Устройство розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к области газотурбинных двигателей, в частности к системам  зажигания газотурбинного двигателя, работающего на газообразном топливе или на нескольких видах топлива, одно из которых газообразное.
Известна свеча зажигания, предназначенная для использования в системах зажигания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на сжатом природном газе (RU 2 130 222, МПК H01T 13/16, опубл. 10.05.1999г.). Свеча содержит корпус, расположенный в нем центральный электрод, кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости. Кожух снабжен впускными и выпускными отверстиями, а также выходным отверстием на торце и экраном. Экран скреплен с торцом со стороны центрального электрода, а его стенки, образующие внутреннюю полость, выполнены незамкнутыми в направлении течения рабочего тела. Выполнение внутренней полости экрана сообщающейся отверстиями с охлаждающей полостью кожуха и полостью горения дает возможность ступенчато направлять поток воздуха из охлаждающей полости кожуха через полость экрана для создания воздушной завесы над торцом экрана и свечой, обращенной к зоне горения, и формировать устойчивый местный вихрь зоны обратных токов точно над выходным отверстием для плазмы на торце кожуха. Такая конструкция повышает эффективность охлаждения свечи и улучшает ее пусковые характеристики.
Недостатком большинства систем зажигания и данного технического решения в частности, является расположение свечи на стенке жаровой трубы камеры сгорания перпендикулярно или под некоторым углом к потоку топливовоздушной смеси в камере сгорания. При таком расположении торец разрядника свечи находится на периферии зоны обратных токов, где концентрация топливовоздушной смеси не оптимальна и нестабильна, и существенно изменяется даже при не значительном изменении расхода воздуха или топлива, что в свою очередь делает нестабильным розжиг топливовоздушной смеси. Еще одним недостатком систем зажигания с таким расположением свечи зажигания является необходимость организации дополнительного охлаждения свечи. Это, во-первых, существенно усложняет конструкцию свечи, во-вторых, воздух после охлаждения попадает на торец свечи, что также осложняет розжиг топливовоздушной смеси.
Также известна система розжига (US 2012/0279195, МПК F02C7/266, опубл. 03.05. 2011г.), в составе которой используется искровая свеча зажигания. Перед запуском свеча выдвинута внутрь камеры сгорания при помощи пружины и после запуска убирается из горячей зоны камеры сгорания при помощи поршня. Перемещение свечи внутрь камеры сгорания необходимо для достижения свечой области камеры сгорания, где концентрация топливовоздушной смеси оптимальна для её розжига, но в тоже время после розжига температура рабочего тела в этой области становится очень высокой, и поэтому необходимо удалить свечу из зоны высоких температур для обеспечения её долговечности (отсутствия пробоя между электродами внутри свечи зажигания) и обеспечения её герметичности при больших давлениях, создаваемых в современных камерах сгорания газотурбинных двигателей.
Главный недостаток данного технического решения заключается в недостаточной надежности элементов системы розжига, обусловленной наличием подвижных частей конструкции. Второй недостаток - значительные габаритные размеры конструкции.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является воспламенитель камеры сгорания (RU 2 245 447, МПК F02C 7/26 (2000.01), опубл. 27.01.2005 г.) Устройство предназначено для воспламенения основных камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Воспламенитель содержит цилиндрический корпус с отверстием для подвода воздуха и внутренней полостью с перегородкой и тремя камерами. В первой камере расположена искровая свеча зажигания, запитываемая от источника электрической энергии, во второй - топливная форсунка, а третья сообщена с двумя первыми и с радиальным выходным патрубком. Отверстие для подвода воздуха выполнено в стенке корпуса между соплом форсунки и перегородкой. В перегородке выполнено отверстие, сообщающее первую камеру со второй, объем второй камеры более чем в два раза превышает объем первой камеры, а отношение объема третьей камеры к сумме объемов двух первых камер меньше двух и больше 1/2. Кроме того, в стенке корпуса во второй камере выполнены дополнительные отверстия для подвода окислителя. В стенке корпуса третьей камеры вокруг радиального патрубка выполнены расположенные на одной окружности отверстия с разным диаметром через одно, причем отношение суммарных площадей одних отверстий к другим составляет от 2 до 2,5, а отношение проходной площади радиального выходного патрубка к суммарной площади данных отверстий составляет от 8 до 9.
Недостаток данного технического решения заключается в наличии, наряду с основными форсунками камеры сгорания, дополнительной топливной форсунки в воспламенителе, что предполагает дополнительную топливную линию с элементами управления расходом топлива через нее. Также существует вероятность прогара радиального выходного патрубка.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя за счёт формирования горелочным устройством, в зоне рециркуляции перед горелочным устройством, богатой топливовоздушной смеси и создания в локальном объёме непосредственно перед свечой зажигания топливовоздушной смеси с оптимальной для розжига концентрацией.
Технический результат полезной модели достигается устройством розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащим искровую свечу зажигания, запитываемую от источника электрической энергии, расположенную внутри камеры сгорания в горелочном устройстве, в котором в отличие от прототипа искровая свеча зажигания размещена в центральной трубе горелочного устройства, образующей полость, открытый конец которой сообщается с зоной рециркуляции перед горелочным устройством, причем на открытом конце полости выполнена как минимум одна перегородка с отверстием, проходная площадь которого ограничивает тепломассообмен между данной полостью и зоной рециркуляции камеры сгорания, создавая таким образом оптимальную для розжига концентрацию топливовоздушной смеси и снижая нагрев свечи зажигания, а центральная труба герметично установлена внутри другой полости, по которой в горелочном устройстве проходит топливо, обеспечивая охлаждение свечи зажигания.
Достижение технического результата обеспечивается использованием горелочного устройства, создающего зону рециркуляции с богатой топливо воздушной смесью, использованием искровой свечи зажигания, обладающей высокой энергией разряда, размещенной в полости горелочного устройства с низким тепломассообменом данной полости с зоной рециркуляции перед горелочным устройством. Низкий тепломассообмен обеспечивается сравнительно небольшой проходной площадью отверстия перегородки между полостью и зоной рециркуляции перед горелочным устройством, образованной плохообтекаемым торцом горелочного устройства. Проходная площадь отверстия перегородки позволяет регулировать тепломассообмен между локальным объемом перед свечой зажигания и зоной рециркуляции перед горелочным устройством, что позволяет постепенно увеличивать концентрацию топлива перед свечой зажигания, создавая горюче способную топливовоздушную смесь, а также значительно снизить скорость течения топливовоздушной смеси на торце свечи зажигания, что существенно облегчает ее воспламенение. Также перегородка значительно снижает нагрев свечи зажигания от излучения и конвекции продуктов сгорания из зоны горения. Полость внутри цилиндрической трубы, где расположена свеча зажигания, охлаждается топливом, проходящим через горелочное устройство, таким образом свеча зажигания достаточно охлаждается и не требует дополнительного охлаждения.
Сущность полезной модели поясняется принципиальной схемой устройства розжига, которая содержит искровую свечу зажигания 1, размещенную в полости 2 горелочного устройства 3, ограниченной центральной трубой 4, которая герметично отделяет полость подачи топлива 5 от полости 2, в которой расположена свеча зажигания. Открытый конец полости 2 сообщается с зоной рециркуляции 6 камеры сгорания. На открытом конце полости установлена как минимум одна перегородка 7 с отверстием, проходная площадь которого обеспечивает низкий тепломассообмен и поэтапный розжиг топливовоздушной смеси. Топливо, проходящее по полости 5, охлаждает стенку центральной трубы 4, предотвращая перегрев свечи зажигания. На боковой стенке горелочного устройства выполнена система отверстий 8 для подачи топливного газа в камеру сгорания.
Работа устройства розжига осуществляется следующим образом.
При запуске газотурбинного двигателя, в начальный момент подачи топлива в зону рециркуляции 6 перед горелочным устройством и включения искровой свечи зажигания 1 в локальном объеме полости 2 перед свечой зажигания находится чистый воздух. Топливо, попадая из полости 5 через отверстия 8 в зону рециркуляции 6 перед горелочным устройством, начинает перемешиваться с воздухом, находящимся в полости 2 перед свечой зажигания. Наличие перегородки 7 позволяет сделать процесс массообмена постепенным, снизив скорость потока. Концентрация топлива в полости 2 перед свечой зажигания увеличивается плавно, и при достижении концентрации топлива достаточной для воспламенения происходит розжиг топливовоздушной смеси от искровых разрядов свечи зажигания 1. Розжиг происходит сначала в локальном объеме полости 2 перед свечой, далее пламя перебрасывается в зону рециркуляции 6перед горелочным устройством. Система отверстий 8, выполненных на боковой поверхности горелочного устройства 3, формирует богатую топливовоздушную смесь в зоне рециркуляции перед ним, которая способствует образованию оптимальной топливовоздушной смеси в локальном объеме полости 2 перед свечой зажигания и препятствует выгоранию металла торца горелочного устройства, благодаря недостатку окислителя в топливовоздушной смеси.
Топливо, подаваемое в камеру сгорания и проходящее через горелочное устройство, попутно охлаждает через центральную трубу 4 полость со свечой зажигания, поэтому организация дополнительного охлаждения свечи зажигания не требуется.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность розжига камеры сгорания за счёт формирования богатой топливовоздушной смеси в зоне рециркуляции перед горелочным устройством, создания локального небольшого объёма перед искровой свечой зажигания, обладающей высокой энергией разряда, заполненного, благодаря пониженному массобменому с зоной рециркуляции перед горелочным устройством, топливовоздушной смесью с оптимальной для воспламенения концентрацией.