Кольцевая камера сгорания газотурбинной установки

Полезная модель  относится к газотурбинным двигателям и может быть использована в качестве камер сгорания газотурбинных установок.
Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит корпус, жаровую трубу, на фронтальной стенке которой размещены воздушные завихрители, а на боковых стенках - отверстия для подвода воздуха и, по меньшей мере, одно запальное устройство. Топливные форсунки установлены коаксиально воздушным завихрителям и выполнены в виде топливного завихрителя с тангенциальными каналами и/или выходного сопла. По меньшей мере, одна топливная форсунка, расположенная в зоне запального устройства, выполнена с суммарной площадью ее тангенциальных каналов и/или сопла, на 2-30% большей, чем у остальных форсунок (патент на изобретение РФ № 2250415, опубл. 20.04.2005 г.).
Известна  кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит наружный корпус и внутренний корпус, выполненный в виде газосборника, установленный на входе в камеру сгорания заборное устройство в виде кольцевого диффузора, газосборник размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха. На входе в газосборник расположено кольцевое фронтовое устройство, с лопаточным завихрителем (патент на изобретение РФ № 2349840, опубл. 20.03.2009 г.).
В результате патентно-информационных исследований также выявлены следующие технические решения по данной теме: US 20160003478(A1), JP 2007291671, JP 2009287241, EP 1391582, EP 2716976, CH 00209989.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа,  является кольцевая камера сгорания газотурбинной установки, которая содержит наружный каркас и газосборник, который размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, на входе в газосборник расположено фронтовое устройство с лопаточным завихрителем и топливной форсункой, отличающаяся тем, что на входе в газосборник дополнительно установлен смеситель, выполненный в виде стакана, причем с одного торца стенки смесителя образуют входной цилиндр, который соединен с лопаточным завихрителем фронтового устройства, а с другого торца смеситель соединен с газосборником, смеситель снабжен поясами отверстий подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя и для поджима факела, отверстия пояса подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя выполнены неотбортованными и по диаметру меньше, чем отверстия пояса подвода воздуха для поджима факела (патент на полезную модель РФ № 125310, опубл. 27.02.2013г.).
Недостатком данной конструкции является достаточно высокая эмиссия загрязняющих веществ.
Технической проблемой является повышение эффективности горения при одновременном улучшении экологии при эксплуатации камер сгорания за счет снижения уровня эмиссии загрязняющих веществ.
Технический результат - снижение уровня эмиссии загрязняющих газообразных веществ. Снижение эмиссии загрязняющих веществ обеспечивается снижением дымления  и снижением в продуктах сгорания несгоревших углеводородов, окиси углерода  и оксида азота.
Техническая задача достигается  тем, что заявляемая кольцевая камера сгорания газотурбинной установки, содержит наружный каркас и газосборник,  выполненный из наружной и внутренней обечаек с поперечным  поясом отверстий  подвода воздуха, на входе в газосборник расположено фронтовое устройство с лопаточным завихрителем и топливной форсункой, а также смеситель, выполненный в виде стакана, причем с одного торца внешние стенки смесителя образуют вход, который соединен с лопаточным завихрителем фронтового устройства, а с другого торца смеситель соединен с газосборником, по окружности  смесителя  расположен  пояс  отверстий для  подвода  воздуха, причем   фронтовое устройство  снабжено дополнительным лопаточным завихрителем, который отделен от лопаточного завихрителя кольцевой полостью с газораздающими отверстиями, которая соединена с топливной форсункой газоподводящими трубками, причем лопаточный завихритель и дополнительный лопаточный завихритель  имеют встречно направленное расположение лопаток.
Газосборник имеет кольцевую форму. Дополнительно заявляемое устройство снабжено диаметральной щелью, образованной  по окружности соединения смесителя с газосборником. Диаметральная щель позволяет повысить эксплуатационную надежность заявляемого устройства за счет равномерного охлаждения.
Сравнение заявляемой полезной модели  с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
- фронтовое устройство снабжено дополнительным лопаточным завихрителем;
- дополнительный лопаточный завихритель отделен от лопаточного завихрителя  кольцевой полостью;
- кольцевая полость снабжена газораздающими отверстиями;
- кольцевая полость соединена с топливной форсункой  газоподводящими трубками;
- лопаточный завихритель и дополнительный лопаточный завихритель  имеют встречно направленное расположение лопаток.
Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель  соответствует критерию «новизна».
Полезная модель может быть реализована на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов, поэтому она  соответствует критерию «промышленная применимость».
Камера сгорания может быть использована в газотурбинных установках с трубчато-кольцевыми камерами сгорания - в частности агрегатах ГТН-16.
На Фиг.1 показан общий вид камеры сгорания, на Фиг.2 показано фронтовое устройство.
Заявленная камера сгорания состоит из наружного каркаса 1, на который крепятся стенка наружная 2 и стенка внутренняя 3. Стенки 2 и 3 образуют единый газосборник кольцевой формы. На входе в газосборник установлено фронтовое устройство 4. В фронтовое  устройство 4 вставлена  газоподводящая горелка 5. Газ подается в полость топливной форсунки 6, где распределяется в двух направлениях: поступает через газоподводящие трубки 7 в кольцевую полость 8 между лопаточными завихрителями 9,10 и, выходя через газораздающие отверстия 15, смешивается с частью первичного воздуха, прошедшего через наружный лопаточный завихритель 10. Газ, оставшийся в форсунке 6, выходит через газораздающие отверстия 14 и смешивается с первичным объемом воздуха с внутреннего лопаточного завихрителя 9.
Лопаточные завихрители 9,10 имеют встречно направленное расположение лопаток и вращаются соответственно навстречу друг другу. Вследствие чего в смесителе, выполненным в виде стакана 11 фронтового устройства 4, образуются два  встречно закрученных вихреобразных потока газовоздушной смеси и после воспламенения образуются два факела, один из которых имеет кольцеобразную форму. Этот наружный факел позволяет дожигать оксид углерода (СО), не давая топливу «растекаться» по охлаждаемым стенкам стакана 11 фронтового устройства 4, и обеспечивает полноту дожигания топлива. Распределение подвода топлива на две зоны позволяет обеднить топливо-воздушную смесь и увеличить скорость горения с уменьшением времени пребывания свободного азота в зоне высоких температур. Снижение эмиссии по NOx обеспечивается за счет более сильного обеднения смеси путем рассредоточенной раздачей топливного газа между двух объемов поступающего первичного воздуха. Снижение выбросов продуктов сгорания также обеспечивается уменьшением времени горения смеси. Также встречно направленные потоки позволяет снизить неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания, обеспечив полноту сгорания.
Процесс горения происходит внутри стакана 11 фронтового устройства 4, на котором расположен пояс отверстий. Они служат для поджатия факела и не допускают «проскок» пламени дальше по проточной части. Внутренние стенки смесителя, выполненного в виде стакана 11, охлаждаются воздухом, поступающим через диаметральную щель 16, образованную по окружности соединения смесителя с газосборником, предотвращая риск температурных деформаций и обеспечивая надежность работы устройства. Наружная обечайка 13 фронтового устройства с входным конусом 12 обеспечивает улучшение равномерности поступления воздуха, как в лопаточные завихрители 9,10, так и в сам газосборник кольцевой формы, а также обеспечивает более равномерное температурное поле на выходе из газосборника.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить надежность эксплуатации за счет равномерного распределения температурного поля и повысить эффективность горения в камере сгорания, обеспечив экологичность за счет снижения эмиссии загрязняющих газообразных веществ – оксидов азота и углерода и иных летучих продуктов сгорания.