ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В НЕЙ

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для сжигания топливовоздушной смеси в воздушно-реактивных двигателях и газотурбинных установках.

Основными проблемами при создании низкоэмиссионных камер сгорания являются достижение высококачественного распыла и эффективного смешения топлива с воздушным потоком, а также организация горения в области "бедных" смесей. В настоящее время решение этих задач ведется по нескольким направлениям. Это - создание новых распыливающих устройств, организация смешения в сильно турбулизированных закрученных воздушных потоках, построение оригинальных схем организации сжигания топлива, сочетающих низкоэмиссионные свойства "бедных" пламен с устойчивостью процесса горения и надежностью поджигания топлива, более характерных для «богатых» диффузионных пламен. Каждая из этих задач в той или иной степени решалась как российскими, так и зарубежными исследователями. Однако до сих пор задача создания идеального смесителя не решена. Это, в частности, связано со сложностью процессов, протекающих в реальных устройствах, и отсутствием для их описания подходящих математических моделей.

Одним из путей снижения вредных выбросов окислов азота авиационными камерами сгорания является применение камер, в которых горение происходит в двух зонах. Основная («бедная») и вспомогательная, пилотная («богатая»), зоны конструктивно могут располагаться параллельно, с радиальным смещением как в камерах сгорания двигателей CFM-56 и GE90, параллельно, но с некоторым смещением по оси, как в камере сгорания, разрабатываемой Европейским Консорциумом (MTU, RR и др.), и последовательно, как в камерах, реализующих принцип горение богатой смеси - быстрое смешение с воздухом - горение бедной смеси.

На разных режимах двигателя работают разные зоны. Пилотная зона - работает всегда, на запуске и малом газе она - богатая, на основных режимах - может быть бедной. Этим обеспечивается снижение окислов азота на напряженных режимах и CO/UCH на режимах малого газа.

Известен также способ сжигания топлива в камерах со смесительными элементами предварительного смешения топлива с воздухом типа TAPS (Twin Annular Pre-mixed Swirler - двойной кольцевой завихритель предварительного смешения), где обе зоны горения создаются за счет усложнения конструкции фронтового устройства в единой полости жаровой трубы. Фронтовое устройство типа TAPS имеет три завихрителя воздуха: двухъярусный центральный и радиальный периферийный. Топливо в каждый из закрученных потоков воздуха подается отдельно через большое число форсунок. Для улучшения перемешивания завихрители создают противоположную закрутку потока.

В камерах с фронтовым устройством типа TAPS низкая эмиссия NO_Х достигается за счет сжигания части топлива в составе бедной предварительно перемешанной смеси в зоне, расположенной вокруг богатой центральной зоны. Чем беднее оказывается состав заранее перемешанной смеси, тем меньше становится ее вклад в суммарный индекс эмиссии. Однако при этом появляются проблемы, связанные с запуском камеры сгорания, перебросом пламени между горелками и проскоком пламени в горелку.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип, является прилагаемая статья №GT2004-53203 «Investigation on NO_Х of a low emission combustor design with multihole premixer-prevaporizer» авторов: Yuzhen Lin, Yunhui Peng and Gaoen Liu, опубликованная в трудах конференции ASME Turbo Expo 2004 «Power for Land, Sea, and Air» прошедшая в Вене, Австрия, 14-17 июня 2004 года, фиг.1-3.

В прототипе описано фронтовое устройство, содержащее центральную пневматическую форсунку основной зоны горения, струйный смеситель с отверстиями для подвода воздуха, расположенный за центральной пневматической форсункой, и струйную пневматическую форсунку пилотной зоны горения.

В прототипе также описан способ организации рабочего процесса в камере сгорания, заключающийся в том, что в камере сгорания создают две зоны горения - основную, в которой сжигают бедную однородную топливовоздушную смесь, и пилотную, в которой сжигают топливо без предварительного смешения.

Предлагаемое фронтовое устройство отличается от известного тем, что струйный смеситель выполнен диффузорной формы с расположенными на нем под различными углами пространственно-ориентированными отверстиями, а на выходе из смесителя коаксиально расположен кольцевой нишевый стабилизатор пламени, содержащий периферийные струйные пневматические форсунки.

Предлагаемый способ организации рабочего процесса в камере сгорания отличается от известного тем, что в объеме камеры сгорания создают одну или многочисленные высокотурбулизированные основные зоны горения однородной смеси, причем каждую такую зону горения окружают коаксиально расположенной индивидуальной пилотной зоной горения.

Недостатками прототипа являются возможность самовоспламенения и проскока пламени внутрь смесительной трубки при больших значениях давления и температуры воздуха, характерных для современных и перспективных камер сгорания; узкая область устойчивой работы по составу смеси из-за интенсивного подмешивания воздуха в первичной зоне горения; большая длина смесительной трубки и сложность двухъярусной конструкции камеры сгорания, которые неизбежно приводят к увеличению ее габаритов.

Технической задачей является обеспечение высокого качества распыливания топлива и подготовки однородной бедной смеси, а также надежное воспламенение, устойчивое горение и снижение уровня эмиссии вредных веществ на выходе из камеры сгорания.

Технический результат достигается тем, что фронтовое устройство содержит центральную пневматическую форсунку основной зоны горения, струйный смеситель с отверстиями для подвода воздуха, расположенный за центральной пневматической форсункой, и струйную пневматическую форсунку пилотной зоны горения, при этом струйный смеситель выполнен диффузорной формы с расположенными на нем под различными углами пространственно-ориентированными отверстиями, а на выходе из струйного смесителя коаксиально расположен кольцевой нишевый стабилизатор пламени, содержащий периферийные струйные пневматические форсунки.

Технический результат также обеспечивается способом организации рабочего процесса в камере сгорания, заключающимся в том, что в камере сгорания создают две зоны горения - основную, в которой сжигают бедную однородную топливовоздушную смесь, и пилотную, в которой сжигают топливо без предварительного смешения, при этом в объеме камеры сгорания формируют одну или многочисленные высокотурбулизированные основные зоны горения однородной смеси, а каждую такую зону горения окружают коаксиально расположенной индивидуальной пилотной зоной горения.

Предложенное фронтовое устройство показано на чертеже.

Струйное фронтовое устройство состоит из центральной пневматической форсунки 1, струйного смесителя 2, нишевого стабилизатора 3 и периферийных простых струйных форсунок 4.

Центральная пневматическая форсунка 1, в сборе, вставляется в посадочное гнездо 5 струйного смесителя 2, которое образовано перемычками ряда полукруглых отверстий 6 кольцевой щели 7 обдувки топливовоздушного факела, за которой расположена перемычка 8 торцевого участка 9 струйного смесителя 2 до выходов ряда пространственно-ориентированных отверстий 10 аэрации топливовоздушного факела, также расположенных на торцевом участке 9 струйного смесителя 2. На первом коническом расширении 11 струйного смесителя 2 расположены выходы ряда пространственно-ориентированных отверстий 12 заградительного воздушного потока. На втором коническом расширении 13 струйного смесителя 2 расположены выходы ряда пространственно-ориентированных отверстий 14, усиливающих закрутку потока. На третьем коническом расширении 15 струйного смесителя 2 расположены выходы ряда пространственно-ориентированных отверстий 16, закрученных в противоположную сторону. На четвертом коническом расширении 17 струйного смесителя 2 расположены выходы ряда пространственно-ориентированных отверстий 18, закрученных в ту же сторону, что и отверстия 16, для торможения потока в окрестности оси струйного смесителя 2 и подпитки нишевого стабилизатора 3 воздухом.

Нишевый стабилизатор 3 состоит из передней стенки 19 ниши с расположенным на ней рядом пространственно-ориентированных отверстий 20 обдува периферийных форсунок, донца 21 ниши с расположенным на ней рядом заградительных отверстий 22 и задней стенки 23 ниши с расположенным на нем рядом заградительных отверстий 24. На выходе из нишевого стабилизатора боковая стенка 25 кольцевого канала 26 стыкуется с торцевой стенкой 27 с расположенным в ней рядом противонагарных отверстий 28. Ряды отверстий 24 и 28 запитываются через ряд отверстий 29 и кольцевой канал 26.

Периферийные простые струйные топливные форсунки 4 соединены с индивидуальным коллектором 30 струйного фронтового устройства каналами 31 подачи топлива и представляют собой тонкие трубки 32, выведенные на оси отверстий 20 обдува периферийных форсунок 4.

Работа устройства, поясняющая предложенный способ организации рабочего процесса в камере сгорания, заключается в следующем: на выходе из центральной пневматической форсунки 1 сформированный с малой неравномерностью концентрации капель и высоким качеством распыла топливовоздушный факел обдувается воздухом из кольцевой щели 7, не допускающим попадание капель топлива на перемычку 8. Продувка кольцевой щели 7 через посадочное гнездо 5 струйного смесителя 2, которое образованно перемычками ряда полукруглых отверстий 6, препятствует перегреву посадочного места центральной пневматической форсунки 1 и ее «закусыванию» в результате чрезмерного теплового расширения. За перемычкой 8 на торцевом участке 9 струйного смесителя 2 расположены выходы ряда отверстий 10 аэрации топливовоздушного факела, который разбавляет струями воздуха начальный участок топливовоздушного факела, понижает концентрацию капель топлива, увлекает и перераспределяет часть капель топлива по объему факела, увеличивая его поперечный размер. Воздушный поток из ряда отверстий 10 аэрации топливовоздушного факела с захваченными каплями жидкого топлива отдувается от стенки первого конического расширения 11 струйного смесителя 2 струями, формируемыми расположенными на стенке пространственно-ориентированными отверстиями 12 заградительного воздушного потока, который предотвращает попадание капель на стенку смесителя и одновременно увеличивают крутку воздуха внутри смесителя. Струи ряда пространственно-ориентированных отверстий 14, расположенных на втором коническом расширении 13 струйного смесителя 2, захватывают капли, стремящиеся высадиться на стенках смесителя 2 в результате их сепарации в закрученном потоке, и направляют их в приосевую область, создавая более равномерное распределение капель по поперечному сечению струйного смесителя 2. Усиление вращения воздуха, по-прежнему, препятствует проскоку пламени на периферии, но создает опасность образования зоны обратных токов в центре смесителя и проскока пламени у оси. Этому препятствует выбранная форма продольного сечения струйного смесителя 2. Она согласована со скоростью подводимого воздуха по длине струйного смесителя 2; в результате, осевая скорость потока в центре струйного смесителя 2 достигает величины, препятствующей проскоку пламени. Струи ряда пространственно-ориентированных отверстий 16, закрученные в противоположную сторону, расположенных на третьем коническом расширении 15, создают поток с противоположным направлением крутки. Он препятствует проскоку пламени на периферии потока, осаждению капель на стенках струйного смесителя 2, усиливает перемешивание парообразного топлива с воздухом на границе противоположно закрученных потоков и несколько уменьшает осевую скорость в центре струйного смесителя 2. Уменьшение скорости полезно для увеличения времени пребывания бедной смеси в камере и, следовательно, для повышения полноты ее сгорания. Рядом пространственно-ориентированных отверстий 18, закрученных в ту же сторону, что и пространственно-ориентированные отверстия 16, на четвертом коническом расширении 17, заканчивается подвод воздуха к топливу центральной форсунки, часть воздуха, поступающая через отверстия этого ряда, используется для создания потока смеси в окрестности нишевого стабилизатора 3. Струи подкручивают поток в том же направлении, что и ряд пространственно-ориентированных отверстий 16, по-прежнему, уменьшая осевую компоненту скорости в центре струйного смесителя 2. Сформированная таким образом, хорошо перемешанная, частично испаренная бедная топливовоздушная смесь, ограниченная по периферии воздушными струями ряда пространственно-ориентированных отверстий 18, попадает в окрестность нишевого стабилизатора 3 и поджигается пламенем богатой смеси, сгорающей по диффузионному механизму как в самом нишевом стабилизаторе 3, так и на выходе из него.

Работа самого нишевого стабилизатора 3 организуется следующим образом: топливо из индивидуального коллектора 30 струйного фронтового устройства поступает через каналы 31 подачи топлива в периферийные простые струйные форсунки 4, имеющие форму тонких трубок 32, выведенных в центр пространственно-ориентированных отверстий 20 обдува периферийных простых струйных форсунок 4. После истечения из периферийных простых струйных форсунок 4 топливо дробится сносящей струей воздушного потока, вытекающей из пространственно-ориентированных отверстий 20, и закручивается в стабилизированном пространственном вихре в нишевом стабилизаторе 3. Полученная топливовоздушная смесь первоначально поджигается непосредственно в нишевом стабилизаторе 3. Пространственно-ориентированные отверстия 20 помогают создать внутри нишевого стабилизатора 3 нужный для самостоятельного горения состав смеси. Ряды заградительных отверстий 22 и 24 используются, в основном, для предохранения стенок нишевого стабилизатора 3 от высаживания капель и нагарообразования, для увеличения газообмена в нише и охлаждения стенок нишевого стабилизатора 3. На выходе из нишевого стабилизатора 3 боковая стенка 25 кольцевого канала 26 образует своеобразное сопло, проходя которое вихрь стабилизируется. Внешняя торцевая стенка 27 нишевого стабилизатора оборудована противонагарными отверстиями 28. Донце 21 и задняя стенка 23 ниши охлаждаются с внешней стороны конвективным потоком воздуха, который формируется рядом отверстий 29.

Создание закрутки воздуха в струйном смесителе необходимо для предотвращения проскока пламени около стенки; увеличения времени пребывания капельно-воздушной смеси, интенсификации турбулентности для улучшения дробления капель, смешения капель и их паров с воздухом, подготовки смеси к горению. Расширяющаяся форма струйного смесителя упрощает борьбу с проскоком пламени и с высаживанием капель на стенки, а также помогает поддерживать высокую интенсивность турбулентности на всей длине смесителя.

Для многорежимных авиационных двигателей необходимо часть топлива сжигать в специально организованных зонах стабилизации пламени. Топливо должно сгорать в этих зонах по диффузионному механизму, так как только он обеспечивает широкий диапазон устойчивого горения.

Предлагаемое фронтовое устройство может быть использовано в кольцевой камере сгорания типа SAC (Single Annular Combustor - однокольцевая камера сгорания). В центральной части кольцевой жаровой трубы в следе за центральными форсунками создаются зоны, в которых происходит горение бедной хорошо перемешанной смеси топлива с воздухом, а на периферии этих зон - богатой. Однородная смесь создается центральными пневматическими форсунками и струйными завихрителями. Стабилизация пламени обеспечивается кольцевыми нишевыми стабилизаторами, расположенными вокруг каждой форсунки и струйного завихрителя. Топливо подается в нишевые стабилизаторы отдельно через пилотные, пусковые форсунки. Богатая, диффузионная зона горения работает всегда. Бедная, центральная - только на режимах повышенной тяги. Предполагается, что зоны «гомогенного» и диффузионного горения создаются отдельными системами распыливания и работают независимо друг от друга, иначе говоря, они расположены «параллельно» и коаксиально друг другу. Основная обедненная зона занимает центральную часть ФУ, а вспомогательная, богатая - периферийную.

Распределение воздуха по зонам "гомогенного" и диффузионного горения зависит от деления воздуха на рабочий, участвующий в процессе горения, и охлаждающий стенки жаровой трубы, от предполагаемой доли охлаждающего воздуха, участвующего в процессе горения, и выбранных значений коэффициентов избытка воздуха в зонах горения.

Основная идея организации процесса горения заключается в осуществлении горения с предельно низкой температурой пламени, т.е. горения настолько бедной смеси, насколько это возможно. Чтобы избежать появления локальных стехиометрических зон, в которых образуется NO_Х, состав этой смеси должен быть по возможности однородным. Этот принцип организации процесса горения получил название LPP (Lean-Premixed-Prevaporated combustion - горение бедной предварительно перемешанной и испаренной топливовоздушной смеси). В наиболее чистом виде он реализован в наземных энергетических установках. В ходе их создания были обнаружены серьезные недостатки такой организации процесса горения: срывы пламени и его проскоки в зону предварительного смешения, неустойчивость горения, самовоспламенение. Вероятность этих процессов увеличивается с расширением диапазона рабочих режимов.

По предварительным оценкам выбранная двухзонная схема организации процесса горения позволит уменьшить индекс эмиссии NO_Х для двигателей с суммарной степенью сжатия 30 на режиме взлета до 20 г/кг топлива.

Вместе с тем, предлагаемое струйное фронтовое устройство позволяет решить следующий ряд требований: высокой полноты сгорания на всех режимах работы, низкой эмиссии СО и UCH на режиме МГ, максимальной неоднородности температурного поля на выходе из камеры сгорания ниже 25%, надежного розжига и устойчивой работы (без срывов пламени и вибрационного горения) при большом изменении суммарного коэффициента избытка воздуха. После изготовления опытного образца струйного фронтового устройства, оно было испытано с целью определения характеристик смешения топлива с воздухом (т.е. без горения). Показано, что смеситель эффективно распределяет топливо по всему выходному сечению фронтового устройства, а размер капель не превышает 10-20 мкм уже при небольшом перепаде давления воздуха на смесителе 15-5 кПа.

Предлагаемое фронтовое устройство позволяет получить, по сравнению с существующими устройствами, лучшее предварительное смешение топлива с воздухом на коротком расстоянии, более устойчивое горение по отношению к самовоспламенению топлива. Разработанное фронтовое устройство более устойчиво к проскокам и срывам пламени, вибрационному горению, позволяет получить высокую полноту сгорания, значительное снижение эмиссии NO_Х в камерах сгорания ГТУ и ГТД.