Результат интеллектуальной деятельности: ФОРСУНОЧНЫЙ БЛОК КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в том числе к авиационным и стационарным газотурбинным двигателям ГТД, и может найти применение в авиастроении, судостроении, на газоперекачивающих станциях и для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.

Известна камера сгорания ГТД по патенту РФ на изобретение №2375597, МПК F02C 7/22, опубл. 10.12.2009 г. Топливный коллектор камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит кольцевую трубу для подачи топлива к форсункам, установленную внутри корпуса камеры, подводящий трубопровод и размещенный снаружи камеры входной штуцер, установленный в наружной втулке, прикрепленной к корпусу камеры с возможностью осевого перемещения, снабженный внутренней втулкой, выполненной в виде, по меньшей мере, одного звена, включающего два неподвижных кольца и подвижное кольцо, установленное между ними с возможностью поперечного перемещения. Неподвижные кольца соединены с наружной втулкой, а подвижное кольцо установлено с возможностью контактирования с входным штуцером. Устройство позволяет компенсировать термические напряжения, возникающие в наружной втулке и штуцере за счет различного термического расширения корпуса камеры сгорания и топливного коллектора в осевом и поперечном направлениях. Уменьшение диаметра поверхности до диаметра штуцера позволяет уменьшить утечки воздуха.

Недостаток - большая неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания, обусловленная небольшим количеством форсунок.

Известна камера сгорания по патенту РФ на изобретение №215888, МПК F23R 3/26, опубл. 10.11.2000 г. Фронтовое устройство камеры сгорания для высокотемпературного газотурбинного двигателя с подводом топлива в топливные коллекторы через неподвижные разделители потока содержит фронтовое устройство, выполненное в виде ряда профилированных пластин. Профилированные пластины установлены на входе в первичные каналы с возможностью перемещения относительно друг друга в окружном направлении при изменении площадей проходных сечений первичных каналов. Каждая из профилированных пластин состоит из неподвижной и подвижной частей, телескопически соединенных между собой. Неподвижные части телескопических пластин жестко закреплены на неподвижных разделителях потока. Ответные подвижные части пластин закреплены на подвижных разделителях потока. Топливные коллекторы с одного конца с помощью внутренних шаровых шарниров закреплены на неподвижных разделителях потока, а с другого конца шарнирно закреплены к поворотным тягам, вторые концы которых шарнирно крепятся к подвижным разделителям потока.

Недостатки этой камеры сгорания: эмиссия вредных веществ особенно на режиме «малого газа», неполное сгорание топлива, окружная и радиальная неравномерность поля температур на выходе их камеры сгорания.

Известна камера сгорания и форсуночный модуль из книги Старцев Н.И. Конструкция и проектирование камеры сгорания ГТД. Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007 г., прототип камеры сгорания и форсуночного модуля.

Эта камера сгорания содержит корпус, жаровую трубу, имеющую плиту кольцевой формы с установленными на ней в два ряда форсуночными модулями и основной топливный коллектор, установленный на плите, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешней и внутренний корпусы жаровой трубы.

Недостатки этой камеры сгорания: эмиссия вредных веществ особенно на режиме «малого газа», неполное сгорание топлива, окружная и радиальная неравномерность поля температур на выходе их камеры сгорания. Все эти недостатки обусловлены тем, что весь расход горючего на всех режимах проходит через все форсунки камеры сгорания. Кроме того, камера сгорания должна устойчиво работать в широком диапазоне режимов от «малого газа» до «максимального режима», т.е. в диапазоне десятикратного изменения расхода топлива. Если на «максимальном режиме» перепад давления на форсунках (форсуночных модулях) будет достаточным для качественного распыления топлива, то в режиме «малого газа» перепад давления на форсунках уменьшится в 100 раз, т.к. он изменяется пропорционально квадрату расхода топлива и окажется недостаточным для качественного распыления топлива.

Например, если перепад давления на форсунках на «максимальном режиме» составляет 10 кгс/см², то на режиме «малого газа» - всего 0,1 кгс/см². Это приводит к неполному сгоранию топлива, эмиссии вредных веществ и неравномерному полю температур на выходе из камеры сгорания. Последнее приведет к прогару сопловых и рабочих лопаток турбины.

Форсуночный модуль содержит корпус, центральное тело, камеру в форме усеченного конуса, центральный топливный канал и несколько наклонных к оси форсуночного модуля выходных каналов и завихрители воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом в виде наклонно установленных лопастей.

Недостатки - те же самые, они обусловлены осевым расположением форсуночного канала.

Задачи создания изобретения - увеличение полноты сгорания топлива на всех режимах, снижение эмиссии вредных веществ и обеспечение равномерного температурного поля на выходе из камеры сгорания по окружности на всех режимах.

Решение указанных задач достигнуто в форсуночном блоке камеры сгорания ГТД, содержащем плиту кольцевой формы с установленными на ней в несколько рядов форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, тем, что согласно изобретению форсуночные модули установлены установочными выступами в несквозные отверстия, выполненные в плите и имеющие камеры смешения в форме усеченного конуса, при этом все форсуночные модули имеют центральный топливный канал, завихрители воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом в виде наклонно установленных лопастей, а центральный топливный канал выполнен несквозным и в него выведены тангенциальные отверстия. Форсуночные модули в рядах могут быть установлены на плите в шахматном порядке.

Решение указанных задач достигнуто в форсуночном модуле, содержащем камеру смешения в форме усеченного конуса, центральное тело, центральный топливный канал, завихрители воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом в виде наклонно установленных лопастей, а центральный топливный канал, выполненный несквозным с выведенными в него тангенциальные отверстиями, тем, что согласно изобретению высота центрального тела выбрана из соотношения:

h=(0,1…0,5)H,

где h - выступание центрального тела внутрь камеры смешения,

H - высота камеры смешения.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…5, где:

на фиг.1 приведена схема камеры сгорания ГТД,

на фиг.2 приведен форсуночный модуль,

на фиг.3 приведено сечение A-A,

на фиг.4 приведена плита с коллекторами, выполненными в виде единого узла,

на фиг.5 приведена плита с форсуночными модулями, установленными в шахматном порядке.

Форсуночный блок камеры сгорания ГТД (фиг.1…5) содержит плиту 1 с коллектором 2, имеющим полость 3. На плите 1 установлены форсуночные модули 4, размещенные в несколько концентричных рядов 5. В плите 1 выполнены несквозные отверстия 6, которые заканчиваются цилиндрическими камерами 7, и топливные каналы 8 для подвода топлива к форсуночным модулям 4.

Форсуночные модули 4 в рядах 5 могут быть установлены в шахматном порядке (фиг.5), что предпочтительнее, т.к. позволит разместить большее количество форсуночных модулей 4. Форсуночные модули 4 содержат корпус 9 цилиндрической формы, центральное тело 10, выполненное внутри корпуса 9, уступ для крепления 11, выполненный на одном торце корпуса 9, камеру смешения 12 - на другом торце и несквозной топливный канал 13, выполненные в центральном теле 9 и уступе для крепления 11. Камера смешения 12 выполнена в форме усеченного конуса. Несквозной топливный канал 13 сообщается с тангенциальными отверстиями 14. Центральное тело 10 и корпус 9 соединены лопатками 15, установленными наклонно, между которыми выполнены воздушные каналы 16 (фиг.2). В плите 1 против воздушных каналов 16 выполнены воздушные каналы 17 (от 3-х до 6-ти), разделенные перемычками 18 обтекаемой формы (фиг.1).

Оптимальные размеры форсуночных модулей:

h=(0,1…0,5)H,

где h - выступание центрального тела внутрь камеры смешения,

H - высота камеры смешения.

Для обеспечения работы камеры сгорания она имеет трубопровод 19 (фиг.1).

Коллектор 2 может быть выполнен с обтекателем 20, который присоединен к нему сваркой 21.

При работе камеры сгорания топливо подается по трубопроводу 19 в полость 3 коллектора 2, потом по топливным каналам 8 в цилиндрические камеры 7 и далее по тангенциальным отверстиям 14 - в несквозные топливные каналы 13. Воздух подается через воздушные каналы 17 в воздушные каналы 16 и смешивается с топливом в камере смешения 12. Качественная топливовоздушная смесь сгорает в камере сгорания.

Конструкция форсуночного модуля обеспечивает более качественное перемешивание топлива с воздухом.

Применение изобретения позволило:

1. Обеспечить эффективное плавное регулирование расхода топлива в газотурбинном двигателе с сохранением практически постоянного перепада давления на всех режимах, особенно в режиме «малого газа».

2. Обеспечить увеличение полноты сгорания на всех режимах за счет особенностей конструкции камеры сгорания и форсуночных модулей.

3. Обеспечить низкую эмиссию вредных веществ за счет качественного перемешивания топливо-воздушной смеси и за счет перемешивая продуктов сгорания, в том числе воздухом, подаваемым в зону горения средствами для подачи и закрутки воздуха.

4. Обеспечить равномерное поле температур на выходе из камеры сгорания.

5. Уменьшить радиальную неравномерность поля температур на выходе из камеры сгорания на надежность работы сопловых и рабочих лопаток и исключить вредное влияние окружной неравномерности.