КАМЕРА СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в газотурбинных установках и двигателях.
Известна камера сгорания (US 6772594B2, МПК F23R 3/00, опубл. 10.08.2004), разработанная специалистами фирмы Mitsubishy Heavy Industries. Камера сгорания противоточного типа состоит из корпуса, жаровой трубы, фронтовой доски, на которой по окружности расположено n-горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси, по оси камеры сгорания установлено диффузионное горелочное устройство, в первичной зоне камеры сгорания выполнено ударно-пленочное охлаждение стенки жаровой трубы. Выход горелочных устройств с предварительным смешением топлива выполнен под углом к фронтовой доске в окружном направлении, так что при выходе из n-горелочных устройств возникает дополнительная закрутка потока.
Недостатками известной камеры сгорания являются низкий диапазон устойчивой работы и низкие экологические характеристики. Эти недостатки вызваны следующим:
- трудно стабилизировать горение на периферии камеры сгорания;
- отсутствует диффузионная подача топлива в периферийные горелочные устройства;
- пленочное охлаждение первичной зоны приводит к образованию слоев смешения между реагирующими продуктами сгорания и воздухом, в этих слоях смешения при сжигании бедной предварительно подготовленной смеси возможно «замораживание» реакции окисления оксида углерода (СО).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является противоточная камера сгорания, содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для прохода вторичного воздуха, образующую с цилиндрическим корпусом проточную часть для подвода воздуха к горелкам, цилиндрический экран, расположенный соосно внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, n периферийных горелок, расположенных с торца на входе в жаровую трубу по окружности, центральную горелку, расположенную на оси жаровой трубы и задвинутую в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелки, при этом все горелки выполнены в виде горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и саморегуляцией поля концентраций топлива (свидетельство на полезную модель №10443, МПК F23R 3/00, опубл. 16.07.1999).
Недостатки прототипа следующие.
1. Возможен перегрев обечайки центрального горелочного устройства ввиду наличия большой площади охлаждения (площадь внешней поверхности обечайки центральной горелки, задвинутой в жаровую трубу глубже, чем периферийные, площадь фронтовой доски и площадь экрана жаровой трубы) при ограниченном расходе идущего на охлаждение воздуха. Перегрев обечайки приводит к снижению ресурса работы камеры сгорания.
2. Цилиндрический экран недостаточно устойчив к высоким продолжительным термическим нагрузкам, в результате чего в ходе эксплуатации камеры сгорания возможно его коробление и смещение, что приводит к перекосу расхода охлаждающего воздуха в полости между экраном и жаровой трубой по окружности, еще большему короблению и смещению экрана до тех пор, пока полость для охлаждающего воздуха между экраном и жаровой трубой не станет критически минимальной (недостаточной для охлаждения) или пока экран не будет касаться в определенных местах стенок жаровой трубы. В результате будет возникать локальный перегрев экрана и жаровой трубы, вследствие чего в этих местах возможно образование прогаров, что снижает надежность камеры сгорания и ресурс ее работы.
3. Недостаточная надежность камеры сгорания, обусловленная расположением свечи зажигания. В камерах сгорания, подобных описанной в прототипе, свеча обычно выполняется неподвижной и размещается на жаровой трубе, но это не совсем удобно, так как концентрация топлива у стенки жаровой трубы ниже, чем по оси горелочного устройства, что усложняет процесс зажигания. Известны технические решения (патент US 5259184, Интернет - страница http://turbinecowboy.com/Company/TIPS/2006/APRIL06_TIP.pdf), где свеча зажигания при запуске выдвигается внутрь камеры сгорания, а при осуществленном запуске с помощью пружины убирается из горячего объема камеры сгорания, однако такая система обладает пониженной надежностью из-за наличия подвижных частей.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы за счет повышения устойчивости к термическим нагрузкам цилиндрического экрана, а также за счет расположения центральной горелки и свечи зажигания.
Поставленная задача решается противоточной камерой сгорания, содержащей цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для подачи воздуха на смешение, образующую с цилиндрическим корпусом проточную полость для воздуха, n периферийных горелочных устройств, расположенных по окружности с торца на входе в жаровую трубу, и центральное горелочное устройство, расположенное по оси жаровой трубы, цилиндрический экран, расположенный внутри жаровой трубы соосно ей и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, а также свечу зажигания, причем все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси. В отличие от прототипа, цилиндрический экран выполнен из листового материала, изготовленного с помощью холодного проката и загнутого в цилиндр перпендикулярно линии проката, причем на поверхности экрана выполнены местные выступы-зиги в форме полуокружности в продольном сечении камеры, выпуклая часть которых направлена к оси экрана, на стенке жаровой трубы напротив экрана равномерно по окружности выполнены дополнительные отверстия для подачи к нему охлаждающего воздуха, а все горелочные устройства установлены на фронтовой доске, расположенной на входе в жаровую трубу, причем свеча зажигания установлена по центру центрального горелочного устройства.
При нагреве экрана происходит его расширение, которое компенсируется сжатием выполненных на поверхности экрана местных выступов-зигов, действующих как демпферы; кроме того, радиальному расширению экрана препятствуют линии проката, образующие в окружном направлении выстроенные кристаллы материала. Перекос экрана вследствие его теплового расширения сведен к минимуму. Высокая устойчивость экрана к термическим нагрузкам препятствует его деформации, приводящей к неравномерности расхода воздуха по окружности в полости, образованной жаровой трубой и экраном, и, в дальнейшем, прогоранию экрана, что способствует повышению надежности и ресурса работы камеры сгорания.
В заявляемом решении все горелки установлены на фронтовой доске, и срез центрального горелочного устройства расположен в одной плоскости со срезами периферийных горелочных устройств. Площадь охлаждаемой поверхности, таким образом, меньше по сравнению с прототипом, охлаждения обечайки центрального горелочного устройства не требуется, что, при одинаковом с прототипом расходе воздуха, идущего на охлаждение экрана жаровой трубы и обечайки центральной горелки, приводит к лучшему охлаждению экрана и его большей устойчивости.
Расположение свечи по центру центрального горелочного устройства также повышает надежность камеры сгорания, потому что после успешного запуска свеча не убирается, поскольку ее необходимое охлаждение обеспечивается топливом, поступающим в центральное горелочное устройство.
Существо конструкции поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема противоточной камеры сгорания.
Камера сгорания содержит внешний цилиндрический корпус 1, соосную с ним жаровую трубу 2, образующую с цилиндрическим корпусом проточную полость 3, на трубе расположены равномерно по окружности отверстия 4 для подачи воздуха на смешение и отверстия 5 для подачи охлаждающего воздуха к экрану, n периферийных горелочных устройств 6, центральное горелочное устройство 7 с установленной по центру свечой зажигания 8, цилиндрический экран 9, расположенный внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал 10, на поверхности экрана выполнены местные выступы-зиги 11.
Все горелочные устройства установлены на фронтовой доске 12.
Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает в проточную полость 3 из компрессора или другого источника сжатого воздуха. Одна часть воздуха поступает в объем камеры сгорания через отверстия 4, а другая часть поступает в горелочные устройства 6, 7. В горелочные устройства также подается топливо - газ, в смесителях горелочных устройств осуществляется смешение топлива с воздухом. На срезе горелочных устройств 6 и 7 топливовоздушная смесь сгорает с образованием высокотемпературных продуктов сгорания.
Защита жаровой трубы 2 от высокотемпературных продуктов сгорания осуществляется экраном 9. Устойчивость самого экрана к высоким термическим нагрузкам обусловлена особенностями его конструктивного выполнения. При нагревании экран 9 расширяется, но это расширение компенсируется выполненными на поверхности экрана местными выступами-зигами 11. Кроме того, радиальному расширению экрана препятствуют линии проката, образующие в окружном направлении выстроенные кристаллы материала. Охлаждение экрана происходит воздухом, поступающим через отверстия 5 на жаровой трубе. Лучшему охлаждению экрана способствует также расположение всех горелочных устройств на фронтовой доске 12. Таким образом, экран в силу своей устойчивости мало подвержен деформации, которая приводит к неравномерности расхода охлаждающего воздуха в полости 10 по окружности, что предотвращает прогорание экрана и увеличивает надежность и ресурс работы камеры сгорания.
При запуске камеры сгорания в центральное горелочное устройство подается расход топлива больший, чем в остальные горелочные устройства. Зажигание топливовоздушной смеси осуществляется с помощью свечи 8, расположенной по центру центрального горелочного устройства 7. После запуска свеча не убирается, поскольку охлаждается топливом, поступающим в центральное горелочное устройство 7.
Таким образом, в заявляемой камере сгорания благодаря конструктивным особенностям экрана, а также расположению центральной горелки и свечи зажигания достигается повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы.