Горелочное устройство камеры сгорания

Полезная модель относится к устройствам для сжигания газообразного топлива преимущественно в камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД) на основе реализации способа сжигания предварительно перемешанной бедной топливовоздушной смеси (ТВС).
Известна камера сгорания с выносными жаровыми трубами и малоэмиссионным горелочным устройством (патент РФ №2744963, МПК F23R 3/14, опубл. 17.03.2021), в которой двухконтурная горелка содержит корпус горелки с завихрителем и центральным телом; завихритель с полыми лопатками и попутный уступ-турбулизатор, расположенный на наружном диаметре воздушного канала на входе перед лопатками завихрителя; шток с каналами подвода топлива в основную и дежурную зоны и с отверстиями подачи топлива из кольцевого коллектора в основную зону горения; плохообтекаемое центральное тело, являющееся продолжением завихрителя, с отверстиями подачи воздуха в дежурную зону горения и отверстиями подачи топлива в дежурную зону из кольцевого коллектора через центральный канал. Плохообтекаемое тело, используемое в данной горелке в качестве стабилизатора пламени, представляет собой цилиндр, переходящий в усеченный конус с углом образующей 5…7° и соотношением диаметра основания конуса к диаметру цилиндра равным 1,35…1,45. Состав деталей, определяющих конструкцию горелки - корпус горелки с завихрителем и центральным телом, изготавливаемый как единая деталь по аддитивной технологии, а шток и элемент камеры смешения, изготавливаемые механическим способом.
Недостатком данного горелочного устройства является невозможность замены центрального тела с отверстиями. Возможна температурная эрозия внутренней поверхности центрального тела при обтекании ее продуктами горения ТВС. В этом случае замена потребуется практически всего устройства, что существенно снижает срок эксплуатации технического решения. Совмещение деталей, изготовленных селективным лазерным сплавлением (СЛС) и механическим способом, ведет к неравномерности структуры устройства, что может также послужить причиной отказа горелки.
Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является малоэмиссионная горелка (патент RU №198755, МПК F23R 3/14, F23D 17/00, опубл. 28.07.2020), содержащая форсунку, корпус с соплом и штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения; уступ-турбулизатор, расположенный перед завихрителем воздуха; завихритель воздуха, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива; центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в дежурную зону, элементы конструкции горелки, подверженные высокотемпературной эрозии - топливная форсунка, насадок центрального тела выполнены съемными, а детали горелки соединяются между собой посредством посадок с натягом и резьбовых пар. Кроме этого, в малоэмиссионной горелке уступ-турбулизатор выполнен съемным, а сопло крепится на жаровую трубу камеры сгорания и сопрягается с корпусом горелки посредством телескопического соединения.
Основным недостатком является сложность изготовления устройства, требующая от производства высокого класса точности и высокотехнологичного оборудования для точной подгонки всех деталей горелки.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение технологичности горелочного устройства за счет упрощения конструктивных элементов, изготовленных с помощью селективного лазерного спекания.
Технический результат достигается за счет того, что в горелочном устройстве камеры сгорания, содержащем корпус со штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения, завихритель воздуха, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива, втулку форсунки, форсунку, уступ-турбулизатор, расположенный перед завихрителем воздуха, центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в дежурную зону, первая составляющая деталь представляет собой корпус со штоком и уступом-турбулизатором, вторая деталь - это завихритель с лопатками и центральным телом, третья деталь - форсунка и четвертая - втулка форсунки, установленные в центральном теле устройства, при этом все составляющие устройства выполнены путем селективного лазерного сплавления.
За счет изготовления сборочных деталей горелочного устройства с помощью селективного лазерного сплавления повышена производственная технологичность (снижена трудоемкость изготовления за счет сокращения объема механической обработки, сокращения номенклатуры деталей в узле), повышена эксплуатационная технологичность (улучшена ремонтопригодность, позволяющая минимизировать браковку узла, реализована возможность обслуживания в эксплуатирующей организации - очистка внутренних полостей горелочного устройства, замена составных частей).
Изобретение поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 представлен общий вид горелочного устройства камеры сгорания;
- на фиг. 2 представлен разрез горелочного устройства камеры сгорания.
Горелка содержит корпус (1) со штоком (2) и уступом-турбулизатором (3). В штоке (2) выполнены каналы (4) и (5) подвода топлива в дежурную и основную, соответственно, зоны горения, завихритель (6) с полыми лопатками (7) с отверстиями подачи топлива в основную зону, втулки форсунки (8) и форсунки (9) с отверстиями (10). Втулка (8) и форсунка (9) установлены в центральном теле (11) завихрителя.
Изготовление деталей осуществляют технологией СЛС из никелевого сплава ХН58МБЮ-ИД при мощности лазерного излучения от 148 до 331 Вт, скорости сканирования от 480 до 660 мм/с, шаге сканирования от 0,11 до 0,14 мм и толщине слоя от 50 до 60 мкм. Рациональные свойства металлического порошка ХН58МБЮ-ИД и режимные параметры СЛС, подобранные согласно критериям достижения требуемых механических свойств обеспечивает высокую плотность материала. Металлический порошок фракции (-50) мкм, состоящий не менее чем на 70,0% из частиц размерами от 22 до 50 мкм, округлой формы, не имеет острых кромок и сателлитов, одинаков по цвету и качеству, сухой и свободный от агломератированных масс.
Разработка технического процесса изготовления горелочного устройства методом СЛС включает следующие пять основных шагов:
1) разработка объемной модели детали;
2) преобразование и передача данных;
3) проверка и подготовка объемной модели к выращиванию;
4) процесс выращивания в СЛС-установке;
5) постобработка синтезируемой детали.
Предложенное техническое решение работает следующим образом.
При работе данного устройства реализуется способ сжигания бедной, гомогенной топливовоздушной смеси основной зоны в диффузионном пламени дежурной зоны горения.
Струи топлива дежурной зоны через отверстия (10) форсунки (9) внедряются в закрученный поток топливовоздушной смеси основной зоны горения. Горение дежурного топлива происходит диффузно в обратных токах за центральным телом (11). Топливо основного контура через большое количество мелких отверстий в полых лопатках завихрителя (6) впрыскивается в поток воздуха, входящий в завихритель горелки за уступом-турбулизатором (3). В канале образованном наружной стенкой и центральным телом (11) завихрителя (6), 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 (11). В результате организации в горелке взаимоподдерживающего горения двух зон, обеспечивается устойчивый процесс горения на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
В основу разработки технического процесса СЛС заложены следующие принципы:
- технический - процесс должен полностью обеспечивать выполнение всех требований рабочего чертежа и технических требований на изготовление горелочного устройства;
- экономический - изготовление горелочного устройства должно вестись с минимальными затратами труда и издержками производства, не превышать стоимость изготовления традиционными метода;
- организационный - горелочное устройство должно изготавливаться в условиях организации производства, обеспечивающих наибольшую эффективность.