ЖАРОВАЯ ТРУБА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Заявляемое техническое решение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, особенно их жаровых труб, в частности кольцевой формы, стенки которых формируют в них конфигурацию газового и воздушного потоков.
Из описания к патенту General Electric US N7007481 (кл.60/752) и его аналогов ЕР N1515090, JP N2005098687, CN N1629541 (кл. МПК F02C 3/00, F02C 7/18, F23R 3/00) известна жаровая труба кольцевой камеры сгорания, в которой вдоль ее стенок образован ряд кольцевых утолщений со щелями, сообщенными отверстиями с полостью, окружающей жаровую трубу, что обеспечивает пленочное охлаждение и защиту ее стенок.
Известное техническое решение достаточно эффективно на режимах, присущих газотурбинным двигателям.
Из описания к патенту фирмы Rolls Royce Великобритании №2 099 978, МКИ F23R 3/06 (аналоги - Франции №2505401, Германии №3215641, Японии №57192729) известно устройство жаровой трубы камеры сгорания, где на Фиг.3, 4 показаны технические приемы направления воздушных потоков.
По ходу рабочего тела, на выходе из конических чаш завихрителей в стенках жаровой трубы выполнены отдельные группы продольно и поперечно направленных отверстий подвода воздуха в жаровую трубу вместе с закрученным потоком за каждым завихрителем. В наружной и внутренней стенках жаровой трубы размещены входные воздушные патрубки.
На Фиг.3, за патрубками вдоль оси жаровой трубы в ее стенке показана группа входных отверстий. Патрубки и группы отверстий перед и за ними получают воздух из-за диффузора. Внутренняя поверхность передней части жаровой трубы интенсивно омывается воздухом, что снижает эмиссию монооксидов карбонатов и гидрокарбонатов, как показано в описании.
Известное устройство, возможно, оптимизирует соотношение «воздух-топливо» и обеспечивает охлаждение поверхности. Но это касается только передней части жаровой трубы камеры сгорания, а размещение и выполнение групп отверстий и патрубков в предложенных местах усложняет ее конструкцию.
На Фиг.4 патента GB №2099978 (МКИ, F23R 3/06), в стенках жаровой трубы в ее полость перед патрубками направлены V-образные кольцевые выступы, в обеих стенках которых имеется множество отверстий подачи воздуха внутрь жаровой трубы за диффузором. Отверстия направлены в основном под расчетным углом ко внутренней поверхности стенки жаровой трубы. В этом техническом решении уже представлены тороидально закрученные потоки А и В у наружного и внутреннего кожухов жаровой трубы.
Известно техническое решение камеры сгорания газотурбинного двигателя по патенту США №7 441 409 фирмы Pratt Whitney (CA), кл US 60/752, МКИ F23R 3/00, где дана Фиг.9 "prior art" патента США №6711900.
Эта камера сгорания практически любого профиля газотурбинного двигателя, причем ее жаровая труба имеет также утолщения с отверстиями (Фиг.2А), а в стенке жаровой трубы - выступы в виде V-образных кольцевых поясов. В боковых стенках V-образных поясов имеется множество отверстий перфораций, которые сообщают внешние впадины каждого V-образного пояса вокруг жаровой трубы с внутренней полостью последней. Сами отверстия перфораций направлены вдоль внутренней поверхности жаровой трубы.
Такой дополнительно встроенный пояс получил развитие в уже указанном патенте США №7441409 (Фиг.10, 11, 12). Однако какова бы ни была его эффективность, конструктивная сложность и увеличенный вес, вероятно приведут к дополнительным напряжениям в местах его установки, а, значит, к нестабильности геометрии на любых режимах работы камеры сгорания в целом, и жаровой трубы, в частности.
Тем не менее, как одно из наиболее близких технических решений жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя по патенту США №7441409 принята за прототип предлагаемого устройства.
При этом перед авторами стояла задача, используя опыт известных технических решений, обеспечить одновременно несколько взаимозависимых новых технических результатов, а именно:
- оптимизация процесса горения с обеспечением снижения выбросов вредных веществ на всех режимах работы двигателя,
-- обеспечение стабильности работы на всех режимах,
--- повышение надежности устройства,
---- упрощение конструкции узла в целом.
Поставленная задача решается следующим образом.
В жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей последовательно взаимосвязанные лобовое кольцо с расположенными на нем завихрителями и топливными форсунками, наружный и внутренний кожухи жаровой трубы с кольцевыми утолщениями, отверстиями и щелями охлаждения, направленными в полость жаровой трубы, причем кожухи в их продольном сечении имеют трапециевидные суженные внутрь полости жаровой трубы пояса со сквозными отверстиями, произведены усовершенствования, которые состоят в следующем.
В каждом трапециевидном поясе его боковые стенки во внутренней полости жаровой трубы выполнены в виде кольцевых двусторонних углублений с их продольным сечением в виде частей окружности. При этом, расположенные перед и за указанными трапециевидными поясами, упомянутые кольцевые щели выполнены встречными и направленными каждая со своей стороны на кольцевые углубления упомянутых поясов.
Эти трапециевидные пояса в полости жаровой трубы могут быть выполнены совместно с отдельными промежуточными частями кожухов жаровой трубы, жестко закрепленными на и между другими частями кожухов жаровой трубы. А упомянутые отдельные промежуточные части кожухов жаровой трубы выполнены совместно со встречными кольцевыми щелями.
Сами отдельные промежуточные части могут быть размещены между упомянутыми встречными кольцевыми щелями в утолщениях кожухов жаровой трубы. При этом упомянутые отдельные промежуточные части кожухов жаровой трубы передней кромкой закреплены на лобовом кольце у кольцевых утолщений со встречными кольцевыми щелями, сообщенными с упомянутыми сквозными отверстиями.
Сквозные отверстия трапециевидных поясов в поперечном сечении могут быть и округлыми, и многогранными согласно расчетам и возможностям производства. Решение поставленной задачи поясняется чертежами, где:
- на Фигуре 1 показано продольное сечение заявляемой жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя с потоками воздуха и топливно-воздушной смеси, в том числе, в тороидальных зонах I и II по предлагаемому решению;
- на Фигуре 2 показано продольное сечение заявляемой жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя в ее детальном выполнении;
- на Фигуре 3 дано продольное сечение промежуточной части наружного кожуха жаровой трубы с его кольцевым трапециевидным поясом и одним из его сквозных отверстий, а также отверстий во встречных кольцевых щелях, сообщающих полость жаровой трубы с окружающей ее общей полостью камеры сгорания.
- на Фигуре 4 показан вид по стрелке А Фиг.3 на поперечные ряды сквозных отверстий в кольцевом трапециевидном поясе, и рядами отверстий во встречных кольцевых щелях, сообщающих внутреннюю полость жаровой трубы с общей полостью камеры сгорания;
- на Фигуре 5 дано продольное сечение отдельной промежуточной части внутреннего кожуха жаровой трубы с его кольцевым трапециевидным поясом и одним из его сквозных отверстий, сообщающих полость жаровой трубы с общей воздушной полостью камеры сгорания, и отверстий во встречных кольцевых щелях, тоже сообщающих полость жаровой трубы с общей полостью камеры сгорания;
- на Фигуре 6 показан вид по стрелке Б Фиг.5 на поперечные ряды сквозных отверстий в кольцевом трапециевидном поясе, и рядами отверстий во встречных кольцевых щелях, сообщающих внутреннюю полость жаровой трубы с общей полостью камеры сгорания;
- на Фигуре 7 - фрагмент Д фиг.4, 6, увеличенных многогранных отверстий поясов.
Предлагаемая жаровая труба 1 камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит взаимосвязанные фронтовое устройство 2 и лобовое кольцо 3, на котором установлены воздушные завихрители 4 известного типа со множеством отверстий в их стенках и введенными в завихрители топливными форсунками 5.
Жаровая труба 1, далее, содержит в себе наружный 6 и внутренний 7 кожухи.
При этом те и другие кожухи 6 и 7 по своим продольным размерам могут в себя включать встроенные и жестко в них закрепленные промежуточные внутреннее 8 и наружное 9 кольца.
В заявляемой жаровой трубе 1 предусмотрены средства оптимизации рабочей смеси при одновременном поддержании температурных режимов ее стенок.
Для этого, в частности, вдоль внутренних поверхностей наружного кожуха 6 жаровой трубы 1 к ее выходу предусмотрены средства пленочного охлаждения спутного направления в виде множества сквозных отверстий 10, 11, 12, с выходом внутрь жаровой трубы 1 из направленных по потоку кольцевых щелей 13, 14, 15.
Вдоль внутренних поверхностей внутреннего кожуха 7 жаровой трубы 1 к ее выходу - также предусмотрены средства обеспечения спутного пленочного охлаждения в виде множества сквозных отверстий 16, 17, 18 с выходом внутрь жаровой трубы 1 из кольцевых щелей 19, 20, 21, направленных по потоку.
Кроме упомянутых, в стенках наружного 6 и внутреннего 7 кожухов также предусмотрены средства пленочного охлаждения встречного направления против потока внутри жаровой трубы 1.
В наружном кожухе 6 предусмотрено множество сквозных отверстий 22, 23 и кольцевые щели 24, 25, направленные против потока.
Во внутреннем кожухе 7 предусмотрено множество сквозных отверстий 26, 27 и кольцевые щели 28, 29, направленные также против потока. Как указывалось ранее, в наружном 6 и во внутреннем 7 кожухах жестко закреплены промежуточные кольца, внутреннее 8 и наружное 9.
В упомянутых кожухах, наружном 6 и внутреннем 7, между группами спутных и встречных средств пленочного охлаждения, а именно, 17/20, 26/28, 11/14 и 23/25 на упомянутых промежуточных частях в виде колец 8 и 9 выполнены кольцевые утолщения, направленные внутрь полости жаровой трубы 1.
Последние выполнены в виде поясов 31 наружного кожуха 6 и 32 внутреннего кожуха 7. Упомянутые пояса 31, 32, оба в своем продольном сечении имеют трапециевидную форму и являются частями кожухов 6 и 7 и, в частности, частями промежуточных колец - внутреннего 8 и наружного 9.
Каждый из поясов 31, 32, в своем трапециевидном продольном сечении имеет боковые стенки в виде частей окружности, а в объеме рабочей полости жаровой трубы 1 каждый из них сужен внутрь своими боковыми поверхностями в виде боковых двусторонних кольцевых углублений 33 и 34.
В каждом из поясов 31, 32 выполнено множество сквозных отверстий соответственно 35 и 36 внутрь полости жаровой трубы 1. Отверстия как 35, так и 36 направлены, в основном, поперек продольной оси проточной части жаровой трубы 1 и внутрь последней. Отверстия 35, 36 могут быть выбраны по своей форме и круглыми, и гранеными, как на Фиг 4, 6, 7 в связи с расчетом потоков, или возможностями производства, например их прожига. При этом проектные расчеты влияют на воздушные потоки спутных щелей 13, 14 с отверстиями 10, 11 как и на воздушные потоки спутных щелей 19, 20 с отверстиями 16, 17.
Работа заявляемой жаровой трубы 1 камеры сгорания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.
Воздушные завихрители 4 по числу окружаемых ими топливных форсунок 5 направляют наряду со множеством отверстий 10, 16 воздушный поток из-за компрессора на топливную смесь из форсунок 5 с начальным образованием зоны I (Фиг.1). Этим обеспечивается первоначальная закрутка рабочей топливно-воздушной смеси во фронтовом устройстве 2.
Затем (см. Фиг.1) воздухом из-за компрессора (не показан) одновременно производится начальная закрутка и далее поддержание двух, один за другим, тороидальных вихрей топливно-воздушной смеси (Зоны I и II), а именно: вихри зоны I образуются, начиная от передней стенки жаровой трубы 1.
При полном разделении наружного кожуха 6 и внутреннего кожуха 7 это происходит при воздействии воздушных струй из упомянутых отверстий 10 и 16 через щели 13 и 19, наряду со спутными потоками через щель 14 из отверстий 11 и через щель 20 из отверстий 17.
Далее рабочий поток, продвигающийся в жаровой трубе 1, заворачивается внутрь ее полости благодаря взаимодействию с передними поверхностями кольцевых углублений 33 и 34 каждого из трапециевидных поясов 31 и 32 кожухов жаровой трубы 1, как внутреннего 8, так наружного 9.
При этом холодный воздух, направляемый извне внутрь жаровой трубы 1 эжектируемыми потоками струйно из отверстий 35 и 36 трапециевидных 31 и 32 поясов, воздействует на воздушные потоки спутных щелей 13, 14 с отверстиями 10, 11, а также на воздушные потоки спутных щелей 19, 20 с отверстиями 16, 17.
В то же время потоки воздуха из встречных щелей 25, 28 с отверстиями 23, 26, и из щелей 24 и 29 с отверстиями 22 и 27 пленочного охлаждения, наряду с теми же потоками из отверстий 35, 36 трапециевидных поясов 31, 32 взаимодействуют между собой. Их взаимодействие разделяет пространство полости жаровой трубы 1 на две зоны I и II, и в каждой зоне образуются свои тороидальные вихри.
Полученное взаимодействие потоков внутри жаровой трубы 1 способствует эффективному перемешиванию топливно-воздушной смеси и газа и обеспечивает высокую стабильность организованных потоков в полости жаровой трубы.
При этом на режимах малой мощности топливо выгорает в зоне I с минимальными выделениями СО и СН, а на высоких режимах топливо, не сгоревшее в зоне I, переходит в зону II с достаточно высокой температурой, где и завершается процесс горения.
Таким образом, постоянный возврат большей части охлаждающего воздуха в зону горения снижает выделения окислов азота, а интенсивное перемешивание топливно-воздушной смеси и газов в полости жаровой трубы снижает неравномерность температурного поля газа на выходе из камеры сгорания.