Результат интеллектуальной деятельности: КАМЕРА СГОРАНИЯ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

Появление высокотемпературных (Т_г^* более 2000 K) газотурбинных двигателей (ГТД) делает актуальной задачу расширения диапазона рабочих режимов основных камер сгорания по суммарному коэффициенту избытка воздуха α_Σ.

Целью изобретения является решение обозначенной задачи.

Известны основные камеры сгорания ГТД, содержащие корпус, входной диффузор, жаровую трубу с отверстиями, на входе в которую расположены воздушные завихрители и топливные форсунки, воспламенитель (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. 4.2. М.: Машиностроение, 1978, с. 65, рис. 11.5). Коэффициент избытка воздуха в основных камерах сгорания изменяется от α_Σmin≈3 до α_Σmax≈8 (там же, стр. 74, рис. 11.11).

Известны форсажные камеры сгорания ГТД, содержащие корпус, входной диффузор, топливные коллекторы с форсунками, теплозащитный и антивибрационный экран, форкамеру (там же, стр. 70, рис. 11.9). Коэффициент избытка воздуха в форсажных камерах сгорания изменяется от α_Σmin≈1,1 до α_Σmax≈2,2 (там же, стр. 74, рис. 11.14).

Известны двухзоновые камеры сгорания ГТД, в которых сгорание топлива происходит последовательно в зонах с богатой и бедной топливовоздушными смесями, что позволяет снизить количество вредных выбросов в атмосферу (В.С. Чигрин, С.Е. Белова. Конструкция камер сгорания и выходных устройств авиационных ГТД. Рыбинск: РГАТА, 2006, с. 26.)

Поставленная цель достигается тем, что камера сгорания авиационного ГТД, содержащая корпус, входной диффузор, воспламенитель, имеет жаровую трубу, состоящую из узкой и широкой частей (площадь миделя широкой части в 1,5÷2 раза больше площади миделя узкой части). На входе в жаровую трубу расположен воздушный завихритель, между узкой и широкой частями - газовоздушный смеситель, на входе и выходе из узкой части - топливные форсунки.

Предпочтительно в качестве газовоздушного смесителя использовать лепестковый смеситель либо воздушный завихритель. Предпочтительно внутри жаровой трубы иметь стабилизаторы пламени.

Сущность изобретения заключается в объединении основной и форсажной камер сгорания ГТД в единую камеру, что создает интегральный эффект: расширяется диапазон режимов работы основной камеры сгорания по α_Σ, повышается полнота сгорания топлива η_г по отношению к исходным камерам. Камера имеет две зоны горения: основную и форсажную. Основная зона существует постоянно, форсажная - на форсированных режимах работы камеры (α_Σ<2,5). Положительный результат является следствием того, что условия горения (скорость потока, давление газа) в форсажной зоне основной камеры сгорания при тех же α_Σ объективно лучше, чем в форсажной камере аналогичного ГТД.

На фиг. 1 изображена камера сгорания ГТД;

на фиг. 2 изображена камера сгорания ГТД;

на фиг. 3 изображена характеристика полноты сгорания камеры сгорания ГТД.

Камера сгорания (фиг. 1) состоит из корпуса 1, жаровой трубы 2, которая состоит из двух частей: узкой и широкой (на боковых поверхностях жаровой трубы выполнены отверстия), диффузора 3, воздушного завихрителя 4, расположенного на входе в жаровую трубу, лепесткового смесителя 5, расположенного между двумя частями жаровой трубы, топливных форсунок 6 и 7, расположенных на входе в жаровую трубу и выходе из ее узкой части, воспламенителя 8, стабилизаторов пламени 9.

Воздух, поступающий из компрессора, тормозится в диффузоре 3, делится на первичный, вторичный, третичный и смесительный. Первичный воздух через завихритель 4 поступает в жаровую трубу непосредственно к месту расположения форсунки 6, вторичный - через отверстия в боковой поверхности узкой части трубы 2, третичный - через лепестковый смеситель, смесительный - через задние отверстия боковой поверхности трубы 2. Топливо поступает в жаровую трубу через форсунки 6 и 7. Первичный воздух смешивается с топливом, поступающим через форсунку 6, образует топливовоздушную смесь, которая создает зоны обратных токов. Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется от воспламенителя 8 - образуется основная зона горения. Вторичный воздух попадает в основную зону горения через отверстия в боковых стенках жаровой трубы. Среднее значение коэффициента избытка воздуха в основной зоне горения определяется по сумме расходов первичного и вторичного расходов воздуха и составляет 1,7÷1,8.

В заднюю часть зоны горения через форсунку 7 подводится топливо, средний коэффициент избытка воздуха в зоне горения резко понижается, опускаясь ниже порога горения (α<0,5). Чтобы пламя не погасло, концентрацию топлива делают неравномерной - на периферии концентрация топлива выше, чем в центре, что обеспечивается пространственной ориентацией форсунки: топливо подается вдоль внутренней поверхности жаровой трубы в окружном направлении.

Богатая смесь (α<0,5) смешивается с третичным воздухом, поступающим в жаровую трубу через смеситель 5. В зависимости от величины подачи топлива через форсунку 7 коэффициент избытка воздуха увеличивается до 1,1÷1,8. За стабилизаторами пламени 9 образуются зоны обратных токов. Факел пламени, являющийся продолжением основной зоны горения, поджигает смесь, находящуюся в зоне обратных токов, образуется форсажная зона горения.

Через задние ряды отверстий внутрь жаровой трубы поступает смесительный воздух, который формирует поле температур на выходе из камеры сгорания. Коэффициент α_Σ на выходе из камеры сгорания на форсированных режимах составляет 1,5÷2,5.

На нефорсированных режимах работы камеры подача топлива через форсунку 7 не производится. Горячий газ на выходе из основной зоны горения смешивается с третичным и смесительным воздухом, что ведет к снижению температуры газа и повышению α_Σ. Величина α_Σ в этом случае определяется величиной подачи топлива через форсунку 4. Коэффициент α_Σ на выходе из камеры сгорания составляет 2,5÷8.

Общее изменение α_Σ (на форсированных и нефорсированных режимах) составляет 1,5÷8. При необходимости (за счет изменения соотношений между первичным, вторичным, третичным и смесительным расходами воздуха) этот диапазон можно сдвигать, как в сторону богатых, так и в сторону бедных топливовоздушных смесей.

Для сокращения длины камеры сгорания вместо лепесткового смесителя можно рассмотреть вариант использования воздушного завихрителя (фиг. 2, где поз. 10 - воздушный завихритель). В этом случае можно рассчитывать на организацию зон обратных токов, что позволит отказаться от стабилизаторов пламени.

Условием сохранения режима работы камеры сгорания при переходе от одной зоны горения к двум и обратно является сохранение количества подводимой теплоты Q=const (основная зона горения при отсутствии форсажной должна обеспечить заданную температуру на выходе из камеры сгорания), из которого следует

где F₂ и F₁ - площади миделей широкой и узкой частей жаровой трубы; α_2max и α_1min - предельные (максимальный и минимальный) коэффициенты избытка воздуха в форсажной и основной зонах горения.

Принимая во внимание, что минимальные коэффициенты избытка воздуха углеводородных топливовоздушных смесей составляют менее единицы, а максимальные - не более двух, отношение площадей миделей широкой и узкой частей жаровой трубы должно составлять 1,5÷2.

На фиг. 3 показана типовая характеристика полноты сгорания предлагаемой камеры, построенная на основе типовых характеристик основных и форсажных камер сгорания ГТД.

Применение камеры сгорания позволит расширить возможности применения ГТД по высотам и скоростям полета, улучшить тягово-экономические характеристики ГТД.