ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), наземных газотурбинных установок (ГТУ) и вспомогательных силовых установок (ВСУ), работающих на жидких углеводородных топливах. Следует отметить, что для малоразмерных ГТД на фронтовом устройстве камеры сгорания характерно кольцевое расположение горелок, по меньшей мере, в один ряд. В конструкции горелок сохраняется общая тенденция достижения хорошего смешивания между топливом и воздухом, которое обеспечивает интенсивное сжигание топливовоздушной смеси (ТВС) со снижением в продуктах сгорания оксидов азота, монооксида углерода, несгоревших углеводородов и снижение дымления (сажеобразования).
Кроме того, для эффективного воспламенения ТВС необходим гарантированный переброс пламени между смежными горелками фронтового устройства при розжиге кольцевой камеры сгорания, в том числе в высотных условиях.
Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания ГТД, содержащая полый тонкостенный корпус с диффузором на выходе, установленное в корпусе соосно с образованием увеличивающегося к выходу зазора профилированное конфузорное сопло с коническим насадком с раструбом к выходу, расположенным на наружной поверхности стенки в зазоре, воздушный завихритель и топливную форсунку. Конический насадок выполнен с отбортовкой на кромке (патент RU №2133411). Изобретение улучшает эмиссионные характеристики камеры сгорания. Однако в связи с наличием в горелке ослабленного перфорацией отверстий сопла центрального воздушного вихря и отсутствием наружного вихря за фронтовым устройством, подача топлива в циркуляционные зоны за насадком не обеспечивается, «дежурные» очаги горения не будут возникать в этих зонах, и переброс пламени с последующим воспламенением топливовоздушной смеси, в расположенных по кольцу смежных горелках, может быть затруднен.
Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания ГТД (авт. свидет. №1166568, кл. F23R 3/24), содержащая центральный воздушный канал с завихрителем воздуха и пусковой топливной форсункой, кольцевой воздушный канал с завихрителем воздуха и рабочую топливную форсунку с выходными отверстиями. Горелка снабжена вторым кольцевым каналом с камерой смешения, завихрителем и выходным соплом, расположенным между центральным и первым кольцевыми каналами, а рабочая форсунка расположена на входе второго канала. Такие горелки располагают по кольцу фронтового устройства камеры сгорания. Горелки имеют индивидуальную вихревую структуру течения за фронтовым устройством, хорошее перемешивание топлива с воздухом и обеспечивают интенсивное сжигание ТВС в относительно короткой жаровой трубе. Однако фронтовое устройство с кольцевым набором таких горелок не обеспечивает расширение диапазона устойчивой работы по срыву пламени во всем эксплуатационном диапазоне работы.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению, является топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания ГТД (патент РФ №2439435, F23R 3/28, 2006.01). Топливовоздушный модуль содержит систему подготовки и подачи жидкого топлива. Система состоит из пилотного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Пилотный контур включает центральную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенный относительно форсунки воздушный, ограниченный наружной стенкой, внутренний канал с завихрителем. Основной контур включает, расположенный над воздушным внутренним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками с радиальным лопаточным завихрителем на входе. С передней торцевой стенкой объединен кольцевой экран с острой кромкой, обращенной в сторону камеры сгорания. При этом перед экраном установлен кольцевой коллектор основного контура подачи топлива с магистралью подвода топлива на входе и системой распыливания топлива на выходе. Внутренний канал на выходе имеет форму диффузора с торцом наружной стенки - кольцевым стабилизатором пламени. Между экраном и наружной стенкой воздушного внутреннего канала коаксиально расположены воздушный средний канал с лопаточным завихрителем на входе и над ним канал системы распыливания топлива основного контура со шнеком. Причем выходы топливного канала и воздушного среднего канала последовательно направлены в сторону внутренней поверхности экрана. Участок перехода воздушного наружного канала из радиального в осевой выполнен плавным. За острой кромкой экрана средний и наружный воздушные каналы объединены в общий наружный канал.
Топливовоздушный модуль обеспечивает снижение в продуктах сгорания оксидов азота, монооксида углерода, несгоревших углеводородов и снижение дымления (сажеобразования). Однако техническое решение не обеспечивает гарантированного переброса пламени между смежными модулями фронтового устройства при розжиге кольцевой камеры сгорания ГТД.
В основу полезной модели положены следующие задачи:
- снижение в продуктах сгорания эмиссии оксидов азота;
- обеспечение гарантированного переброса пламени между смежными горелками фронтового устройства при розжиге кольцевой камеры сгорания ГТД, в том числе в высотных условиях;
- уменьшение неравномерности температурного поля перед сопловым аппаратом турбины.
Поставленные задачи решаются тем, что фронтовое устройство камеры сгорания малоразмерного ГТД содержит ряд горелок для подготовки и подачи в камеру топливовоздушной смеси. Каждая из горелок сформирована из пилотного и основного контуров подачи топлива и сопряженных с ними воздушных каналов. Горелка включает центральную форсунку с магистралью подвода пилотного топлива и коаксиально размещенные относительно форсунки, ограниченные внешними кольцевыми стенками, воздушные внутренний, средний и наружный каналы с завихрителями воздуха. Внутренний и средний воздушные каналы снабжены осевыми лопаточными завихрителями воздуха, а наружный канал - радиальным завихрителем.
Новым в полезной модели является то, что горелки расположены в кольцевой жаровой трубе равномерно по окружности. Центральная форсунка каждой горелки выполнена центробежной двухступенчатой. К первой ступени форсунки подключен пилотный контур, а ко второй ступени - основной контур подачи топлива. Радиальный завихритель воздушного наружного канала каждой горелки выполнен в виде кольцевого набора равнорасположенных по окружности сквозных прямоугольных щелей во внешней стенке наружного канала тангенциально к ее внутренней поверхности.
Кроме того, к магистрали подвода пилотного топлива перед входом в первую ступень каждой форсунки подключен дополнительный топливный канал. Выход дополнительного канала с центробежной форсункой на свободном конце размещен в наружном воздушном канале горелки.
При такой конструкции фронтового устройства камеры сгорания малоразмерного ГТД:
- расположение горелок в кольцевой жаровой трубе равномерно по окружности способствует равномерному распределению топлива в объеме жаровой трубы в окружном направлении и таким образом снижает неравномерность температурного поля в выходном сечении камеры сгорания ГТД;
- выполнение горелки центральной форсунки центробежной двухступенчатой, где к первой ступени подключен пилотный контур подачи топлива, а ко второй ступени - основной контур подачи топлива обеспечивает широкий диапазон изменения расходов топлива, характерный для многорежимного малоразмерного авиационного ГТД при хорошей мелкости капель топлива во всем диапазоне работы;
- выполнение радиального завихрителя каждой горелки в виде кольцевого набора равнорасположенных по окружности сквозных прямоугольных щелей во внешней стенке воздушного наружного канала тангенциально к ее внутренней поверхности усиливает вращение воздуха, создаваемого средним завихрителем и отбрасывает часть топлива, увлеченную этим воздухом к периферии жаровой трубы и к смежным горелкам, что способствует равномерному распределению топлива, улучшает условия для переброса пламени к смежным горелкам, снижает неравномерность температурного поля в выходном сечении камеры сгорания и эмиссию вредных веществ;
- подключение к магистрали подвода пилотного топлива перед входом в первую ступень каждой форсунки дополнительного топливного канала, выход которого с центробежной форсункой на свободном конце размещен в наружном воздушном канале горелки сокращает расстояние между топливными факелами, снижает неравномерность распределения топлива вблизи фронтового устройства в окружном направлении, улучшает условия переброса пламени к смежным горелкам при розжиге камеры, снижает неравномерность температурного поля в выходном сечении камеры и способствует снижению эмиссии вредных веществ из камеры сгорания ГТД.
Развитие совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано в дополнительных пунктах:
- размещение оси центробежной форсунки каждого дополнительного топливного канала на окружности расположения центральных осей горелок улучшает равномерность распределения топлива в окружном направлении, что уменьшает окружную неравномерность температурного поля в выходном сечении камеры, уменьшает размеры зон с повышенной температурой и снижает, таким образом, эмиссию оксидов азота;
- совмещение торца дополнительной форсунки с выходом радиального завихрителя воздушного наружного канала позволяет подать топливо в зону наибольших тангенциальных скоростей и способствует смещению средних и крупных капель топлива к периферии поперечного сечения жаровой трубы и к смежным горелкам. В результате улучшаются условия переброса пламени к смежным горелкам, что обеспечивает успешный розжиг камеры при запуске ГТД. Кроме того, снижается неравномерность распределения концентрации топлива в поперечном сечении жаровой трубы, что обеспечивает снижение эмиссии оксидов азота;
- направление закрутки завихрителей внутреннего и среднего воздушных каналов горелки должно быть противоположным. Это создает зону интенсивного турбулентного перемешивания при взаимодействии воздуха, выходящего из завихрителей и топлива, стекающего в виде пленки с наружной стенки внутреннего завихрителя. В результате формируется пригодная к горению топливовоздушная смесь, расширяются границы устойчивой работы камеры, создаются условия переброса пламени к смежным горелкам;
- направление закрутки кольцевого набора щелей во внешней стенке наружного воздушного канала и лопаток завихрителя среднего воздушного канала горелки должно быть выполнено в одну сторону. Это усиливает вращение воздуха, создаваемого средним завихрителем, увеличивает долю топлива, увлекаемого воздухом к периферии поперечного сечения жаровой трубы и к смежным горелкам, выравнивает распределение топлива в этом сечении и температурное поле, снижает эмиссию оксидов азота;
- расстояние между осями смежных горелок по дуге окружности должно определяться соотношением
t≤h,
где t - расстояние по дуге окружности между осями смежных горелок;
h - высота канала кольцевой жаровой трубы,
это соотношение основано на экспериментальных исследованиях, показывающих, что, если расстояние по дуге окружности между горелками больше высоты канала кольцевой жаровой трубы, то переброс пламени между горелками затруднен, особенно в высотных условиях при низкой температуре и низком давлении воздуха поступающего в камеру сгорания;
- внешние кольцевые стенки воздушных внутреннего и среднего каналов каждой горелки на выходе должны быть выполнены в виде внутренней части тора. Это позволяет сначала уменьшить проходное сечение каждого воздушного канала за завихрителем, а затем его увеличить. Уменьшение сечения приводит к возрастанию скорости воздуха в воздушном канале, созданию градиента изменения скорости, увеличивает интенсивность турбулентного течения, улучшая перемешивание топлива с воздухом. Последующее увеличение проходного сечения воздушного канала расширяет воздушный вихрь, направляя воздух вместе с частью содержащегося в нем топлива к периферии продольного сечения камеры сгорания. Кроме того, топливо, попадающее на внешнюю стенку внутреннего завихрителя стекает с нее примерно параллельно этой стенке вблизи выходного сечения внутреннего завихрителя, т.е. перемещается от оси горелки к ее периферии, в том числе к смежной горелке, улучшая условия розжига камеры, ее эмиссионные и температурные характеристики. Для обеспечения указанного технического эффекта внешние стенки внутреннего и внешнего завихрителей на выходе могут быть выполнены в виде каких-либо других поверхностей, например эллиптических или составных;
1
вн
- радиус R тороидальной поверхности внешней стенки внутреннего воздушного канала должен быть равен внешнему радиусу R выходного сечения завихрителя этого канала. Это условие, при котором явления, описанные в предыдущем пункте, приводят к возникновению за горелкой облака топливовоздушной смеси, воспламенение которой способствует быстрому перебросу пламени на смежные горелки, обеспечивая успешный розжиг камеры при запуске двигателя. На стационарных режимах работы камеры это условие совместно с условием, описанном ниже, ведет к снижению локальных температур газа и уменьшению эмиссии оксидов азота;
2
вн.ср.
- радиус R тороидальной поверхности внешней стенки среднего воздушного канала должен быть равен 0,6-0,75 внешнего радиуса К выходного сечения завихрителя этого канала. Эти условия работают совместно с условием предыдущего пункта, обеспечивают успешный розжиг камеры на стационарных режимах работы двигателя и снижают эмиссию вредных веществ;
1
вн
- длина L внешней стенки внутреннего воздушного канала должна быть равна 1,25-1,5R. Это условие, как и условие приведенное ниже, необходимо выполнять, чтобы предотвратить прогар стенок завихрителей на теплонапряженных режимах работы камеры, например на режиме, соответствующему взлетному режиму работы двигателя;
2
вн.ср.
- длина L внешней стенки среднего воздушного канала равна 0,75-0,9R. Это условие, аналогичное предыдущему условию и направлено на предотвращение прогара внешней стенки среднего завихрителя на теплонапряженных режимах работы камеры;
- каждая ступень центробежной форсунки горелки должна быть выполнена шнековой с винтовыми канавками. Использование центробежной форсунки позволяет получить хорошие характеристики распыла топлива на всех режимах работы камеры, включая розжиг камеры, теплонапряженные стационарные и переходные режимы работы двигателя.
Процесс предварительного смешения жидкого топлива с воздухом существенно зависит от мелкости распыливания топлива, испарения капель, степени и направления закрутки взаимодействующих потоков воздуха, а также расходов воздуха по каналам.
Так как при создании кольцевых камер сгорания малоразмерных ГТД приходится решать не только экологические проблемы, но и задачи обеспечения запуска камер сгорания и устойчивости их работы в широком диапазоне параметров, фронтовые устройства для разных камер сгорания будут отличаться распределением топлива между форсунками и параметрами закрутки воздуха по каналам горелок.
В связи с этим для решения всего комплекса проблем в одном случае окажется более благоприятной закрутка двух взаимодействующих потоков топливо-воздух или воздух - воздух в одном направлении, а в другом - в противоположных направлениях.
При вращении двух потоков воздуха в одном направлении крупные капли топлива отбрасываются наружу, мелкие к центру, а при вращении потоков воздуха в разных направлениях - улучшается мелкость распыливания пленки топлива с поверхности стенки, возрастает интенсивность турбулентного смешения в свободном слое взаимодействия двух потоков, но капли топлива остаются в слое, не распределяясь на все сечение канала. Испарение топлива в высокотемпературном воздухе сжатом в компрессоре двигателя вносит в процесс смешения свои особенности. Испаренное топливо будет хуже перемешиваться с окружающими его потоками воздуха, закрученными в одном направлении, и лучше с потоками воздуха закрученными в разных направлениях.
В зависимости от заданного диапазона режимных параметров и технических требований на технические характеристики двигателей горелки будут отличаться проходной площадью топливных и воздушных каналов, углами установки лопаток или щелей завихрителей.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи.
- снижена в продуктах сгорания эмиссия вредных оксидов азота;
- обеспечен гарантированный переброс пламени между смежными горелками фронтового устройства при розжиге кольцевой камеры сгорания ГТД, в том числе в высотных условиях;
- уменьшена неравномерность температурного поля перед сопловым аппаратом турбины.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции фронтового устройства кольцевой камеры сгорания малоразмерного ГТД и его работы со ссылкой, на иллюстрации, представленные на фиг. 1-4, где:
на фиг. 1 изображен продольный разрез фронтового устройства по горелке;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
на фиг. 3 - поперечный разрез Б-Б на фиг. 1;
на фиг. 4 - продольный разрез В-В на фиг. 1.
Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания 1 малоразмерного ГТД содержит ряд горелок 2 (см. фиг. 1, 2) для подготовки и подачи в камеру топливовоздушной смеси. Каждая из горелок 2 (см. фиг. 1) сформирована из пилотного и основного контуров 3 и 4 подачи топлива и сопряженных с ними воздушных каналов. Горелка включает (см. фиг. 1, 4) центральную форсунку 5 с магистралью 6 подвода пилотного топлива и коаксиально размещенные относительно форсунки 5, ограниченные внешними кольцевыми стенками 7, 8 и 9 соответственно воздушные внутренний, средний и наружный каналы 10, 11 и 12 с завихрителями воздуха. Причем внутренний и средний каналы 10 и 11 снабжены (см. фиг. 4) соответственно осевыми лопаточными завихрителями 13 и 14, а наружный канал 12 - радиальным завихрителем 15.
Горелки 2 расположены в кольцевой жаровой трубе 16 равномерно по окружности (см. фиг. 2). Центральная форсунка 5 каждой горелки 2 выполнена (см. фиг. 4) центробежной двухступенчатой с первой ступенью 17 и второй ступенью 18. К первой ступени 17 подключен пилотный контур 3 подачи топлива, а ко второй ступени 18 - основной контур 4 подачи топлива. Радиальный завихритель 15 воздушного наружного канала 12 каждой горелки 2 (см. фиг. 3) выполнен в виде кольцевого набора равнорасположенных по окружности сквозных прямоугольных щелей 19 во внешней стенке 9 наружного канала 12 тангенциально к ее внутренней поверхности. Кроме того, к магистрали 6 подвода пилотного топлива перед входом в первую ступень 17 каждой центральной форсунки 5 (см. фиг. 4) подключен дополнительный топливный канал 20, выход которого с центробежной форсункой 21 на свободном конце размещен в наружном воздушном канале 12 горелки 2. Ось центробежной форсунки 21 каждого дополнительного топливного канала 20 размещена (см. фиг. 2) на окружности 22 расположения центральных осей горелок 2. Торец дополнительной форсунки 21 совмещен (см. фиг. 4) с выходом радиального завихрителя 15 воздушного наружного канала 12. Направление закрутки завихрителей 13 и 14 соответственно внутреннего и среднего воздушных каналов 10 и 11 каждой горелки 2 противоположное. Направление закрутки кольцевого набора щелей 19 во внешней стенке 9 наружного воздушного канала 12 и лопаток завихрителя 14 среднего воздушного канала 11 горелки 2 выполнено в одну сторону. Расстояние между осями смежных горелок 2 по дуге окружности определяется (см. фиг. 2) по соотношению
t≤h,
где t - расстояние по дуге окружности между осями смежных горелок;
h - высота канала кольцевой жаровой трубы 16 (см. фиг. 1).
1
вн
2
вн.ср.
1
вн
2
вн.ср
Внешние кольцевые стенки 7 и 8 воздушных внутреннего и среднего каналов 10 и 11 каждой горелки 2 на выходе выполнены (см. фиг. 1, 4) в виде частей торов. Радиус R (см. фиг. 1) тороидальной поверхности внешней стенки 7 внутреннего воздушного канала 10 равен внешнему радиусу R выходного сечения завихрителя этого канала. Радиус R тороидальной поверхности внешней стенки 8 среднего воздушного канала 11 равен 0,6-0,75 внешнего радиуса К выходного сечения завихрителя этого канала. Длина L внешней стенки 7 внутреннего воздушного канала 10 равна 1,25-1,5R. Длина L внешней стенки 8 среднего воздушного канала 11 равна 0,75-0,9R. Каждая ступень центробежной форсунки горелки 2 выполнена шнековой с винтовыми канавками.
Фронтовое устройство камеры сгорания малоразмерного ГТД работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки жидкого топлива пилотного и основного контуров 3 и 4 горелки 2, которые обеспечивают предварительное перемешивание во внутреннем воздушном канале 10 и последующее распыливание топлива воздухом среднего и наружного каналов 11 и 12 с обеспечением малых размеров жидких капель.
В начальный момент времени (при запуске двигателя) через фронтовое устройство подают небольшой, но достаточный для пуска камеры сгорания 1, поток воздуха. Воздух из компрессора направляют в камеру сгорания 1 через воздушные каналы каждой горелки 2 фронтового устройства несколькими потоками (см. фиг. 1): через внутренний канал 10, коаксиальный каналу 10 средний канал 11 и радиально - осевой канал 12. Поток воздуха в канал 10 подают через завихритель 13 в сужающийся наконечник. Уменьшение сечения (сужение наконечника) приводит к увеличению скорости потока закрученной струи воздуха, выходящей из завихрителя 13, и повышает воздействие воздуха на распыление топлива, выходящего из форсунки 5.
При розжиге камеры топливо подается по магистрали 6 в пилотный контур 3 и далее в первую ступень 17 форсунки 5. Одновременно для улучшения переброса пламени во внешний воздушный канал 12 каждой горелки 2 через канал 20 (см. фиг. 4) и центробежную форсунку 21 подается дополнительное топливо. Топливо в одной из горелок 2 воспламеняется электрической свечой или другим воспламенителем (не показано). После этого пламя перебрасывается на смежные горелки вплоть до успешного розжига камеры, то есть на все горелки. Канал 20 через форсунку 21 уменьшает расстояние между топливными факелами смежных горелок 2, обеспечивая успешный розжиг камеры в земных и высотных условиях.
Следует отметить, что часть топлива из форсунки 5 попадает на внутреннюю поверхность наконечника внешней стенки 7, прилипает к этой поверхности и образует пелену, стекающую с поверхности наконечника стенки 7 почти по касательной, уменьшая неравномерность распределения концентрации топлива в поперечном сечении жаровой трубы. Попадая в зону усиленной турбулентности воздушного потока, это топливо из-за больших градиентов скорости, вызванных противоположной закруткой потока воздуха в осевых завихрителях 13 и 14, интенсивно смешивается с воздухом в этой зоне.
После успешного розжига камеры включается вторая (основная) ступень 18 топливной форсунки 5 и расход топлива увеличивается вплоть до выхода на первый стационарный режим работы. Одновременная подача топлива в первую ступень 17, вторую ступень 18 и в дополнительный канал 20 позволяет снизить окружную неравномерность распределения топлива в поперечном сечении камеры сгорания 1, снижая тем самым неравномерность поля температуры и эмиссию оксидов азота на стационарных и переходных режимах работы камеры сгорания.