Стабилизатор пламени фронтового устройства малоэмиссионной одномодульной камеры сгорания
FLAME STABILIZER OF THE BURNER UNIT OF A LOW-EMISSION SINGLE-MODULE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к газотурбинным двигателям наземного применения и может быть использовано для сжигания предварительно перемешанных газообразных топливовоздушных смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.
Известна камера сгорания с фронтовым устройством (RU №2527011, МПК F23R 3/36, опубл. 27.08.2014) содержащая горелку с камерой смешения и стабилизатор пламени с продольными волнистыми складками (лепестками стабилизатора) -образного профиля, расположенными по окружности стабилизатора пламени группами. Изобретение позволяет снизить уровень дымления и эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания топлив, исключив перегрев локальных зон жаровой трубы и реализовать устойчивый процесс горения топливовоздушной смеси с подавлением режимов виброгорения. Недостатком данной конструкции является расположение продольных волнистых складок группами, а также П-образный профиль складок, что огранивает возможность обеспечения стабильной работы камеры сгорания и высокой полноты сгорания во всем диапазоне режимов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятой за прототип является камера сгорания с фронтовым устройством (RU №185201, МПК F23R 3/36, опубл. 20.11.2018), содержащая горелочный модуль с продольной осью, соосной с осью жаровой трубы, смесительный канал горелочного модуля, на входе в который расположены каналы подачи топлива с выходными отверстиями, на выходе из смесительного канала располагается стабилизатор пламени с лепестками. Лепестки пустотелые, равнорасположены по окружности стабилизатора пламени и закреплены каждая нижним основанием складки на конусообразной поверхности стабилизатора пламени, торцевые стенки складок размещены радиально в плоскости торца конусообразного стабилизатора пламени, при этом лепестки имеют П-образный профиль в поперечном сечении, продольный профиль лепестков выполнен криволинейным с расположением конечного участка профиля, контактирующего с торцевой стенкой лепестка, параллельно поверхности диффузора жаровой трубы, а дополнительные отверстия газообразного топлива расположены посередине между продольных линий симметрии лепестков.
Недостатком данной конструкции является расположение дополнительных отверстий газообразного топлива посередине между продольных линий симметрии лепестков, что снижает и огранивает возможность обеспечения стабильной работы камеры сгорания и высокой полноты сгорания во всем диапазоне режимов. Также в стабилизаторе используются пустотелые П-образные лепестки, для которых отсутствуют мероприятия по обеспечению охлаждения лепестков, а также внутренней конической поверхности стабилизатора пламени, что не позволяет использовать предложенную конструкцию в камере сгорания газотурбинного двигателя в связи с необеспечением ресурсных характеристик.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого технического решения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является ограниченность в части обеспечения широкого диапазона беспульсационной работы камеры сгорания, недостаточные характеристики по обеспечению стабилизации пламени при малоэмиссионном горении, а также неработоспособность конструкций в реальных условиях газотурбинного двигателя, в связи с отсутствием защиты от воздействия высоких температур поверхности деталей стабилизатора.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении широкого диапазона стабильного и беспульсационного малоэмиссионного горения в камере сгорания при изменении режима работы двигателя и температуры окружающего воздуха, а также в повышении ресурса деталей стабилизатора в условиях работы газотурбинного двигателя.
Решение технической задачи достигается тем, что в стабилизаторе пламени фронтового устройства камеры сгорания газотурбинного двигателя, соосным с осью жаровой трубы, располагающемся на выходе из смесительного канала горелочного модуля, содержащем коническую поверхность с отверстиями подачи пилотного газообразного топлива и полыми лепестками, равнорасположенными по окружности стабилизатора пламени и закрепленными каждый одной стороной треугольника на наружной конической поверхности стабилизатора пламени, причем торцы лепестков размещены радиально в плоскости торца стабилизатора пламени, согласно изобретению, коническая поверхность выполнена с П-образными лепестками с наружной стороны и складчатой с внутренней стороны, дополнительно реализовано охлаждение стабилизатора с наружной стороны конической поверхности и полых П-образных лепестков, при этом, наружная сторона конической поверхности и полые П-образные лепестки стабилизатора пламени охлаждаются топливовоздушной смесью, поступающей из смесительного канала в отверстия охлаждения, диаметр отверстий охлаждения наружной конической поверхности и полых П-образных лепестков выполнен в диапазоне 0,6 до 1,5 мм, отверстия подачи пилотного газообразного топлива равнорасположены на торце конической поверхности стабилизатора, а их количество равно 2N, где N - количество лепестков стабилизатора,
В предлагаемом изобретении в отличие от прототипа:
Выполнение наружной стороны конической поверхности и П-образных лепестков с отверстиями охлаждения позволяет реализовать эффективное охлаждение наружной поверхности стабилизатора. Так, охлаждение наружной стороны конической поверхности и П-образных лепестков топливовоздушной смесью позволяет снизить неравномерность распределения тепла по поверхности стабилизатора, возникающей в результате горения топливовоздушной смеси в камере сгорания, а также существенно снизить температуру металла стабилизатора в областях контакта с горячими газами при сохранении эпюры концентраций топлива на срезе стабилизатора, диаметр отверстий подвода топливовоздушной смеси для охлаждения наружной конической поверхности и полых П-образных лепестков выполнен в диапазоне 0,6 до 1,5 мм. При выборе диапазона диаметра отверстий менее 0,6 мм увеличивается риск их засорения в эксплуатации, а при превышении 1,5 мм снижается эффективность теплосъема с поверхности лепестков. Выполнение конической поверхности с внутренней складчатой стороной стабилизатора позволяет снизить напряжения в конструкции при неравномерном нагреве.
Выполнение отверстий подачи пилотного газообразного топлива равнорасположенных на торце конической поверхности стабилизатора в количестве 2N, где N - количество лепестков стабилизатора позволяет обеспечить равномерную подачу пилотного топлива в зону горения топливовоздушной смеси, что позволяет достичь более устойчивого и стабильного горения в камере сгорания ГТД на всех режимах его работы.
На фиг. 1 - представлено изображение стабилизатора пламени в составе фронтового устройства камеры сгорания;
На фиг. 2 - изометрическое изображение стабилизатора пламени с П-образными лепестками и схематичным изображением отверстиями охлаждения П-образных лепестков;
На фиг. 3 - изображен вид стабилизатора с лепестками стабилизации и схематичное изображение отверстий охлаждения лепестков;
На фиг. 4 - сечение лепестка стабилизатора пламени;
На фиг. 5 - сечение А-А стабилизатора пламени.
Стабилизатор пламени 7 фронтового устройства камеры сгорания газотурбинного двигателя находится на выходе из смесительного канала 3 и состоит из полых П-образных лепестков стабилизации пламени 8, имеющих гладкий внутренний профиль 14, равнорасположенных равномерно в окружном направлении на наружной конической поверхности и образующих наружную поверхность стабилизатора пламени 7, а также конической поверхности 6 с отверстиями подачи пилотного газообразного топлива 10, образующей внутреннюю поверхность стабилизатора, коническая поверхность выполнена с наружной и внутренней складчатой (складками) 11 сторонами.
Через группу отверстий 9, расположенных по периметру и в основании полых П-образных лепестков 8 на наружной конической поверхности из смесительного канала 3 за счет набегающего потока подается топливовоздушная смесь, которая формирует защитную пелену для стенок полых П-образных лепестков 8. Диаметры отверстий 9 охлаждения полых П-образных лепестков 8, для обеспечения эффективной защитной пелены и теплосъема с поверхности стабилизатора пламени 7 находятся в диапазоне от 0,6 до 1,5 мм. Складки 11 внутренней конической поверхности 6 выполнены с вогнутыми и выпуклыми элементами, огибают каналы подачи топлива 12 и находятся под основаниями стенок полых П-образных лепестков 8. Через каналы подачи пилотного газообразного топлива 12, располагающиеся внутри конической поверхности 6 стабилизатора пламени 7 в отверстия 10 одинакового диаметра, расположенные на торце конической поверхности 6 стабилизатора пламени 7, подается пилотное топливо, количество отверстий 10 подачи топлива равно 2N, где N - количество лепестков 8 стабилизатора пламени 7, для более равномерного распределения струй пилотного топлива в окружном направлении, при этом отверстия 10 равномерно распределены в окружном направлении торцу конической поверхности 6 стабилизатора 7 между стенками полых П-образных лепестков 8.
Принцип работы стабилизатора заключается в следующем: На вход во фронтовое устройство, где расположены лопатки осерадиального завихрителя 2, через топливные отверстия 1, расположенные в лопатках, подается топливо, которое сносится потоком воздуха, набегающего на лопатки. Формирующаяся закрученная топливовоздушная смесь поступает вниз по потоку в смесительный канал 3, образованный наружной стенкой 4 и внутренней стенкой 5. Смесительный канал 3 имеет гладкий аэродинамический профиль для обеспечения отсутствия отрывных течений внутри него и обеспечения отсутствия условий стабилизации пламени внутри канала 3. На выходе из смесительного канала 3 находится стабилизатор пламени 7, состоящий из наружной конической поверхности и полых П-образных лепестков 8 стабилизации пламени, имеющих гладкий внутренний профиль 14, равнорасположенных в окружном направлении, которые образуют наружную поверхность стабилизатора, и складчатой конической поверхности 6, образующей внутреннюю поверхность стабилизатора. Топливовоздушная смесь проходит между и над П-образными лепестками 8 стабилизатора 7. При этом сами лепестки 8 стабилизатора 7 сообщают дополнительную закрутку топливовоздушной смеси для стабилизации фронта пламени в объеме жаровой трубы камеры сгорания. Вниз по потоку за лепестками 8 стабилизатора 7 происходит формирование рециркуляционных зон I и III, обеспечивающих подвод тепла к еще несгоревшей топливовоздушной смеси и стабилизацию фронта пламени, в полости каждого лепестка 8 формируется рециркуляционная зона II.
Подвод горячих газов к металлическим поверхностям стабилизатора 7 за счет рециркуляционного движения вызывает их неравномерный прогрев, а в местах контакта с пламенем может приводить к оплавлению или температурной эрозии стабилизатора. Для обеспечения снижения тепловой нагрузки на лепестки 8 стабилизатора 7, а также выравнивания температуры по периметру лепестков 8 через группу отверстий 9, расположенных по периметру лепестков 8 стабилизатора 7 и отверстий 13 в основании лепестков из смесительного канала 3 подается топливовоздушная смесь, которая формирует защитную пелену для лепестков, после чего смесь поступает в зону горения.
Для поддержания стабильного горения на переменных режимах работы газотурбинного двигателя, а также процесса горения в камере сгорания на малоэмиссионных режимах и на режимах запуска через каналы 12, располагающиеся внутри конической поверхности 6 стабилизатора 7 в отверстия 10 на торцевой поверхности стабилизатора 7 подается пилотное газообразное топливо. Пилотное топливо, выходящее из отверстий 10, сгорает в диффузионном режиме и обеспечивает локальное увеличение температуры газов, захватываемых зоной рециркуляции III, для обеспечения стабильного горения в камере сгорания.
В результате воздействия горячих газов, заносимых зоной рециркуляции I, возникает нагрев внутренней поверхности стабилизатора 7, при этом нагрев неравномерный. Для обеспечения релаксации напряжений, возникающих в результате температурных градиентов, воздействующих на материал стабилизатора 7 в ходе его работы, внутренняя коническая поверхность 6 выполнена складчатой. Складки 11 огибают каналы подачи топлива 12 и находятся под основаниями стенок лепестков 8. Таким образом, предложенные решения позволяют обеспечить высокую полноту сгорания топлива в широком диапазоне режимов работы ГТД, а также обеспечить ресурсные характеристики стабилизатора.