СИСТЕМА ВПРЫСКА ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КАМЕРА СГОРАНИЯ, ОСНАЩЕННАЯ ТАКОЙ СИСТЕМОЙ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
SYSTEM OF FUEL SPRAY TO COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE; COMBUSTION CHAMBER EQUIPPED WITH SUCH SYSTEM, AND GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение касается системы впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, а также камеры сгорания газотурбинного двигателя, оборудованной такой системой. Изобретение предназначено для применения в любом типе газотурбинного двигателя, наземного или авиационного, в частности в авиационных турбореактивных двигателях.
Как правило, камера сгорания турбореактивного двигателя имеет кольцевую форму с центром на оси Х, соответствующей оси вращения турбореактивного двигателя. Она содержит две коаксиальные кольцевые стенки (или кольца) с осью Х и дно камеры, расположенное между упомянутыми стенками в области входа упомянутой камеры, при этом вход и выход определяют относительно нормального направления циркуляции газов внутри камеры. Упомянутые стенки и дно камеры ограничивают закрытую рабочую зону камеры.
Множество систем впрыска топлива в камеру закреплены на дне камеры и равномерно распределены вокруг оси Х. Наиболее распространенные системы впрыска содержат только одну топливную форсунку. Концепция (то есть форма, конструкция, выбор материалов и т.д.) камер сгорания, оборудованных системами впрыска с одной форсункой, в настоящее время хорошо известна, поэтому в дальнейшем ее можно называть классической концепцией камер сгорания.
В камерах сгорания классической концепции каждая система впрыска расположена и закреплена внутри единственного отверстия, выполненного для этой цели в дне камеры таким образом, чтобы монтаж системы впрыска был относительно простым. Кроме того, во время горения температурный профиль на выходе камеры сконцентрирован на окружности определенного диаметра вокруг оси Х независимо от режима работы турбореактивного двигателя. Такой температурный профиль упрощает проектирование частей турбореактивного двигателя, расположенных на выходе камеры.
Однако при системах впрыска с одной форсункой трудно контролировать состав сжигаемой топливно-воздушной смеси в зависимости от режима работы турбореактивного двигателя, то есть режима малого газа или режима полного газа. В частности, в некоторых режимах горение сопровождается выделением загрязняющих газов (в частности, оксидов азота или «NOx»), вредных для здоровья и для окружающей среды.
Для ограничения выделения загрязняющих газов были разработаны системы впрыска топлива с двойной форсункой. Две форсунки позволяют создать две зоны горения: одну зону, оптимизированную для режима малого газа турбореактивного двигателя, и другую - для режима полного газа.
В патенте FR 2706021 описана кольцевая камера сгорания турбореактивного двигателя, оборудованная несколькими системами впрыска с двойной форсункой. Камера центрована по оси Х, и системы впрыска распределены вокруг оси Х, при этом каждая система содержит две форсунки, расположенные друг за другом в радиальном направлении относительно оси Х. Таким образом, в камере, оборудованной N системами впрыска, первый ряд из N форсунок расположен по окружности диаметром d вокруг оси Х, а второй ряд из N форсунок расположен по окружности диаметром D, превышающим d, вокруг оси Х.
Данная система впрыска с двойной форсункой, описанная в патенте FR 2706021, отличается меньшим загрязнением воздуха, однако ее недостатком является сложность монтажа, так как необходимо позиционировать и крепить каждую форсунку на дне камеры. Кроме того, конструкция камеры сгорания является более сложной и менее разработанной, чем вышеуказанная классическая конструкция (что выражается, в частности, в трудности обеспечения термической стойкости и срока службы некоторых элементов камеры). Наконец, во время горения профиль температур на выходе камеры существенно колеблется в зависимости от режима работы турбореактивного двигателя, и, в частности, этот профиль не остается центрированным по окружности определенного диаметра вокруг оси Х. Это усложняет конструкцию частей турбореактивного двигателя, находящихся на выходе камеры сгорания.
В настоящем изобретении предлагается система впрыска топлива, которая является менее вредной, с точки зрения загрязнения окружающей среды, и может быть использована с камерой сгорания классического типа, то есть такой же камерой, что и камеры, предназначенные для оборудования системами впрыска с одной форсункой.
Данная задача решается настоящим изобретением, объектом которого является система впрыска топлива в камеру сгорания, содержащая:
- первую и вторую топливные форсунки, при этом первую форсунку позиционируют в центре системы впрыска таким образом, чтобы впрыскивать первое облако топлива, а вторая форсунка охватывает первую форсунку таким образом, чтобы впрыскивать второе облако топлива общей кольцевидной формы вокруг первого облака топлива; и
- первый и второй впускные воздушные каналы, связанные соответственно с первой и второй форсунками таким образом, чтобы создавать соответственно первую и вторую топливно-воздушные смеси,
при этом система впрыска дополнительно содержит впускную воздушную трубу с выходными отверстиями, выходящими между первой и второй форсунками таким образом, чтобы создавать воздушную пленку между зонами горения соответственно первой и второй топливно-воздушных смесей.
Таким образом, система впрыска в соответствии с настоящим изобретением содержит две форсунки, что позволяет адаптировать состав топливно-воздушной смеси к режиму работы турбореактивного двигателя и ограничить выделение загрязняющих газов.
Кроме того, благодаря позиционированию второй форсунки вокруг первой этот тип системы можно адаптировать для классической камеры сгорания, в частности, с одним отверстием, выполненным в дне камеры для каждой системы впрыска.
Предпочтительно, чтобы вторая форсунка содержала круглую щель впрыска. Предпочтительно также, чтобы вторая форсунка содержала несколько отверстий впрыска, расположенных по окружности вокруг первой форсунки.
Предпочтительно также, чтобы первая форсунка, первый впускной воздушный канал и вторая форсунка входили в состав первого узла, предназначенного для установки на втором узле, содержащем второй впускной воздушный канал, при этом второй узел предназначен для установки на камере сгорания.
Благодаря такой системе можно сначала позиционировать и установить второй узел на дно камеры без помех со стороны форсунок, затем установить первый узел на второй. В этом случае второй узел служит направляющей для установки первого узла.
Следует отметить, что относительное положение первой и второй форсунок в основном обуславливается конструкцией первого узла и поэтому во время монтажа не требует корректировки.
Целесообразно, чтобы второй узел устанавливался на дне камеры с сохранением возможности радиального перемещения вокруг оси впрыска I первой форсунки и его можно было перемещать вдоль этой оси относительно первого узла, не меняя его центровки относительно этого первого узла.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания примера выполнения системы впрыска в соответствии с настоящим изобретением. Описание представлено со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1 иллюстрирует пример камеры сгорания, оборудованной вариантом системы впрыска в соответствии с настоящим изобретением, показанный в осевом полуразрезе по оси вращения турбореактивного двигателя.
Фиг.2 - вид системы впрыска, показанной на фиг.1, в изометрии в осевом разрезе по оси впрыска первой форсунки.
Фиг.3 - отдельный вид системы впрыска, показанной на фиг.1, в осевом разрезе по оси впрыска первой форсунки.
Фиг.4 - детальный вид в осевом полуразрезе по оси впрыска первой форсунки, системы впрыска и части камеры сгорания, показанной на фиг.1. На этой фигуре показаны зоны потоков различных текучих сред, проходящих через систему впрыска.
На фиг.1 показан пример камеры 10 сгорания в ее среде внутри турбореактивного двигателя. Эта камера 10 является кольцевой с центром на оси Х, которая является также осью вращения турбореактивного двигателя. Эту камеру сгорания называют осевой, так как она ориентирована по существу вдоль оси Х.
Изобретение можно применять к другим типам газотурбинных двигателей и к другим типам камер, в частности для так называемых радиальных камер сгорания, то есть изогнутых камер сгорания, один участок которых направлен по существу радиально по отношению к оси вращения турбореактивного двигателя.
Камера 10 сгорания содержит две кольцевые стенки (или кольца), внутреннюю 12 и наружную 14. Стенки 12, 14 отстоят друг от друга и позиционированы коаксиально вокруг оси Х. Стенки 12, 14 соединены между собой дном 16 камеры, расположенным между ними в передней области камеры 10. Стенки 12, 14 и дно 16 ограничивают между собой рабочую зону камеры 10.
Дно 16 камеры содержит множество отверстий 18, равномерно распределенных вокруг оси вращения Х. Камера 10 содержит также два отражателя 19, установленных на дне 16 камеры на периферии отверстий 18 и защищающих дно 16 камеры от высоких температур во время горения.
Внутри каждого отверстия 18 установлена система 20 впрыска топлива в соответствии с настоящим изобретением. Эта система 20 детально показана на фиг.2 и 3.
Необходимо отметить, что камера 10 сгорания соответствует классической концепции, то есть ее общая форма, конструкция и т.д. сравнимы с камерой сгорания, оборудованной системами впрыска с одной форсункой. Камера 10 сгорания разработана с учетом особенностей систем 20 впрыска, и, в частности, отверстия 18 имеют размер, соответствующий размеру систем 20 впрыска (диаметр больше, чем в классических системах 20 впрыска).
Каждая система 20 впрыска содержит в центре первую топливную форсунку 22 (называемую также главной), обеспечивающую впрыск топлива вдоль оси впрыска I. Система 20 впрыска содержит размещенные вокруг первой форсунки 22 в следующем порядке элементы: первый впускной воздушный канал 24, впускную воздушную трубу 26, вторую топливную форсунку 28 и второй впускной воздушный канал 30.
Система 20 впрыска по существу имеет симметрию вращения вокруг оси I, при этом образующие ее элементы в основном имеют кольцевую форму и распределены коаксиально вокруг этой оси I.
В представленном примере выполнения первый и второй впускные воздушные каналы 24, 30 являются спиралевидными, то есть кольцевыми каналами, позволяющими сообщать вращательное движение (вокруг оси I) проходящему через них воздуху. Сжатый воздух, проходящий через впускные каналы 24 и 30, поступает от диффузора 17 турбореактивного двигателя (см. фиг.1).
Первая и вторая форсунки 22 и 28 соответственно питаются топливом через трубопроводы (или рампы) 32 и 38 питания. В представленном примере выполнения вторая форсунка 28 питается только одним трубопроводом 38 питания. В альтернативном варианте вторая форсунка 28 может питаться несколькими трубопроводами, соединенными с разными точками окружности форсунки 28.
Первая и вторая форсунки 22 и 28 могут питаться одинаковым или разным топливом. В частности, для второй форсунки 28 можно выполнить специальную конструкцию для возможности использования водорода.
Первая форсунка 22 обеспечивает впрыск первого топливного облака 42 (см. фиг.3) в центре системы 20 впрыска через отверстие 23 впрыска с центром на оси I. Топливное облако в основном имеет конусную форму с центром на оси I.
Вторая форсунка 28 имеет кольцевую форму и обеспечивает впрыск второго топливного облака 48 (см. фиг.3) через круглую щель 29 впрыска с центром на оси I. Это второе топливное облако 48 в основном имеет кольцевидную форму с центром по существу на оси I и охватывает первое облако 42.
Топливо, выходящее из форсунок 22 и 28, смешивается с воздухом, который поступает из впускных воздушных каналов 24 и 30. Эти каналы 24 и 30 расположены соответственно вокруг форсунок 22 и 28 перед отверстием 23 впрыска и щелью 29 впрыска. В этом случае движение вращения воздуха, поступающего из впускного канала 30, может иметь одинаковое направление (одинаковое вращение) или противоположное направление (противоположное вращение) по отношению к направлению движения топливного облака 48.
Первый впускной воздушный канал 24 ограничен между внутренней 43 и наружной 44 стенками в основном кольцевой формы с центром на оси I.
Внутренняя стенка 43 охватывает первую форсунку 22.
Наружная стенка 44 продолжена в сторону выхода расходящейся стенкой 45, то есть стенкой, ограничивающей канал в основном усеченной конусной формы или барабан 61, сечение которого увеличивается в направлении потока первой топливно-воздушной смеси (то есть от входа к выходу).
Впускная воздушная труба 26 ограничена стенками 44 и 45 с одной стороны и стенкой 46 с другой стороны, при этом стенка 46 охватывает стенки 44 и 45. Радиальные конструктивные стойки 47 соединяют стенки 44 и 46, удерживая их на расстоянии друг от друга. Для обеспечения хорошего питания воздухом впускной воздушной трубы 26 и первого впускного воздушного канала 24 системы 20 впрыска имеется полость 49 на входе трубы 26 и канала 24. В представленном примере выполнения эта полость является цилиндрической, при этом ее наружный диаметр по существу соответствует диаметру трубы 26. Через эту полость проходит только трубопровод 32 питания первой форсунки 22.
Впускная воздушная труба 26 содержит первый ряд выходных отверстий 62, выполненных сквозными в расходящейся стенке 45 на уровне заднего конца этой стенки, причем отверстия 62 расположены по окружности вокруг первой форсунки 22 (на выходе этой форсунки). Она дополнительно содержит второй ряд выходных отверстий 63, выполненных в расходящейся стенке 45 перед упомянутым первым рядом отверстий 62, причем отверстия 63 расположены по окружности вокруг первой форсунки (на ее выходе). Предпочтительно, чтобы отверстия 62 и 63 были равномерно размещены вокруг первой форсунки 22.
Вторая форсунка 28 расположена вокруг стенки 46.
Первая форсунка 22, впускной воздушный канал 24, барабан 61, труба 26 и вторая форсунка 28 объединены в первый узел 51, ограниченный наружной стенкой 50. Стенка 50 соединена с задними концами стенок 45 и 46 с возможностью формирования гнезда для второй форсунки 28 со стенкой 46 и трубы 26 со стенками 44, 45 и 46.
Первый узел 51 охвачен вторым узлом 52. Узлы 51 и 52 устанавливают друг за другом на стенке 16 дна камеры 10 сгорания: сначала устанавливают узел 52 на стенке 16 дна внутри отверстия 18, затем узел 51 устанавливают внутри узла 52.
Второй узел 52 содержит две кольцевые стенки, внутреннюю 53 и наружную 54, отстоящие друг от друга и ограничивающие между собой второй впускной воздушный канал 30. Наружная стенка 54 и внутренняя стенка 53 выполнены расширяющимися в сторону входа, чтобы не мешать монтажу узла 51 на узле 52, причем указанный монтаж производят через заднюю часть узла 52 (то есть от входа к выходу).
Наружная стенка 54 продолжена в сторону выхода цилиндрической стенкой 55, затем расходящейся стенкой 56.
Вместе с наружной стенкой 50 цилиндрическая стенка 55 образует кольцевой канал 57, внутрь которого впрыскивается топливное облако 48. Канал 57 находится в продолжении второго впускного воздушного канала 30 на его выходе.
Расходящаяся стенка 56 (аналогично стенке 45) образует усеченный конусный канал, расширяющийся в сторону выхода, или котелок 71. В расширяющейся стенке 56 на уровне ее заднего конца выполнен ряд сквозных отверстий 72, расположенных по окружности вокруг второй форсунки 28 на ее выходе.
Со ссылкой на фиг.1 была описана конструкция системы 20 впрыска и далее следует описание функций и преимуществ такой системы.
В дальнейшем под модулем «малого газа» или главным модулем следует понимать узел, содержащий первую топливную форсунку 22 и первый впускной воздушный канал 24, а под модулем «полного газа» - узел, содержащий вторую топливную форсунку 28 и второй впускной воздушный канал 30. Необходимо отметить, что эти модули не соответствуют описанным выше узлам 51 и 52. Следует также отметить, что эти модули расположены коаксиально вокруг оси впрыска I.
Точно так же определяют две топливные магистрали: магистраль «малого газа», содержащую трубопровод 32 питания и первую форсунку 22, причем эта магистраль выходит в центр системы впрыска через отверстие 23 впрыска; и магистраль «полного газа», содержащую трубопровод 38 питания и вторую форсунку 28, причем эта магистраль выходит на периферию системы впрыска через щель 29 впрыска.
Регулирование работы модулей малого газа и полного газа и, в частности, изменение распределения топлива между двумя модулями в зависимости от режима работы турбореактивного двигателя определяют таким образом, чтобы ограничивать выхлоп токсичных газов во время всей работы двигателя.
Во время запуска или повторного запуска двигателя (то есть фазы зажигания и распространения пламени) можно использовать оба модуля.
Во время фазы разгона двигателя и в режимах малых оборотов работает только модуль малого газа. За пределами режима, соответствующего тяге в 10-30% от тяги полного газа, работают оба модуля с соответствующим распределением топлива для ограничения выделения токсичных газов.
Далее со ссылками на фиг.3 следует описание потоков воздуха и топлива, проходящих чрез модуль малого газа.
Первая форсунка 22 впрыскивает первое топливное облако 42. Первый впускной воздушный канал 26 создает вихревой воздушный поток, который подхватывает впрыскиваемое топливо и обеспечивает его распыление и смешивание.
Вторым рядом отверстий 63 впускной воздушной трубы 26 создается воздушная пленка f2 с вращательной составляющей. Воздушная пленка f2 предназначена: для защиты расходящейся стенки 45 от возможного коксования, для управления точными движениями вихря, создаваемого первым впускным воздушным каналом 24, поскольку это движение может стать причиной неустойчивости горения; для управления осевым положением рециркуляционной зоны модуля малого газа с целью устранить явление «обратной вспышки», контролировать теплопередачу на конце форсунки 22, снизить таким образом опасность коксования от топливной магистрали до носика форсунки 22 и улучшить распространение пламени от модуля малого газа до модуля полного газа во время перехода между режимом малого газа и режимом полного газа.
Воздушная пленка f1 создается первым рядом отверстий 62 впускной воздушной трубы 26. Пленка f1 предназначена для управления радиальным расширением топливного облака 42, выходящего из первой форсунки 22 и для изоляции воздуха, поступающего из второго впускного воздушного канала 30, что позволяет поддерживать достаточный уровень состава топливно-воздушной смеси для ограничения образования СО/СНх в режиме малого газа и для снижения неустойчивости горения между двумя модулями. Необходимо отметить, что отверстия 62 первого ряда могут иметь одинаковый размер или изменяющийся размер (по секторам), чтобы улучшить компромисс между характеристиками в режиме малого газа, которые требуют изоляции зоны горения первой топливно-воздушной смеси, и характеристиками рабочих режимов, которым способствует взаимное сообщение между зоной малого газа и зоной полного газа, чтобы обеспечить распространение пламени.
Следует отметить, что могут создаваться другие воздушные пленки другими рядами отверстий и, в частности, рядами отверстий 73 и 74, выполненных на уровне конца впускной воздушной трубы 26 и показанных пунктирной линией на фиг.3. Эти ряды отверстий 73 и 74 создают охлаждающие воздушные пленки, в частности, воздушная пленка, выходящая из отверстий 73, позволяет охлаждать задний борт барабана 61.
Далее следует описание потоков воздуха и топлива, проходящих через модуль полного газа.
Следует отметить, что впрыск второго топливного облака 48 может происходить через круглую щель 29, как в примере, показанном на фигурах, или через множество отверстий, выполненных по окружности вокруг первой форсунки 22. Кроме того, топливное облако 48 может впрыскиваться с одинаковым или противоположным вращением относительно вращающегося потока, выходящего из второго впускного воздушного канала 30. Осевой и радиальный наклон второго впускного воздушного канала 30 позволяет создавать воздушный поток, диапазон скорости которого способствует поступлению и однородному смешиванию топлива, что позволяет получить вторую топливно-воздушную смесь в канале 57. Котелок 71 соединен с дном камеры 16 и содержит на входе ряда отверстий 72 один или несколько других рядов отверстий (не показаны), которые позволяют подхватывать топливо, струящееся по стенке 54, и улучшить таким образом качество смеси, получаемой в канале 57.
Воздушная пленка f3, выходящая из ряда отверстий 72, позволяет контролировать радиальное расширение второй топливно-воздушной смеси, что позволяет ограничить взаимодействия со стенками камеры сгорания, отрицательно влияющие на ее термостойкость. Следует отметить, что отверстия 72 могут иметь одинаковый размер или изменяющийся размер (по секторам), обеспечивая одновременно контроль за расширением второй топливно-воздушной смеси в сторону стенок камеры сгорания и способствуя распространению пламени между соседними модулями полного газа, в частности, во время фазы зажигания.
На фиг.4 схематично показаны различные зоны потока, создаваемые системой впрыска, показанной на фиг.1-3. В частности, модуль малого газа создает рециркуляционную зону А, локализованную вокруг оси впрыска I. Характеристики этой рециркуляционной зоны (объем, среднее время прохождения потока, состав смеси) определены размером барабана 61 и расходом воздуха в модуле малого газа. Они определяют характеристики камеры с точки зрения повторного зажигания, стабильности и задымления в режиме малого газа.
Второй впускной воздушный канал 30, который входит в состав модуля полного газа, создает прямой вихревой поток в зоне потока В, изолированной от рециркуляционной зоны А воздушной пленкой f1, выходящей из первого ряда выходных отверстий 62 впускной воздушной трубы 26, при этом воздушная пленка f1 ограничивает сдвиг и, следовательно, смешивание между зонами А и В. Кроме того, наличие ряда отверстий 72 котелка 71 модуля полного газа позволяет избегать взаимодействия газов зоны потока В со стенками камеры 10 сгорания. Модуль полного газа создает рециркуляционную зону С, локализованную с двух сторон каждой системы 20 впрыска и между системами впрыска на дне камеры. Благодаря этим рециркуляционным зонам С модуль полного газа обладает широким диапазоном стабильности, обеспечивающим большую область регулирования, что касается перехода от режима малого газа к режиму полного газа. Следует отметить, что потоки малого газа и полного газа смешиваются в задней части камеры сгорания в зоне, обозначенной позицией D.
В режиме малого газа топливо поступает только в модуль малого газа, то есть только в рециркуляционную зону А. Требования размерности, связанные со стабильностью факела пламени для данного расхода топлива, соответствующего упору малого газа, по существу обуславливают работу типа горения богатой смеси, начиная от режима малого газа, называемую OACI (7% тяги). Наличие зоны смешивания D сразу на выходе рециркуляционной зоны А превращает факел системы впрыска в факел типа «Rich burn quick Quench Lean», называемый RQL. Таким образом, выделение NOx остается незначительным даже для двигателей с достаточно жесткими характеристиками в режиме малого газа, чтобы потенциально создавать условия для образования существенного количества NOx (например, турбовинтовой двигатель типа ТР400).
При работе в режиме полного газа модуль малого газа и модуль полного газа питаются топливом, при этом распределение топлива выбирают таким образом, чтобы получать горение бедной смеси, то есть смеси с низким выделением NOx и дыма на двух модулях.