Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе
DEVICE FOR FUEL COMBUSTION IN GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к устройствам для сжигания топлива, и может быть использовано в основных камерах сгорания (ОКС) газотурбинных двигателей (ГТД).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для сжигания топлива в ГТД, которое содержит наружный и внутренний корпус, образующие кольцевую полость, в которой установлены неподвижные и подвижные разделители потока, образующие чередующиеся первичные и вторичные каналы на наружном корпусе кольцевой полости. В каждом первичном канале выполнены симметричные прямоугольные вырезы, соответствующие его размеру, с проходящими через них неподвижными разделителями потока, а также в торцевой части кольцевой полости дополнительно установлены два кольца с возможностью вращения вокруг продольной оси, диаметр одного из которых соответствует диаметру наружного корпуса, второго - диаметру внутреннего корпуса, при этом на наружном кольце выполнены 2N прорези, где N - натуральное четное число, соответствующее количеству первичных каналов, в каждом первичном канале установлены по две выполненные по профилю крыла пластины, шарнирно закрепленные на внутреннем кольце, с возможностью перемещения вокруг продольной оси двигателя по прорезям на наружном кольце и вокруг своей центральной оси. Длина прорези соответствует ходу пластины от минимального до максимального размера первичного канала, а так же в каждом первичном канале установлены уголковые стабилизаторы пламени с углом раскрытия 55-60 градусов по направлению потока, которые жестко закреплены на наружном и внутреннем кольцах равноудаленно по окружности, при этом точка крепления на наружном кольце находится между прорезями соответствующего канала (см. «Устройство для сжигания топлива в высокотемпературном газотурбинном двигателе», Патент RU№2531477, МПК. F23R, опубл. 20.10.2014 г., Бюл. №29).
Недостатками прототипа являются:
- высокая неравномерность поля температур в выходном сечении камеры сгорания в осевом и радиальном направлении, обусловленная формой проходных окружных площадей между элементами проточной части;
- увеличение потребной длины камеры сгорания, связанное с тем, что воздух делится на первичный и вторичный потоки по секторам, в соотношении, определяемом углом установки подвижных разделителей потока, что в свою очередь увеличивает длину зоны смешения;
- высокая вероятность прогара наружного и внутреннего корпусов камеры сгорания в зонах первичных каналов, в связи с горением топливовоздушной смеси в их непосредственной близости.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для сжигания топлива, содержащем наружный и внутренний корпус, образующие кольцевую полость, устройство разделения воздуха и уголковый стабилизатор пламени, согласно изобретению устройство разделения рабочего тела установлено перед кольцевой полостью и состоит из наружной и внутренней обечайки, наружного и внутреннего экранов-разделителей потока, при этом наружная обечайка представляет собой тело вращения относительно продольной оси двигателя, выходной диаметр которой равен диаметру наружного корпуса, а входной и выходной диаметры выбраны в соотношении 0,7…0,9, внутренняя обечайка представляет собой тело вращения относительно продольной оси двигателя, выходной диаметр которой равен диаметру внутреннего корпуса, а входной и выходной диаметры выбраны в соотношении 1,1…1,4, внутренняя и внешняя обечайки соединены между собой продольными силовыми пластинами в количестве N≥3, где N - натуральное число, расположенными в радиальном направлении и проходящими на 1/3 глубины кольцевой полости, так же на силовых пластинах выполнены прорези в осевом направлении, наружный и внутренний экраны-разделители потока имеют возможность перемещения вдоль продольной оси двигателя по прорезям силовых пластин и выполнены по форме сектора тела вращения относительно продольной оси двигателя, ограниченного близлежащими силовыми пластинами, при этом входной диаметр наружного экрана-разделителя потока относится ко входному диаметру наружной обечайки в соотношении 0,95…0,7, а выходной и входной диаметры выбраны в соотношении 1,1…1,4, входной диаметр внутреннего экрана-разделителя потока относится ко входному диаметру внутренней обечайки в соотношении 1,05…1,3, а выходной и входной диаметры выбраны в соотношении 0,7…0,9, уголковый стабилизатор пламени выполнен в форме сектора тела вращения относительно продольной оси двигателя, ограниченного близлежащими продольными силовыми пластинами, и установлен посередине между экранами-разделителями потока с возможностью перемещения вдоль продольной оси двигателя по прорезям силовых пластин.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для сжигания топлива в газотурбинном двигателе, содержащем наружный и внутренний корпус, образующие кольцевую полость, уголковый стабилизатор пламени и устройство разделения воздуха, которое установлено перед кольцевой полостью и состоит из наружной и внутренней обечаек, наружного и внутреннего экранов-разделителей потока, при этом наружная обечайка и внутренняя обечайка представляют собой тела вращения относительно продольной оси двигателя, которые соединены между собой продольными силовыми пластинами, расположенными в радиальном направлении, так же на силовых пластинах выполнены прорези в осевом направлении, наружный и внутренний экраны-разделители потока имеют возможность перемещения вдоль продольной оси двигателя по прорезям силовых пластин и выполнены по форме сектора тела вращения относительно продольной оси двигателя, ограниченного близлежащими силовыми пластинами, уголковый стабилизатор пламени выполнен в форме сектора тела вращения относительно продольной оси двигателя, ограниченного близлежащими продольными силовыми пластинами, и установлен между экранами-разделителями потока с возможностью перемещения вдоль продольной оси двигателя по прорезям силовых пластин, что обеспечивает выравнивание поля скоростей по проточной части устройства, за счет симметричного расположения элементов в ней, что в свою очередь приводит к выравниванию поля температур на выходе из ОКС, уменьшает ее потребную длину, а образованные вторичные каналы обеспечивают охлаждение наружного и внутреннего экранов-разделителей потока. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Схема построения устройства приведена на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлен продольный разрез ОКС, где обозначено: 2-1 - наружная обечайка и 2-2 - внутренняя обечайка, образующие входной расширяющийся канал, переходящий в кольцевой канал, образованный 1-1-наружным корпусом и 1-2-внутренним корпусом, 4 - силовые пластины, имеющие 6-3-прорези для перемещения 5-уголкового стабилизатора пламени, 6-1 - прорези для перемещения 3-1-наружного экрана-разделителя потока и 6-2-прорези для перемещения 3-2-внутреннего экрана-разделителя потока. Положение наружного экрана-разделителя потока 3-1, внутреннего экрана-разделителя потоков 3-2 и уголкового стабилизатора пламени 5 соответствуют максимальному режиму работы двигателя (сплошные линии) и минимальному режиму работы двигателя (прерывистые линии).
На фиг. 2 представлен вид спереди устройства для сжигания топлива, на котором обозначены: 4 - силовые пластины, внутренний корпус 1-2, внутренняя обечайка 2-2, уголковый стабилизатор пламени 5, наружная обечайка 2-1, наружный корпус 1-1, наружный 3-1 и внутренний 3-2 экраны-разделители потока.
На фиг. 3а представлен вариант реализации совместного перемещения вдоль продольной оси двигателя уголкового стабилизатора пламени 5, наружного 3-1 и внутреннего 3-2 экрана-разделителя потоков, которые соединены через 9-крепления с 8-системой тяг, которая в свою очередь приводится в движение 7-гидроприводом, который может быть выполнен, например [Ю.П. Тихомиров, «Системы управления авиационных силовых установок», Издательство Военно-воздушной академии им. профессора H.Е. Жуковского, 2003 год, с. 341].
На фиг. 3б представлен разрез силовой пластины по уровню прорези в ней, на котором обозначено: система тяг 8, прорезь 6-3 для перемещения уголкового стабилизатора пламени 5 и силовая пластина 4.
Наружная обечайка представляет собой тело вращения относительно продольной оси двигателя, выходной диаметр которой равен диаметру наружного корпуса, а входной и выходной диаметры выбраны в соотношении 0,7…0,9, внутренняя обечайка представляет собой тело вращения относительно продольной оси двигателя, выходной диаметр которой равен диаметру внутреннего корпуса, а входной и выходной диаметры выбраны в соотношении 1,1…1,4, внутренняя и наружная обечайки могут быть соединены между собой продольными силовыми пластинами аэродинамического профиля в количестве N≥3, где N - натуральное число, расположенными в радиальном направлении и проходящими на 1/3 глубины кольцевой полости, так же на силовых пластинах выполнены прорези в осевом направлении, наружный и внутренний экраны-разделители потока имеют возможность перемещения вдоль продольной оси двигателя по прорезям силовых пластин с помощью гидропривода и выполнены по форме сектора тела вращения относительно продольной оси двигателя ограниченного близлежащими силовыми пластинами, при этом входной диаметр наружного экрана-разделителя потока относится ко входному диаметру наружной обечайки в соотношении 0,95…0,7, а выходной и входной диаметры выбраны в соотношении 1,1…1,4, входной диаметр внутреннего экрана-разделителя потока относится ко входному диаметру внутренней обечайки в соотношении 1,05…1,3, а выходной и входной диаметры выбраны в соотношении 0,7…0,9, уголковый стабилизатор пламени выполнен в форме сектора тела вращения относительно продольной оси двигателя ограниченного близлежащими продольными силовыми пластинами, и установлен посередине между экранами-разделителями потока с возможностью перемещения вдоль продольной оси двигателя по прорезям силовых пластин. Элементы конструкции камеры сгорания могут быть выполнены из конструкционных материалов, обладающих высокой жаропрочностью и жаростойкостью.
Устройство работает следующим образом: воздух, подводимый в устройство для сжигания топлива, разделяется на первичный и вторичный в соотношении, определяемом пропускной способностью первичного канала, образованного между внутренним 3-2 и наружным 3-1 экранами-разделителями потока и вторичного канала, образованного наружным 3-1 и внутренним 3-2 экраном-разделителем потока и соответствующими им наружной 2-1 и внутренней 2-2 обечайкой. Процесс сжигания топлива осуществляется в первичных каналах путем его подвода и стабилизации пламени посредством уголкового стабилизатора пламени 5.
При работе газотурбинного двигателя на режимах повышенной мощности подвижные экраны-разделители потока максимально приближены к началу кольцевого расширяющегося канала с условием обеспечения достаточного расхода воздуха через вторичные каналы, для обеспечения эффективного охлаждения экранов-разделителей потока, при этом большая часть воздуха перераспределяется в первичные каналы, где за уголковым стабилизатором пламени 5 образуется интенсивная зона обратных токов, в которой происходит процесс сжигания топливовоздушной смеси. При переходе на режимы пониженной мощности подвижные экраны-разделители потока, совместно с уголковым стабилизатором пламени 5 перемещаются вдоль продольной оси двигателя, тем самым увеличивая вторичные проходные сечения, вследствие чего расход воздуха перераспределяется в пользу вторичного. Перемещение наружного 3-1, внутреннего 3-2 экранов-разделителей потока и уголкового стабилизатора пламени 5 осуществляется по прорезям в силовых пластинах 6-1, 6-2 и 6-3 соответственно, посредством гидропривода 7 системой тяг 8.
Данное устройство, предназначенное для сжигания топлива в ГТД, позволяет интенсифицировать процесс смешения топливовоздушной смеси и стабилизировать поле скоростей в проточной части за счет воздействия на структуру течения воздуха, а так же расширить диапазон устойчивой работы ОКС ГТД.