ЖАРОВАЯ ТРУБА КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и может найти применение в турбомашиностроении, в частности в авиадвигателестроении для снижения эмиссии окислов азота.
Известна жаровая труба кольцевой камеры сгорания ГТД [А.Левевр, Процессы в камерах сгорания ГТД, Москва, «Мир», 1986, стр.25], содержащая стенку фронта, с установленными на ней фронтовыми устройствами (горелками). На наружной и внутренней стенках выполнены по три ряда отверстий для подвода воздуха в жаровую трубу. Расстояние между первым и третьим рядом более одной высоты жаровой трубы.
В такой конструкции топливовоздушная смесь, поступающая в зону горения из фронтовых устройств имеет неравномерную концентрацию, что приводит к возникновению локальных участков с высокими температурами, которые являются причиной повышенного уровня окислов азота в продуктах сгорания. К недостаткам указанной камеры сгорания также следует отнести большое расстояние между первым и третьим рядами отверстий (выполняется больше одной высоты жаровой трубы), которое приводит к значительному времени пребывания топливовоздушной смеси в зоне высоких температур, что также повышает уровень окислов азота в продуктах сгорания.
Известна жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя [Патент США 6240731 В1, опубл. 05.07.2001], содержащая стенку фронта, с установленными на ней фронтовыми устройствами (горелками), наружную и внутреннюю стенки, на которых выполнено, по крайней мере по ряду отверстий. При этом расстояние от стенки фронта до центров отверстий составляет не менее трех четвертей высоты жаровой трубы. Такое расстояние от стенки фронта до отверстий обеспечивает получение
равномерной концентрации топливовоздушной смеси и соответственно равномерной температуры на участке горения перед отверстиями.
Недостатком этой конструкции является то, что количество, размер и расположение отверстий определяются, исходя из возможности получения заданного коэффициента избытка воздуха в этом участке горения камеры сгорания. Такой подход может привести к получению значительных расстояний между отверстиями в рядах и, соответственно, к неравномерности концентрации топливовоздушной смеси, являющейся причиной увеличения уровня окислов азота в продуктах сгорания.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является обеспечение снижения уровня окислов азота в продуктах сгорания, за счет определения оптимального количества, размеров и расположения отверстий в рядах на наружной и внутренней стенках жаровой трубы.
Технический результат достигается тем, что жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит стенку фронта, с установленными на ней фронтовыми устройствами (горелками), наружную и внутреннюю стенки, на которых выполнено по крайней мере, по ряду отверстий. При этом расстояние от стенки фронта до центров отверстий составляет не менее трех четвертей высоты жаровой трубы.
Новым в полезной модели является то, что отверстия в ряду расположены равномерно и их количество не меньше трехкратного количества фронтовых устройств (горелок), при этом площадь каждого отверстия соответствует площади круглого отверстия с диаметром 0,05-0,20 высоты жаровой трубы.
Для выполнения оптимального количества отверстий и соблюдения при этом минимально допустимого расстояния между отверстиями по условиям прочности, по крайней мере, на одной из стенок могут быть выполнены последующие ряды с таким же количеством отверстий, что и в
первых рядах, при этом отверстия последующего ряда располагают в шахматном порядке относительно отверстий первого ряда и расстояние между окружностями, проходящими через центры отверстий первого и последующего рядов не должно превышать двух расстояний между центрами соседних отверстий первого ряда.
Для снижения температуры в самых богатых топливом зонах, т.е. в следе за фронтовыми устройствами, в каждой плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и оси фронтовых устройств располагают центр одного из отверстий первого или последующего рядов.
На прилагаемых чертежах изображено:
Фиг.1 - Жаровая труба кольцевой камеры сгорания ГТД, имеющая на внутренней и наружной стенках по два ряда отверстий.
Фиг.2 - Вид А фиг.1.
Фиг.3 - Вид Б фиг.1.
Предлагаемая жаровая труба 1 кольцевой камеры сгорания ГТД, содержит стенку фронта 2, с установленными на ней фронтовыми устройствами (горелками) 3, наружную 4 и внутреннюю 5 стенки, на каждой из которых выполнено по ряду отверстий 6 на наружной стенке 4, и 7 внутренней стенке 5. Расстояние от стенки фронта 2 до центров отверстий рядов 6 и 7 составляет не менее трех четвертей высоты жаровой трубы.
Количество отверстий в рядах 6 и 7 выполнено равным трехкратному количества фронтовых устройств (горелок) 3. Площадь каждого отверстия соответствует площади круглого отверстия с диаметром 0,05-0,20 высоты жаровой трубы 1.
Для получения оптимального количества отверстий на каждой стенке, в рассматриваемом примере (фиг.1) оно равно шестикратному количеству фронтовых устройств (горелок) 3, и соблюдения при этом минимально допустимого расстояния между отверстиями по условиям прочности, выполнены последующие ряды 8 и 9 на наружной стенке 4 и внутренней
стенке 5 соответственно, с таким же количеством отверстий, что и в рядах 6 и 7.
Отверстия в рядах 8 и 9 расположены в шахматном порядке относительно отверстий рядов 6 и 7 соответственно. Расстояние между сечениями, проходящими через центры отверстий рядов 6 и 7 и рядов 8 и 9 меньше двух расстояний между центрами соседних отверстий рядов 6 и 7 соответственно. Часть центров отверстий рядов 8 и 9 расположена в плоскостях, проходящих через ось 10 жаровой трубы 1 и оси 11 фронтовых устройств (горелок) 3.
Жаровая труба 1 кольцевой камеры сгорания ГТД, представленная на фиг.1, работает следующим образом.
Через фронтовые устройства (горелки) 3 в жаровую трубу 1 подается т топливо и воздух, участвующий в начальном этапе процесса горения. Дополнительный воздух для поддержания процесса горения подводится через отверстия рядов 6, 7, 8 и 9.
На начальном этапе процесса горения, за счет того что расстояние от фронтовой стенки 2 до отверстий ряда 6 и 7 достаточно велико (больше трех четвертей высоты жаровой трубы 1), обеспечивается получение топливовоздушной смеси равномерной концентрации и, соответственно, равномерной температуры продуктов горения в сечении жаровой трубы перед рядами отверстий 6 и 7.
Для поддержания и оптимизации процесса горения в жаровую трубу через отверстия рядов 6, 7, 8 и 9 к продуктам горения и несгоревшему топливу подводится дополнительный воздух. В данной конструкции количество отверстий выполнено равным шестикратному количеству фронтовых устройств (горелок) на каждой стенке, т.е. количество отверстий в каждом ряду равно трехкратному количеству фронтовых устройств. При этом площади каждого отверстия соответствуют площади круглого отверстия с диаметром 0,05-0,20 высоты жаровой трубы 1. Такое
количество и размер отверстий обеспечивают поддержание равномерной температуры продуктов горения в этом участке горения.
Поскольку расстояние между отверстиями рядов 6 и 7 и рядов 8 и 9 выполнено достаточно малым (меньше двух расстояний между центрами соседних отверстий первых рядов 6 и 7) и отверстия в рядах 8 и 9 расположены в шахматном порядке относительно отверстий в рядах 6 и 7, то возможное возникновение в этом участке локальных зон с высокими температурами, количество и размеры которых, в основном, и определяют уровень образования окислов азота в продуктах сгорания, нивелируется.
Кроме того, расположение центров некоторых отверстий 7 и 9 рядов в плоскостях, проходящих через ось 10 жаровой трубы и оси 11 фронтовых устройств 3 (горелок), т.е. в следе за фронтовыми устройствами, где могут возникать избытки топлива, дополнительно обеспечивает снижение температуры продуктов сгорания, и соответственно снижение уровня окислов азота в продуктах сгорания.
Сравнительные результаты испытаний по замеру выбросов NOx на двигателе с различными вариантами жаровых труб представлены в таблице.
Параметр
Опытный вариант №1
Опытный вариант №2
Опытный вариант №3
Отношение расстояние от стенки фронта до отверстий к высоте жаровой трубы
0,50
0,77
0,77
Количество отверстий в первом ряду на наружной стенке на одно фронтовое устройство
2
3
3
Количество отверстий в первом ряду на внутренней стенке на одно фронтовое устройство
2
3
3
Количество отверстий во втором ряду на наружной стенке на одно фронтовое устройство
1
3
-
Количество отверстий во втором ряду на внутренней стенке на одно фронтовое устройство
1
3
3
Отношение диаметра отверстия первого ряда на наружной стенке относительно высоты жаровой трубы
0,10
0,08
0,11
Отношение диаметра первого ряда на внутренней стенке относительно высоты жаровой трубы
0,09
0,07
0,07
Отношение диаметра отверстия второго ряда на наружной стенке относительно высоты жаровой трубы
0,23
0,14
-
Отношение диаметра отверстия второго ряда на внутренней стенке относительно высоты жаровой трубы
0,23
0,14
0,14
Отношение количества отверстий второго ряда к количеству отверстий первого ряда на наружной стенке
0,5
1
-
Отношение количества отверстий второго ряда к количеству отверстий первого ряда на внутренней стенке
0,5
1
1
Расположение отверстий второго ряда наружной стенки относительно первого ряда
в шахматном порядке
в шахматном порядке
-
Расположение отверстий второго ряда внутренней стенки относительно первого ряда
в шахматном порядке
в шахматном порядке
в шахматном порядке
Расстояние между сечениями, проходящими через центры отверстий первого и последующего рядов наружной стенки (в расстояниях между центрами соседних отверстий первого ряда)
1,72
0,50
-
Расстояние между сечениями, проходящими через центры отверстий первого и последующего рядов внутренней стенки (в расстояниях между центрами соседних отверстий первого ряда)
2,46
0,70
0,70
Расположение в плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и оси фронтовых устройств одного из отверстий первого или последующего рядов на наружной стенке
отсутствует
имеется
имеется
Расположение в плоскости, проходящей через ось жаровой трубы и оси фронтовых устройств одного из отверстий первого или последующего рядов на внутренней стенке
имеется
имеется
имеется
Уровень NOx, ppm
95
60
53
Предлагаемая конструкция с заявленным количеством, размерами и расположением отверстий обеспечивает снижение количества окислов азота NOx в продуктах сгорания ≈40%.