Топливовоздушный модуль фронтового устройства малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя
FUEL-AIR MODULE OF THE FRONT-END DEVICE OF A LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к топливовоздушному модулю фронтового устройства малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя, и может быть использовано для подготовки топливовоздушной смеси (ТВС) и формирования с помощью закрутки потока топливовоздушной смеси зоны стабилизации горения перед сжиганием смеси в различных малоэмиссионных камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД).
x
Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии вредных веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для диффузионных КС любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании малоэмиссионных КС основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация подачи в камеру обедненных гомогенизированных топливовоздушных смесей с достижением устойчивого горения.
Известен топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания ГТД, содержащий систему подготовки и подачи жидкого топлива, включающую топливоподающие контура, установленные во внутренней кольцевой полости кольцевого устройства Вентури между средствами подачи воздуха, образованными установленными радиально относительно продольной оси модуля соответственно внутренним и наружным завихрителями, расположенными с относительным смещением относительно друг друга (RU 2303199, 2007 г.). В известном техническом решении система подготовки и подачи жидкого топлива содержит независимые друг от друга топливоподающие каналы, расположенные между двумя каналами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости Вентури, которая образована ближней осевой и дальней радиальной по направлению потока стенками. Каждый из топливоподающих каналов снабжен по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, размещенным в соответствующих стенках полости Вентури, причем оси отверстий расположены в направлении, перпендикулярном направлению соответствующих воздушных потоков. Известное техническое решение обеспечивает подвод топливовоздушной смеси в разные зоны КС, позволяет снизить вредные выбросы в продуктах сгорания топлива и уменьшить риск коксования, а также устраняет обратные токи топлива. Однако впрыск жидкого топлива в каналы с закрученными воздушными потоками в перпендикулярном направлении определяет возможность отрыва потока от внутренней стенки, что приводит к стабилизации пламени в зоне отрыва и в результате к прогару стенок. Кроме того, появление пламени внутри канала препятствует процессу смешивания топлива с воздухом и приводит к снижению эффективности известного технического решения за счет повышенного выброса окислов азота в атмосферу.
x
x
x
Известен топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий корпус, размещенные в нем систему подготовки и подачи жидкого топлива, включающую кольцевой коллектор, сопряженные с системой подготовки и подачи жидкого топлива и ограниченные соответствующими стенками внутренний кольцевой воздушный канал, расположенный вдоль оси топливовоздушного модуля, и внешний кольцевой воздушный канал с размещенными на входе каждого из них соответствующими лопаточными завихрителями, систему распыливания топлива, выполненную в виде размещенных в кольцевом коллекторе средств распыливания топлива, и экран с острой кромкой, направленной в сторону камеры сгорания (RU 2386082, 2010 г.). В известном техническом решении внутренний воздушный канал ограничен наружной стенкой, состоящий из сужающегося и расширяющегося участков, и кольцевым стабилизатором пламени V-образной формы на выходе. Над внутренним воздушным каналом расположен наружный воздушный радиально-осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками и наружной стенкой внутреннего воздушного канала. Средства распыливания топлива представляют собой равнорасположенные по окружности осевые струйные форсунки, обращенные в сторону внешнего воздушного канала. Вокруг струйных форсунок выполнен воздушный кольцевой коллектор, сообщающийся сквозными отверстиями, соосными каждой форсунке, с внешним воздушным каналом. Воздушный коллектор также сообщен с внутренним воздушным каналом сквозными отверстиями, выполненными в наружной стенке канала. Экран выполнен коническим и установлен внутри внешнего воздушного канала. Наружная стенка внутреннего воздушного канала под экраном имеет ряд равнорасположенных по окружности сквозных отверстий. Сопла форсунок системы подачи жидкого топлива размещены напротив наружной поверхности экрана. Снижение выбросов оксидов азота (NO) в известном техническом решении достигается за счет обеспечения реакция горения хорошо перемешанной бедной топливовоздушной смеси в периферийной зоне. Чем больше такой смеси образуется в периферийной зоне до начала реакции горения, тем эффективнее уменьшается эмиссия (NO). Эффективному смешиванию в известном техническом решении препятствует конический экран, расположенный в наружном воздушном канале. На его поверхность, обращенную к струйным форсункам, осаждаются капли распыленного топлива. Вторичное распыливание образовавшейся на экране топливной пленки происходит с острой кромки экрана. В течение всего времени от момента соприкосновения капель топлива с экраном до его вторичного распыливания значительная часть топлива не участвует в процессе образования топливовоздушной смеси, при этом наклонный экран не препятствует образованию зон отрыва потока в L-образном канале. Несмотря на воздух, подводимый под наклонный экран через ряд равнорасположенных по окружности отверстий, экран превращается в дополнительный V-образный стабилизатор, за которым формируется протяженная зона обратных токов. В эту зону попадает часть топлива, распыленного с острой кромки наклонного экрана, и в результате появляется возможность возникновения возгорания смеси внутри наружного воздушного L-образного канала. Часть топлива, забрасываемого на внутреннюю стенку канала, также на некоторое время выводится из процесса смешивания с воздухом. Вторичное распыливание этого топлива происходит с кромки кольцевого V-образного стабилизатора пламени, расположенного в начале стенки, отделяющей наружный L-образной воздушный канал от внутреннего воздушного канала. Кроме того, поток воздуха, формируемый внутренним воздушным каналом на конфузорном его участке, обжимает выходящую из него топливовоздушную смесь, предотвращая ее распад с образованием осевой зоны обратных токов, необходимой для стабилизации пламени, а затем на расширяющемся участке сопла топливовоздушная смесь распадается с образованием неустойчивой плохо снабжаемой топливом кольцевой тороидальной зоны обратных токов, геометрические и режимные параметры которой зависят от параметров закрутки потоков и соотношения расходов воздуха, вытекающего из внутреннего и внешнего воздушных каналов. В результате при температуре выше 800 K и давлении воздуха, превышающем 20 бар на входе в камеру сгорания, происходит рост эмиссии вредных веществ (NO) в продуктах сгорания.
x
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является топливовоздушный модуль фронтового устройства малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий корпус, размещенные в нем систему подготовки и подачи жидкого топлива, включающую ресивер, сопряженные с системой подготовки и подачи жидкого топлива и ограниченные соответствующими стенками внутренний кольцевой воздушный канал, расположенный вдоль оси топливовоздушного модуля, и внешний кольцевой воздушный канал с размещенными на входе каждого из них соответствующими лопаточными завихрителями, общий воздушный канал, представляющий собой совмещенные на выходе внутренний и внешний кольцевые воздушные каналы, систему распыливания топлива, выполненную в виде сообщенного с ресивером кольцевого канала, расположенного коаксиально над внутренним кольцевым воздушным каналом, средства распыливания топлива, и экран с острой кромкой, направленной в сторону камеры сгорания (RU 2439435, 2012 г.). В известном техническом решении внешний кольцевой воздушный канал выполнен радиально-осевым L-образной формы, ограничен торцевыми стенками, причем передняя торцевая стенка внешнего кольцевого воздушного канала объединена с экраном, а выходы внутреннего кольцевого воздушного канала и кольцевого канала системы распыливания топлива последовательно направлены в сторону внутренней поверхности экрана. При этом подача струй охлаждающего воздуха перпендикулярно потоку топливовоздушной смеси на выходе из внешнего кольцевого воздушного канала приводит к созданию зон отрыва потока, приводящих к воспламенению ТВС и проскоку горения, а подача топлива на внутреннюю поверхность экрана с целью уменьшения толщины пленки топлива и улучшения условий его дальнейшего распыла одновременно приводит к значительному времени пребывания пленки на стенке экрана, что в условияхсовременных ГТД приводит к самовоспламенению топлива, перегреву и прогару элементов конструкции модуля. Кроме того, общий воздушный канал в известном техническом решении выполнен диффузорным. При этом соотношение расходов воздуха в кольцевых воздушных каналах известного технического решения близко к 10, что приводит к значительной разнице концентрации топлива в каналах даже при условии интенсивного смешивания топлива в потоках газа. В результате создаваемая радиальная неравномерность концентрации топлива приводит к росту эмиссии NO.
Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений, указанных выше, является их недостаточно высокая надежность и эффективность.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении надежности топливовоздушного модуля за счет исключения возможности перегрева и прогара элементов конструкции при одновременном обеспечении эффективности снижения эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в равномерном радиальном распределении полей концентрации топлива, обеспечивающем безотрывность течения вблизи оси топливовоздушного модуля, исключающем воспламенение и проскоки пламени в приосевой зоне при условии низкого уровня выбросов вредных веществ в атмосферу.
Технический результат достигается за счет того, что в топливовоздушном модуле фронтового устройства малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащем корпус, размещенные в нем систему подготовки и подачи жидкого топлива, включающую ресивер, сопряженные с системой подготовки и подачи жидкого топлива и ограниченные соответствующими стенками внутренний кольцевой воздушный канал, расположенный вдоль оси топливовоздушного модуля, и внешний кольцевой воздушный канал с размещенными на входе каждого из них соответствующими лопаточными завихрителями, общий воздушный канал, представляющий собой совмещенные на выходе внутренний и внешний кольцевые воздушные каналы, систему распыливания топлива, выполненную в виде сообщенного с ресивером кольцевого канала, расположенного коаксиально над внутренним кольцевым воздушным каналом, средства распыливания топлива, и экран с острой кромкой, направленной в сторону камеры сгорания, согласно предлагаемому изобретению внешний кольцевой воздушный канал расположен вдоль оси топливовоздушного модуля коаксиально над кольцевым каналом системы распыливания топлива, внутренняя стенка, ограничивающая внутренний кольцевой воздушный канал выполнена в виде расположенного по центру топливовоздушного модуля обтекателя с острой кромкой, направленной в сторону камеры сгорания, а внешняя стенка, ограничивающая внешний кольцевой воздушный канал, представляет собой соответствующую стенку корпуса топливовоздушного модуля, общий воздушный канал выполнен конфузорным, экран выполнен в виде концентрично расположенных вдоль оси топливовоздушного модуля внутренней и внешней обечаек, жестко связанных между собой с образованием зазора между ними, причем соотношение радиусов обечаек равно 0,5, а острая кромка экрана расположена вблизи общего воздушного канала, внешняя обечайка представляет собой внутреннюю стенку внешнего кольцевого воздушного канала и жестко связана при помощи соответствующих лопаточных завихрителей с корпусом модуля, внутренняя обечайка представляет собой внешнюю стенку внутреннего кольцевого воздушного канала и жестко связана при помощи соответствующих лопаточных завихрителей с центральным обтекателем, кольцевой канал системы распыливания топлива расположен в зазоре между обечайками и сообщен с ресивером системы подготовки и подачи жидкого топлива при помощи радиальных каналов, выполненных в лопаточных завихрителях внешнего кольцевого воздушного канала, а средства распыливания топлива расположены на выходе кольцевого канала системы распыливания и выполнены в виде равномерно расположенных по окружности отверстий, оси которых параллельны оси топливовоздушного модуля или поочередно направлены в сторону внешнего и внутреннего воздушных кольцевых каналов.
Существенность отличительных признаков предлагаемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая изобретение обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, а именно:
- расположение внешнего кольцевого воздушного канала вдоль оси топливовоздушного модуля коаксиально над кольцевым каналом системы распыливания топлива, выполнение внутренней стенки, ограничивающей внутренний кольцевой воздушный канал в виде расположенного по центру топливовоздушного модуля обтекателя с острой кромкой, направленной в сторону камеры сгорания, а внешней стенки, ограничивающей внешний кольцевой воздушный канал, представляющей собой соответствующую стенку корпуса топливовоздушного модуля, выполнение общего воздушного канала конфузорным обеспечивает безотрывность течения потоков вблизи оси топливовоздушного модуля, препятствует воспламенению и проскокам пламени в приосевую зону топливовоздушного модуля при условии низких выбросов вредных веществ в атмосферу;
- выполнение экрана в виде концентрично расположенных вдоль оси топливовоздушного модуля внутренней и внешней обечаек, жестко связанных между собой с образованием зазора между ними, с соотношением радиусов обечаек, равным 0,5, и расположение острой кромки экрана вблизи общего воздушного канала, причем внешняя обечайка, представляющая собой внутреннюю стенку внешнего кольцевого воздушного канала, жестко связана при помощи соответствующих лопаточных завихрителей с корпусом модуля, а внутренняя обечайка, представляющая собой внешнюю стенку внутреннего кольцевого воздушного канала, жестко связана при помощи соответствующих лопаточных завихрителей с центральным обтекателем, расположение кольцевого канала системы распыливания топлива в зазоре между обечайками и сообщение его с ресивером системы подготовки и подачи жидкого топлива при помощи радиальных каналов, выполненных в лопаточных завихрителях внешнего кольцевого воздушного канала, расположение средств распыливания топлива на выходе кольцевого канала системы распыливания и выполнение их в виде равномерно расположенных по окружности отверстий, оси которых параллельны оси топливовоздушного модуля или поочередно направлены в сторону внешнего и внутреннего воздушных кольцевых каналов обеспечивает равномерное радиальное распределение полей концентрации топлива, формирование зоны рециркуляции течения и стабилизации горения топлива в камере сгорания ГТД и повышение эффективности за счет снижения эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием и иллюстрациями:
- на фиг. 1 изображена схема топливовоздушного модуля фронтового устройства малоэмиссионной камеры сгорания ГТД;
- на фиг. 2 изображен вид сбоку на фиг. 1;
- на фиг. 3 изображено сечение А-А на фиг. 1.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - корпус топливовоздушного модуля;
2 - ресивер системы подачи и подготовки жидкого топлива;
3 - внутренний кольцевой воздушный канал;
4 - внешний кольцевой воздушный канал;
5 - лопаточные завихрители внутреннего кольцевого воздушного канала 3;
6 - лопаточные завихрители внешнего кольцевого воздушного канала 4;
7 - общий кольцевой воздушный канал;
8 - внутренняя обечайки экрана;
9 - внешняя обечайки экрана;
10 - острая кромка обечайки;
11 - зазор между обечайками;
12 - обтекатель;
13 - острая кромка обтекателя 12;
14 - радиальный канал системы подготовки и подачи жидкого топлива;
15 - отверстия распыливания жидкого топлива.
Топливовоздушный модуль фронтового устройства малоэмиссионной камеры сгорания ГТД содержит корпус 1 с размещенными в нем системой подготовки и подачи жидкого топлива, включающей ресивер 2, сопряженные с системой подготовки и подачи жидкого топлива внутренний кольцевой воздушный канал 3, и внешний кольцевой воздушный канал 4 (см. фиг. 1). На входе каждого из каналов 3 и 4 размещены соответствующие лопаточные завихрители 5 и 6 (см. фиг. 2), направленные в разные стороны вращения часовой стрелки, а на выходе внутренний и внешний кольцевые воздушные каналы 3 и 4 совмещены в общий кольцевой воздушный канал 7, выполненный конфузорным (см. фиг. 1). В корпусе 1 размещены система распыливания топлива, выполненная в виде сообщенного с ресивером 2 кольцевого канала, расположенного коаксиально над внутренним кольцевым воздушным каналом 3, и средства распыливания топлива, при этом внешний кольцевой воздушный канал 4 расположен вдоль оси топливовоздушного модуля коаксиально над кольцевым каналом системы распыливания топлива, и экран с острой кромкой, направленной в сторону камеры сгорания. Экран выполнен в виде концентрично расположенных вдоль оси топливовоздушного модуля внутренней обечайки 8 и внешней обечайки 9, соотношение радиусов которых равно 0,5. При этом обечайки 8 и 9 экрана жестко связаны между собой с образованием острой кромки 10, направленной в сторону КС (на чертеже не показана), и зазора 11 между ними. Кольцевые воздушные каналы 3 и 4 ограничены соответствующими стенками, а именно: внутренний кольцевой воздушный канал 3 ограничен внутренней стенкой, выполненной в виде расположенного по центру топливовоздушного модуля обтекателя 12 с острой кромкой 13, направленной в сторону камеры сгорания, и внешней стенкой, представляющей собой внутреннюю обечайку 8 экрана, а внешний кольцевой воздушный канал 4 ограничен соответственно внутренней стенкой, представляющей собой внешнюю обечайку 9 экрана, и внешней стенкой, представляющей собой стенку корпуса 1 топливовоздушного модуля. При этом внутренняя обечайка 8 жестко связана при помощи соответствующих лопаточных завихрителей 5 внутреннего кольцевого воздушного канала 3 с центральным обтекателем 12, внешняя обечайка 9 жестко связана при помощи соответствующих лопаточных завихрителей 6 внешнего кольцевого воздушного канала 4 с корпусом 1 модуля, а кольцевой канал системы распыливания топлива расположен в зазоре 11 между соответственно внутренней и внешней обечайками 8 и 9 экрана, и сообщен с ресивером 2 системы подготовки и подачи жидкого топлива при помощи радиальных каналов 14, (см. фиг. 3), выполненных в лопаточных завихрителях 6 внешнего кольцевого воздушного канала. Средства распыливания топлива расположены на выходе расположенного в зазоре 11 между внутренней и внешней обечайками 8 и 9 экрана кольцевого канала системы распыливания, и выполнены в виде равномерно расположенных по окружности отверстий 15, оси которых параллельны оси топливовоздушного модуля или поочередно направлены в сторону внешнего и внутреннего воздушных кольцевых каналов 4 и 3.
Топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания ГТД работает следующим образом.
x
x
Поступающий в топливовоздушный модуль воздух разделяется на две части. При этом соотношение проходных площадей внутреннего и внешнего кольцевых воздушных каналов 3 и 4 выбирается таким образом, что обеспечивается проход примерно 2/3 расхода воздуха через внешний кольцевой воздушный канал 4 и соответственно 1/3 расхода воздуха через внутренний кольцевой воздушный канал 3. Осевое и коаксиальное расположение воздушных кольцевых каналов 3 и 4 и кольцевого канала системы распыливания топлива, расположенного в зазоре 11 между обечайками 8 и 9 экрана, и соотношение радиусов последних, разделяющих кольцевые воздушные каналы 3 и 4, равное 0,5, обеспечивает равномерное радиальное распределению полей концентрации топлива, что приводит к низким значениям эмиссии NO. На входе в кольцевые воздушные каналы 3 и 4 поступающий воздух закручивается в противоположные стороны с помощью соответствующих лопаточных завихрителей 5 и 6 и проходит вдоль разделяющих каналы 3 и 4 обечаек 8 и 9 экрана. Вращение потоков воздуха в разных направлениях улучшает мелкость распыливания и увеличивает интенсивность турбулентного смешивания в свободном слое взаимодействия двух потоков в общем кольцевом воздушном канале 7. При этом капли топлива остаются в слое, не распределяясь на все сечение канала. Центральный обтекатель 12 с острой задней кромкой 13 и выполнение общего кольцевого воздушного канала 7 конфузорным обеспечивает безотрывность течения потоков вблизи оси модуля и препятствует воспламенению и проскокам пламени в его приосевую зону. Одновременно топливо поступает в топливный ресивер 2 системы подготовки и подачи жидкого топлива, проходит через радиальные каналы 14 в лопаточных завихрителях 6 и попадает в кольцевой канал системы распыливания топлива, расположенный в зазоре 11 между внутренней и внешней обечайками 8 и 9 экрана. Подача струй топлива реализуется через отверстия 15 на выходе канала системы распыливания топлива непосредственно в потоки воздуха вблизи выхода последних из соответствующих воздушных каналов 3 и 4. В результате в слоях происходит ускоренное испарение и смешивание топлива с воздухом, причем обеспечивается равномерное смешение и горение бедных ТВС с низкими температурами и уровнями эмиссии NO, снижается возможность коксования, и в результате создается зона рециркуляции, обеспечивающая стабилизацию горения топливовоздушной смеси в жаровой трубе (на чертеже не показана) КС. Поочередное направление осей отверстий средств распыливания топлива в сторону внешнего и внутреннего воздушных кольцевых каналов 3 и 4 позволяет повысить эффективность процесса смешивания топлива с соответствующими воздушными потоками. Испарение топлива в высокотемпературном воздухе, предварительно сжатом в компрессоре двигателя, обеспечивает более эффективное перемешивание топлива с окружающими его потоками воздуха, закрученными в разных направлениях, что исключает возможность проскоков пламени из жаровой трубы КС в топливовоздушный модуль даже при высоких параметрах современных и перспективных ГТД, а стабилизация горения ТВС в жаровой трубе КС обеспечивается в результате формирования суммарной (после взаимодействия противоположно закрученных потоков) закрутки потока газа на выходе из воздушных каналов 3 и 4. При этом необходимо отметить, что в зависимости от заданного диапазона режимных параметров и технических требований на характеристики двигателя, топливовоздушные модули могут отличаться проходной площадью топливных и воздушных каналов, углом установки лопаточных завихрителей, и типом последних.
Таким образом, размещение внешнего кольцевого воздушного канала вдоль оси топливовоздушного модуля коаксиально над кольцевым каналом системы распыливания топлива, выполнение внутренней стенки внутреннего кольцевого воздушного канала в виде расположенного по центру топливовоздушного модуля обтекателя, внешней стенки внешнего кольцевого воздушного канала в виде стенки корпуса, выполнение общего воздушного канала конфузорным, а экрана в виде концентрично расположенных вдоль оси топливовоздушного модуля внутренней и внешней обечаек, жестко связанных между собой с образованием зазора между ними с соотношением радиусов обечаек равным 0,5, и расположение острой кромки экрана вблизи общего воздушного канала, а также ограничение соответствующих стенок внутреннего и внешнего кольцевого воздушного канала обечайками экрана, жесткая связь обечаек при помощи соответствующих лопаточных завихрителей с корпусом модуля и обтекателем, а также расположение кольцевого канала системы распыливания топлива в зазоре между обечайками и сообщение последнего с ресивером системы подготовки и подачи жидкого топлива при помощи радиальных каналов, выполненных в лопаточных завихрителях внешнего кольцевого воздушного канала, и расположение средств распыливания топлива на выходе кольцевого канала системы распыливания и выполнение их в виде равномерно расположенных по окружности отверстий, оси которых параллельны оси топливовоздушного модуля или поочередно направлены в сторону внешнего и внутреннего воздушных кольцевых каналов, обеспечивает равномерное радиальное распределение полей концентрации топлива, обеспечивающее безотрывность течения вблизи оси модуля, исключающее воспламенение и проскоки пламени в приосевой зоне при условии низких выбросов вредных веществ в атмосферу, что позволяет повысить надежность топливовоздушного модуля за счет исключения возможности перегрева и прогара элементов конструкции при одновременном обеспечении эффективности снижения эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива.