ТОПЛИВНЫЙ ИНЖЕКТОР КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
FUEL ELEMENT OF GAS TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER (VERSIONS), GAS TURBINE ENGINE AND METHOD OF ITS FUNCTIONING

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, к средствам впрыска топлива в камеру сгорания таких двигателей.
Камера сгорания газотурбинного двигателя конструктивно располагается между отсеком сжатия, из которого поступает сжатый воздух, и турбинным отсеком, в который из нее поступает горячий воздух. Камера сгорания, как правило, размещается внутри кольцевой полости, границами которой являются внешний радиально расположенный кожух и внутренняя радиально расположенная стенка, обеспечивающая защиту валов двигателя. В соответствии со способом осуществления, который основывается на достигнутом уровне техники, камера, в которой производится сгорание также размещается между двумя соосно расположенными внутренним и внешним кожухами, удерживаемыми на расстоянии от двух вышеупомянутых стенок посредством соответствующих фланцев или опор. Головка камеры в своей передней части (со стороны компрессора) снабжена входным обтекателем, через который поток падающего воздуха на выходе диффузора направляется частично внутрь камеры, где производится первичное сгорание, частично обтекая камеру, в ее заднюю часть. Средства впрыска топлива сопряжены с дефлекторами, направляющими поток воздуха и обеспечивающими образование вихревого потока топливно-воздушной смеси, которая поступает в камеру через отверстия, выполненные в головке камеры, которая также содержит дефлекторы, регулирующие перемещение карбюрированного воздуха.
Данная система не позволяет добиться оптимального сгорания на всех рабочих режимах, поскольку условия работы в режиме малого газа и на полную мощность отличаются. Для улучшения функционирования камеры сгорания в различных режимах и выполнения требований по уменьшению выброса загрязняющих веществ изыскиваются возможности ограничения связанного с температурой пламени образования, с одной стороны, отходов несгоревших частиц топлива ввиду очень высокой насыщенности смесей углеводородом, с другой стороны, окиси азота.
Специалистами были предложены конструкции камеры сгорания со смесителями для работы соответственно в режимах малого газа и на полную мощность. Например, известна двойная кольцевая камера сгорания с радиальным ступенчатым расположением смесителей, позволяющих формировать различные зоны горения путем подачи топлива в зависимости от требуемого режима. При работе в режиме малого газа топливо подается только во внешние радиально расположенные смесители, которые формируют зоны первичного горения в режиме малого газа. При работе в режиме на полную мощность топливо подается во внутренние радиально расположенные смесители для обеспечения их оптимального сгорания.
Осуществлялась также разработка камер сгорания, снабженных смесителями двойных кольцевых вихреобразных газовых потоков. В таком смесителе топливо, подаваемое центральным направляющим инжектором, смешивалось с первым вихревым кольцевым потоком воздуха и поступало в первую зону горения, обеспечивающую режим малого газа. Смеситель включает в себя устройство дополнительного впрыска, имеющее кольцеобразную форму и устанавливаемое соосно с первым смесителем, которое осуществляет радиальную подачу топлива во второй воздушный поток, совершающий вихревое перемещение соосно первому потоку. Данный второй инжектор снабжается в зависимости от мощности, которую необходимо развить двигателю. Описание примера такого устройства приводится в патенте US 6484489.
В патенте ЕР 1531305 описано устройство многоточечного впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащее определенное количество сопел впрыска топлива, которые располагаются, по меньшей мере, в два ряда, например, концентрично со средствами, управляющими процессом подачи топлива отдельно в каждый из рядов. Каждое сопло содержит канал со средствами, например спиралевидными элементами, которые служат для формирования вихревого потока. Данное устройство позволяет поддерживать температуру пламени в каждом ряду сопел и позволяет уменьшить выброс загрязняющих газов.
Задачей настоящего изобретения является изготовление топливного инжектора, обеспечивающего ступенчатое сгорание, т.е. позволяющего создавать зону горения в режиме малого газа и зону основного горения, которые соответствовали бы постоянно ужесточающимся требованиям по выбросу загрязняющих веществ.
Данная задача решается топливным инжектором камеры сгорания газотурбинного двигателя, который содержит первый трубопровод подачи топлива, обеспечивающий работу в режиме малого газа, и второй основной трубопровод подачи топлива, обеспечивающий работу в других режимах, включая режим работы на полную мощность, а также первые впускные отверстия для работы в режиме малого газа и вторые основные впускные отверстия, с которыми два питательных трубопровода соединяются соответствующим образом и через которые осуществляется впрыск топлива. Указанный топливный инжектор отличается тем, что впускные отверстия располагаются в виде кольца, при этом первые отверстия занимают сектор вышеупомянутого кольца. Инжектор содержит определенное количество (n1>2) впускных отверстий, обеспечивающих работу в режиме малого газа, и определенное количество (n2>2) основных впускных отверстий в соотношении n1/n2<1.
При этом, если в известном из уровня техники устройстве поток первичного воздуха обтекает зону горения для обеспечения работы в режиме малого газа и в определенной степени прикрывает ее, то предлагаемое в изобретении решение позволяет создать зону горения, обеспечивающую работу в режиме малого газа, которая не прикрывается потоком первичного воздуха, при этом отмечается улучшенное распространение пламени в боковых направлениях.
Предпочтительно, чтобы в зависимости от расхода при работе в режиме малого хода и других режимах, в том числе на полную мощность, соотношение составляло n1/n2≤1/2, а именно n1/n2≤1/3. Например, в случае, если диметр φ1 (мм) отверстий, обеспечивающих работу в режиме малого газа, составляет 0,5<φ1<0,8, а диаметр φ2 основных впускных отверстий - 0,8<φ2<1,2, то их количество может составлять n1=4, n2=8.
Предпочтительно, чтобы инжектор содержал центральный канал снабжения первичным воздухом, а впускные отверстия располагались вокруг данного канала, формируя канал первичного воздуха. Предпочтительно также, чтобы инжектор содержал часть, образующую кольцевой дозатор, в котором, по меньшей мере, определенная часть отверстий впрыска топлива размещалась на поперечно расположенной пластине. Пластина, образующая экран с просверленными в нем отверстиями предварительного перемешивания, устанавливается напротив, по меньшей мере, определенной части отверстий впрыска топлива. В частности, вышеупомянутые отверстия предварительного перемешивания располагаются таким образом, чтобы они могли продуваться потоком первичного воздуха с целью осуществления предварительного перемешивания первичного воздуха с топливом, поступающим через впускные отверстия. Такое решение позволяет производить предварительное перемешивание топлива с воздухом непосредственно на выходе из инжектора.
Для обеспечения эффективного перемешивания центральный канал снабжен спиралевидным элементом, посредством которого поступающему в канал воздуху придается вращательное относительно оси движение.
Предпочтительно также, чтобы инжектор содержал кольцевой канал снабжения вторичным воздухом, располагающийся соосно с кольцом, образуемым отверстиями впрыска топлива. В частности, в пластине, образующей экран, высверливаются отверстия для предварительного перемешивания вторичного воздуха с топливом, поступающим через впускные отверстия.
Предпочтительно также, чтобы кольцевой канал вторичного воздуха содержал спиралевидный элемент.
Настоящее изобретение относится также к газотурбинному двигателю, содержащему кольцевую камеру сгорания с инжекторами согласно предлагаемому изобретению, устанавливаемыми вокруг оси камеры сгорания, сектора впрыска топлива при работе в режиме малого газа которых имеют внешнее относительно оси камеры сгорания радиальное расположение.
Процесс функционирования двигателя при работе в режиме малого газа заключается в снабжении только одного трубопровода, обеспечивающего работу в режиме малого газа и позволяющего формировать внешнюю радиальную кольцевую зону горения, состоящую из зон горения каждого инжектора. Благодаря такому размещению данные зоны находятся в непосредственной близости от свечей, которые обеспечивают эффективное воспламенение.
Другие особенности и преимущества изобретения станут более понятными при ознакомлении с описанием варианта его осуществления, носящим неограничительный характер, и приводимым со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает выполненный по оси разрез камеры сгорания, устанавливаемой на находящихся в эксплуатации газотурбинных двигателях;
Фиг.2 - в схематичном виде выполненный по оси разрез (вид сбоку) инжектора согласно изобретению;
Фиг.3 - вид спереди инжектора по линии III-III;
Фиг.4 - принципиальную схему предварительного перемешивания топлива с падающим воздухом.
Камера сгорания 1 газотурбинного двигателя, в котором используется инжектор согласно изобретению, имеет кольцеобразную форму и устанавливается, как известно, вдоль оси камеры между цилиндрическими внешним кожухом 2 и внутренним кожухом 3. Таким образом, между кожухом 2 и кожухом 3 образуется кольцевое пространство, которое в своей передней части (определяемой относительно направления истечения газов) открыто в сторону диффузора 4, который соединен с последней ступенью компрессора (не показан). Задняя часть камеры открыта в сторону первой ступени турбины (не показана), на которую подаются поступающие из камеры горячие газы. Камера состоит из внешней 5 и внутренней стенок 6, имеющих форму обечаек в сборе и прикрепляемых посредством соответствующих фланцев к элементам кожуха. Границей передней части камеры является стенка 7 головки камеры, имеющей поперечное относительно направления перемещения в камере газов расположение. Данная стенка 7 содержит круглые осевые отверстия, в которые подается топливо и воздух первичного горения. Часть этого воздуха и топливо смешиваются в смесителях 8, каждый из которых соединен с одним из круглых отверстий. Данные смесители размещаются в обтекателях 9, направляющих поток воздуха, поступающий из диффузора 4. Как правило, они содержат осевые и (или) радиальные спиральные элементы, посредством которых воздух подается, приводится во вращательное движение и приобретает характер вихревого потока. На этом уровне производится впрыск топлива в существующий в каждом смесителе вихревой поток путем применения топливного инжектора 10, который распыляет его в виде мелких частиц. Последние перемешиваются с воздухом, поступающим через спиралевидные элементы. Образованная таким образом смесь подается в камеру. В рассматриваемом примере головка камеры содержит дополнительные отверстия с дефлекторами 11. Отмечается наличие свечи 13, радиально установленной и закрепленной на кожухе 2, конец которой, выйдя за пределы отверстия, располагается на уровне внешней стенки 5 камеры сгорания. Свеча размещается по оси на определенном (размеры устанавливаются соплом выброса топлива) расстоянии от головки камеры, обеспечиваюшем воспламенение топливно-воздушной смеси.
Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение выброса загрязняющих веществ в режиме малого газа путем создания зоны горения при работе в режиме малого газа, а также возможности повторного зажигания.
На фиг.2 изображен пример инжектора согласно настоящему изобретению.
Инжектор 100 включает в себя пустотелую часть 102, устанавливаемую на опорной металлической пластине 104, посредством которой он крепится к соответствующей опоре на камере сгорания. Продолжением пустотелой части является элемент, образующий дозатор 106 топлива, имеющий кольцеобразную форму и закрываемый поперечно располагаемой стенкой 106'. Ось XX данного дозатора 106 совпадает с осью впрыска топлива в камеру сгорания. Первый и второй, соответственно 108 и 110, трубопроводы подачи топлива размещаются в инжекторе и соединяются с соответствующими питательными линиями через опорную металлическую пластину 104. Трубопроводы 108 и 110 устанавливаются в дозаторе 106. Каждый трубопровод обеспечивает снабжение соответственно коллекторов 109 и 110. Коллекторы открыты в сторону задней части, соответственно, через отверстия 112 и 113, которые просверлены в поперечной стенке 106' дозатора 106.
Кольцевой дозатор образует цилиндрический центральный канал 101, располагаемый по оси XX, передний и задний края которого открыты. Данный канал 101 первичного воздуха включает в себя спиралевидный элемент 116 осевого истечения воздуха, содержащий радиально расположенные лопатки, обеспечивающие вращательное вокруг оси движение первичного воздуха, который подается в этот канал через переднее отверстие.
На дозаторе 106 устанавливается элемент 115 предварительного перемешивания. Часть данного элемента 115 имеет форму муфты 115А, которая разделяет кольцевой канал 103 вторичного воздуха с располагаемой по оси XX цилиндрической частью дозатора 106. В передней части канал имеет открытые края и содержит спиралевидный элемент 117 с входящими в его состав радиально расположенными лопатками. Спиралевидный элемент предназначен для ускорения прохождения через него потока воздуха, совершающего при этом вращение вокруг оси XX. Муфта 115А в своей задней части закрыта устанавливаемой перпендикулярно оси XX пластиной 115В. Пластина располагается на определенном расстоянии от поперечной стенки 106' дозатора. Данная пластина содержит центральное отверстие 115В1 с бортиком, которые образуют имеющую форму усеченного конуса направляющую поверхность 115С, размещаемую по оси XX. Пластина 115В устанавливается на определенном расстоянии от стенки 106' и содержит отверстия 115В2, 115В3, 115В4 и 115В5 предварительного перемешивания.
Отверстия предварительного перемешивания рассредоточены с учетом расположения впускных отверстий 112 и 113.
В примере, изображенном на фиг.3, инжектор содержит четыре (n1=4) отверстия 112 впрыска топлива при работе в режиме малого газа и восемь (n=8) отверстий 113 впрыска основного топлива. Размеры отверстий зависят от требуемого расхода. Их количество подбирается также в зависимости от диаметра D инжектора. Общее количество может достигать 18 единиц, при этом не возникают проблемы, связанные с механической прочностью.
i1
i2
Например, диаметр φ отверстия 112, задействуемого при работе в режиме малого газа, составляет 0,5-0,8 мм, а диаметр φ отверстий впрыска основного топлива 113 - 0,8-1,3 мм. Диаметр D инжектора устанавливается с таким расчетом, чтобы обеспечить соответствующее рассредоточение по кольцу. Например, величина D составляет 50-70 мм.
р
Просверленные в пластине 115В отверстия 115В2, 115В3, 115В4 и 115В5 образуют два круга, радиально располагаемые по обе стороны от круга, сформированного отверстиями 112 и 113. Диаметры φ этих отверстий 115В2, 115В3, 115В4 и 115В5 предварительного перемешивания устанавливаются в зависимости от диаметра отверстий 112 и 113.
p1
p2
В рассматриваемом примере диаметр φ отверстий предварительного перемешивания при работе в режиме малого газа составляет 1-1,5 мм, в то время как диаметр φ отверстий предварительного перемешивания основного топлива - 2-3 мм.
Ниже приводится описание основных принципов функционирования этого многоточечного инжектора предварительного перемешивания со ссылкой на фиг.4.
Топливо, впрыскиваемое через отверстия 112 и 113, ударяется в пластину 115В, располагаемую между двумя отверстиями (115В2 и 115В4) или (115В3 и 115В5) предварительного перемешивания. Пространство между стенкой 106' и пластиной 115В, которое в данном примере составляет 2-4 мм, с одной стороны обтекается первичным воздухом, поступающим по каналу 101, а с другой стороны вторичным воздухом, поступающим по каналу 103. Топливо, радиально распространяемое в виде тонкого слоя в направлении отверстий предварительного перемешивания, перемещается далее под воздействием воздуха, истекающего из этих отверстий. В последующем происходит его распыление и образование топливно-воздушной смеси. После пластины смесь перемещается в направлении XX, где сжигается. Диаметры и объемы расхода определяются таким образом, чтобы скорость перемещения смеси и ее насыщенность в определенном месте исключали возможность воспламенения в отверстиях предварительного перемешивания.
Для улучшения распыления топлива в стенках 106' и 115В могут устанавливаться устройства, вызывающие перемещение. Кроме того, топливо выполняет функцию охлаждения, что способствует продлению срока эксплуатации инжектора.
Как это показано на фиг.2, часть воздуха, поступающего из первичного канала 101, направляется в пространство предварительного перемешивания, а другая часть истекает через центральное отверстие 115В1 и образует воздушную пленку, препятствующую процессу коксования на внешней стороне пластины 115 В.
Отмечается также, что первичному и вторичному воздуху может придаваться вращательное вокруг оси XX движение, которое обеспечивается как в одном и том же, так и в противоположных направлениях. Они также могут не обладать касательными составляющими.
Важным преимуществом такого рассредоточения является возможность создания зоны горения при работе в режиме малого газа, располагаемой с внешней стороны камеры сгорания, где топливная смесь легко воспламеняется свечами, устанавливаемыми на внешней стенке. После воспламенения на уровне одного инжектора топливной смеси пламя беспрепятственно распространяется на другие инжекторы в связи с тем, что карбюрированная зона имеет круглую форму.
Воспламенение основных трубопроводов также осуществляется путем распространения пламени после подачи топлива в соответствующие трубопроводы инжекторов.
Между двумя трубопроводами существует следующий порядок функционирования:
- при слабой нагрузке воспламеняется только один трубопровод, обеспечивающий работу в режиме малого газа;
- при работе в промежуточных режимах, включая работу на полную мощность, топливо подается в два трубопровода, при этом процесс горения распространяется в радиальном направлении по всей камере. Соотношение расхода топлива в центральном трубопроводе и трубопроводе, обеспечивающем работу в режиме малого газа, практически составляет 0,7 и 1,2. Такой ступенчатый процесс горения способствует уменьшению выбросов, производимых зоной горения при работе в режиме малого газа.
При работе в режиме на полную мощность соотношение расходов двух трубопроводов составляет 1,8-2,2. Удается уменьшить образование дымов и загрязняющих газов NOx.
Благодаря компактности конструкции инжектор может легко устанавливаться в используемых в настоящее время устройствах подачи топлива в камеру сгорания без внесения существенных изменений.