УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗАВИХРИТЕЛЕМ ДЛЯ МИКРО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ГДЕ ТУРБИНОЙ И КОМПРЕССОРОМ ЯВЛЯЕТСЯ ТУРБОКОМПРЕССОР ОТ ДВС
DEVICE FOR COMBUSTION CHAMBER WITH ADJUSTABLE SWIRLER FOR MICRO GAS TURBINE ENGINE, WHERE TURBINE AND COMPRESSOR ARE TURBO COMPRESSOR OF ICE

Устройство камеры сгорания с регулируемыми отверстиями в жаровой трубе для микрогазотурбинного двигателя, где турбиной и компрессором является турбокомпрессор ДВС
Изобретение относится к устройствам камеры сгорания микрогазотурбинных двигателей с центростремительной турбиной малой мощности различного назначения.
Наиболее близким к изобретению является камера сгорания газотурбинной установки, состоящая из узла подачи устройства, жаровой трубы с отверстиями подачи воздуха, зоны смешения, которые размещаются в общем корпусе [Н.И. Старцев, Конструкция и проектирование камеры сгорания ГТД, СГАУ, Самара, 2007]. Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) подает топливо в зону горения жаровой трубы. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через отверстия в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом и жаровой трубой, охлаждая ее. Затем, пройдя через хону смешения, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания, охлаждая их до заданной температуры.
Недостатком этого решения является то, что конструктивно невозможно изменить размер сечений отверстий жаровой трубы, в связи с чем камера сгорания может работать в узком диапазоне параметров.
В основу изобретения положена задача обеспечения повышения степени гомогенизации топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов работы двигателя, возможности работы с разными видами топлива за счет получения разных параметров смесеобразования.
В результате использования предлагаемого изобретения обеспечивается более качественное завихрение воздушного потока, регулирование температуры рабочего тела, поступающего на турбину, нахождение режимов наибольшей эффективности работы, при
использовании различных топливных газов: метан, пропан, биогаз, шахтный, древесный газ и др.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что устройство камеры сгорания с регулируемыми отверстиями жаровой трубы для микрогазотурбинного двигателя, содержащее корпус, жаровую трубу с отверстиями подачи воздуха и узел впрыска топлива, состоящую из внутренней жаровой трубы, на которую надета внешняя жаровая труба, размещена в корпусе камеры сгорания и расположена по ее оси, имеющая дозирующие эллиптические или тангенциальные отверстия, выполненные под углом 30-45° относительно касательной к поверхности жаровой трубы для завихрения потока воздуха и снижения его сопротивления с возможностью изменения площади отверстий.
В устройстве во внутренней и внешней жаровых трубах отверстия могут быть полностью совмещены и иметь одинаковый размер.
В устройстве газотурбинного двигателя турбокомпрессором является турбокомпрессор ДВС.
Устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее корпус, жаровую камеру с регулируемыми отверстиями воздуха и узел впрыска топлива, где жаровая труба размещена внутри корпуса и расположена по оси камеры сгорания, отличающееся тем, что в жаровой трубе, состоящей из корпуса и внутренней жаровой трубы, на которую надета внешняя жаровая труба, выполнены дозирующие эллиптические или тангенциальные отверстия, выполненные под углом 30-45° относительно касательной к поверхности жаровой трубы для завихрения воздушного потока и снижения его сопротивления с возможностью изменения площади отверстий, отверстия могут быть полностью совмещены и иметь одинаковый размер. Что обеспечивает более качественное завихрение воздушного потока, регулирование температуры рабочего тела, поступающего на турбину, нахождение режимов наибольшей эффективности работы при использовании различных топливных газов: метан, пропан, биогаз, шахтный, древесный газ и др.
x
Приоритетным направлением при разработке камер сгорания микрогазотурбинных двигателей малой мощности с центростремительной турбиной является снижение уровня загрязнения атмосферы и возможность работы одной камеры сгорания на разных видах топлива. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании низкоэмиссионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешивания топлива с воздухом и организация подачи в камеру топливовоздушных смесей при достижении устойчивого горения и быстрого сгорания.
В предлагаемом изобретении для микрогазотурбинных двигателей малой мощности новым является возможность изменения площади дозирующих отверстий для работы двигателя, способствующая более качественному завихрению воздушного потока, регулирование температуры рабочего тела, поступающего на турбину, нахождение режимов наибольшей эффективности работы при использовании различных топливных газов: метан, пропан, биогаз, шахтный, древесный газ и др.
Использование турбокомпрессора ДВС массового производства позволяет сократить себестоимость двигателя, так как стоимость одного из основных узлов, которым является серийный турбокомпрессор ДВС, значительно ниже вновь разработанного и изготовленного индивидуального турбокомпрессора для газотурбинного двигателя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 представлена схема устройства двигателя.
На фиг. 2 представлена общая схема устройства камеры сгорания.
На фиг. 3 - схема движения газов в камере сгорания.
Камера сгорания присоединена к турбокомпрессору ДВС следующим образом: компрессор 1 турбокомпрессора ДВС присоединен к камере
сгорания 2 с источником зажигания 3 и узлом впрыска топлива 4, входным патрубком 5, по которому воздух из компрессора подается в камеру сгорания, и выходным патрубком 6, через который рабочее тело из камеры сгорания поступает в турбину 7 турбокомпрессора ДВС (фиг. 1).
Устройство камеры сгорания (фиг. 2) с регулируемыми отверстиями жаровой трубы для микрогазотурбинного двигателя содержит корпус 8, воздушный патрубок 9, корпус внутренней жаровой трубы 10, на который надет внешний корпус жаровой трубы 11 и узел подачи топлива 4. Корпус камеры сгорания имеет отверстие 12, в которое вставлена жаровая труба. Корпус внутренней жаровой трубы 10 имеет центральный канал сгорания 13, ограниченный соплом 14 с торцевой кромкой 15 на выходе и торцевой крышкой 22. Он расположен по оси канала сгорания 16 и прикреплен к торцевой крышке камеры сгорания 16. Торцевая крышка 16, внутренний корпус жаровой трубы 10 внешнего корпуса жаровой трубы 11 в сборе образуют узел жаровой трубы. Между корпусом 8 и внешним корпусом жаровой трубы 11 образована полость 17, сообщающаяся с зоной сгорания через эллиптические или тангенциальные отверстия 18. Узел подачи топлива 4 в камеру сгорания выполнен с топливным соплом 19. Торцевая кромка сопла жаровой трубы заглублена относительно торцевой кромки 120 камеры сгорания. Внешний корпус жаровой трубы 11 имеет регулировочные поводки 21, которые одним концом прикреплены к корпусу внешней жаровой трубы, а вторым концом выведены за камеру сгорания через тангенциальную щель и фиксируются стопорной гайкой 23. Корпус внутренней жаровой трубы 10 вставлен в торцевую крышку 22 и жестко закреплен в ней. Эллиптические или тангенциальные отверстия 18 внешнего 11 и внутреннего корпуса 10 могут быть полностью совмещены, имеют одинаковый размер и просверлены под углом 30-45° относительно касательной к поверхности втулки для завихрения потока воздуха и снижения его сопротивления.
Движение газов в устройстве (фиг. 3) происходит следующим образом. Воздух из компрессора турбокомпрессора ДВС поступает через воздушный патрубок 9, необходимое количество воздуха проходит через эллиптические и тангенциальные отверстия 18, другая часть идет через полость 17 между камерой сгорания и жаровой трубой, охлаждая жаровую трубу. В зоне смешения 24 газы смешиваются с воздухом из полости 17. Выходящие за торцевую кромку камеры сгорания 20 газы поступают в турбину турбокомпрессора ДВС.
Работа устройства камеры сгорания с регулируемыми отверстиями жаровой трубы для микрогазотурбинного двигателя, где турбиной и компрессором является любой турбокомпрессор ДВС серийного производства, осуществляется следующим образом.
Топливо подается через узел подачи топлива 4 (фиг. 1, 2). В канале сгорания внутреннего корпуса жаровой трубы топливо равномерно рассеивается по всему ее объему. Одновременно воздух из полости 17 вводится через совмещенные эллиптические или тангенциальные отверстия 18 внешнего и внутреннего корпусов жаровой трубы в зону сгорания. Закрученный в отверстиях внутреннего и внешнего корпусов воздух проходит в зону сгорания. Оставшаяся часть воздуха, необходимая для охлаждения рабочего тела, подающегося на турбину, идет между внешним корпусом жаровой трубы и корпусом камеры сгорания, охлаждая их и выходя в конце камеры сгорания, смешивается с рабочим телом (фиг. 3).
Основное смешивание и сгорание происходит в первой половине внешнего корпуса жаровой трубы, где есть возможность изменения геометрических размеров эллиптических или тангенциальных отверстий. Дивергенция воздуха производится через большое количество отверстий от периферии канала к центру, что позволяет создать интенсивное завихрение воздуха, увеличить площадь контакта воздуха с топливным газом, тем самым увеличить скорость и качество смешивания. Изменение геометрических
сечения эллиптических или тангенциальных отверстий производится через регулировочный поводок посредством смещения корпуса внешней жаровой трубы вокруг продольной оси относительно внутреннего. Это позволяет изменять общую площадь дозирующих эллиптических или тангенциальных отверстий, что обеспечивает при работе двигателя качественнее и быстрее регулировать подачу воздуха в зону сгорания, обеспечить наилучшее смешивание топлива с воздухом, увеличить скорость сгорания топливовоздушной смеси. Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется от источника зажигания 3, установленного в камере сгорания.