ИСПАРИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может найти применение в конструкциях камер сгорания с испарительными трубками.
Известна испарительная камера сгорания газотурбинного двигателя, в которой разогрев испарительных трубок осуществляется с помощью парциально (в секторе 150) установленного коллектора пусковых центробежных форсунок. Для розжига пускового топлива установлены два воспламенителя (А.Ю. Чечулин, Опыт доводки пусковых характеристик камеры сгорания ВСУ, Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, т. 14, №2, 2015).
Недостатком конструкции является то, что для распыливания топлива центробежными форсунками давление и расход пускового топлива должны быть достаточно большими в связи с ограничением минимально возможного сечения форсунок (диаметра тангенциальных отверстий) и, соответственно, их пропускной способности. Кроме того, наличие пускового коллектора и форсунок существенно, особенно для малоразмерных ГТД и ВСУ, увеличивает массу двигателя. Применяемые воспламенители служат для розжига пускового топлива, пусковых форсунок, а уже от них нагреваются трубки.
Известны испарительные камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащие жаровую трубу с отверстиями, в полости которой установлены испарительные трубки, внутри которых расположены трубки подачи топлива (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981 - С. 404. рис. 9.26). Используемый в камере сгорания воспламенитель или свеча, служит лишь для розжига топливовоздушной смеси, выходящей из одной или нескольких испарительных трубок.
Наиболее близкой к предлагаемой является испарительная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая жаровую трубу с внутренней и наружной стенками, образующими полость, в которой установлены испарительные трубки, трубки (форсунки) для подачи топлива и свечи зажигания (описание изобретения к патенту №2395039, МПК F23R 3/30, опубл. 20.07.2010).
Характерным недостатком известных устройств является узкий диапазон и большое время запуска двигателя в связи с недостаточным или длительным прогревом испарительных трубок при низких, особенно отрицательных, температурах окружающего воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Задачей полезной модели является создание испарительной камеры сгорания газотурбинного двигателя, в которой осуществляется разогрев испарительных трубок горячими газами от воспламенителя в процессе запуска двигателя.
Техническим результатом является повышение эффективности испарения топлива при запуске камеры сгорания независимо от температуры окружающего воздуха, за счет использования в качестве подогревателя пускового воспламенителя, сопло которого направлено на испарительные трубки - на их боковые поверхности, включая концевые участки.
Воспламенитель выполняет дополнительную функцию подогревателя и позволяет подогревать все расположенные в охватываемом секторе испарительные трубки.
Технический результат достигается тем, что в испарительной камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей жаровую трубу с внутренней и наружной стенками, образующими полость, в которой установлены испарительные трубки, трубки для подачи топлива и воспламенитель, в отличие от известной, воспламенитель выполнен в виде пускового воспламенителя, сопло которого направлено на боковые поверхности испарительных трубок.
Для подогрева возможно большего числа испарительных трубок (увеличение охватываемого сектора подогрева) ось сопла может быть расположена в тангенциальном направлении под острым углом α к плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и центр выходного сечения сопла воспламенителя.
Угол α может быть выбран из условия arcsin(d/D)≤α<π/2,
где d - диаметр внутренней стенки жаровой трубы,
D - диаметр наружной стенки жаровой трубы.
Для увеличения подогреваемой поверхности испарительных трубок сопло воспламенителя может быть выполнено в виде щели, ориентированной в осевом направлении жаровой трубы.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - схема камеры сгорания с испарительными трубками и пусковым воспламенителем - подогревателем; фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1.
Испарительная камера сгорания газотурбинного двигателя (фиг. 1) содержит жаровую трубу с внутренней 1 и наружной 2 стенками, которые образуют полость 3. В полости 3 установлены испарительные трубки 4 с трубками 5 для подачи топлива.
В наружной стенке жаровой трубы установлен воспламенитель 6, сопло 7 которого направлено на боковые поверхности испарительных трубок, включая концевые участки. Ось сопла 7 воспламенителя 6 может быть расположена в тангенциальном направлении под острым углом α к плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и центр выходного сечения сопла воспламенителя.
Расположение оси сопла 7 воспламенителя 6 под углом α=0 (в данной плоскости) малоэффективно, т.к. сужается сектор, охватываемый струей горячих газов из сопла воспламенителя. Угол α может выбираться из условия arcsin(d/D)≤α<π/2, где d - диаметр внутренней стенки жаровой трубы, D - диаметр наружной стенки жаровой трубы. При α=arcsin(d/D) ось сопла будет направлена по касательной к внутренней стенке жаровой трубы. Ось сопла 7 воспламенителя 6 не может располагаться под углом α=90° (к данной плоскости в данной точке) ввиду конечности размеров жаровой трубы и воспламенителя.
Сопло 7 воспламенителя 6 может быть выполнено в виде щели, ориентированной в осевом направлении жаровой трубы.
Количество воспламенителей (подогревателей) может быть увеличено вплоть до охвата струями газа всех испарительных трубок камеры сгорания.
Испарительная камера сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом.
При запуске двигателя включается зажигание и подается топливо в воспламенитель 6 и в испарительные трубки 4. Воздух из полости камеры сгорания через отверстия во внутренней 1 и наружной 2 стенках жаровой трубы и испарительные трубки 4 попадает в полость 3 жаровой трубы. Топливо через трубки 5 для подачи топлива натекает на внутреннюю поверхность испарительных трубок 4, в которых полностью или частично испаряется, смешивается с воздухом и в виде топливовоздушной смеси поступает в полость 3 жаровой трубы, где воспламеняется от воспламенителя 6. Пусковой воспламенитель 6, ось сопла 7 которого расположена в тангенциальном направлении под острым углом α к плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и центр выходного сечения сопла воспламенителя, позволяет кроме розжига топливовоздушной смеси подогревать расположенные в охватываемом секторе испарительные трубки 4 и, тем самым, обеспечивает эффективное испарение топлива при запуске камеры сгорания.
При запуске двигателя струя газа из сопла воспламенителя, попадая на поверхность испарительных трубок, разогревает их, обеспечивая испарение топлива с последующим его розжигом. Для охвата возможно большего числа трубок струей газа ось сопла воспламенителя располагается под углом к плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и центр выходного сечения сопла, в результате струя газов приобретает тангенциальную составляющую.
Выполнение сопла в виде вытянутой в осевом направлении щели увеличивает подогреваемую при запуске поверхность испарительных трубок 4.
Выполнен 3D расчет модели камеры сгорания с испарительными трубками и соплом воспламенителя, расположенным в плоскости, проходящей через ось жаровой трубы под углом α=0° и под углом α=60° к данной плоскости. Расчет выполнен при температуре воздуха 288 К и температуре газов на выходе из сопла воспламенителя 1200 К. Из результатов расчета видно, что в данной конструкции при α=0° струей газа достаточно эффективно, с температурой выше температуры испарения топлива (керосина), омывается одна испарительная трубка, при угле α=60° эффективно омываются пять испарительных трубок. Таким образом, при угле α=60 градусов поверхность испарения топлива в трубках и сектор подачи испаренного топлива повышаются примерно в пять раза.
Предложенная конструкция испарительной камеры сгорания по сравнению с прототипом повышает эффективность испарения топлива при запуске камеры сгорания независимо от температуры окружающего воздуха без использования специальных подогревателей.
Полезная модель обеспечивает эффективное испарение топлива и его розжиг практически независимо от температуры наружного воздуха и, соответственно, воздуха в камере сгорания и жаровой трубе.