Кольцевая камера сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям (ГТД), в частности к конструкциям кольцевых камер сгорания, и может быть использована в ГТД вертолетов и самолетов малой авиации, беспилотных летательных аппаратов, наземных транспортных средств, вспомогательных силовых установок.
Разработка простых в изготовлении и обслуживании высокоэффективных камер сгорания малых размеров является одним из ключевых средств повышения экономичности и эксплуатационной технологичности малоразмерных ГТД (МГТД). Трудности реализации такого технического решения связаны с малыми размерами, как самих двигателей, так и камер сгорания.
Известна камера сгорания ГТД с осевой системой впрыска топлива в жаровую трубу (US 20160123596, 2016). Техническое решение представляет собой кольцевую прямоточную камеру сгорания с двумя каскадами впрыска топлива, двумя зонами горения и с зоной догорания. Для хорошего распыла и образования равномерной топливовоздушной смеси в данной камере сгорания применяются классические завихрители во фронтовом устройстве. Во внешней и во внутренней обечайках жаровой трубы имеются отверстия, через которые воздух попадает внутрь. Благодаря наличию двух зон горения и зоны догорания происходит почти полное выгорание топлива в камере, снижаются вредные выбросы. Однако такая камера сгорания используется применительно для полноразмерных ГТД. В малоразмерной камере сгорания сложно организовать два каскада впрыска топлива и две зоны горения из-за малых осевых размеров самой камеры. В малоразмерной камере это приводит к большим гидравлическим потерям, что ведет к снижению эффективности всего двигателя.
Известна камера сгорания для использования в МГТД (US 6931862, 2005). В техническом решении использована кольцевая противоточная камера сгорания в связке с центростремительной турбиной. Данная камера сгорания расположена над выхлопным соплом, при этом высота рабочей зоны жаровой трубы довольно мала, а ее длина сравнима с длиной всей роторной части двигателя. Жаровая труба камеры сгорания разделена на несколько зон. Первая зона расположена в начале камеры, около фронтового устройства, а вторая зона горения образована завесой воздуха, поступающего через трубки во внешнем корпусе жаровой трубы. В третьей зоне горения, происходит догорание остатков топлива в новой порции свежего воздуха, поступающего через трубки во внешнем корпусе жаровой трубы. Так как все подводящие воздух трубки располагаются под углом к оси двигателя, то поток топливовоздушной смеси внутри жаровой трубы приобретает вращательное движение вокруг оси двигателя (винтовое). Это способствует хорошему перемешиванию топлива и воздуха, но приобретенная закрутка увеличивает гидравлическое сопротивление внутри жаровой трубы, что приводит к снижению эффективности всего двигателя. К тому же, образуется дополнительная неравномерность потока на входе в турбину, что приводит к неоптимальной работе турбины. Организация нескольких зон горения влечет за собой увеличение длины камеры сгорания, а наличие трех рядов трубок внутри жаровой трубы приводит к дополнительным потерям.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя (US 5746048, 1998). Данная камера сгорания противоточного типа и используется применительно к МГТД. Кольцевая камера сгорания МГТД содержит корпус, установленный на входе в камеру сгорания диффузор, фронтовое устройство, содержащее топливный коллектор и форсунки, жаровую трубу, состоящую из внутренней и внешней обечайки, внешней стенки с пропускными отверстиями и внутренней стенки с пропускными отверстиями и устройство зажигания топливовоздушной смеси. Главная задача такой компоновки -сохранение минимального осевого размера двигателя. В связи с этим камера сгорания выполнена короткой и располагается над турбиной. Такое расположение камеры сгорания оказывает негативное влияние на узлы, расположенные внутри двигателя, под камерой. Все эти узлы находятся в зоне повышенных температур и подвергаются дополнительному тепловому излучению от камеры сгорания, для минимизации которого устанавливают дополнительный тепловой экран. Для интенсификации горения в такой камере, прежде всего, применяют систему окружной закрутки вихря первичной зоны горения (спиралевидный вихрь). Это достигается системой подачи воздуха через круглые трубки, с топливными форсунками внутри, под углом к оси двигателя в первичную зону горения. Но такая система движения топливовоздушной смеси не влияет на продолжительность горения, так как процесс горения имеет осевую направленность, а не окружную. Такая система способствует лучшему смешиванию топлива и воздуха в первичной зоне, но появляются значительные дополнительные гидравлические потери, что снижает эффективность всего двигателя. К тому же, в короткой камере сгорания спиралевидный вихрь не успевает «выпрямиться» в осевом направлении и на входе в турбину появляется сильная окружная закрутка, которая приводит к неравномерности значений температуры, что, в свою очередь снижает эффективность работы турбины и всего двигателя.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании кольцевой камеры сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании кольцевой камеры сгорания МГТД, обеспечивающей высокую полноту сгорания топлива при уменьшении габаритных размеров камеры сгорания.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что кольцевая камера сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя содержит корпус, установленный на входе в камеру сгорания диффузор, фронтовое устройство, содержащее топливный коллектор и форсунки, жаровую трубу, состоящую из внутренней и внешней обечайки, внешней стенки с пропускными отверстиями и внутренней стенки с пропускными отверстиями и устройство зажигания топливовоздушной смеси, внешняя обечайка жаровой трубы выполнена тороидальной, размещена относительно внутренней обечайки с образованием кольцевого зазора и сопряжена с внешней стенкой жаровой трубы с образованием кольцевого зазора, причем во внешней обечайке вблизи зоны ее сопряжения с внешней стенкой жаровой трубы сформированы отверстия с направляющими для подачи воздуха в направлении перпендикулярном оси камеры сгорания, а внутренняя стенка жаровой трубы размещена относительно внутренней обечайки с образованием кольцевого зазора, форсунки расположены в тороидальной части внешней обечайки под углом к центральной оси камеры сгорания и вертикальной оси топливного коллектора.
Существенность отличительных признаков заявляемой кольцевой камеры сгорания подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих полезную модель, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата. А именно:
- выполнение внешней обечайки тороидальной позволяет создавать тороидальные вихри, способствующие хорошему перемешиванию топлива с воздухом и созданию топливовоздушной смеси в зоне горения;
- размещение внешней обечайки относительно внутренней обечайки с образованием кольцевого зазора способствует поступлению через кольцевой зазор примерно 10% массы воздуха из-за компрессора МГТД, этот воздух способствует созданию заградительного охлаждения и образованию тороидальных вихрей в зоне горения;
- сопряжение внешней обечайки с внешней стенкой жаровой трубы с образованием кольцевого зазора, через который поступает примерно 3% массы воздуха из-за компрессора, способствует организации заградительного охлаждения внешней стенки в зоне догорания топлива;
- отверстия с направляющими сформированные во внешней обечайке вблизи зоны ее сопряжения с внешней стенкой жаровой трубы пропускают 35% массы воздуха из-за компрессора, этот воздух плоской завесой направляется перпендикулярно оси камеры сгорания, разделяется на два равных потока, первый поток которого способствует образованию тороидальных вихрей, а второй - направляется в зону догорания;
- размещение внутренней стенки жаровой трубы относительно внутренней обечайки с образованием кольцевого зазора, через который поступает 7% массы воздуха, способствует образованию тороидальных вихрей и охлаждению внутренней обечайки и внутренней стенки жаровой трубы;
- расположение форсунок в тороидальной части внешней обечайки под углом к центральной оси камеры сгорания (ось двигателя) и вертикальной оси топливного компрессора позволяет организовать подачу топлива тангенциально, пересекая несколько зон тороидальных вихрей для уменьшения осевой компоненты скорости капель топлива, при сохранении высокого значения суммарной скорости капель для лучшего их дробления, тем самым обеспечивается более равномерное запыление топливом зоны горения и переброс пламени в зону догорания.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый каждым из существенных признаков предлагаемой полезной модели, в совокупности позволяет создать кольцевую камеру сгорания МГТД, обеспечивающую высокую полноту сгорания топлива при уменьшении габаритных размеров камеры сгорания.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции кольцевой камеры сгорания МГТД и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-3, где
на фиг. 1 изображен МГТД с кольцевой камерой сгорания;
на фиг. 2 - осевой разрез кольцевой камеры сгорания в плоскости отверстий зоны горения;
на фиг. 3 - осевой разрез кольцевой камеры сгорания в плоскости отверстий зоны догорания.
На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения:
1 - входное устройство;
2 - компрессор;
3 - диффузор;
4 - топливный коллектор;
5 - форсунки;
6 - жаровая труба;
7 - корпус камеры сгорания;
8 - сопловый аппарат;
9 - турбина;
10 - сопло;
11 - тепловой экран;
12 - внешняя обечайка;
13 - отверстия, сформированные во внешней обечайке;
14 - направляющие для подачи воздуха;
15 - внутренняя обечайка;
16 - кольцевой зазор образованный внешней обечайкой и внешней стенкой;
17 - внешняя стенка;
18 - пропускные отверстия, сформированные во внешней стенке;
19 - внутренняя стенка;
20 - пропускные отверстия, сформированные во внутренней стенке;
21 - кольцевой зазор, образованный внутренней и внешней обечайками;
22 - кольцевой зазор, образованный внутренней стенкой и внутренней обечайкой;
23 - устройство зажигания топливовоздушной смеси;
24 - зона горения;
25 - зона догорания;
26 - зона смешения;
27 - тороидальные вихри;
28 - радиальные потоки;
29 - вертикальная ось топливного коллектора;
30 - центральная ось камеры сгорания.
Кольцевая камера сгорания МГТД содержит корпус 7, установленный на входе в камеру сгорания диффузор 3, интегральное фронтовое устройство, состоящее из топливного коллектора 4 и форсунок 5, жаровую трубу 6, состоящую из внутренней обечайки 15 и внешней обечайки 12, внешней стенки 17 с пропускными отверстиями 18 и внутренней стенки 19 с пропускными отверстиями 20 и устройство 23 зажигания топливовоздушной смеси, внешняя обечайка 12 жаровой трубы 6 выполнена тороидальной, размещена относительно внутренней обечайки 15 с образованием кольцевого зазора 21 и сопряжена с внешней стенкой 17 жаровой трубы 6 с образованием кольцевого зазора 16, причем во внешней обечайке 12 вблизи зоны ее сопряжения с внешней стенкой 17 жаровой трубы 6 сформированы отверстия 13 с направляющими 14 для подачи воздуха в направлении перпендикулярном оси камеры сгорания, а внутренняя стенка 19 жаровой трубы 6 размещена относительно внутренней обечайки 15 с образованием кольцевого зазора 22, форсунки 5 расположены в тороидальной части внешней обечайки 12 под углом к центральной оси 30 камеры сгорания и вертикальной оси 29 топливного коллектора 4. Жаровая труба 6 интегрирована с сопловым аппаратом 8 турбины 9 (см. фиг. 1-3).
МГТД с представленной кольцевой камерой сгорания работает следующим образом. Воздух из атмосферы, поступающий через входное устройство 1 в МГТД, сжимается в компрессоре 2, а затем через диффузор 3 направляется в камеру сгорания (см. фиг. 1). В камере сгорания воздух разделяется на два потока. Один из них (основной) направляется вдоль внутреннего пространства между корпусом 7 камеры сгорания, внешней обечайкой 12 и внешней стенкой 17 жаровой трубы 6. Часть воздуха данного потока через отверстия 13 во внешней обечайке 12 направляется во внутреннюю полость жаровой трубы 6 перпендикулярно к внутренней обечайке 15 (см. фиг. 2). Основной поток воздуха отражаясь от внутренней обечайки 15 и под воздействием воздуха из кольцевого зазора 21 и кольцевого зазора 22, закручивается образуя тороидальные вихри 27. Затем основной поток воздуха смешивается с топливом, подаваемым из форсунок 5. Топливовоздушная смесь поджигается устройством 23 зажигания топливовоздушной смеси и сгорает в зоне 24 горения. Далее, часть оставшегося воздуха первого потока через кольцевой зазор 16 и отверстия 18 во внешней стенке 17 жаровой трубы 6 поступает в ее внутреннюю полость, образуя зону 25 догорания, в которую через пространства между радиальными потоками 28 проникает горящая топливовоздушная смесь из зоны 24 горения (см. фиг. 2, 3). При этом тороидальные вихри 27 обратных токов смещаются к внешней обечайке 12 жаровой трубы 6. В зоне 25 догорания происходит дожигание топлива в потоках воздуха, поступающих через пропускные отверстия 18 и 20. Оставшаяся часть воздуха основного потока проходит вдоль внешней стенки 17 жаровой трубы 6, затем через полости внутри лопаток соплового аппарата 8 попадает во внутреннюю часть камеры сгорания, между тепловым экраном 11 и внутренней стенкой 19 жаровой трубы 6, откуда через отверстия 20 во внутренней стенке 19 попадает во внутреннюю часть жаровой трубы 6 ближе к зоне 26 смешения (см. фиг. 1-3). Смешиваясь с догорающим газом из зоны 25 догорания, образуется газ необходимой температуры и неравномерности на выходе, который далее через сопловой аппарат 8 поступает на турбину 9. Также, часть воздуха этого потока направляется в зазоры 21 и 22, что способствует организации заградительного охлаждения внутренней обечайки 15 жаровой трубы 6 и образованию тороидальных вихрей 27 зоны 24 горения. Второй поток воздуха из-за компрессора проходит вдоль торцевой части внешней обечайки 12 и внутренней обечайки 15 жаровой трубы 6, встречаясь с остатками воздуха первого потока. Часть воздуха второго потока через зазоры 21 и 22 между внешней 12 и внутренней 15 обечайками жаровой трубы 6 попадает в зону 24 горения, организуя заградительное охлаждение внутренней обечайки 15 и способствуя образованию тороидальных вихрей 27 в зоне 24 горения. Попутно оба потока воздуха охлаждают все омываемые ими элементы двигателя. Затем горячий газ, проходя сопловой аппарат 8, попадает на лопатки рабочего колеса турбины 9, где частично расширяясь и остывая, совершает работу, преобразующуюся в механическую работу турбины 9, которая идет на вращение компрессора 2. Затем, горячий и сжатый газ, направляется в сопло 10, где совершает работу, определяемую как тяга сопла, или эффективная тяга двигателя.
Особенности предлагаемой схемы кольцевой камеры сгорания:
- формирование зоны обратных токов в зоне горения, вместо традиционных завихрителей, происходит с помощью двух типов потоков: пристеночных, из зазоров, совмещающих функцию заградительного охлаждения, и радиальных дискретных потоков из отверстий 13, ограждающей зону горения от зоны догорания;
- пламя из зоны горения попадает в зону догорания через восемь промежутков между радиальными плоскими потоками;
- воздух во внутренний контур камеры сгорания поступает через полые лопатки соплового аппарата, интенсивно охлаждая его попутно;
- свеча зажигания располагается непосредственно перед отверстиями 13 радиального потока в зоне поворота пристеночного течения с продольного на радиальное;
- форсунки применяются центробежные, для обеспечения широкого рабочего диапазона имеют перепуск в топливный коллектор.
По результатам аэродинамических расчетов с подбором площадей, формы и мест основных отверстий и кольцевых зазоров для формирования и поддержания зоны обратных токов оказалось достаточно 20-25% общего количества воздуха, обеспечивающего богатый состав в зоне горения и в зоне обратных токов, при этом течение аэродинамически устойчивое и сохраняется на всех режимах работы МГТД. Техническое решение позволяет обеспечить полноту сгорания топлива на уровне 98-99%, что соизмеримо с полнотой сгорания в камерах сгораний полноразмерных ГТД.
Полезная модель позволяет:
- снизить стоимость изготовления МГТД;
- повысить технологичность обслуживания МГТД;
- повысить экономичность МГТД;
- обеспечить компактность конструкции МГТД.
Таким образом, реализация предложенной полезной модели позволяет создать модельный ряд высокоэффективных МГТД различной размерности и назначения.