренние каналы 19 вспомогательных модулей -кольцевые завихрители 27.

Кольцевые завихрители воздуха 27 (см. фиг.3) внутреннего канала 19 вспомогательного модуля 11 (см. фиг.2) в зависимости от конструкции и технологии производства могут быть выполнены в виде кольцевых наборов сквозных тангенциальных отверстий или в виде радиальных лопаток во внутреннем кольцевом элементе 17 (не показано). Стенка внутреннего кольцевого элемента 17 ограничивающего канал 19 имеет на выходе острую кромку.

Наружный кольцевой элемент 16 вспомогательного модуля 11 установлен на фронтовом устройстве 8 через фланцевую втулку 28 и скреплен со своей топливной форсункой 14 через лопаточный завихритель 24 и внутренний кольцевой элемент 17.

Наружный кольцевой элемент 20 основного модуля 13 выполнен совместно с фланцевой втулкой 29 и установлен на фронтовом устройстве 8. С топливной форсункой 15 кольцевой элемент 20 соединен через кольцевые завихрители 25, 26 и внутренний кольцевой элемент 21.

Камера сгорания дополнительно содержит расположенный концентрично ряду 10 вспомогательных модулей 11 наружный ряд 30 основных модулей 13. По радиусу смежные основные модули 13 наружного 30 и внутреннего 12 рядов составляют между собой отдельную пару модулей 31 (см. фиг.2), которая расположена симметрично относительно ряда 10 вспомогательных модулей 11. Пары 31 основных модулей 13 рассредоточены по окружности с постоянным угловым шагом. Каждый вспомогательный модуль 11 установлен относительно соседних радиальных пар 31 основных модулей 13 со смещением по углу на половину их шага. Межосевое расстояние между смежными вспомогательными 11 и основными 13 модулями составляет от 0,5 до 1,0 от расстояния между наружным 30 и внутренним 12 рядами основных модулей 13.

Предложенная кольцевая камера сгорания характеризуется некоторыми конструктивными особенностями.

Первые поперечные пояса отверстий 7 на наружной 5 и внутренней 6 обечайках жаровой трубы расположены от фронтового устройства 8 на удалении, составляющем от 0,15 до 0,30 от максимальной высоты кольцевого канала между ее обечайками 5 и 6 в этих поясах.

Основная топливная система (не показана) соединена своими коллекторами 32 соответственно с рядами 12, 30 топливных форсунок 15 основных модулей 13.

Вспомогательная топливная система (не показана) соединена своими коллекторами 33 соответственно с рядом 10 топливных форсунок 14 вспомогательных модулей 11.

В данной камере сгорания длина жаровой трубы составляет не более 1,5 величины максимальной высоты кольцевого канала между ее наружной 5 и внутренней 6 обечайками. В модулях 11, 13 отдельных рядов 10, 12 и 30 топливные форсунки могут быть выполнены центробежными или струйными.

Кольцевые лопаточные завихрители воздуха 25 и 26 наружного 22 и внутреннего 23 каналов основных модулей 13 и кольцевые лопаточные завихрители воздуха 24 наружных каналов 18 вспомогательных модулей 11 выполнены осевыми. Лопатки завихрителей 24 и 25 воздушных наружных каналов 18 и 22 соответственно основных 13 и вспомогательных 11 модулей направлены в одну сторону. Вспомогательный модуль 11 снабжен дополнительным кольцевым каналом 34, образованным зазором между наружным кольцевым элементом 16 и фланцевой втулкой 28. Дополнительный кольцевой канал 34 имеет сквозные отверстия 35 по периферии расширяющейся части кольцевого элемента 16 наружного канала 18 на выходе.

Во вспомогательном модуле 11 расширяющаяся часть кольцевого элемента 16 наружного канала 18 на выходе выполнена конусной с углом раскрытия кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, патент № 2349840 от 90 до 120°.

Угол кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, патент № 2349840 наклона отдельной лопатки завихрителя 24 наружного канала 18 воздушного тракта вспомогательного модуля 11 к его продольной оси составляет от 50 до 75°. Во вспомогательном модуле 11 лопатки завихрителя воздуха 24 наружного канала 18, элементы тракта завихрителя воздуха 27 внутреннего канала 19 и элементы тракта топливной форсунки 14 на выходе направлены в одну сторону.

В основном модуле 13 лопатки завихрителей воздуха наружного 22 и внутреннего 23 каналов направлены в противоположные стороны. Величина углов кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, патент № 2349840 наклона отдельной лопатки завихрителя воздуха 25 и наклона отдельной лопатки завихрителя воздуха 26 основного модуля 13 к плоскости, перпендикулярной продольной оси модуля, на выходе составляет от 30 до 45°. На наружном корпусе 1 установлен пусковой воспламенитель 36 для обеспечения начала работы камеры сгорания.

Камера сгорания работает следующим образом. На вход камеры сгорания подается поток воздуха, который через диффузор 3 поступает в полость перед фронтовым устройством 8, а оттуда в каналы вокруг жаровой трубы и каналы 18, 19, 22, 23 и 34 вспомогательных 11 и основных 13 модулей фронтового устройства 8. Из каналов вокруг жаровой трубы через отверстия 7 и каналы 18, 19, 22, 23 и 34 поток воздуха поступает во внутреннюю полость и на выход 9 жаровой трубы.

Далее включается вспомогательная топливная система и топливо через коллекторы 33 (см. фиг.3) поступает в форсунки 14 вспомогательных модулей 11 ряда 10 (см. фиг.2). Распыленное из форсунок 14 топливо направляется на сужающиеся стенки каналов 19, растекается по ним в виде пелены и перемещается на выход в сторону острых кромок внутренних кольцевых элементов 17. С острых кромок кольцевых элементов 17 пелена топлива стекает и уносится двумя воздушными односторонне закрученными в каналах 18 и 19 потоками в полость жаровой трубы. В процессе стекания и уноса с острых кромок кольцевых элементов 17 закрученными спутными потоками воздуха пелена топлива истончается, в ней появляются разрывы и перемешанные между собой воздух и топливо превращаются в однородную топливовоздушную смесь.

Эта топливовоздушная смесь поджигается воспламенителем 36. На режимах пониженной мощности вспомогательная топливная система может обеспечить устойчивую работу камеры сгорания. Для выхода на режимы большей мощности подключается основная топливная система. При этом топливо поступает через коллекторы 32 в форсунки 15 (см. фиг.4) основных модулей 13 рядов 12 и 30 (см. фиг.2). Распыленное из форсунок 15 топливо направляется на сужающиеся стенки каналов 23, растекается по ним в виде пелены и перемещается на выход в сторону острых кромок внутренних кольцевых элементов 21. С острых кромок кольцевых элементов 21 пелена топлива стекает и уносится двумя воздушными разносторонне закрученными в каналах 22 и 23 потоками воздуха в полость жаровой трубы. Процесс получения однородной топливовоздушной смеси в модулях 13 аналогичен такому же процессу в модулях 11. Выходящая из модулей 13 топливовоздушная смесь воспламеняется продуктами сгорания вспомогательного топлива из модулей 11. Стабильное горение основного топлива из модулей 13 обеспечивается устойчивой протяженной зоной обратных токов продуктов сгорания вспомогательного топлива.

Следует отметить, что вспомогательная топливная система включена на всех режимах работы двигателя, а расход основного и вспомогательного топлива определяется режимом работы двигателя.

Для снижения дымления и эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива на режиме максимальной мощности возможно перераспределение расходов основного и вспомогательного топлива по коллекторам 32 и 33.

Эффективность горения топливовоздушных смесей основного и вспомогательного топлив в большом количестве зон малых масштабов, образованных вокруг вспомогательных модулей 11, определяется конструкцией вспомогательных 11 и основных 13 модулей, выбором межосевого расстояния между расположенными в трех рядах смежными вспомогательными и основными модулями и сочетанием режимов их работы.

Предложенная конструкция кольцевой камеры сгорания ГТД при подаче потока воздуха на вход в диффузор камеры сгорания и далее жаровую трубу через модули фронтового устройства с завихрением и подмешиванием воздуха к нему через отверстия в обечайках жаровой трубы позволяет сократить время пребывания топливовоздушной смеси в области горения и тем самым уменьшить дымление и выбросы вредных веществ (СО, CnHm, NOx) за счет более быстрого выгорания основного топлива в закрученных с высокой турбулентностью после модулей потоках воздуха, уменьшения масштаба смешения топлива с воздухом при установке двух рядов модулей основного топлива и большого числа форсунок подачи основного и вспомогательного топлива.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу кольцевое фронтовое устройство, имеющее равномерно размещенные по окружности ряд вспомогательных модулей и расположенный под ним концентрично внутренний ряд основных модулей для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, где каждый модуль выполнен с отдельной топливной форсункой вдоль своей продольной оси соответственно основной или вспомогательной топливных систем и размещенным вокруг каждой топливной форсунки воздушным осесимметричным трактом, разделенным продольно кольцевыми элементами на наружный и внутренний каналы, причем для вспомогательного модуля наружный канал состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал - из сужающегося участка, для основного модуля наружный и внутренний каналы состоят из сужающихся участков, при этом на входе наружные каналы для всех модулей и внутренние каналы для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители воздуха, а внутренние каналы вспомогательных модулей - кольцевые завихрители воздуха, кроме того, наружный кольцевой элемент каждого модуля установлен на фронтовом устройстве через фланцевую втулку и скреплен со своей топливной форсункой через внутренний кольцевой элемент и кольцевые завихрители, отличающаяся тем, что камера сгорания дополнительно содержит расположенный концентрично ряду вспомогательных модулей наружный ряд основных модулей, где по радиусу смежные основные модули наружного и внутреннего рядов составляют между собой отдельную пару модулей, которая расположена симметрично относительно ряда вспомогательных модулей, причем пары основных модулей рассредоточены по окружности с постоянным угловым шагом, а каждый вспомогательный модуль установлен относительно соседних радиальных пар основных модулей со смещением по углу на половину этого шага.

2. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что первые поперечные пояса отверстий на наружной и внутренней обечайках жаровой трубы расположены от фронтового устройства на удалении, составляющем от 0,15 до 0,3 от максимальной высоты кольцевого канала между ее обечайками в этих поясах.

3. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что основная и вспомогательная топливные системы соединены своими коллекторами соответственно с рядами топливных форсунок основных и вспомогательных модулей.

4. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что длина жаровой трубы составляет не более 1,5 величины максимальной высоты кольцевого канала между ее наружной и внутренней обечайками.

5. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в модулях отдельных рядов топливные форсунки могут быть выполнены центробежными или струйными.

6. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые лопаточные завихрители воздуха наружного и внутреннего каналов основных модулей и кольцевые лопаточные завихрители воздуха наружных каналов вспомогательных модулей выполнены осевыми.

7. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что лопатки воздушных завихрителей наружных каналов основных и вспомогательных модулей направлены в одну сторону.

8. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что вспомогательный модуль снабжен дополнительным кольцевым каналом, образованным зазором между наружным кольцевым элементом и фланцевой втулкой.

9. Кольцевая камера сгорания по п.9. отличающаяся тем, что дополнительный кольцевой канал вспомогательного модуля снабжен сквозными отверстиями для охлаждающего воздуха, выполненными во фланцевой втулке на входе и по периферии расширяющейся части кольцевого элемента наружного канала на выходе.

10. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что во вспомогательном модуле расширяющаяся часть кольцевого элемента наружного канала на выходе выполнена конусной с углом раскрытия от 90 до 120°.

11. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой завихритель воздуха внутреннего канала вспомогательного модуля выполнен с тангенциальными равнорасположенными отверстиями по окружности или в виде радиального лопаточного, а стенка внутреннего кольцевого элемента ограничивающего канал имеет на выходе острую кромку.

12. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что угол наклона отдельной лопатки завихрителя воздуха наружного канала воздушного тракта вспомогательного модуля к его продольной оси составляет от 50 до 75°.

13. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что во вспомогательном модуле лопатки завихрителя воздуха наружного канала, элементы тракта завихрителя воздуха внутреннего канала и элементы тракта топливной форсунки на выходе направлены в одну сторону.

14. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в основном модуле лопатки завихрителей воздуха наружного и внутреннего каналов на выходе направлены в противоположные стороны, а разделяющий каналы кольцевой элемент имеет на выходе острую кромку.

15. Кольцевая камера сгорания по п.14, отличающаяся тем, что угол наклона отдельной лопатки завихрителя воздуха основного модуля к продольной оси модуля на выходе составляет от 30 до 45°.