Фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя
FRONT DEVICE OF THE COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям наземного применения и может быть использовано для сжигания предварительно перемешанных газообразных топливовоздушных смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок.
Известна камера сгорания с фронтовым устройством (RU №2527011, МПК F23R 3/36, опубл. 27.08.2014), содержащая горелку с камерой смешения и устройством воздействия на топливовоздушную смесь, выполненную в виде смесителя с продольными волнистыми складками П -образного профиля, расположенными по окружности стабилизатора пламени группами. Изобретение позволяет снизить уровень дымления и эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания топлив, исключив перегрев локальных зон жаровой трубы и реализовать устойчивый процесс горения топливовоздушной смеси с подавлением режимов виброгорения.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятой за прототип является камера сгорания с фронтовым устройством (RU №2456510, МПК F23R 3/36, опубл. 20.07.2012) содержащая горелочный модуль с продольной осью, соосной с осью жаровой трубы, смесительный канал горелочного модуля, на входе в который расположены каналы подачи топлива с выходными отверстиями, на выходе из смесительного канала располагается стабилизатор пламени с лепестками, лепестки равнорасположены по окружности стабилизатора пламени и закреплены каждая одной стороной треугольника на наружной поверхности стабилизатора пламени, причем торцы лепестков размещены радиально в плоскости торца стабилизатора пламени.
Недостатком данных устройств является обеспечение стабилизации процесса горения только за счет отрыва потока от внутренней стенки канала, внутри которого движется топливовоздушная смесь, с образованием зоны обратных токов внутри жаровой трубы, что не исключает пульсационное горение на некоторых режимах работы ГТД, а также недостаточно развитую поверхность контакта между свежей смесью и горячими продуктами сгорания в зонах обратных токов за лепестками стабилизации, что приводит к сужению диапазона малоэмиссионной и беспульсационной работы камеры сгорания.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого технического решения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является ограниченность обеспечения широкого диапазона беспульсационной работы камеры сгорания, а также недостаточные характеристики по обеспечению стабилизация пламени при малоэмиссионном горении.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении широкого диапазона стабильного и беспульсационного малоэмиссионного горения в камере сгорания при изменении режима работы двигателя и температуры окружающего воздуха.
Решение технической задачи достигается тем, что во фронтовом устройстве камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащем горелочный модуль с продольной осью, соосной с осью жаровой трубы, смесительный канал горелочного модуля, каналы подачи топлива с выходными отверстиями подачи топлива, на выходе из смесительного канала располагается стабилизатор пламени с лепестками, лепестки равнорасположены по окружности стабилизатора пламени и закреплены каждый одной стороной треугольника на наружной поверхности стабилизатора пламени, причем торцы боковых граней лепестков размещены радиально в плоскости торца стабилизатора пламени. Согласно изобретению, лепестки стабилизатора выполнены П-образными, дополнительно на входе в проточную часть смесительного канала выполнен радиально-осевой завихритель с лопатками, внутри которых размещены каналы подачи топлива с выходными отверстиями подачи топлива, через которые топливо подают в смесительный канал, при этом угол наклона α между плоскостью симметрии лопаток радиально-осевого завихрителя и соответствующей радиальной плоскостью, проходящей через ось симметрии фронтового устройства и ось цилиндрического участка канала подачи топлива к выходным отверстиям подачи топлива, равен от 0° до 30°, число выходных отверстий подачи топлива в лопатках радиально-осевого завихрителя находится в диапазоне от 4 до 8, а диаметр ∅ выходных отверстий подачи топлива находится в диапазоне размеров от 0,6 до 1,8 мм, длина L смесительного канала равна 3-7 размерам высоты Н смесительного канала, отношение радиуса внутренней стенки смесительного канала к радиусу его наружной стенки R1/R2 находится в пределах 0,4…0,65, угол β между осью горелочного модуля и линией, образованной пересечением плоскости, проходящей через центральную точку верхней части П-образного лепестка равноудаленно от боковых граней лепестка и плоскостью, проходящей через ось горелочного модуля и перпендикулярной радиальной линии, проходящей через центральную точку верхней части П-образного лепестка, равен от 0° до 30°.
Выполнение лепестков П-образными увеличивает площадь контакта между свежей топливовоздушной смесью и продуктами сгорания внутри зоны обратных токов, что улучшает работоспособность камеры сгорания на низких режимах работы двигателя.
Выполнение радиально-осевого завихрителя с лопатками, расположенными на входе в проточную часть смесительного канала обеспечивает закрутку потока топливовоздушной смеси для улучшения стабилизации пламени в камере сгорания.
Подача топлива в смесительный канал через отверстия, расположенных в лопатках радиально-осевого завихрителя с углом наклона α между плоскостью симметрии лопаток радиально-осевого завихрителя и соответствующей радиальной плоскостью, проходящей через ось фронтового устройства и ось скругления на входе в смесительный канал, равному от 0° до 30° позволяет обеспечить закрутку потока топливовоздушной смеси за счет лопаток и необходимую эпюру концентрации топлива на срезе стабилизатора. Угол α больше 30° может привести к срыву потока за лопатками и ухудшить качество смешения топлива и воздуха.
Выбранное число выходных отверстий подачи топлива в лопатках радиально-осевого завихрителя в диапазоне от 4 до 8 и диаметр ∅ выходных отверстий подачи топлива в диапазоне размеров от 0,6 до 1,8 мм позволяет обеспечить соотношение импульсов топлива и воздуха для формирования на выходе из фронтового устройства эпюры концентрации топлива, необходимой для стабильного малоэмиссионного горения в камере сгорания. Выполнение менее 4 выходных отверстий приводит к существенному искажению эпюр концентраций, более 8 выходных отверстий - не оказывает существенного влияния на эпюры.
При выборе диапазона диаметра отверстий менее 0,6 мм увеличивает риск их засорения в эксплуатации, а более 1,8, не позволяет получить нужные эпюры концентраций топлива.
Длина L смесительного канала, равная 3-7 размерам высоты Н смесительного канала, и отношение радиуса внутренней стенки смесительного канала к радиусу его наружной стенки R1/R2, находящееся в пределах 0,4…0,65, обеспечивает требуемую степень смешения топлива и воздуха в смесительном канале. Длина смесительного канала менее 3 высот смесительного канала, приводит к снижению качества подготовки топливовоздушной смеси и необеспечению низкого уровня эмиссии, а более 7 приведет к увеличению габаритов фронтального устройства. Выбор отношения радиуса внутренней стенки смесительного канала к радиусу его наружной стенки R1/R2 менее 0,4 или более 0,65 приведет к изменению эпюры концентраций.
Угол β между осью горелочного модуля и линией, образованной пересечением плоскости, проходящей через центральную точку верхней части П-образного лепестка равноудаленно от боковых граней лепестка и плоскостью, проходящей через ось горелочного модуля и перпендикулярной радиальной линии, проходящей через центральную точку верхней части П-образного лепестка от 0° до 30° позволяет обеспечить потоку топливовоздушной смеси дополнительную закрутку и обеспечить благоприятные условия для стабильного горения в камере сгорания. Угол β больше 30° приведет к срыву потока топливно-воздушной смеси за стабилизатором, что может провоцировать нестабильность горения.
На фиг. 1 - изометрическое изображение фронтового устройства;
На фиг. 2 - сечение фронтового устройства в плоскости, перпендикулярной оси А фиг. 1 и проходящее через лопатки радиального завихрителя и выходные отверстия подачи топлива;
На фиг. 3 - вид горелочного модуля с лепестками стабилизации;
На фиг. 4 - сечение фронтового устройства вдоль оси А.
На крышке фронтового устройства расположен горелочный модуль 1 с продольной осью А, соосной с осью жаровой трубы, радиально-осевым завихрителем 2 с лопатками 4 и смесительным каналом 3. Лопатки 4 радиально-осевого завихрителя расположены на входе в смесительный канал 3 горелочного модуля 1 и установлены под углом в α диапазоне от 0° до 30°. Внутри лопаток 4 радиально осевого завихрителя находятся каналы подачи топлива 5 с выходными отверстиями подачи топлива 6, расположенные перпендикулярно плоскости симметрии лопатки, чтобы обеспечивать оптимальную эпюру концентраций топлива на выходе 7 фронтового устройства. Число выходных отверстий 6 подачи топлива варьируется от 4 до 8. Диаметр ∅ выходных отверстий 6 подачи топлива находится в диапазоне размеров от 0,6 мм до 1,8 мм.
Смесительный канал 3 образован внутренней стенкой 10 и наружной стенкой 11, которые имеют плавный профиль для обеспечения безотрывного течения топливовоздушной смеси внутри него и исключения возможности стабилизации пламени внутри канала. Длина L смесительного канала равна 3-7 размерам высоты Н смесительного канала.
Отношение R1/R2 диаметра внутренней стенки смесительного канала к диаметру его наружной стенки находится в пределах 0,4…0,65.
На выходе из фронтового устройства располагается стабилизатор пламени 8 с П-образными полыми лепестками 9. Количество лепестков стабилизатора - от 7 до 12.
Лепестки 9 стабилизатора расположены вблизи выхода из смесительного канала и предназначены для обеспечения стабилизации пламени за счет одновременной закрутки потока и срыва потока за лепестками. Закрутка потока осуществляется за счет установки лепестков стабилизатора под углом β между проекцией линии, образованной пересечением плоскости, проходящей через максимальный радиус скругления наружной поверхности П-образного лепестка по центру между боковыми гранями лепестка и осью горелочного модуля.
Фронтовое устройство камеры сгорания ГТД работает следующим образом:
На вход во фронтовое устройство (без позиции), где расположены лопатки 4 радиально-осевого завихрителя 2, через каналы подачи топлива 5 в выходные отверстия подачи топлива 6 поступает топливо, которое сносится потоком воздуха, набегающего на лопатки. Закрученная топливовоздушная смесь поступает вниз по потоку в смесительный канал 3, образованный наружной стенкой 11 и внутренней стенкой 10. Закрученная топливовоздушная смесь поступает на выход из фронтового устройства (без позиции), где стабилизатор пламени 8 с П-образными полыми лепестками 9. Топливовоздушная смесь проходит через между и над П-образными полыми лепестками 9 стабилизатора пламени 8. При этом сами лепестки 9 стабилизатора пламени 8 сообщают дополнительную закрутку топливовоздушной смеси для стабилизации фронта пламени в объеме жаровой трубы камеры сгорания. Вниз по потоку за лепестками 9 стабилизатора пламени 8 происходит формирование рециркуляционных зон, обеспечивающих подвод тепла к еще несгоревшей топливовоздушной смеси и стабилизацию фронта пламени.
При проверке характеристик данного изобретения успешно проведены экспериментальные работы, получен положительный технический результат, и устройство внедряется в опытное производство.
Предлагаемое изобретение в совокупности с известными признаками позволяет обеспечить широкий диапазон стабильного и беспульсационного малоэмиссионного горения в камере сгорания в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя и температуры окружающего воздуха.