КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в составе газотурбинных двигателей (ГТД) в газотурбинных установках, предназначенных для получения электрической и/или тепловой энергии.
Известна камера сгорания ГТД, содержащая корпус, в котором установлена кольцевая жаровая труба, выполненная в виде двух кольцевых оболочек, соединенных между собой в передней по потоку части фронтовой стенкой, оснащенной теплоизолирующими экранами со стороны полости горения. На фронтовой стенке установлен горелочный модуль и в этой стенке выполнены отверстия для прохода охлаждающего воздуха. На каждом теплоизолирующем экране имеется канал для прохода охлаждающего воздуха, сообщенный с отверстиями фронтовой стенки.
В процессе работы камеры сгорания воздушный поток высокого давления из полости корпуса поступает через отверстия фронтовой стенки в полость между фронтовой стенкой и теплоизолирующим экраном и, перемещаясь вдоль экрана, охлаждает его и, выходя в кольцевую щель к топливной горелке, формирует топливовоздушную смесь, которая сгорает в зоне горения жаровой трубы. Весьма важным является то, что вокруг топливовоздушных горелочных модулей образуется кольцевая воздушная струя, что обеспечивает примерно равную температуру горения по всему объему камеры, улучшая тем самым полноту сгорания топлива, и сокращает выброс вредных веществ в атмосферу (см. патент РФ №2334172, кл. F23R 3/26, 2008 г.).
В результате анализа исполнения известной камеры сгорания ГТД необходимо отметить, что она обеспечивает уменьшение выброса вредных компонентов в атмосферу, жаровая труба охлаждается в процессе работы камеры сгорания. Однако наличие только одной зоны горения не позволяет обеспечить высокий коэффициент сжигания топлива, конструкция жаровой трубы весьма сложна, а образованные в ней каналы не позволяют обеспечить эффективное охлаждение.
Известна камера сгорания ГТД, содержащая корпус, в котором установлена жаровая труба, коллектор для подачи топлива в зоны горения камеры, связанный с трубопроводами подачи топлива. Жаровая труба имеет две зоны горения - дежурную и основную, к которым подведены топливные форсунки и элементы поджига топлива (воспламенители). Жаровая труба выполнена из наружного и внутреннего кожухов, образованных из стыкуемых друг с другом колец. В основной и дежурной зонах горения размещены завихрителя топлива. На выходном торце жаровой трубы закреплены уплотнительные кольца, а к входному торцу жаровой трубы пристыкована плита, на которой установлены завихрители дежурной зоны и горелки. Завихрители основной зоны горения размещены на плавающих кольцах. Во внутреннем кожухе жаровой трубы имеются два ряда охлаждающих отверстий.
В процессе работы газотурбинной установки топливо из топливного коллектора поступает через форсунки на завихрители, смешивается с воздухом, поступает в зону горения «А», где воспламеняется и обеспечивает стабильное горение зоны «Б». В зоне «А» сгорает примерно 10-20% топлива при максимальной температуре пламени. В зоне горения «Б» температура пламени примерно в 2 раза ниже, что обеспечивает значительное снижение содержания окислов азота. Горение толивовоздушной смеси заканчивается перед отверстиями для подачи охлаждающего воздуха. Воздух, подаваемый через эти отверстия, разбавляет продукты сгорания, снижая их температуру, и выравнивает ее по высоте сечения камеры сгорания и эта газовоздушная смесь подается на турбину двигателя газогенератора, (см. патент РФ на полезную модель №64324, кл. F23R 3/00, 2007 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что известная камера сгорания, как и заявленная, имеет две зоны горения топливной смеси, что позволяет повысить коэффициент сжигания топлива и уменьшить выбросы вредных продуктов в атмосферу. Наличие завихрителя обеспечивает оптимальное заполнение зон горения. Жаровая труба в процессе работы камеры сгорания охлаждается воздушным потоком. Однако, учитывая, что две зоны горения (высокотемпературная и низкотемпературная) образованы в одной кольцевой жаровой трубе, они неизбежно соседствуют с друг с другом в окружном направлении и, тем самым, образуют зоны с нерасчетными концентрациями топлива, состава смеси и структуры потока, что ведет к повышению концентрации вредных выбросов и недожогу топлива. Введение потока воздуха в поток отработанных газов, подаваемых на турбину, не обеспечивает его равномерной температуры по всему сечению потока, что ведет к неравномерному нагреву лопаток турбины.
Задачей настоящего изобретения является разработка выносной камеры сгорания ГТД, в которой процесс горения топливной смеси осуществляется с высоким коэффициентом сгорания и минимальными выбросами вредных веществ в атмосферу, а также обеспечивающей подачу в сопловой аппарат турбины газового потока оптимальной температуры.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей корпус, в котором установлена жаровая труба с отверстиями для пропускания воздуха и с завихрителем на входе, форсунка для подачи топлива в зону горения, новым является то, что в корпусе камеры сгорания соосно первой установлена вторая жаровая труба, на входе которой установлен завихритель, причем камера сгорания оснащена насадками и форсунками для подачи топливовоздушной смеси в полость второй жаровой трубы. Во второй жаровой трубе выполнены отверстия для пропускания воздуха в ее полость, при этом камера сгорания снабжена газосборником, размещенным в корпусе, состыкованном с корпусом камеры сгорания. Полости камеры сгорания и корпуса газосборника изолированы друг от друга. Корпус газосборника оснащен патрубками для отвода воздуха, подаваемого из-за компрессора в теплообменник, а корпус камеры сгорания - патрубками для подвода воздуха от теплообменника в полость камеры сгорания, при этом газосборник может иметь тороидальную улиточную форму.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых
на фиг1 - камера сгорания ГТД - осевой разрез,
на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1,
на фиг.3 - вид А по фиг.1.
Камера сгорания ГТД содержит корпус 1, в котором смонтирована первая жаровая труба 2. На входе жаровой трубы 2 размещен завихритель 3. На торце корпуса 1 установлена одна топливная форсунка 4. Форсунка 4 имеет штуцера подвода (позициями не обозначены) для подачи жидкого или газообразного топлива в зону горения «А», образованную в жаровой трубе 2. Для поджига топливной смеси, подаваемой в зону «А», служит элемент 5, установленный на корпусе 1. В качестве такого элемента может быть использована свеча.
В корпусе 1 камеры сгорания установлена вторая жаровая труба 6, со стороны входного отверстия которой последовательно размещен двухрядный завихритель 7. Во второй жаровой трубе образована вторая зона горения - зона «Б». Подача топливной смеси в данную зону осуществляется через первый завихритель тремя струйными насадками 8 (жидкое топливо) и тремя форсунками 9 (газообразное топливо). Наиболее целесообразно жаровые трубы устанавливать в корпусе соосно друг другу.
Камера сгорания оснащена установленным в корпусе 10 газосборником 11. Корпус 10 сопряжен с корпусом 1 по стыку «П». Корпуса 1 и 10 теплоизолированы. Газосборник 11 крепится в корпусе 10 посредством пальцев 12.
Полость между наружной поверхностью газосборника 11 и корпусом 10 (полость «В») имеет возможность соединения с теплообменником (не показан) через патрубки 13. Выход 14 газосборника соединен с входом в сопловой аппарат турбины (не показан).
В жаровой трубе 2 имеются щели 15 и отверстия 16, а в жаровой трубе 6 - щели 17. На жаровой трубе 6 со стороны завихрителя 7 выполнены отверстия 18, а на образующей у выхода - отверстия 19.
В корпусе 1 камеры сгорания выполнены отверстия 20 для подвода воздуха от патрубков 21. Подвод воздуха к патрубкам 21 осуществляется с выхода теплообменника.
Между корпусом 1 и наружными образующими жаровых труб образована полость «Г».
Полости «В» и «Г» разделены перегородкой 22. На корпусе 10 имеется патрубок (не показан) для подвода в полость «В» воздуха из-за компрессора.
Камера сгорания ГТД работает следующим образом.
В процессе работы камеры сгорания поток воздуха из теплообменника через входные патрубки 21 и отверстия 20 поступает в полость корпуса 1 камеры сгорания, откуда распределяется по зонам жаровых труб 2 и 6 и поступает в воздушные завихрители 3 и 7 для перемешивания топлива, подаваемого форсункой 4 (жидкое или газообразное топливо), насадками 8 (жидкое топливо) или форсунками 9 (газообразное топливо); через щели 15 и отверстия 16 жаровой трубы 2, щели 17, отверстия 18 и 19 жаровой трубы 6 для обеспечения высокой полноты сгорания топлива, формирования оптимальной эпюры температур и охлаждения жаровых труб.
Первичный поток воздуха, поступающий в полость «Г» и полость жаровой трубы 2, пропускается через завихритель 3 и смешивается с подаваемым форсункой 4 топливом. Топливовоздушная смесь при поступлении в зону «А» воспламеняется элементом 5 и в дальнейшем ее горение поддерживается возникшим факелом пламени. К зоне горения «А» подводится такое количество воздуха, чтобы местный коэффициент избытка воздуха был близок к единице, что обеспечивает интенсивный и устойчивый процесс диффузионного горения при температуре 1600-1800 градусов. Процесс горения в зоне «А» является диффузионным, так как перемешивание топлива с воздухом и горение смеси происходят в одном объеме.
x
В жаровую трубу 6 в зону горения «Б» воздушный поток поступает через отверстия 20 и 18, проходя через завихритель 7, воздух перемешивается с топливом, подаваемым насадками 8 и форсунками 9. Горение полученной бедной топливовоздушной смеси поддерживается поступающим из зоны «А» факелом пламени. К зоне горения «Б» подводится такое количество воздуха, чтобы местный коэффициент избытка воздуха был равен 1,3-1,5. Такое соотношение топливо - воздух обеспечивает температуру газов в зоне горения не выше 1500 градусов, что способствует лучшему смесеобразованию, обеспечивает увеличение скоростей химических реакций и делает процесс горения гомогенной смеси интенсивным, устойчивым, с минимальным образованием NO, CO и CH в продуктах сгорания.
Вторичный поток воздуха, вводимый в полость второй жаровой трубы через отверстия 18 и щели 17, снижает температуру газа и обеспечивает оптимальное поле температур на выходе из камеры сгорания в окружном и радиальном направлениях, а также интенсивное охлаждение стенок жаровой трубы и дожигание продуктов сгорания.
Вышедший из второй жаровой трубы поток газа поступает в тороидальный улиточный газосборник 11, в котором движется в окружном направлении (по отношению к продольной оси камеры сгорания) и поступает на выход 14, а из него - на вход в сопловой аппарат турбины.
Благодаря наличию перегородки 22 разделяется рабочий объем вокруг жаровых труб и вокруг газосборника. Таким образом, низкотемпературный поток воздуха из-за компрессора обтекает вокруг газосборника, охлаждая его, а подогретый в теплообменнике воздух поступает в объем корпуса 1, улучшая процесс горения.
Конструкция данной камеры сгорания позволяет обеспечить охлаждение газосборника наряду с обеспечением легкого и надежного пуска камеры сгорания устойчивой работы и минимальных выбросов в атмосферу.
Использование двух жаровых труб для сжигания топливной смеси позволяет разделить высокотемпературную и низкотемпературную зоны горения, что упрощает процесс изготовления жаровых труб, а также обеспечивает практически полное сгорание топливной смеси и уменьшает выброс вредных компонентов в атмосферу.