ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к устройствам для подготовки бедной топливововоздушной смеси перед сжиганием в камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) различного назначения.
При создании малоэмиссионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация устойчивого горения бедных смесей.
Одним из путей снижения вредных выбросов авиционными камерами сгорания является использование камер, в которых горение происходит в двух зонах: вспомогательной (пилотной) и основной. В первой организуется горение богатой топливовоздушной смеси (ТВС), во второй - бедной. Зоны могут располагаться относительно друг друга последовательно или параллельно.
Однако использование пилотной зоны, в которой горение происходит по диффузионному механизму, существенно увеличивает эмиссию оксидов азота. В камерах сгорания авиационных двигателей, где время пребывания газа мало, избавится от пилотной, постоянно работающей диффузионной зоны горения, без ущерба для устойчивого воспламенения и горения ТВС в основной зоне, а также обеспечения полноты сгорания смеси не удается.
Для камер сгорания наземных ГТУ указанные проблемы со стабилизацией и полнотой сгорания бедной ТВС можно решить за счет увеличения объема камеры сгорания и увеличения размера зоны стабилизации пламени в камере сгорания, а также уменьшения скорости течения ТВС в зоне горения.
Для обеспечения снижения уровня эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания камер наземных ГТУ основной проблемой оказывается достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом перед сгоранием (гомогенизация топливовоздушной смеси).
Известно фронтовое устройство двигателя НК-8-2У (см. Тимофеев Н.И. «Конструкция и летная эксплуатация двигателя НК-8-2У», М., Машиностроение, 1978., с.144). Фронтовое устройство содержит ряд конструктивных элементов. Каждый элемент состоит из форсунки и насадка, конической формы с многочисленными отверстиями, подающими топливовоздушную смесь в зону горения. Жидкое топливо через центральную центробежную форсунку подается в полость насадка, заполненную вращающимся воздушным потоком. Такое устройство позволяет обеспечить более равномерное распределение ТВС по углу в сравнении с распределением, создаваемым центробежной форсункой особенно на режимах малой тяги. В результате этого значительно облегчается воспламенение топлива, розжиг камеры сгорания, расширяется диапазон ее устойчивой работы в сторону бедных топливовоздушных смесей. Однако данное устройство обеспечивает только частичное, достаточно грубое смешение топлива с воздухом, и попытка его интенсифицировать за счет увеличения крутки воздушного потока в насадке, ведет к проскоку пламени внутрь насадка с последующим его разрушением.
Известна топливовоздушная форсунка камеры сгорания газотурбинного двигателя (Авторское свидетельство СССР №1434895 A1, 4 F23D 11/00, 23.12.86), которая содержит корпус с патрубком подачи топлива и установленный по оси корпуса стакан. Стакан снабжен боковыми соплами (их роль выполняют простые отвестия) и обращен дном к камере сгорания. В дне стакана выполнены дополнительные сопла (отверстия). Форсунка обеспечивает устойчивую работу камеры сгорания на малых расходах топлива. Однако в данной конструкции не происходит предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей в зону горения, что ухудшает подготовку ТВС к сжиганию и эффективность данного устройства для снижения выбросов вредных веществ.
x
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, а именно, предварительной подготовке ТВС к горению, является камера сгорания газотурбинного двигателя, описанная в Патенте США №4 275 564, НКИ 60/738, Jun. 30, 1981). Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания содержит равнорасположенные по окружности топливные форсунки и испарители. Каждый испаритель состоит из центральной воздушной трубки, которая заканчивается поперечной испарительной трубкой. Каждая форсунка сопряжена с центральной воздушной трубкой испарителя. Каждый испаритель имеет один вход для воздуха и два противоположных выхода для топливовоздушной смеси. Выходы каналов соседних испарителей обращены навстречу друг другу. Благодаря этому в зоне горения между выходными отверстиями испарителей образуются расположенные по окружности области с максимальной интенсивностью турбулентности, в которых одновременно происходят процессы смешения капель топлива с воздухом, поступающим в полость жаровой трубу через отверстия в ее стенках, испарения и горения. Это помогает обеспечить устойчивое и эффективное сжигание топлива в камере сгорания, особенно при низких давлениях и температурах воздуха на входе в двигатель. Однако в испарителях данной конструкции воздух используется только с целью транспортировки и равного распределения топлива и его паров к выходным отверстиям. Снижение эмиссии оксидов азота NO при такой организациии процесса горения не происходит, так как вытекающая из испарительных патрубков богатая ТВС сгорает в высокотемпературных диффузионных пламенах, расположенных в отдельных областях зоны горения. Неравномерное угловое распределение топлива по поперечному сечению кольцевой камеры сгорания не позволяет получить однородную бедную ТВС. Наличие в головной части жаровой трубы местных зон высокой турбулентности и повышенной концентрации топлива приводит к окружной неравномерности горения. По этой причине патрубки подвергаются неравномерному нагреву и обеспечивают только частичное испарение топлива. Кроме того известно, что появление в зоне смешения топлива с воздухом пламени препятствует их смешению.
Известно положительное воздействие звуковых колебаний, генерируемых аэродинамическими излучателями, на интенсификацию тепло- и массообменных процессов, в том числе смешения топлива с воздухом в потоке.
Например, известен аэродинамический ультразвуковой излучатель (Авт. свидет. СССР №165014, МПК В06В 1/20, 27.11.1962), состоящий из большого числа отдельных излучателей. Отдельный излучатель выполнен в виде трубки с двумя диафрагмами, снабженными соосными отверстиями одинакового диаметра. Газ, проходя через диафрагмы, возбуждает звук. Частота звуковых колебаний определяется скоростью потока в отверстиях, их диаметром и расстоянием между диафрагмами.
Излучатели позволяют получить интенсивные звуковые колебания и могут быть использованы для интенсификации процессов смешения, тепло- и массообмена между воздухом и топливом.
x
В основу фронтового устройства полезной модели положено решение задачи существенного снижения эмиссии вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлива путем подготовки бедной предварительно перемешенной и частично испаренной (в случае использования жидкого топлива вместо газообразного) ТВС к сжиганию без ущерба для топливной экономичности двигателя и ресурса работы его горячих частей. Основной проблемой здесь остается достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом (гомогенизация топливовоздушной смеси). Горение бедной однородной мелко-дисперсной ТВС (с размером капель 20 и менее микрон) по своим характеристикам приближается к горению гомогенной смеси. Поэтому для жидкого топлива ставится дополнительная задача - его мелкодисперсного распыливания.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемое фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинной установки содержит равнорасположенные по окружности топливные форсунки и воздушные трубки с входом на одном конце и боковым выходом на другом конце трубки. Причем в каждой трубке установлена топливная форсунка. Вход в каждую трубку размещен в канале между корпусом камеры сгорания и жаровой трубой и направлен в сторону входа в камеру сгорания.
Новым в полезной модели является то, что на внутренней поверхности жаровой трубы установлен кольцевой коллектор выпуклого профиля, имеющий общий с жаровой трубой участок стенки и, по меньшей мере, один ряд равнорасположенных по окружности отверстий на стороне, обращенной к начальной части жаровой трубы. Выходы из воздушных трубок размещены в коллекторе и направлены вдоль него в одну сторону. Каждая топливная форсунка в зоне выходного отверстия воздушной трубки снабжена распылителем, направленным в сторону выходного отверстия трубки. Кроме того, на кольцевом участке стенки жаровой трубы общем с коллектором между воздушными трубками установлены аэродинамические излучатели звука.
Установка на внутренней поверхности жаровой трубы кольцевого коллектора выпуклого профиля и выполнение на его стороне, обращенной к начальной части жаровой трубы, равномерно расположенных по окружности отверстий обеспечивает равномерную подачу однородно перемешанной ТВС в кольцевую зону горения. Истекающие из отверстий струи направляются в зоны стабилизации пламени и к расположенным вблизи от них свечам зажигания. Этим достигается надежное воспламенение и устойчивое эффективное горение подготовленной ТВС. Размещение коллектора непосредственно на стенке жаровой трубы упрощает подвод дополнительного воздуха в коллектор.
Расположение выходных отверстий воздушных трубок в кольцевом коллекторе выполнено таким образом, чтобы выходы всех трубок и боковых топливных каналов были направлены в одну сторону, что создает в коллекторе общий поток ТВС, уже частично перемешанной в воздушной трубке и на выходе из нее, и интенсифицирует процесс их дальнейшего смешения за счет механического турбулентного перемешивания в следе за воздушными трубками и излучателями. Взаимодействие общего потока ТВС со струями воздуха, подаваемыми в коллектор через излучатели, и интенсивное смешение газов разной плотности в звуковом и ультразвуковом полях продолжает процесс смешения топлива с воздухом. В случае использования жидкого топлива ультразвуковое поле способствует более быстрому испарению капель в коллекторе, заполненном нагретым в компрессоре воздухом.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение:
- излучатели звука могут быть углублены в полость коллектора. Например, излучатель звука может быть выполнен в виде сплошного цилиндра, пронизывающего полость коллектора. При его обтекании образуются струхалевские вихри, излучающие звуковые колебания. Это приводит к усилению процесса смешения топлива с воздухом за счет струхалевских вихрей и звуковых колебаний;
- отдельный излучатель звука, углубленный в коллектор, может быть выполнен в виде цилиндра с осевым каналом, открытым на входе и имеющем две торцевые стенки на выходе со сквозными соосными отверстиями одинакового диаметра и с зазором между ними. Полость между торцевыми стенками образует нишу, она и является генератором звуковых и ультразвуковых колебаний при обтекании ее потоком воздуха в коллекторе;
- кромки отверстий в торцевых стенках выполнены острыми. Это усиливает автоколебания потока воздуха, обтекающего нишу, и тем самым усиливает связанные с ними звуковые колебания, эффективно воздействующие на процесс смешения топлива с воздухом внутри коллектора.
Диаметры сквозных отверстий d в излучателе, расстояние h между стенками излучателя, толщину кромок отверстий в стенках можно определить в соответствии с изобретением «Аэродинамический ультразвуковой излучатель» (Авт. свидет. СССР №165014, В06В 1/20, 04.11.1964). Например, при температуре воздуха Тк=500 К, скорости U в отверстии d равной 100 м/с, диаметре d одинаковых отверстий в стенках равном 3 мм при зазоре между стенками h=d=3 мм, частота звуковых колебаний будет равна 26667 Гц, а диаметр D воздушного канала с двумя полостями равен 10.89 мм (см. таблицу).
Таблица
Тк, К
U, м/с
d, мм
h/d <sup>*)</sup>
1
1,2
1,4
1,6
1,8
500
100
3
f, Гц
26667
22400
20000
17867
16000
D, мм
10,89
12,51
13,73
15,08
16,56
500
80
3
f, Гц
21333
17920
16000
14293
12800
D, мм
13,02
15,04
16,56
18,25
20,10
Продолжение таблицы
500
60
3
f, Гц
16000
13440
12000
10720
9600
D, мм
16,56
19,25
21,28
23,53
26,00
500
60
2
f, Гц
24000
20160
18000
16080
14400
D, мм
11,04
12,84
14,18
15,69
17,33
800
60
3
f, Гц
16000
13440
12000
10720
9600
D, мм
20,31
23,72
26,28
29,13
32,25
*)
При h<d возбуждение звука будет неустойчивым.
Загромождение создаваемое углубленной выходной частью излучателя потоку топливовоздушной смеси в поперечном сечении коллектора и воздушной трубки может составлять от 20 до 45 процентов.
Оснащение топливной форсунки в зоне выходных отверстий воздушной трубки распылителем (струйным или центробежным), подающим топливо в сторону выходных отверстий трубки обеспечивает интенсивное смешение газообразного топлива с воздухом, а в случае применения жидкого топлива приводит к его дроблению на мелкие капли. Оба процесса, смешение и распыливание, улучшаются при увеличении относительной скорости воздуха. По этой причине прямое втекание воздуха в воздушные трубки оказывается наиболее выгодным для дробления струй топлива на мелкие капли и их смешение с воздухом, поскольку при этом скорость обтекания струй топлива воздухом достигает максимальной величины. Это обеспечивается тем, что вход в каждую воздушную трубку размещен в канале между корпусом камеры сгорания и жаровой трубой и направлен в сторону входа в камеру сгорания.
Расположение выходных отверстий воздушных трубок в кольцевом коллекторе, выбрано таким образом, чтобы выходы из всех трубок были направлены в одну сторону и создавали общий коллективный поток ТВС внутри коллектора. Взаимодействие этого потока с гидродинамическими препятствиями в виде воздушных трубок и излучателей повышает однородность ТВС.
Снабжение каждой топливной форсунки в зоне выходного отверстия воздушной трубки боковым распылителем, направленным в сторону выходного отверстия трубки, обеспечивает интенсивное смешение газообразного топлива с воздухом, а в случае применения жидкого топлива и к его дроблению на мелкие капли. Оба процесса, смешение и распыливание, улучшаются при увеличении относительной скорости воздуха. По этой причине прямое втекании воздуха в воздушные трубки оказывается наиболее выгодным для дробления струй топлива на мелкие капли и их смешение с воздухом, поскольку при этом скорость обтекания струй топлива воздухом достигает максимальной величины. На практике это реализуется тем, что вход в каждую воздушную трубку размещен в канале между корпусом камеры сгорания и жаровой трубой и направлен в сторону входа в камеру сгорания.
Установка на кольцевом участке стенки жаровой трубы общем с коллектором между воздушными трубками аэродинамических излучателей звука дополнительно интенсифицирует тепло- и массообменные процессы внутри коллектора.
x
Таким образом решена поставленная в полезной модели задача. Достигнуто эффективное предварительное многократное смешение топлива с воздухом. Подготовка бедной предварительно перемешенной и частично испаренной ТВС к сжиганию осуществляется без ущерба для топливной экономичности двигателя и ресурса работы его горячих частей. Вследствие этого существенно снижена эмиссия вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлива.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием фронтового устройства кольцевой камеры сгорания ГТУ и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-4, где:
На фиг.1 изображен продольный разрез прямоточной камеры сгорания;
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
На фиг.3 - элемент I на фиг.2;
На фиг.4 - элемент II на фиг.2.
Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания 1 газотурбинной установки содержит (см. фиг.1-3) равнорасположенные по окружности топливные форсунки 2 и воздушные трубки 3 с входом 4 на одном конце и боковым выходом 5 на другом конце. В каждую трубку 3 установлена топливная форсунка 2. Вход 4 в каждую трубку 3 размещен в канале 6 между корпусом 7 камеры сгорания 1 и жаровой трубой 8 и направлен в сторону входа 9 в камеру сгорания 1. На внутренней поверхности жаровой трубы 8 установлен кольцевой коллектор 10 выпуклого профиля. Коллектор 10 имеет общий с жаровой трубой 8 участок 11 стенки и, по меньшей мере, один ряд равнорасположенных по окружности отверстий 12 на стороне, обращенной к начальной части жаровой трубы 8. Число рядов отверстий 12 может быть несколько. Ряды могут отличаться числом и диаметром отверстий 12. Выходы 5 из воздушных трубок 3 размещены в коллекторе 10 и направлены вдоль него в одну сторону. Каждая топливная форсунка 2 в зоне выходных отверстий 5 воздушной трубки 3 снабжена боковым распылителем 13. Распылитель 13 направлен в сторону выходного отверстия 5 трубки 3. Кроме того, на кольцевом участке стенки 11 жаровой трубы 8 общем с коллектором 10 между воздушными трубками 3 установлены аэродинамические излучатели звука 14.
Излучатели звука 14 углублены в полость коллектора 10.
Пример конкретного излучателя звука 14 показан (см. фиг.2, 4). Он выполнен в виде цилиндра 15 с осевым каналом, открытым на входе 16, и двумя торцевыми стенками 17, 18 на выходе со сквозными соосными отверстиями одинакового диаметра 19, 20 и с зазором 21 между ними.
В зоне стабилизации пламени камеры сгорания 1 расположены свечи зажигания 22.
Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания 1 ГТУ работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки топлива в несколько этапов, которые обеспечиваются предварительным многоступенчатым перемешиванием и последующим распыливанием (для жидкого топлива) воздухом с получением дисперсной и гомогенной ТВС.
Воздух из компрессора ГТУ (не показано) подают на вход 9 камеры сгорания 1 (см. фиг.1) и далее в канал 6 между корпусом 7 камеры сгорания 1 и жаровой трубой 8. Из канала 6 воздух направляют на входы 4 трубок 3 и через боковые выходы 5 на конце каждой трубки 3 (см. фиг.2) нагнетают в коллектор 10. Из коллектора 10 воздух через отверстия 12 по окружности направляют в начальную часть жаровой трубы 8. Затем подают топливо (см. фиг.3) через все форсунки 2 в зону выходных отверстий 5 через распылители 13. В зоне выходных отверстий 5 струи топлива первично смешивают с воздухом, поступающий в трубку 3 со входа 4. Полученную ТВС через выходы 5 каждой трубки 3 направляют в коллектор 10 в одну сторону по кольцу. Этим достигается дополнительное перемешивание ТВС в объеме коллектора 10 за счет обтекания общим потоком ТВС воздушных трубок и излучателей и турбулентного смешения внутри этого потока. Через входы 16 излучателей 15 в кольцевом участке 11 стенки жаровой трубы 8 (см. фиг.2) в коллектор 10 подают воздух из канала 6, чем обеспечивают дополнительное (третье) перемешивание и обеднение ТВС в коллекторе 10. При прохождении воздуха через отверстия 19, 20 в торцевых стенках 17, 18 излучателя 14 происходит генерация звуковых колебаний крупными вихрями воздуха, образующимися при обтекании острой кромки отверстия 19 в торцевой стенке 17 под воздействием звуковых колебаний, возникающих от периодического натекания на острую кромку отверстия 20 в торцевой стенке 18 образовавшихся вихрей, которые усиливаются за счет гидродинамической неустойчивости потока в зазоре 21. Звуковые колебания усиливают внутри коллектора 10 процессы смешения и теплообмена между компонентами ТВС.
Из коллектора 10 гомогенизированную ТВС через отверстия 12 по окружности нагнетают в зону горения в начальной части жаровой трубы 8. Частичное смешение топлива с воздухом продолжается и в самой зоне горения до момента воспламенения ТВС, которую поджигают свечами зажигания 22 и сжигают. Последущее воспламенение ТВС при работе камеры сгорания 1 осуществляют в зонах стабилизации пламени.
В предлагаемом фронтовом устройстве обеспечено эффективное смешение топлива с воздухом, подготовка бедной однородной газовой (гомогенной) или однородной мелкодисперсной ТВС к экологически чистому и эффективному ее сжиганию в камерах сгорания газотурбинных установок различного назначения.