КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЗДУХА
GAS TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER WITH CONTROLLED DISTRIBUTION OF AIR

x
Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД), а конкретно к камерам сгорания с регулируемым распределением воздуха, и позволяет снизить выбросы NO в широком диапазоне режимов работы газотурбинного двигателя.
Известна «Камера сгорания газотурбинного двигателя с регулируемым распределением воздуха» (патент РФ №2163991, МПК F23R 3/26, опубликовано: 10.03.2001), содержащая жаровую трубу с окнами в ее стенке, перекрываемыми размещенным в месте расположения окон подвижным элементом. Подвижный элемент выполнен в виде гибкой ленты, охватывающей жаровую трубу, имеющий не менее одного разреза. С системой рычагов с приводом соединены разрезы ленты, и она обеспечивает радиальное перемещение ленты. Такое выполнение камеры сгорания повышает надежность ее работы и обеспечивает требуемое распределение воздуха по длине камеры сгорания.
n
m
x
n
m
x
В связи с ужесточением требований по выбросам вредных веществ ГТД (окиси углерода - СО, несгоревших углеводородов - CH, оксидов азота - NO) возникает необходимость в разработке камер сгорания с малыми выбросами этих веществ. Среди других решений (подача пара или воды в камеру сгорания) применяют перераспределение расхода воздуха по длине камеры сгорания для обеспечения оптимальных условий горения во всем рабочем диапазоне режимов работы ГТД. При этом для предотвращения образования СО и CH на низких режимах и обеспечения нормального запуска камеры сгорания уменьшают расход воздуха в первичную зону, а на высоких режимах для предотвращения образования NO увеличивают расход воздуха в первичную зону.
Известны устройства камер сгорания, в которых осуществляют распределение воздуха по ее длине, например, патент №4534166 США, в котором применен регулируемый завихритель во фронтовом устройстве камеры сгорания; патент №4050240, США, в котором на жаровой трубе размещен поворотный пояс, перекрывающий окна; патент №4594848 США, в котором для перекрытия окон в жаровой трубе применены кольца, перемещаемые вдоль оси камеры сгорания.
6
Известна камера сгорания газотурбинного двигателя с регулируемым распределением воздуха, содержащая жаровую трубу с перекрываемыми окнами в ее стенке, и размещенным в месте расположения окон подвижным элементом, соединенным через систему рычагов с приводом (EP 0100135 A1, МПК F23R 3/26, 1984). Недостатком известных устройств является их низкая надежность, так как при нагреве стенок жаровой трубы поворотные и перемещаемые вдоль нее кольца, поясы или не обеспечивают герметичность (при закрытом положении), что не регламентирует оптимальное распределение воздуха по длине жаровой трубы, или (при достаточной герметичности, т.е. при малых зазорах) могут происходить отказы в перемещениях регулирующих элементов из-за коробления жаровой трубы, особенно при ее неравномерном нагреве, и от температурных расширений жаровой трубы и регулируемых элементов.
Известна камера сгорания адаптивного типа (заявка №94022641, МПК F23R 3/26, опубл. 20.06.1996), содержащая корпус с кольцевыми внутренними и внешними обечайками и размещенную в ней жаровую трубу с форсунками, завихрителем и отверстиями для подвода вторичного воздуха, жаровая труба выполнена подвижной, состоит из передней и задней частей, телескопически соединенных между собой, в передней части жаровой трубы жестко закреплен разделитель потока, на наружной и внутренних стенках передней части находятся направляющие, позволяющие перемещаться в осевом направлении передней части жаровой трубы, регулируя оптимальное соотношение расхода воздуха, а также регулировать площадь проходного сечения отверстий вторичного воздуха посредством взаимного перекрытия профилирующих отверстий передней и задней частей камеры сгорания.
Недостатком известной камеры сгорания является низкая надежность работы камеры, связанная с необходимостью иметь осевой привод, приводимый отдельным механизмом и сложностью управления регулировкой движения передней части жаровой трубы с помощью этого механизма, требующего связи с системой автоматического управления двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении надежности работы устройства регулирующего расход воздуха и упрощении ее конструкции, а также в уменьшении выбросов вредных веществ.
Технический результат достигается тем, что в камере сгорания, содержащей корпус и размещенную в ней жаровую трубу с форсунками и завихрителем с входным коническим участком, состоящую из двух телескопически соединенных между собой передней и задней частей, новым является то, что каждая из частей жаровой трубы жестко закреплена к корпусу - передняя часть - на входе, задняя часть - на выходе, отверстия подвода вторичного воздуха выполнены на выходной кромке передней части жаровой трубы, задняя часть жаровой трубы снабжена тягой, соединенной с регулирующей пластиной, расположенной в коническом участке, выполненным сужающимся к входу в завихритель.
Регулирующая пластина выполнена в форме круга, плоскость которого расположена перпендикулярно оси конического участка, с возможностью образования переменного по площади кольцевого зазора при перемещении вдоль конического участка.
Таким образом, новыми признаками являются:
1. Две подвижные телескопически соединенные между собой передняя и задняя части жаровой трубы, имеющие возможность двигаться при тепловом расширении в противоположном к друг другу направлении.
2. Подвижная регулирующая пластина установлена в коническом патрубке, сужающемся ко входу в завихритель, и соединена с приводом от задней части жаровой трубы.
3. Отверстия вторичного воздуха, расположенные на кромке передней части жаровой трубе, перекрываемые подвижной при тепловом расширении стенкой задней части.
На фиг. 1 изображен разрез камеры сгорания при низких режимах.
На фиг. 2 - вид А фиг. 1.
На фиг. 3 - вид Б фиг. 1.
На фиг. 4 изображен разрез камеры сгорания при высоких режимах.
На фиг. 5 - вид В фиг. 4.
На фиг. 6 - вид Д фиг. 4.
Камера сгорания содержит жаровую трубу, состоящую из двух телескопически соединенных между собой передней 1 и задней 2 частей, каждая из которых жестко закреплена к корпусу камеры с помощью фиксаторов: передняя часть 1 жаровой трубы - на входе, задняя часть 2 - на выходе. На выходной кроме передней части 1 выполнены отверстия подвода вторичного воздуха. Задняя часть 2 жаровой трубы содержит тягу, соединенную с рычагом 3 и регулирующей пластиной 4, расположенной в коническом участке 5, сужающемся к входу в завихритель 6. Регулирующая пластина 4 выполнена в форме круга, плоскость которого расположена перпендикулярно оси конического участка 5. При перемещении пластины 4 вдоль конического участка 5, сужающегося к входу завихрителя, меняется площадь кольцевого зазора h1 при низких режимах и h2 при высоких режимах, таким образом, регулируется расход воздуха в жаровую трубу.
n
m
Расход воздуха в первичную зону жаровой трубы определяется расположением пластины 4 в коническом участке 5, которая задает проходное сечение расхода воздуха для данного режима. На режиме запуска газотурбинного двигателя или при низких режимах, расход воздуха в первичную зону жаровой трубы уменьшается, так как устойчивое горение топливовоздушной смеси в первичной зоне и малое количество несгоревшего CH обеспечивает малое образование СО.
x
На высоких режимах работы камеры сгорания происходит сильный (до 1000 K) нагрев стенок обеих частей жаровой трубы, что обуславливает взаимное перемещение (от 1 до 5 мм) задней части 2 в сторону входа, а передней части 1 - в сторону выхода. В результате теплового расширения задней части 2 прикрепленная к ней тяга с помощью рычага 3 смещает регулирующую пластину 4 от входа завихрителя 6 к входу в конический участок 5 и открывает площадь подачи воздуха через него в первичную зону. Одновременно при расширении обеих частей жаровой трубы отверстия в передней части 1 перекрываются наружной стенкой ее задней части 2 и расход воздуха перераспределяется во фронтовое устройство и поступает в зону горения. С увеличением нагрузки камеры сгорания, соответственно и температуры стенок, перекрытие отверстий увеличивается, а проходное сечение завихрителя 6 также увеличивается. В результате возрастает поступление воздуха в зону горения, что позволяет поддерживать в зоне горения обедненные составы смеси, при которых уменьшаются выбросы NO в широком диапазоне работы камеры сгорания.
x
Предлагаемое изобретение позволяет снизить выбросы NO, в результате увеличения расхода воздуха через завихритель 6 в зону горения.
x
x
Известно, что выбросы NO сильно зависят от температуры в зоне горения, в соответствии с зависимостью NO~exp(0.009T) (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М; Мир, 1066, с. 127, 167, 175, 495)
x
Наибольшее выделение NO происходит при Т>1800 K, поэтому при увеличении нагрузки камеры сгорания необходимо поддерживать обедненные составы смеси в зоне горения с коэффициентом избытка воздуха α>1,2, при которых температура в зоне горения не превышает 1800 K в широком диапазоне режимов работы.
x
С увеличением подачи топлива температура газового потока в камере сгорания возрастает, соответственно увеличивается температура стенок обеих частей жаровой трубы и их взаимное расширение, что приводит к перекрытию отверстий вторичного воздуха, расположенных в передней части жаровой трубы, стенками задней ее части, и одновременному увеличению кольцевой щели в результате смещения пластины из конического входа завихрителя. Указанное совместное действие обеспечивает увеличение расхода воздуха через завихритель 6 в зону горения и ее обеднение. С обеднением зоны горения существенно уменьшаются выбросы NO.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить выбросы вредных веществ, повысить надежность работы камеры сгорания за счет упрощения конструкции благодаря авторегулированию расхода воздуха в первичной зоне при тепловом расширении стенок жаровой трубы.