ДВУХКОНТУРНАЯ ГОРЕЛКА МАЛОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DOUBLE-CIRCUIT BURNER OF LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Заявляемое техническое решение относится к области газотурбинного двигателестроения и предназначено к использованию в конструкции камер сгорания газотурбинных установок, как мобильных, так и стационарных, работающих на газообразном топливе, и относится к устройствам для сжигания топлива с обеспечением низкого содержания вредных веществ в выхлопных газах газотурбинных установок на основе реализации принципа сжигания бедной гомогенной (хорошо перемешанной) топливовоздушной смеси с температурой пламени не выше 1750°К в диффузионном пламени дежурной зоны горения.
На современном рынке газотурбинных установок выполнение требований по содержанию вредных веществ в выхлопных газах обязательно. Одним из условий, обеспечивающих приемлемый уровень эмиссии вредных веществ, является организация процесса горения в камере сгорания бедной, гомогенной (предварительно хорошо перемешанной) топливовоздушной смеси (см. патент RU 94665 U1, МПК F23R 3/14; патент RU 2451878, МПК F23D 14/02; патент RU 2451881, МПК F23R 3/42; патент RU 2453765, МПК F23D 14/02) с температурой пламени не выше 1750°К, что обеспечивается соблюдением определенного соотношения воздуха и топлива, поступающих в камеру сгорания. Важность точности дозировки топлива и воздуха в том, что образование локальных зон с различным соотношением топливо-воздух приводит к процессу окисления топлива при различной температуре пламени и, как следствие, к ухудшению окружной неравномерности поля температур газов на выходе из камеры сгорания и ее экологических характеристик.
Для выполнения современных и перспективных норм по эмиссии вредных веществ очень активно разрабатываются соответствующие конструкции камер сгорания и горелок.
Известно горелочное устройство (патент RU № 2370702, МПК F23D 14/02), тепловая мощность которого настраивается подбором и заменой сопел с различными диаметрами отверстий. Известна горелка камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ (см. Двигатель НК-16-18СТ. Серия 2. Руководство по технической эксплуатации. Стр. 126), а также и одноконтурная горелка (патент RU № 2493490, МПК F23R 3/14).
В данных устройствах настройка расхода топлива через горелки осуществляется подбором дроссельной шайбы. Основным недостатком выше перечисленных устройств является то, что доводка параметров температурного поля предполагает неоднократные испытания камеры сгорания на автономном стенде с промежуточными частичными разборками камеры сгорания для замены регулировочных деталей, что влечет за собой увеличение материальных затрат и времени по доводке характеристик камеры сгорания. Производство современных газотурбинных двигателей является одним из самых дорогостоящих производств, и вопросы его удешевления рассматриваются как одни из приоритетных.
Прототипом заявляемого технического решения является «Малоэмиссионная горелка» по патенту RU № 2442932, МПК F23R 3/14. Для прототипа характерен тот же самый недостаток вышеупомянутых технических решений. Кроме этого, современные технологии изготовления деталей и действующие допуска на выполнение размеров воздушных и топливных каналов приводят к большой (до 20%) разнице расходных характеристик горелок, как по воздуху, так и по топливу. Данное обстоятельство приводит к различным соотношениям воздух-топливо за горелками камеры сгорания, что, в конечном итоге, определяет уровни неравномерности температурного поля, экологических характеристик и приводит к необходимости доводки каждого экземпляра камер сгорания.
Задачей заявляемого технического решения является:
- обеспечение процесса сжигания топлива с высоким КПД;
- обеспечение низкой окружной неравномерности температурного поля газов на выходе из камеры сгорания;
- обеспечение низкого уровня содержания в выхлопных газах загрязняющих атмосферу веществ на всех режимах работы газотурбинной установки;
- стабилизация расходных характеристик горелок;
- снижение материальных затрат и сокращение времени на доводку основных характеристик камеры сгорания.
Поставленная задача достигается тем, что в двухконтурной горелке малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей корпус и шток с каналами подвода топлива в основную и дежурную зоны горения, сопло, уступ-турбулизатор, расположенный перед завихрителем, завихритель воздуха с полыми лопатками и отверстиями в них для подачи топлива в основную зону, центральное тело, во внутренней полости которого расположена топливная форсунка дежурной зоны и крепящий ее полый стяжной болт, между стяжным болтом и форсункой дежурной зоны расположен регулировочный элемент, резьбовой конец которого закреплен в стяжном болте, а свободный конец выполнен в виде иглы и входит в сужающийся топливный канал топливной форсунки дежурной зоны. Как вариант, регулировочный элемент двухконтурной горелки малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя может быть выполнен в виде винта с потайной головкой, которая располагается на выходе из внутренней полости стяжного болта. Осевое перемещение регулировочного элемента приводит к изменению расхода топлива через форсунку за счет изменения проходного сечения топливного канала.
Наличие регулировочного элемента позволяет приводить весь комплект горелок, до их установки в камеру сгорания, к единообразию по расходу топлива дежурного контура, оптимизировать состав топливовоздушной смеси дежурной зоны камеры сгорания, ликвидировать локальные заобогащенные зоны, которые являются причиной окружной неравномерности температурного поля и в которых образуются вредные вещества. Выравнивание по топливу расходных характеристик комплекта горелок до их установки в камеру сгорания, исключает необходимость съема камеры сгорания с автономного стенда для ее частичной разборки, доработки горелок и жаровой трубы с целью выравнивания температурного поля, проведения повторных стендовых испытаний, что снижает материальные затраты и сокращает время на отладку параметров камеры сгорания.
На фигуре 1 изображен общий вид горелки.
На фигуре 2 изображен продольный разрез горелки.
На фигуре 3 представлен вариант исполнения регулировочного элемента.
Горелка содержит следующие детали: корпус 1, шток 2, сопло 3, завихритель 4, в полых лопатках которого выполнены отверстия 16 подвода топлива, уступ-турбулизатор 5, центральное тело-стабилизатор 6 с отверстиями 7 подвода воздуха в дежурную зону; топливную форсунку 10 с отверстиями 14 и 15 подачи топлива и воздуха в дежурную зону; стяжной болт 11 и уплотнительные кольца 12; регулировочный элемент 13.
Малоэмиссионная горелка работает следующим образом. Воздух, натекая на горелку, разделяется на два потока, большая часть которого через завихритель 4 и сопло 3 поступает в основную зону горения, а меньшая часть через отверстия 7, открывающиеся в полость, образованную центральным телом 6 и форсункой 10, через отверстия 15 охлаждает поверхность стабилизатора и поступает в рецилькуляционный вихрь дежурной зоны горения. Топливо основной зоны по каналу 8 в штоке 2, через коллектор, образованный кольцевой проточкой в корпусе 1, по пустотелым лопаткам завихрителя 4 через отверстия 16 поступает в межлопаточные полости, где смешивается с воздухом, образуя с помощью уступа-турбулизатора 5 гомогенную топливо-воздушную смесь, которая поджигается пламенем дежурной зоны. Топливо дежурной зоны по каналу 9 в штоке 2, через коллектор, образованный кольцевой проточкой в корпусе 1, по каналам в лопатках завихрителя 4 и центрального тела 6, через отверстия в стяжном болте 11 попадает в форсунку 10 и из отверстий 14 поступает в дежурную зону горения.
Конструкция горелки обеспечивает реализацию способа сжигания бедной, гомогенной топливовоздушной смеси основной зоны в диффузионном пламени дежурной зоны горения. Горение дежурного топлива происходит диффузно в обратных токах за центральным телом 6. В канале, образованным наружной стенкой и центральным телом завихрителя, образуется бедная, однородная по составу топливовоздушная смесь основной зоны. Горение топливовоздушной смеси основной зоны в закрученной струе обеспечивается подводом тепла от горения дежурного факела в следе за центральным телом. В результате взаимного поддерживающего горения двух зон в горелках обеспечивается устойчивое горение на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
Заявляемое техническое решение обеспечивает процесс сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя с высоким КПД; выравнивает окружную неравномерность температурного поля газов на выходе из камеры сгорания; существенно снижает уровень содержания в выхлопных газах вредных веществ, загрязняющих атмосферу на всех режимах работы газотурбинного двигателя; стабилизирует расходные характеристики топливных форсунок; снижает материальные затраты и сокращает время на доводку основных характеристик камеры сгорания.