Камера сгорания газотурбинного двигателя
COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД) и может быть использовано в кольцевых камерах сгорания авиационных ГТД.
Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, жаровую трубу, имеющую наружный и внутренний кожухи с воздушными отверстиями и перегородку, разделяющую объем камеры на центральную и периферийную части, вращающуюся форсунку, расположенную в центральной части. Перегородка такой камеры сгорания выполнена двойной цилиндрической формы, а вращающаяся форсунка расположена диаметрально напротив цилиндрической перегородки (патент РФ № 2117874, МПК F23R 3/38, опубл. 20.08.1998 г.).
Недостатком данной камеры сгорания являются ее низкие эксплуатационные характеристики из-за недостаточно интенсивного перемешивания топлива с воздухом, что обусловлено отсутствием элементов конструкции, обеспечивающих вихреобразование потоков воздуха.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является камера сгорания газотурбинной установки, которая содержит компрессор, турбину компрессора, камеру сгорания с вращающейся форсункой, закрепленной на роторе турбокомпрессора, при этом форсунка содержит неподвижный конический диск с размещенными на нем кольцевым коллектором и радиальными трубками подачи топлива в зону горения, при этом радиальные трубки выполнены равнорасположенными по окружности, форсунка имеет соосный неподвижному диску вращающийся конический диск, при этом на конусной поверхности вращающегося диска, обращенной к неподвижному диску, расположены многозаходные винтовые каналы, образуемые винтовыми гребнями (патент РФ № 2328658, МПК F23R 3/38, опубл. 10.07.2008 г.).
Недостатком данного технического решения является низкие эксплуатационные характеристики камеры из-за недостаточно интенсивного перемешивания топлива с воздухом, что обусловлено отсутствием элементов конструкции, обеспечивающих вихреобразование потоков воздуха.
Задачей изобретения является усовершенствование конструкции камеры сгорания газотурбинной установки, позволяющее повысить ее эксплуатационные характеристики.
Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик камеры сгорания за счет внедрения и взаимного расположения конструктивных элементов, обеспечивающих предварительное испарение топлива, предварительное смешивание топлива с воздухом, вихреобразование для лучшего перемешиванию всех компонентов топливовоздушной смеси. Тем самым достигается однородность получаемой топливовоздушной смеси, повышение полноты сгорания топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, экономия топлива.
Технический результат достигается тем, что камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащего компрессор, турбину компрессора, содержит вращающуюся форсунку, закрепленную на роторе турбокомпрессора, при этом дополнительно в ней установлен, состоящий из двух дефлекторов дискового вида, стационарного с неподвижными лопатками и вращающегося с подвижными лопатками, дефлекторный узел, стационарный дефлектор имеет плавную изогнутую форму и своей внутренней кольцевой поверхностью прикреплен к передней стенке камеры сгорания, а вращающийся дефлектор внутренней кольцевой поверхностью прикреплен к цилиндрической поверхности вращающейся форсунки и на нем выполнены отверстия для притока воздуха во внутреннюю полость дефлекторного узла, лопатки расположены на периферийных частях внутренних поверхностей обоих дефлекторов по окружностям в радиальном направлении, на цилиндрической поверхности вращающейся форсунки размещены два ряда радиальных отверстий, периферийная часть стационарного дефлектора расположена в плоскости вращения левого ряда радиальных отверстий, а подвижные лопатки вращающегося дефлектора расположены в плоскости вращения правого ряда радиальных отверстий.
На фиг. 1 показан общий вид газотурбинного двигателя с камерой сгорания, содержащей вращающуюся форсунку и размещенный над ней дефлекторный узел. Газотурбинный двигатель состоит из корпуса 5, ротора турбокомпрессора, образованного компрессором 10, турбиной компрессора 3, соединенных валом 7, камеры сгорания 6, свободной турбины 2, приводящей редуктор 1. Перед турбиной компрессора 3 установлен сопловой аппарат 4 с полыми лопатками для прохода воздуха, на выходе из компрессора установлен спрямляющий диффузор 9, через который проходит топливный трубопровод 8.
На фиг. 2 изображен продольный разрез предлагаемой камеры сгорания 6 газотурбинного двигателя. Камера сгорания 6 состоит из передней стенки 14 и задней стенки 15. На них выполнены отверстия для притока воздуха во внутреннюю полость камеры сгорания. Топливо из вращающейся форсунки 13 в камеру сгорания подается под воздействием центробежной силы посредством двух рядов радиальных отверстий на цилиндрической поверхности вращающейся форсунки (левый ряд отверстий и правый ряд отверстий). Дефлекторный узел размещен над вращающейся форсункой и состоит из стационарного дефлектора 16 и вращающегося дефлектора 17 дискового вида. К передней стенке 14 камеры сгорания 6 прикреплен внутренней кольцевой поверхностью стационарный дефлектор 16. Он имеет плавную изогнутую форму, периферийная его часть располагается в плоскости вращения левого ряда радиальных отверстий на цилиндрической поверхности вращающейся форсунки 13. Вращающаяся форсунка 13 закреплена на валу 7 ротора турбокомпрессора. К цилиндрической поверхности вращающейся форсунки 13 прикреплен внутренней кольцевой поверхностью вращающийся дефлектор 17. На нем выполнены отверстия для притока воздуха во внутреннюю полость дефлекторного узла. На периферийной части внутренней поверхности стационарного дефлектора 16 выполнены неподвижные лопатки 18, на периферийной части внутренней поверхности вращающегося дефлектора 17 выполнены подвижные лопатки 19. Лопатки располагаются по окружностям в радиальном направлении, их выступающая часть обеспечивает взаимный осевой зазор. Подвижные лопатки 19 располагаются в плоскости вращения правого ряда радиальных отверстий на цилиндрической поверхности вращающейся форсунки 13. Внутрь вращающейся форсунки 13 топливо подается конусным топливным коллектором 12, закрепленным на корпусе компрессора 11, от топливного трубопровода 8, проходящего через спрямляющий диффузор 9.
Камера сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом. Воздух от компрессора 10 выходит из спрямляющего диффузора 9. Во внутреннюю полость камеры сгорания воздух для смесеобразования поступает через отверстия на торцевых поверхностях передней стенки 14 и задней стенки 15 камеры сгорания. Подвод воздуха к передней стенке 14 камеры сгорания 6 осуществляется через полые лопатки соплового аппарата 4 турбины компрессора 3, к задней стенке 15 камеры сгорания 6 - и по радиальному зазору между задней стенкой 15 камеры сгорания 6 и корпусом компрессора 11. Топливо подводится в конусный топливный коллектор 12 топливным трубопроводом 8 и через выходную часть конусного топливного коллектора 12 поступает во внутреннюю полость вращающейся форсунки 13, закрепленной на валу 7 ротора турбокомпрессора через открытую боковую поверхность в виде кольцевой щели. Из вращающейся форсунки 13 двумя рядами радиальных отверстий топливо под воздействием центробежной силы выбрасывается во внутреннюю полость дефлекторного узла.
В процессе работы газотурбинного двигателя стационарный дефлектор 16 нагревается от основного пламени камеры сгорания 6. По его плавной поверхности топливо, выбрасываемое под воздействием центробежной силы из левого ряда радиальных отверстий на цилиндрической поверхности вращающейся форсунки 13, распределяется тонким ламинарным слоем и интенсивно испаряется. Пары топлива поступают в пространство между неподвижными лопатками 18. Тем самым достигается эффект предварительного испарения топлива. Вращающийся дефлектор 17 за счет своих подвижных лопаток 19 и отверстий на своей поверхности воспроизводит интенсивное движение воздуха со стороны передней поверхности в радиальном направлении. В этот поток воздуха подается топливо, выбрасываемое под воздействием центробежной силы из правого ряда радиальных отверстий на цилиндрической поверхности вращающейся форсунки 13. Подготовленная смесь поступает в пространство между подвижными лопатками 19. Тем самым достигается эффект предварительного смешивания топлива с воздухом.
В межлопаточном пространстве стационарного дефлектора 16 и вращающегося дефлектора 17 при относительном движении расположенных напротив друг друга неподвижных лопаток 18 и подвижных лопаток 19 возникает интенсивное вихреобразование со знакопеременными давлением и разрежением. Разрежение способствует притоку свежих порций предварительно испаренного топлива и предварительно смешанного топлива с воздухом. Давление способствует перемещению приготовленной смеси в зону основного пламени камеры сгорания. Вихреобразование способствует лучшему перемешиванию всех компонентов топливовоздушной смеси, тем самым достигается однородность получаемой топливовоздушной смеси, повышение полноты сгорания топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, экономия топлива.