КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована в наземных энергетических установках, работающих на жидком и/или газообразном топливе.
Известна камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, в котором установлена жаровая труба, коллектор для подачи топлива в зоны горения камеры, связанный с трубопроводами подачи топлива. Жаровая труба имеет две зоны горения - дежурную и основную, к которым подведены топливные форсунки и элементы поджига топлива (воспламенители). Жаровая труба выполнена из наружного и внутреннего кожухов, образованных из стыкуемых друг с другом колец. В основной и дежурной зонах горения размещены завихрители топлива. На выходном торце жаровой трубы закреплены уплотнительные кольца, а к входному торцу жаровой трубы пристыкована плита, на которой установлены завихрители дежурной зоны и горелки. Завихрители основной зоны горения размещены на плавающих кольцах. Во внутреннем кожухе жаровой трубы имеются два ряда охлаждающих отверстий.
В процессе работы камеры сгорания топливо из топливного коллектора поступает через форсунки на завихрители, смешивается с воздухом, поступает в зону горения «А», где воспламеняется и обеспечивает стабильное горение зоны «Б». В зоне «А» сгорает примерно 10-20% топлива при максимальной температуре пламени. В зоне горения «Б» температура пламени примерно в 2 раза ниже, что обеспечивает значительное снижение содержания окислов азота. Горение топливовоздушной смеси заканчивается перед отверстиями для подачи охлаждающего воздуха. Воздух, подаваемый через эти отверстия, разбавляет продукты сгорания, снижая их температуру, и выравнивает ее по высоте сечения камеры сгорания, и эта газовоздушная смесь подается из камеры сгорания на турбину двигателя газогенератора.
(см. патент РФ на полезную модель №64324, кл. F23R 3/00, 2007 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что известная камера сгорания, как и заявленная, имеет две зоны горения топливной смеси, что позволяет повысить коэффициент сжигания топлива и уменьшить выбросы вредных продуктов в атмосферу. Наличие завихрителя обеспечивает оптимальное заполнение зон горения. Жаровая труба в процессе работы камеры сгорания охлаждается воздушным потоком. Однако, учитывая, что две зоны горения (высокотемпературная и низкотемпературная) образованы в одной кольцевой жаровой трубе, они неизбежно соседствуют друг с другом в окружном направлении и, тем самым, образуют зоны с нерасчетными концентрациями топлива, состава смеси и структуры потока, что ведет к повышению концентрации вредных выбросов и недожогу топлива. Введение потока воздуха в поток отработанных газов, подаваемых на турбину, не обеспечивает его равномерной температуры по всему сечению потока, что ведет к неравномерному нагреву лопаток турбины.
Известна камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, в котором установлена жаровая труба с отверстиями для пропускания воздуха и с завихрителем на входе, форсунка для подачи топлива в зону горения, причем в корпусе камеры сгорания соосно первой установлена вторая жаровая труба, на входе которой установлены завихрители, камера сгорания оснащена насадками и форсункой для подачи топливовоздушной смеси в полость второй жаровой трубы, при этом камера сгорания снабжена газосборником, размещенном в корпусе, состыкованном с корпусом камеры сгорания.
(см. патент РФ №2414649, кл. F23R 3/34, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что известная камера сгорания, как и заявленная, имеет две зоны горения топливной смеси, первая из которых диффузионная, а во второй происходит горение гомогенной топливовоздушной смеси, что позволяет обеспечить высокую полноту сгорания топлива и, тем самым, уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу. Однако, учитывая, что в предлагаемой конструкции отсутствует объем, в котором происходит взаимодействие двух противоположно закрученных топливовоздушного и воздушного потоков, выходящих из радиальных лопаточных завихрителей второй жаровой трубы, то получение гомогенной смеси на входе в зону горения второй жаровой трубы, особенно на нагрузочных режимах, когда расход топлива максимален, не представляется возможным, что в итоге приводит к снижению полноты сгорания топлива, уменьшению КПД, увеличению вредных выбросов и к ухудшению основных параметров. Кроме того, взаимодействие топливовоздушной смеси, выходящей из радиальных завихрителей, и потока горячих газов, выходящего из первой жаровой трубы, начинается на выходе из лопаточных каналов завихрителей, что приближает зону горения гомогенной смеси к передней стенке второй жаровой трубы, и, как следствие, может привести к перегреву завихрителей.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка камеры сгорания, обеспечивающей высокую полноту сгорания топлива, повышение КПД, и обеспечивающей минимальный уровень выбросов вредных веществ и низкие гидравлические потери во всем диапазоне эксплуатационных режимов.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей корпус, в котором соосно установлены две жаровые трубы, установленный на входе первой жаровой трубы завихритель и установленные на входе второй жаровой тубы радиальные завихрители, размещенную на корпусе двухконтурную форсунку, предназначенную для подачи топлива в зону горения первой жаровой трубы, струйные насадки и форсунки, предназначенные для подачи топлива в зону горения второй жаровой трубы, тороидальный улиточный газосборник, вход которого соединен с выходом второй жаровой трубы, а выход имеет возможность соединения с сопловым аппаратом турбины, новым является то, что выход второй жаровой трубы и вход тороидального улиточного газосборника соединены посредством центрирующего кольца, имеющего возможность радиального перемещения, при этом, камера оснащена форсункой, предназначенной для подачи воды и/или пара в радиальные завихрители второй жаровой трубы.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 - камера сгорания, продольный разрез;
- на фиг.2 - вид Г по фиг.1;
- на фиг.3 - разрез Д - Д по фиг.2;
- на фиг.4 - разрез И - И по фиг.2;
- на фиг.5 - разрез Е - Е по фиг.1;
- на фиг.6 - разрез Ж - Ж по фиг.1;
- на фиг.7 - выносной элемент К по фиг.1.
Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус 1, в котором соосно установлены две жаровые трубы (первая - 2 и вторая - 3). Камера сгорания оснащена двухконтурной газожидкостной форсункой 4, предназначенной для подачи топлива в зону горения «А» первой жаровой трубы 2. Форсунка 4 установлена на пристыкованную к торцу корпуса крышку 5. В крышке 5 размещен коллектор с тремя струйными насадками 6 подачи жидкого топлива. На корпусе камеры сгорания установлены струйные форсунки 7 и 8 для подачи газообразного топлива и воды (или пара) в два последовательно установленных в корпусе на входе второй жаровой трубы 3 радиальных завихрителя 9 и 10. Выход второй жаровой трубы 3 размещен в центрирующем кольце 11, в которое вставлен вход тороидального улиточного газосборника 12. Кольцо 11 обеспечивает соосное расположение второй жаровой трубы 3 и тороидального улиточного газосборника 12. Центрирующее кольцо имеет отбортовку (позицией не обозначена), которая размещена с зазором (см. фиг.7) между двумя выступами, выполненными в корпусе 13. Благодаря такой установке кольцо 11 имеет возможность небольшого (примерно 3 мм - см. фиг.7) свободного радиального перемещения относительно выступов, что позволяет компенсировать относительное перемещение жаровой трубы и газосборника при сборке камеры сгорания.
На входе первой жаровой трубы 2 установлен пусковой воспламенитель (например, свеча) 14.
Жаровые трубы фиксируются в корпусе посредством пальцев 15 и гаек 16.
Радиальные завихрители 9 и 10 оснащены лопатками, соответственно 17 и 18, которые закручены в противоположные стороны, что обеспечивает создание гомогенной топливно-водо(паро)-воздушной смеси, поступающей в зону горения «Б» второй жаровой трубы 3.
На входе первой жаровой трубы 2 установлен завихритель 19.
Камера сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом.
Топливо жидкое или газообразное подается двухконтурной газожидкостной форсункой 4 в зону горения «А» первой жаровой трубы 2, где оно смешивается с воздухом, поступающим через завихритель 19, и воспламеняется свечой 14. В дальнейшем горение топливовоздушной смеси поддерживается возникшим факелом пламени. При этом в зону горения перовой жаровой трубы 2 подается не более 5-10% от суммарного расхода топлива. Так как перемешивание топлива с воздухом и горение смеси происходят, в одном объеме, то процесс горения в первой жаровой трубе является диффузионным.
В зону горения Б второй жаровой трубы 3 воздух поступает через радиальные завихрители 9 и 10. Пропускание воздуха через завихрители, с учетом противоположной закрутки их лопаток 17 и 18, обеспечивает создание гомогенной топливно-водо(паро)-воздушной смеси в объеме «В», благодаря интенсивному перемешиванию воздуха с топливом и водой (или паром), поступающими из струйных насадков 6 и форсунок 7 и 8. Выходящая из объема «В» гомогенная смесь воспламеняется диффузионным факелом пламени, идущим из первой жаровой трубы. Стабильность процесса горения в зоне «Б» второй жаровой трубы обеспечивается тем, что поступающая в нее гомогенная смесь имеет большую угловую скорость, в результате чего на передней стенке второй жаровой трубы образуется перепад давления, обеспечивающий образование устойчивой зоны обратных токов. Гомогенная смесь, поступающая в зону горения «Б», сгорает с выделением тепла, при этом испаряющаяся вода или пар отбирают тепло и увеличивают объем рабочего тела, что вызывает снижение температуры горения, увеличения скорости течения продуктов сгорания, уменьшая тем самым время пребывания продуктов сгорания в камере сгорания, что обеспечивает высокую полноту сгорания топлива, за счет чего повышается КПД и обеспечивается снижение выбросов вредных веществ.
Поток воздуха, который поступает из объема корпуса камеры сгорания в полость второй жаровой трубы через отверстия «г», обеспечивает дожигание продуктов сгорания и оптимальное поле температур на выходе из камеры сгорания в радиальном и осевом направлениях.
Вышедший из второй жаровой трубы 3 поток газа поступает в тороидальный улиточный газосборник 12, а из него - на вход в сопловой аппарат турбины.
В процессе работы оболочки жаровых труб охлаждаются воздухом, поступающим через отверстия «а» и щели «б», выполненные в оболочках жаровых труб.
Наличие двух зон горения топливной смеси, первая из которых является диффузионной и обеспечивает воспламенение гомогенной топливно-водо(паро)-воздушной смеси, поступающей во вторую жаровую трубу, превращение воды в пар (или наличие пара) в зоне горения которой снижает температуру горения, увеличивает объем продуктов сгорания, что приводит к увеличению скорости течения продуктов сгорания в проточном тракте жаровой трубы и уменьшению времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания, а, следовательно, и к снижению вредных выбросов на выходе из двигателя.
Соосное расположение жаровых труб 2, 3, соосное расположение второй жаровой трубы 3 и газосборника 12 за счет установки центрирующего кольца в зоне их сопряжения, а также использование струйных насадков и форсунок для подачи жидкого или газообразного топлива и воды (или пара) в зону горения второй жаровой трубы через завихрители, позволяет избежать загромождения проточной части камеры сгорания, обеспечивает низкий уровень гидравлических потерь в камере сгорания при одновременном уменьшении выбросов вредных веществ во всем диапазоне эксплуатационных режимов.