АППАРАТ ДЛЯ СЖИГАНИЯ
COMBUSTION UNIT

Настоящее изобретение относится к аппарату для сжигания.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к аппарату для сжигания, содержащему: устройство для смешивания топлива с окислителем; камеру сгорания, в которой происходит сгорание топлива/окислителя; предкамеру, расположенную между устройством и камерой сгорания; и средство для подачи газа в предкамеру для образования воздушной подушки на внутренней поверхности предкамеры для предотвращения распространения пламени из камеры сгорания по этой внутренней поверхности, вызывающего повреждение предкамеры.
Известно, как образовать воздушную подушку на внутренней поверхности предкамеры посредством образования отверстий на стенках предкамеры и подачи газа в предкамеру через отверстия. Это имеет недостаток в том, что там, где, сначала, газ достигает внутренней поверхности предкамеры, он представляет собой ряд дискретных потоков газа, один поток газа из каждого отверстия. Следовательно, защита внутренней поверхности от распространения пламени не обеспечена в отношении участков внутренней поверхности между дискретными потоками газа.
В соответствии с настоящим изобретением, описывается аппарат для сжигания, содержащий: устройство для смешивания топлива с окислителем; камеру сгорания, в которой происходит сгорание топлива/окислителя; предкамеру, расположенную между устройством и камерой сгорания; и средство для подачи газа в предкамеру для образования воздушной подушки на внутренней поверхности предкамеры для предотвращения распространения пламени из камеры сгорания по этой внутренней поверхности, вызывающего повреждение предкамеры, причем подача газа в предкамеру происходит таким образом, что там, где газ, сначала, достигает внутренней поверхности предкамеры, он образует, по существу, сплошную воздушную подушку на этой внутренней поверхности.
В аппарате в соответствии с предыдущим пунктом, предпочтительно, что средство для подачи содержит завихритель для создания завихряющегося потока газа, который перемещается по внутренней поверхности предкамеры в камеру сгорания.
В аппарате в соответствии с предыдущим пунктом, предпочтительно, что завихритель содержит множество пазов для направления газа, причем пазы располагаются по окружности и проходят, в основном, радиально внутрь.
В аппарате в соответствии с предыдущим пунктом, предпочтительно, что завихритель содержит кольцевую опорную пластину и множество клиновидных элементов, расположенных по окружности на расстоянии друг от друга вокруг кольцевой опорной пластины для образования между соседними клиновидными элементами пазов для направления газа, причем клиновидные элементы смещены назад от радиального внутреннего края на кольцевой опорной пластине для образования, таким образом, кольцевого выступа на кольцевой опорной пластине непосредственно в радиальном направлении наружу от радиального внутреннего края.
Предпочтительно, что аппарат в соответствии с предыдущим пунктом дополнительно содержит кольцевую закрывающую пластину, прикрепленную к завихрителю таким образом, что одна сторона кольцевой закрывающей пластины образует стенку с пазами, причем клиновидный элемент смещен назад от радиального внутреннего края кольцевой закрывающей пластины для образования, таким образом, кольцевого выступа на кольцевой закрывающей пластине непосредственно в радиальном направлении наружу от радиального внутреннего края кольцевой закрывающей пластины.
В аппарате по любому из предыдущих двух пунктов, предпочтительно, что завихритель расположен между устройством и предкамерой, и завихритель входит в контакт с предкамерой при помощи ровного выступа, образованного между кольцевым выступом на кольцевой опорной пластине и внутренней поверхностью предкамеры.
В аппарате по любому из предыдущих трех пунктов, предпочтительно, что средство для подачи расположено между устройством и предкамерой.
В аппарате по любому из предыдущих семи пунктов, устройство может содержать завихритель для создания завихряющийся смеси топлива и окислителя, которая проходит вдоль предкамеры в камеру сгорания.
В аппарате по любому из предыдущих восьми пунктов, окислителем может быть воздух, и газом может быть воздух.
Настоящее изобретение также относится к газотурбинному двигателю, включающему аппарат по любому из предыдущих девяти пунктов, в котором сжатый газ из компрессора двигателя распределяется между устройством и средством для подачи, причем большая часть газа подается в устройство.
Настоящее изобретение будет описано в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает перспективный вид с пространственным разделением элементов аппарата для сжигания в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 изображает перспективный вид с пространственным разделением элементов аппарата для сжигания на фиг.1, взятый с другой стороны по отношению к стороне на фиг.1, и с пропущенной большей частью камеры сгорания аппарата;
фиг.3 изображает перспективный вид сбоку с пространственным разделением элементов аппарата на фиг.1 с пропущенной камерой сгорания;
фиг.4 изображает вид по линии IV-IV на фиг.3;
фиг.5 изображает вид по линии V-V на фиг.3;
фиг.6 изображает вид в поперечном разрезе по линии VI-VI на фиг.3;
фиг.7 изображает вид сбоку аппарата на фиг.1 при сборке с пропущенной камерой сгорания;
фиг.8 изображает вид в поперечном разрезе по линии VIII-VIII на фиг.7;
фиг.9 изображает вид в поперечном разрезе по линии IX-IX на фиг.7; и
фиг.10 изображает схематический вид в поперечном разрезе по длине аппарата на фиг.1
Как показано на чертежах, аппарат содержит первый завихритель 1 для создания завихряющейся смеси топлива и воздуха, камеру 3 сгорания, в которой происходит горение смеси топлива/воздуха, второй завихритель 5 для создания завихряющегося потока воздуха, кольцевую закрывающую пластину 7, которая разделяет завихрители 1 и 5, и предкамеру 9 между вторым завихрителем 5 и камерой 3 сгорания.
Первый завихритель 1 содержит кольцевую опорную пластину 11 и множество клиновидных элементов 13, расположенных по окружности на расстоянии друг от друга вокруг кольцевой опорной пластины 11 для образования между соседними клиновидными элементами 13 пазов 15. Пластина 11 содержит на радиальном наружном конце каждого паза 15 отверстие 17, через которое топливо подается в первый завихритель 1. Каждый клиновидный элемент 13 содержит на радиальном наружном конце одной своей стороны 19 отверстие 21, через которое топливо также подается в первый завихритель 1. Множество установочных отверстий 23 проходит через клиновидные элементы 13 и опорную пластину 11. Радиальные внутренние заостренные концы 25 клиновидных элементов 13 смещены назад от радиального внутреннего края 27 кольцевой опорной пластины 11 для образования, таким образом, кольцевого выступа 29, непосредственно в радиальном направлении наружу от края 27.
Второй завихритель 5 подобен по конфигурации первому завихрителю 1 и содержит кольцевую опорную пластину 31 и множество клиновидных элементов 33, расположенных по окружности на расстоянии друг от друга вокруг кольцевой опорной пластины 31 для образования между соседними клиновидными элементами 33 пазов 15. Высота клиновидных элементов 33 относительно опорной пластины 31 гораздо меньше по сравнению с высотой клиновидных элементов 13 относительно опорной пластины 11 в первом завихрителе 1. Множество установочных отверстий 37 проходит через клиновидные элементы 33 и опорную пластину 31. Радиальные внутренние заостренные концы 39 клиновидных элементов 33 смещены назад от радиального внутреннего края 41 кольцевой опорной пластины 31 для образования, таким образом, кольцевого выступа 43, непосредственно в радиальном направлении наружу от края 41.
Предкамера 9 имеет цилиндрическую форму и содержит внутреннюю поверхность 47. Предкамера 9 выполнена как одно целое со вторым завихрителем 5. При этом в точке, где предкамера 9 входит в контакт со вторым завихрителем 5, образован ровный выступ 49 под углом 90° между внутренней поверхностью 47 предкамеры 9 и кольцевым выступом 43 второго завихрителя 5.
Кольцевая закрывающая пластина 7 содержит множество установочных отверстий 45.
Первый завихритель 1, кольцевая закрывающая пластина 7 и второй завихритель 5 (вместе с выполненной как одно целое предкамерой 9) закреплены вместе посредством закреплений гаек и болтов с использованием установочных отверстий 23 в первом завихрителе 1, установочных отверстий 45 в пластине 7 и установочных отверстий 37 в завихрителе 5. Таким образом, одна сторона пластины 7 образует стенку каждого из пазов 15 первого завихрителя 1, а другая сторона пластины 7 образует стенку каждого из пазов 35 второго завихрителя 5. Взаимосвязь клиновидных элементов 13 первого завихрителя 1 с кольцевой закрывающей пластиной 7 можно видеть на фиг.8. Радиальные внутренние заостренные концы 25 клиновидных элементов 13 проходят точно до радиального внутреннего края 51 кольцевой закрывающей пластины 7. Взаимосвязь клиновидных элементов 33 второго завихрителя 5 с кольцевой закрывающей пластиной 7 можно видеть на фиг.9. Радиальные внутренние заостренные концы 39 клиновидных элементов 33 смещены назад от радиального внутреннего края 51 кольцевой закрывающей пластины 7 для образования, таким образом, кольцевого выступа 53 непосредственно в радиальном направлении наружу от края 51.
Ниже будет описана работа аппарата для сжигания.
Воздух подается на радиальные наружные концы пазов 15 первого завихрителя 1 и перемещается, в основном, радиально внутрь вдоль пазов 15. Топливо подается в отверстия 17 и отверстия 21 первого завихрителя 1 для прохождения в пазы 15 и смешивания с воздухом, перемещающимся вдоль пазов 15. Таким образом, первый завихритель 1 создает завихряющуюся смесь топлива и воздуха на кольцевом участке непосредственно в радиальном направлении внутрь радиальных внутренних концов пазов 15, см. стрелки 55 на фиг.8. Эта завихряющаяся смесь перемещается в осевом направлении вдоль устройства в камеру сгорания 3, проходя через кольцевую закрывающую пластину 7, второй завихритель 5 и предкамеру 9, см. стрелки 57 на фиг.10.
Воспламенение смеси топлива/воздуха осуществляется при помощи устройства зажигания (не показано), расположенного в круглом отверстии кольцевой опорной пластины 11 первого завихрителя 1. При этом, аппарат для сжигания содержит дополнительный элемент (не показан), расположенный слева от аппарата, изображенного на фиг.1, который содержит поверхность, которая занимает отверстие кольцевой опорной пластины 11. Устройство зажигания расположено на этой поверхности. После зажигания при помощи устройства зажигания горение поддерживается самостоятельно.
Воздух также подается на радиальные наружные концы пазов 35 второго завихрителя 5 и перемещается, в основном, радиально внутрь вдоль пазов 35. Таким образом, второй завихритель 5 создает завихряющийся поток воздуха на кольцевом участке непосредственно в радиальном направлении внутрь радиальных внутренних концов пазов 35, см. стрелки 59 на фиг.4. Этот завихряющийся поток завихряется между кольцевым выступом 53 кольцевой закрывающей пластины 7 и кольцевым выступом 43 второго завихрителя 5, проходит через выступ 49 под углом 90° между кольцевым выступом 43 и внутренней поверхностью 47 предкамеры 9 и перемещается в осевом направлении вдоль предкамеры 9 в камеру 3 сгорания, см. стрелки 61 на фиг.10.
Назначением воздушного потока, создаваемого вторым завихрителем 5, является образование воздушной подушки на внутренней поверхности 47 предкамеры 9 для предотвращения, таким образом, распространения пламени из камеры 3 сгорания, вызывающего повреждение предкамеры 9. Подача воздуха при помощи второго завихрителя 5 осуществляется таким образом, что там, где воздух сначала достигает внутренней поверхности 47, т.е. после выступа 49 под углом 90°, он образует сплошную воздушную подушку на внутренней поверхности 47. Это непрерывное свойство обусловлено (i) наличием кольцевого выступа 43, образованного посредством смещения назад клиновидных элементов 33 от края 41 второго завихрителя 5, (ii) наличием кольцевого выступа 53, образованного посредством смещения назад клиновидных элементов 33 от края 51 кольцевой закрывающей пластины 7, и (iii) наличием выступа 49 под углом 90° между вторым завихрителем 5 и предкамерой 9.
Назначение конструкции заключается в том, чтобы скорость воздушного потока из второго завихрителя 5, см. стрелки 61 на фиг.10, почти равнялась скорости смеси топлива/воздуха из первого завихрителя 1, см. стрелки 57 на фиг.10. Таким образом, существует минимальное нарушение воздушного потока 61 под действием потока 57 смеси, сводя к минимуму разрушение воздушной защитной подушки 61.
В описанном выше аппарате защитная воздушная подушка образуется на внутренней поверхности предкамеры 9. Необходимо понимать, что эта защитная подушка необязательно должна быть образована из воздуха, а могла бы быть из другого газа, например углекислого газа. Аналогичным образом, защитной подушкой могла бы быть смесь газообразного топлива и воздуха при условии, что используемая конкретная смесь (концентрация топлива в воздухе) не воспламеняется в условиях, существующих в предкамере 9 на участке внутренней поверхности предкамеры 9. Таким образом, могла бы использоваться бедная смесь, в которой концентрация топлива ниже концентрации, при которой может произойти воспламенение, или могла бы использоваться богатая смесь, в которой концентрация топлива выше концентрации, при которой может произойти воспламенение. В действительности, в случае богатой смеси, концентрация топлива могла бы составлять 100%, т.е. без наличия воздуха.
В описанном выше аппарате завихритель используется для образования смеси топлива и воздуха для горения. Необходимо понимать, что смесь топлива/воздуха могла бы создаваться при помощи альтернативного устройства, способного обеспечивать достаточно однородную смесь топлива и воздуха.
В описанном выше аппарате завихритель используется для подачи воздуха для создания защитной воздушной подушки на внутренней поверхности предкамеры 9. Необходимо понимать, что могло бы использоваться альтернативное средство для этой цели при условии, что подача воздуха происходит таким образом, что там, где воздух раньше достигает внутренней поверхности, он образует, по существу, сплошную воздушную подушку на этой поверхности.
В описанном выше аппарате второй завихритель 5 расположен непосредственно перед предкамерой 9. Необходимо понимать, что завихритель 5 мог бы располагаться частично вдоль длины предкамеры 9 таким образом, что защитная воздушная подушка образуется только на остальной части предкамеры 9 между завихрителем 5 и камерой 3 сгорания. Кроме того, аппарат мог бы содержать два завихрителя 5, один, расположенный непосредственно перед предкамерой 9, другой, расположенный частично вдоль длины предкамеры 9. Завихритель 5, расположенный частично вдоль длины предкамеры 9, создавал бы защитную воздушную подушку для дополнения воздушной подушки, созданной завихрителем 5, расположенным непосредственно перед предкамерой 9. Этот дополнительный воздух способствовал бы защите предкамеры 9 вниз по потоку от завихрителя 5, расположенного частично вдоль длины предкамеры.
Настоящее изобретение находит конкретное применение в газотурбинных двигателях. В случае аппарата, описанного выше, сжатый воздух из компрессора двигателя распределялся бы между первым завихрителем 1 и вторым завихрителем 5, причем большая часть воздуха подавалась бы в первый завихритель 1.
Настоящее изобретение особенно эффективно при горении топлива с высокой скоростью распространения пламени. При использовании такого топлива пламя из камеры сгорания стремится вызвать обратную вспышку в предкамере и распространиться на внутренней поверхности предкамеры.