ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям - ГТД.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2193099, МПК F02K 3/100, опубл. 20.11.2002 г.
Этот газотурбинный двигатель содержит корпус, компрессор, турбину, основную камеру сгорания, соединенную воздушным трактом с компрессором.
Недостатки неравномерное окружное поле температуры на выходе из камеры сгорания и относительно низкая полнота сгорания.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2562822, МПК F02K 7/16, опубл. 20.07.2015 г., прототип.
Этот ГТД содержит компрессор, камеру сгорания с жаровой трубой и форсунками, на форсуночной плите, жаровой трубой с внешним кожухом жаровой трубы, сообщающими внешний кольцевой зазор между внешним кожухом жаровой трубы и внешним корпусом камеры с полостью жаровой и турбину, содержащую как минимум одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом.
Применение кольцевой камеры сгорания имеет преимущества перед трубчатой и трубчато-кольцевой камерами:
- меньше габариты камеры сгорания,
- меньше ее вес,
- немного лучше температурное поле на выходе из камеры сгорания.
Недостаток: низкая полнота сгорания топлива в камере сгорания и эмиссия вредных веществ в выхлопных газах.
Задачи создания изобретения повышение КПД двигателя и уменьшение окружной неравномерности температурного поля на выходе камеры сгорания.
Достигнутые технические результаты: повышение КПД двигателя и уменьшение окружной неравномерности температурного поля на выходе камеры сгорания.
Решение указанных задач достигнуто в газотурбинном двигателе, содержащем входное устройство, компрессор, турбину, кольцевую камеру сгорания с форсунками, жаровую трубу, кольцевой зазор между внешним кожухом жаровой трубы и корпусом камеры сгорания, сообщающийся с полостью жаровой трубы, жаровая труба снабжена отверстиями для подачи охлаждающего воздуха, тем, что отверстия для подачи охлаждающего воздуха выполнены с отбортовками, жаровая труба снабжена карманами для подачи воздуха и выполнена с возможностью закрутки продуктов сгорания относительно продольной оси камеры сгорания, за счет одновременного размещения форсунок на форсуночной плите, отверстий для подачи охлаждающего воздуха и карманов под углом к плоскости, проходящей через продольную ось кольцевой камеры сгорания.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…6, где:
на фиг. 1 приведена принципиальная схема газотурбинного двигателя,
на фиг. 2 приведена кольцевая камера сгорания,
на фиг. 3 приведен вид А на фиг. 2,
на фиг. 4 приведен вид В на фиг. 3,
на фиг. 5 приведен разрез С - С на фиг. 2
на фиг. 6 приведен разрез D - D на фиг. 2
Перечень признаков, принятых в описании:
входное устройство 1,
компрессор 2,
направляющий аппарат 3.
рабочее колесо компрессора 4,
кольцевая камера сгорания 5,
жаровая труба 6,
внешний кожух 7,
внешний кольцевой зазор 8,
корпус камеры 9,
полость жаровой трубы 10.
форсуночная плита 11,
форсунка 12
коллектор 13,
топливная система 14,
турбина 15,
сопловой аппарат 16,
рабочее колесо турбины 17,
выхлопное устройство 18.
полость 19,
вал 20,
опора 21,
отверстия для подачи охлаждающего воздуха 22,
отбортовка 23,
карман 24,
перфорация 25,
отверстия для подачи воздуха 26.
Предложенный газотурбинный двигатель - ГТД повышенной экономичности содержит входное устройство 1, компрессор 2 с направляющими аппаратами 3 и рабочими колесами компрессора 4, кольцевую камеру сгорания 5 с жаровой трубой 6 с внешним кожухом 7 жаровой трубы 6, сообщающими внешний кольцевой зазор 8 между внешним кожухом 7 жаровой трубы 6 и корпусом камеры 9 с полостью жаровой трубы 10.
На входном торце жаровой трубы 6 установлена форсуночная плита 11 с форсунками 12 и коллектором 13, к входу которого присоединена топливная система 14.
К выходу из кольцевой камеры сгорания 5 присоединена турбина 15, содержащая, как минимум одну ступень с сопловым аппаратом 16 и рабочим колесом турбины 17.
К выходу турбины 15 присоединено выхлопное устройство 18.
Воздушный тракт включает входное устройство 1 и полость 19 между компрессором 2 и кольцевой камерой сгорания 5.
Вал 20, соединяет рабочие колеса компрессора 4 и рабочее колесо турбины 17 и установлен на опорах 21. Опор 21 может быть более двух.
На жаровой трубе 6 выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха 22 с отбортовками 23 и карманы 24 для заброса охлаждающего воздуха внутрь жаровой трубы 6 на значительную глубину. Отбортовки 23 отверстий для подачи охлаждающего воздуха 22 предназначены для создания направления охлаждающего воздуха с целью его закрутки вдоль оси 00 кольцевой камеры сгорания 4. На карманах 24 выполнена перфорация 25 для их охлаждения.
На фиг. 2 приведена кольцевая камера сгорания.
На фиг. 3 приведен вид А форсунки 12.
1
1
На фиг. 4 приведен вид В на форсунки 12 и форсуночной плиты 11. Форсуночная плита 11 выполнена ступенчатой с внутренней стороны, а форсунки 12 установлены таким образом, чтобы их оси ОО были наклонены к продольной оси камеры сгорания OO на угол ϕ. Оптимальный угол наклона ϕ=30…60°.
1
На фиг. 5 приведен разрез С-С отверстий для подачи охлаждающего воздуха 22. На фиг. 4 видно, что воздух, проходящий через отверстия для подачи охлаждающего воздуха 22 закручивается вдоль внутренней стенки внешнего кожуха 7. Это достигнуто выполнением отбортовок 23 под углом ϕ к продольной оси кольцевой камеры сгорания OO.
Но продукты сгорания внутри кольцевой камеры сгорания 5 не закручиваются.
1
Оптимальный угол установки отбортовок к плоскости OO, проходящей через продольную ось кольцевой камеры сгорания ϕ=30…60°.
2
На фиг. 6 приведен вариант закрутки продуктов сгорания во всем объеме кольцевой камеры сгорания 5. Это достигнуто применением карманов 24, значительно выступающих внутрь жаровой трубы 6 и оси которых наклонены к плоскостям, проходящим через продольную ось кольцевой камеры сгорания OO под углом ϕ.
2
Оптимальный угол установки карманов 24 к плоскости, проходящей через продольную ось OO кольцевой камеры ϕ=7…30°
РАБОТА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
При запуске газотурбинного двигателя (фиг. 1…6) стартером (не показан) раскручивают вал 20, который раскручивает рабочие колеса компрессора 4.
Топливный газ при запуске ГТД поступает в топливный коллектор 13 и далее в форсунки 12 (фиг. 1).
Форсунки 12 выполнены топливо-воздушными и воздух, необходимый для горения, поступает через отверстия для подачи воздуха 26, выполненные в форсуночной плите 11.
Воздух для охлаждения жаровой трубы 6 проходит также через отверстия для подачи охлаждающего воздуха 22 с отбортовками 23. Основная часть воздуха поступает через карманы 24 на значительную глубину внутрь жаровой трубы 6 и тоже закручивается. Перфорация 25 предназначена для создания пленочного охлаждения самих карманов 24.
Все средства закручивания закручивают воздух и продукты сгорания в кольцевой камере сгорания 5 в одну сторону. Это улучшит процесс горения и повысит полноту сгорания и уменьшит эмиссию вредных веществ.
Кроме того, уменьшится окружная неравномерность температурного поля на выходе из кольцевой камеры сгорания.
Значительная закрутка потока относительно продольной оси OO кольцевой камеры сгорания позволит упростить конструкцию первого соплового аппарата турбины и, при необходимости, отказаться от его охлаждения, например применив керамику.
Применение изобретения позволило:
- повысить полноту сгорания топлива в камере сгорания,
- уменьшить эмиссию вредных веществ,
- снизить окружную неравномерность температурного поля на выходе из кольцевой камеры сгорания за счет закрутки продуктов сгорания в кольцевой камере сгорания предложенными средствами,
- упростить конструкцию первого соплового аппарата турбины и при необходимости отказаться от его охлаждения, например, применив керамику.