Газотурбинный двигатель
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к газотурбинным двигателям, применяемым в авиации, на кораблях и наземных установках в качестве силового агрегата.
Широко известен газотурбинный двигатель (ГТД), который содержит компрессор, корпус между компрессором и турбиной, турбину, стойку между компрессором и камерой сгорания с кольцевым каналом подвода воздуха от компрессора к камере сгорания (к.с.), к стойке крепится к.с., которая содержит жаровую трубу, наружный и внутренний корпуса к.с., лопаточные завихрители воздуха, форсунку с трубой подвода топлива. Известный двигатель принят за прототип.
Задачей изобретения является повышение безотказности и надежности ГТД, ресурса, кпд, а также повышение экологичности за счет снижения выброса СО, СН, NOx и твердых частиц (сажи) в атмосферу.
Технический результат - обеспечение стабильности, скорости и полноты сгорания топлива в жаровой трубе.
Задача решается, а технический результат достигается газотурбинным двигателем, который содержит компрессор, корпус между компрессором и турбиной, турбину, стойку между компрессором и камерой сгорания с кольцевым каналом подвода воздуха от компрессора к камере сгорания, к стойке крепится камера сгорания, которая имеет жаровую трубу, наружный и внутренний корпуса камеры сгорания, лопаточные завихрители заряда, форсунку с трубой подвода топлива. В отличие от прототипа на входе в жаровую трубу закреплено устройство в виде трубы с конусообразными микрозавихрителями по внутреннему диаметру в форме замкнутого круга или винта с конической частью и закругленной кромкой с радиусом r, при этом указанное устройство расположено за кольцевым каналом подвода воздуха от компрессора к камере сгорания таким образом, что скорость течения потока воздуха около микрозавихрителей должна быть не менее 35-40 м/сек на номинальном режиме работы ГТД.
Согласно изобретению:
- вблизи входа в жаровую трубу устройство с микрозавихрителями снабжено отверстиями;
- труба подвода топлива к форсунке снабжена конусообразным отражателем-завихрителем на определенном расстоянии от распылителей форсунки;
- устройство в виде трубы дополнительно снабжено одним конусообразным микрозавихрителем на внешнем диаметре трубы в форме замкнутого круга;
- устройство с микрозавихрителями выполнено за одно с деталью жаровой трубы, расположенной в передней части жаровой трубы.
Технический результат достигается следующим.
На входе в жаровую трубу крепится устройство в виде трубы с конусообразными завихрителями по внутреннему диаметру в форме замкнутого круга или винта с конической частью и закругленной кромкой с радиусом r. Устройство расположено за кольцевым каналом подвода воздуха от компрессора к камере сгорания таким образом, что скорость течения потока воздуха около микрозавихрителей должна быть не менее 35-40 м/сек на номинальном режиме работы ГТД. Устройство генерирует микровихри высоких скоростей и энергий на входе в жаровую трубу при срыве потока воздуха с закругленных кромок конусообразных микрозавихрителей. Это обеспечивает высокую скорость сгорания топлива, полноту и стабильность горения.
Так как вход в устройтво генерирования микровихрей расположен ближе к каналу в стойке, то скорость потока в указанном месте значительно превышает скорость входа в лопаточный завихритель без устройства по причине значительного увеличения сечения к.с. по мере удаления от канала в стойке. Микровихри, генерируемые в устройстве, имеют большую скорость и энергию, чем микровихри, возникающие при срыве потока с кромок лопаточных завихрителей без устройства. Предложенное в изобретении устройство обеспечивает стабильность пуска и интенсивность горения в жаровой трубе, что значительно снижает пульсацию потока заряда и снижает неравномерность температуры и давления перед турбиной. Тем самым может быть увеличен ресурс лопаток турбины, особенно при использовании газового топлива, который горит медленнее и неравномернее, чем керосин, значит, возникает большая пульсация перед турбиной. Кроме того, при меньших расходах воздуха на промежуточных режимах снижается скорость потока и повышается нестабильность горения, что может сказаться на безопасности летательных аппаратов. (Доказана значительная стабильность циклов в поршневых двигателях и надежность их запуска при генерировании микровихрей в конце такта сжатия). Кроме того, при уменьшении интенсивности горения значительная часть углерода в топливе не сгорает и в виде сажи откладывается на деталях к.с. и форсунки, что снижает надежность ГТД.
Учитывая повышение расхода воздуха в жаровой трубе по причине скоростного напора, устройство может быть снабжено отверстиями вблизи крепления к жаровой трубе для регулирования расхода воздуха через нее.
Для увеличения конуса распыла топлива и обеспечения стабильного воспламенения и горения на наружном диаметре трубы подвода топлива может выполняться конусообразный отражатель-завихритель с радиусом закругления r и располагаться на определенном расстоянии от распылителя форсунки.
Для эффективного охлаждения передней части жаровой трубы устройство в виде трубы, прикрепляемое в передней части жаровой трубы, дополнительно снабжено одним конусообразным микрозавихрителем на внешнем диаметрах трубы.
В одном из случаев устройство с микрозавихрителями может выполняться за одно с деталью жаровой трубы, расположенной в передней части жаровой трубы.
Изобретение поясняется графической частью на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 показан разрез к.с. и жаровой трубы.
На фиг. 2 изображены лопаточные завихрители и конусообразный отражатель-завихритель на наружном диаметре трубы подвода топлива.
На фиг. 3 изображено устройство с конусообразными микрозавихрителями на внутреннем и внешнем диаметры трубы.
Газотурбинный двигатель состоит из компрессора, корпуса между компрессором и турбиной, турбины (на фигурах не изображены), стойки 1 между компрессором и к.с. с кольцевым каналом 2 подвода воздуха от компрессора к к.с., к стойке 1 крепится к.с. 3, которая содержит жаровую трубу 4, а также наружный 5 и внутренний 6 корпуса к.с., лопаточные завихрители воздуха 7, форсунку 8 с трубой 9 подвода топлива. К жаровой трубе крепится устройство 10, которое состоит из трубы 11, во внутреннем диаметре которого выполнены конусообразные микрозавихрители 12 в форме замкнутого круга или винта с конической частью 13 и закругленной кромкой 14.
Устройство 10 может быть снабжено отверстиями 15 вблизи входа воздуха в жаровую трубу для регулирования расхода воздуха через жаровую трубу торможением скоростного напора.
Труба 9 форсунки 8 снабжена конусообразным отражателем-завихрителем 16 с радиусом закругления r у вершины конуса. Устройство дополнительно может снабжаться конусообразным микрозавихрителем 17 по внешнему диаметру трубы.
Газотурбинный двигатель работает следующим образом. Компрессор подает воздух через канал 2 стойки 1 в камеру сгорания 3. Через устройство 10, закрепленное на входе в жаровую трубу 4, воздух подводится к лопаточным завихрителям 7 и распылителю форсунки 8.
В устройстве 10 генерируются микровихри высоких скоростей и энергий при огибании потоком воздуха конусообразных микрозавихрителей 12. Наличие в турбулентном потоке воздуха микровихрей значительно пловышает микротурбулизацию заряда, в микротурбулентном потоке интенсивность сгорания повышается («Быстроходные двигатели» Лернер), что обеспечивает высокую скорость тепловыделения, полноту сгорания заряда и равномерность смесеобразования и горения. За счет скорости тепловыделения обеспечивается более высокая температура газов, значит, более высокое давление. В результате повышается работа расширения газов и повышается кпд ГТД. Особенно заметно влияние устройства микротурбулизации заряда на режимах неполных нагрузок, при которых скорость потока воздуха в к.с. снижается на большой высоте полета, где низкая температура и давление ухудшают условие сгорания заряда. Кроме того, наличие устройства обеспечивает равномерное и стабильное горение в потоке и снижение пульсаций потока, повышая надежность и ресурс работы турбины. Пульсация потока в жаровой трубе вызывает повышение динамических нагрузок на лопатки турбины и подшипники вала турбины. За счет полноты и интенсивности горения снижаются выбросы СО, СН, NOx и твердых частиц (сажи).
Для облегчения запуска и устойчивого горения труба подвода топлива снабжается конусообразным кольцевым отражателем-завихрителем, увеличивающим конус распыла заряда.
Таким образом, дешевая модернизация ГТД по предложенному изобретению позволяет повысить кпд ГТД на любых режимах авиационных, корабельных, наземных силовых установок, обеспечить безопасность и надежность работы ГТД при широком диапазоне параметров окружающей среды, использовать топливо с более широкими параметрами и снизить выброс в атмосферу токсичных компонентов с отработанными газами.
Кроме того, простота установки устройства генерирования микровихрей позволяет модернизировать не только новые ГТД в производстве, но и находящиеся в эксплуатации ГТД при их ремонте.