Малоэмиссионная камера сгорания и способ подачи в ней топлива
LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBER AND METHOD OF FEEDING FUEL THEREIN

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в газотурбинных установках и двигателях с низким уровнем вредных выбросов, в частности в малоэмиссионных камерах сгорания, работающих на газообразном топливе.
Известно, что малоэмиссионные камеры сгорания данного типа склонны к возбуждению автоколебаний, что снижает их ресурс и надежность, а для поддержания устойчивости горения на режимах с малым расходом топливного газа необходима подача части топлива с худшим качеством смешения по сравнению с качеством смешения на режиме максимальной мощности. (Tim С. Lieuwen Unsteady Combustor Physics Cambridge University Press, 27 авг. 2012 г., 405 с). Обычно такая подача части топлива, обеспечивающая худшее качество смешения, обеспечивается другим горелочным устройством с отдельным топливным коллектором или особым расположением отверстий подачи топлива на нем. При выходе на режим максимальной мощности подача топлива в данный топливный коллектор либо прекращается, либо снижается до минимума, что вызывает проблему возникновения перетекания топлива из одного горелочного устройства в другое из-за отсутствия напора в отдельном коллекторе и разности гидравлического сопротивления горелочных устройств и проблему нагарообразования на срезе горелочного устройства.
Известна малоэмиссионная камера сгорания (US 7,284,378 В2, МПК F02C 9/26, опубл. 23.10.2007), которая состоит из нескольких модулей малоэмиссионного горения, каждый из которых состоит из нескольких горелочных устройств, жаровой трубы, переходного патрубка. Подачатоплива в горелочные устройства осуществляется из нескольких топливных коллекторов. В каждом горелочном устройстве, кроме центрального горелочного устройства, есть два канала подачи топлива: основной и пилотный. Недостатком данной камеры сгорания является несовпадение гидравлических сопротивлений в модулях малоэмиссионного горения, приводящее к перетеканию продуктов сгорания между ними, что вызывает необходимость продувки воздухом топливных пилотных каналов. Данная продувка затрудняет переход с режима работы с участием пилотного топлива и приводит к неустойчивости горения на срезе горелочного устройства в его центральной рециркуляционной зоне.
Известна камера сгорания (ЕР 3029376 А1, МПК F23R 3/00, опубл. 08.06.2016), в которой использован глушитель Гельмгольца для подавления автоколебаний в камере сгорания газотурбинного двигателя. В данном изобретении предлагается настраивать подавляемую частоту колебаний с помощью изменения резонансного объема путем изготовления резонатора Гельмгольца в виде поршня в цилиндре. Изменением положения поршня обеспечивается изменение рабочего объема резонатора и тем самым изменение его первой собственной частоты. Горло резонатора Гельмгольца выполнено в виде цилиндрической трубки. Недостатком данного технического решения является то, что конструкция предусматривает наличие подвижных частей у системы, находящейся в условиях высоких температур, что может приводить к «закусыванию» частей цилиндра и поршня. Данное обстоятельство существенно снижает надежность камеры сгорания.
Известен способ подачи топлива в горелочное устройство камеры сгорания (ЕР 2631544 В1, МПК F23R 3/14, опубл. 09.05.2018), в котором топливо подают рядом с зоной рециркуляции, причем к нему подмешивают воздух, что уменьшает зону рециркуляции. Это неблагоприятно сказывается на устойчивости работы камеры сгорания.
Известен способ подачи топлива в горелочное устройство камеры сгорания с малым временем смешения непосредственно в зону рециркуляции (US 6,363,724 В1, МПК F23R 3/28, опубл. 02.04.2002). Недостатком данного способа является возникновение перетока продуктов сгорания между форсунками. Это может приводить к повреждению элементов конструкции топливного коллектора и газовых форсунок, что снижает надежность конструкции.
Известно горелочное устройство (US 2,970,772 МПК F23D 11/38, опубл. 07.02.1961), в котором с поверхности центрального тела сдувают высокую концентрацию топлива тонкой пленкой воздуха для решения проблемы нагарообразования. Однако это приводит к снижению устойчивости горения из-за чрезмерного обеднения топливовоздушной смеси в зоне рециркуляции.
Техническим результатом изобретения, является повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы при сохранении низкого уровня выбросов оксидов азота на режимах, близких к максимальной нагрузке двигателя, за счет уменьшения пульсаций давления в камере сгорания и предотвращения нагарообразования на выходных частях горелочных устройств.
Указанный технический результат достигается малоэмиссионной камерой сгорания газотурбинного двигателя, содержащей как минимум два топливных коллектора: основной и пилотный, кран перераспределения топлива, как минимум два горелочных устройства, каждое из которых снабжено криволинейным каналом с возможностью поворота потока на 90 градусов, образованным двумя спрофилированными обечайками, на входе которого установлена кольцевая обечайка с отверстиями для подачи воздуха в горелочное устройство, расположенными нормально к ее поверхности, причем внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства, на котором установлен аксиальный завихритель с закруткой потока на 35-50 градусов и трубкиподачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора, а на внешней поверхности криволинейного канала размещен выравнивающий коллектор для подвода топлива через соответствующие трубки из пилотного коллектора в проточную часть горелочного устройства, которое соединено с жаровой трубой, имеющей отверстия для подачи воздуха, внутри которой соосно с ней расположен экран, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части, на выходе жаровой трубы установлен переходный патрубок с равномерно размещенными по окружности отверстиями для подачи воздуха на смешение, причем экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха, а на входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, состоящий из сообщающихся первого и второго кольцевых объемов и кольцевой щели, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом.
Технический результат достигается также способом подачи газообразного топлива в камере сгорания, включающим впрыск топлива в поток воздуха, подаваемого в горелочное устройство, через основной топливный коллектор и пилотный топливный коллектор, причем впрыск топлива из последнего осуществляют через трубки с отношением длины трубки к ее гидравлическому диаметру отверстия более 10, при этом указанные трубки направляют к центральному телу так, что струи топлива ударяются о центральное тело горелочного устройства, а расстояние от центрального тела до выхода струи топлива из трубок не превышает двух гидравлических диаметров отверстия, а впрыск топлива в воздушный поток из основного топливного коллектора осуществляют вниз по потоку от подачи топлива в воздушный поток от пилотного коллектора, который отключают на основных режимах работы камеры сгорания.
Существо изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема малоэмиссионной камеры сгорания.
Камера сгорания содержит основной топливный коллектор 1 и пилотный топливный коллектор 2, кран перераспределения топлива 3, связывающий топливную систему двигателя с пилотным топливным коллектором, два горелочных устройства 4, каждое из которых соединено с жаровой трубой 5, внутри которой соосно с ней расположен экран 6, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части, на жаровой трубе расположены отверстия 7 для подачи воздуха, экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха 8. На выходе жаровой трубы установлен переходной патрубок 9, на котором выполнены равномерно размещенные по окружности отверстия 10 для подачи воздуха на смешение. На входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, включающий первый 11 и второй 12 кольцевые объемы, соединенные каналом 13, и кольцевую щель 14, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом 11. Горелочное устройство снабжено криволинейным каналом 15, обеспечивающим поворот потока на 90 градусов, образованным двумя спрофилированными обечайками. На входе криволинейного канала установлена кольцевая обечайка 16 с отверстиями для подачи воздуха в горелочное устройство, расположенными нормально к ее поверхности. Внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства 17, на котором установлен аксиальный завихритель 18 с закруткой потока от 35 до 50 градусов и трубки 19 для подачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора. На внешней поверхности криволинейного канала горелки размещен выравнивающий коллектор 20, к которому подводится топливо из пилотного топливного коллектора 2, из выравнивающего коллектора 20 топливо подается через трубки 21, сотношением длины трубки к ее гидравлическому диаметру отверстия более 10, которые направлены к центральному телу 17 так, что струи топлива ударяются об него, а расстояние от центрального тела 17 до выхода струй топлива из трубок 21 не превышает двух гидравлических диаметров ее отверстия.
Способ подачи топлива в камеру сгорания осуществляют следующим образом. Воздух подают в камеру сгорания из компрессора или другого источника сжатого воздуха. Одна часть воздуха поступает в переходной патрубок 9 через отверстия 10, а другая часть поступает в горелочное устройство 4 через отверстия 16. В горелочное устройство также подают газообразное топливо через основной топливный коллектор 1 и пилотный топливный коллектор 2. Топливо в основной топливный коллектор 1 поступает из топливной системы двигателя непосредственно, а в пилотный топливный коллектор 2 - через кран перераспределения топлива 3. Посредством данного крана регулируют долю расхода пилотного топлива в зависимости от режима работы двигателя: при пониженной нагрузке двигателя в пилотный топливный коллектор 2 поступает большая доля топлива по сравнению с режимами повышенной нагрузки двигателя. Малое расстояние места подачи топлива через трубки 21 от центрального тела горелочного устройства 17 предотвращает перемешивание топлива с воздухом и обеспечивает создание тонкой топливной пленки на центральном теле, и соответственно, высокую концентрацию топлива на выходном торце центрального тела. Таким образом уменьшается смешивание топлива с воздухом и повышается устойчивость горения на режимах пониженной мощности. На максимальном режиме работы газотурбинного двигателя подачу топлива в пилотный топливный коллектор 2 прекращают полностью. При выключении подачи топлива в пилотный топливный коллектор 2 закрытием крана перераспределения топлива 3 неодинаковость гидравлических сопротивлений горелочных устройств 4 камеры сгоранияприводит к возникновению течения воздуха из компрессора по пилотному топливному коллектору 2. Поскольку в воздухе отсутствуют продукты сгорания, это предотвращает отложение сажи в пилотном топливном коллекторе 2. Подачу топлива в воздушный поток из основного топливного коллектора 1 через трубки 19 осуществляют вниз по потоку от места подачи топлива в воздушный поток через трубки 21 от пилотного топливного коллектора. В месте подачи основного топлива через трубки 19 в воздушный поток в горелочном устройстве происходит смешение топлива с воздухом. Благодаря аксиальному завихрителю 18 обеспечивается высокое качество перемешивания, что приводит к низкому уровню эмиссии оксидов азота, однако при таком режиме горения возникает положительная обратная связь между процессом смешения и пульсациями давления в камере сгорания. Наличие положительной обратной связи приводит к возбуждению автоколебаний в камере сгорания, которые демпфируются глушителями, установленными на входах жаровых труб 5. На срезе горелочных устройств 4 топливовоздушная смесь сгорает с образованием высокотемпературных продуктов сгорания. Защита жаровой трубы 5 от высокотемпературных продуктов сгорания осуществляется экраном 6. Охлаждение экрана от продуктов сгорания осуществляется ударным охлаждением экрана воздухом, поступающим через отверстия 7.
Таким образом, в заявляемой камере сгорания благодаря ее конструктивным особенностям повышается надежность работы за счет демпфирования колебаний давления в камере сгорания и предотвращения перетока продуктов сгорания по трубопроводу пилотного топливного коллектора. Также данная конструкция позволяет защитить топливные форсунки от засорения нагаром и предотвратить втекание в них продуктов сгорания при отключении подачи топлива через пилотный топливный коллектор в данные форсунки или при существенном снижении расхода топлива в них. Предложенный способ подачи топлива в камере сгоранияобеспечивает улучшение стабилизации горения благодаря существенному уменьшению смешения топлива, подаваемого из трубок, с потоком воздуха до среза горелочного устройства, в том числе созданием тонкой топливной пленки.