СИСТЕМА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ КОНТУР ПОДАЧИ ТОПЛИВА
TURBOMACHINE COMBUSTION SYSTEM COMPRISING IMPROVED FUEL SUPPLY CIRCUIT

Область техники, которой относится изобретение
Изобретение относится к общей области газотурбинных двигателей и, в частности, к области систем сгорания газотурбинных двигателей, содержащих камеру сгорания и множество форсунок, предназначенных для запуска и питания топливом камеры сгорания.
Уровень техники
Как показано на фиг. 1, газотурбинные двигатели 1 классически содержат камеру 10 сгорания и сопловой аппарат 20, установленные в корпусе 30, при этом камера сгорания ограничена наружной 14 и внутренней 12 осесимметричными стенками, расположенными одна внутри другой и соединенными кольцевой стенкой 16 дна камеры.
Корпус имеет также внутреннюю стенку 32 и наружную стенку 31, на которых закреплены соответственно внутренняя 12 и наружная 14 стенки камеры сгорания.
Смесь воздуха и топлива впрыскивается в камеру сгорания через множество форсунок, и эта смесь воспламеняется для генерирования энергии, необходимой для создания тяги газотурбинного двигателя.
В камере сгорания расположены форсунки разных типов, в том числе пусковые форсунки 17, входящие в состав системы зажигания, которая содержит по меньшей мере одну свечу; эта система зажигания позволяет воспламенить топливно-воздушную смесь, инициировать горение и распространить его на главные форсунки. Пусковые форсунки в основном проходят в камеру сгорания через отверстие, образованное в наружной стенке камеры сгорания.
Для характеристики форсунок используют величину, называемую Flow Number (FN), равную расходу (в л/ч) форсунки, поделенному на квадратный корень разности давления (в барах) впрыскиваемой смеси на входе и на выходе форсунки.
Flow Number пусковых форсунок меньше, чем Flow Number главных форсунок для данного газотурбинного двигателя. Как правило, Flow Number главной форсунки двигателя в 3-10 раз больше Flow Number пусковой форсунки этого же двигателя.
Как правило, Flow Number пусковой форсунки составляет от 1 до 4, предпочтительно от 1,5 до 2, тогда как Flow Number главной форсунки обычно превышает 4, например составляет от 5 до 15, предпочтительно от 7 до 12.
Это различие в Flow Number связано с различием функций форсунок: инициация горения в камере пусковыми форсунками требует небольшого количества топлива, тогда как продолжение горения в камере при помощи главных форсунок для обеспечения мощности газотурбинного двигателя требует намного большего расхода. Вне всякого сомнения, значения FN главных форсунок или пусковых форсунок зависят от мощности и от термодинамического цикла двигателя.
В так называемых «испарительных» камерах каждая главная форсунка выходит в испарительное устройство 19, которое содержит канал, имеющий два выпускных отверстия, выходящих в камеру сгорания.
Во время работы пусковые форсунки инициируют горение, воспламеняя топливо при помощи свечи, и нагревают таким образом испарительные устройства.
Затем питание получают главные форсунки для продолжения горения в камере, впрыскивая топливо через испарительные устройства. Во время этого этапа питание пусковых форсунок прекращается и происходит их продувка для предупреждения образования в них кокса, что могло бы привести к их забиванию.
На фиг. 2а и 2b показан контур подачи топлива, обеспечивающий цикл горения, соответственно в фазе зажигания камеры, когда питание получают пусковые форсунки, и в фазе продувки указанных форсунок.
Контур 40 подачи топлива содержит канал 43 питания пусковых форсунок 17, канал 44 питания главных форсунок 18 и канал 42 распределения топлива, гидравлически сообщающийся с каналами питания и выполненный с возможностью подачи в них топлива.
Этот контур дополнительно содержит контур 46 продувки пусковых форсунок в сторону атмосферы, приводимый в действие пусковым электроклапаном 47, перекрывающим во время своего включения, как показано на фиг. 2b, гидравлическое сообщение между распределительным каналом 42 и каналом 43 питания пусковых форсунок.
Контур 40 подачи содержит также уровневый клапан 45, выполненный с возможностью перекрывания гидравлического сообщения между каналом 44 питания главных форсунок и остальной частью контура, когда давление в канале распределения топлива на выходе его соединения с каналом питания пусковых форсунок становится ниже заранее определенного порога. Таким образом, клапан 45 открывается при повышении давления в распределительном контуре в результате повышения расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, после зажигания для увеличения режима двигателя.
Наконец, камера сгорания имеет функцию предупреждения самовыключения в случае резкого падения режима, чтобы избегать вынужденного повторного зажигания камеры сгорания после запуска газотурбинного двигателя.
Эту функцию предупреждения самовыключения обеспечивает приоритетная главная форсунка 180, которая получает основное питание, если давление топлива в контуре подачи является слишком низким. Для этого между каналом 49 питания приоритетной форсунки и каналом 44 питания других форсунок предусмотрен распределительный клапан 48 для перекрывания гидравлического сообщения с этим каналом в случае уменьшения расхода.
Таким образом, контур подачи является сложным и дорогим в изготовлении комплексом, учитывая большое число входящих в его состав деталей.
Раскрытие изобретения
Изобретение призвано решить вышеупомянутую проблему и предложить систему сгорания газотурбинного двигателя, содержащую упрощенный контур подачи топлива.
В связи с этим объектом изобретения является система сгорания газотурбинного двигателя, содержащая:
- камеру сгорания,
- по меньшей мере одну пусковую форсунку, выполненную с возможностью инициации горения в камере,
- множество главных форсунок, распределенных с постоянным угловым интервалом по окружности камеры сгорания, выполненных с возможностью питания топливом камеры сгорания после инициации горения, и
- контур подачи топлива в форсунки,
при этом камера сгорания ограничена двумя круглыми стенками, наружной и внутренней, которые расположены одна внутри другой и соединены кольцевой стенкой дна камеры, при этом контур подачи топлива выполнен с возможностью непрерывного питания по меньшей мере одной пусковой форсунки таким образом, чтобы указанная форсунка получала питание топливом как во время инициации горения, так и во время питания камеры после инициации горения,
причем каждая непрерывно питаемая пусковая форсунка ориентирована в сторону стенки дна камеры и выполнена по размерности таким образом, чтобы рассеивать топливную струю с угловым раствором в первом направлении, составляющим от 120 до 180°,
при этом расход топлива, впрыскиваемого главными форсунками, между которыми находятся пусковые форсунки, меньше по сравнению с расходом топлива, впрыскиваемого другими главными форсунками,
причем каждая пусковая форсунка расположена между двумя последовательными главными форсунками на одинаковом от них расстоянии.
Предпочтительно, но факультативно, система сгорания в соответствии с изобретением может иметь по меньшей мере один из следующих отличительных признаков:
- контур подачи выполнен с возможностью непрерывного питания всех пусковых форсунок;
- отношение расхода, поделенного на квадратный корень разности давления топливной смеси между ее давлением на входе и на выходе форсунки для главных форсунок, между которыми расположена каждая пусковая форсунка, меньше указанного отношения для других главных форсунок;
- размерность каждой непрерывно питаемой пусковой форсунки определена таким образом, чтобы рассеивать струю с угловым раствором от 15 до 35° во втором направлении, ортогональном первому направлению;
- камера сгорания является камерой с аэродинамическими или аэромеханическими форсунками;
- камера является камерой с испарительными устройствами, при этом каждое испарительное устройство выполнено так, чтобы направлять топливо, впрыскиваемое главными форсунками, в сторону стенки дна камеры;
- камера сгорания содержит:
• на своей внутренней стенке множество впускных воздушных отверстий и
• на своей наружной стенке множество так называемых разбавляющих отверстий, при этом число и диаметр указанных отверстий определяют таким образом, чтобы распределять воздух, поступающий в камеру сгорания, и чтобы сохранять гомогенность температурного поля в указанной камере;
- камера сгорания является противоточной камерой;
- контур подачи топлива содержит:
• канал питания пусковых форсунок,
• канал питания главных форсунок и
• канал распределения топлива, гидравлически сообщающийся с каналами питания и выполненный с возможностью питания топливом указанных каналов,
при этом контур подачи дополнительно содержит систему распределения, выполненную с возможностью перекрывания гидравлического сообщения между каналом распределения топлива и каналом питания главных форсунок, когда давление топлива в распределительном канале становится ниже заранее определенного порога;
- система распределения выполнена также с возможностью распределения потока топлива между главными форсунками, имеющими меньший расход, и другими главными форсунками.
Благодаря непрерывному питанию пусковых форсунок отпадает необходимость в наличии контура продувки в контуре подачи топлива.
Кроме того, непрерывное питание топливом пусковых форсунок позволяет поддерживать камеру сгорания включенной даже в случае резкого уменьшения расхода топлива в направлении главных форсунок, например, в случае снижения режима газотурбинного двигателя. Следовательно, можно отказаться от функции приоритетной форсунки и от адаптации к этой функции контура подачи топлива.
Кроме того, адаптация топливной струи, рассеиваемой пусковыми форсунками, и уменьшение расхода главных форсунок, смежных с пусковыми форсунками, по сравнению с расходом других главных форсунок позволяют поддерживать гомогенность топлива в камере сгорания и, следовательно, обеспечивать необходимый срок службы деталей на выходе камеры.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 (уже описана) показан известный газотурбинный двигатель, вид в осевом разрезе.
на фиг. 2а и 2b (уже описаны) показан контур подачи топлива в форсунки известного газотурбинного двигателя соответственно во время фазы питания пусковых форсунок и во время фазы продувки указанных форсунок;
на фиг. 3а показана часть газотурбинного двигателя, содержащего камеру сгорания типа испарительной камеры, вид в разрезе;
на фиг. 3b показана часть газотурбинного двигателя, содержащего камеру сгорания с аэродинамическими или аэромеханическими форсунками, вид в разрезе;
на фиг. 4 показан контур подачи топлива в форсунки газотурбинного двигателя;
на фиг. 5 показан газотурбинный двигатель, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 6 показана часть камеры сгорания газотурбинного двигателя, вид в перспективе.
Осуществление изобретения
На фиг. 3а и 3b показана система сгорания газотурбинного двигателя 1, содержащего камеру 10 сгорания и корпус 30 (показан на фиг. 3b), при этом камера 10 сгорания ограничена двумя осесимметричными наружной 14 и внутренней 12 стенками, расположенными одна в другой и соединенными кольцевой стенкой 16 дна камеры.
Корпус содержит также наружную стенку 31 (показана на фиг. 3b) и внутреннюю стенку (на фиг. 3b не показана), на которых соответственно закреплены внутренняя 12 и наружная 14 стенки камеры сгорания.
Кроме того, газотурбинный двигатель 1 содержит множество топливных форсунок, в том числе по меньшей мере одну пусковую форсунку 17, предпочтительно по меньшей мере две пусковые форсунки 17, и множество главных форсунок 18, предпочтительно по меньшей мере три главных форсунки 18, например 8 главных форсунок.
Система зажигания содержит по меньшей мере одну пусковую форсунку 17 и две свечи (не показаны), выполненные с возможностью воспламенения топливной струи, выходящей из форсунки 17, и с возможностью инициировать таким образом горение в камере.
Согласно первому варианту выполнения газотурбинного двигателя, показанному на фиг. 3a, камера сгорания является испарительной камерой, в которой каждая главная форсунка 18 выходит в испарительное устройство 19, которое, в свою очередь, выходит внутрь камеры. Каждое испарительное устройство содержит канал, сообщающийся через два отверстия с камерой сгорания.
Испарительные устройства 19 заходят внутрь камеры сгорания через отверстие, выполненное в наружной стенке 14 или в стенке 16 дна камеры 10 сгорания, и имеют Т-образное сечение с концами, изогнутыми в сторону стенки дна камеры.
Согласно второму варианту выполнения газотурбинного двигателя, показанному на фиг. 3b, главные форсунки 18 являются форсунками аэродинамического или аэромеханического типа и заходят непосредственно внутрь камеры 10 через отверстие, выполненное в стенке 16 дна камеры.
Предпочтительно камера сгорания является противоточной камерой.
Газотурбинный двигатель 1 содержит также контур 40 подачи топлива в форсунки, который показан на фиг. 4.
Контур подачи топлива содержит вход 41 впрыска топлива, через который топливо проходит в контур по каналу 42 распределения топлива.
Канал распределения топлива соединен с пусковыми форсунками через канал 43 питания пусковых форсунок и с главными форсунками через канал 44 питания главных форсунок.
Контур подачи топлива выполнен с возможностью непрерывного питания пусковых форсунок таким образом, чтобы указанные форсунки получали питание как во время этапа инициации горения, в ходе которого свеча воспламеняет топливо, так и в ходе последующего этапа питания топливом камеры уже после инициации горения.
Для обеспечения непрерывного питания пусковых форсунок контур содержит систему 45 распределения, выполненную с возможностью перекрывания гидравлического сообщения между каналом распределения топлива и каналом питания главных форсунок, например, когда давление топлива в распределительном канале становится ниже заранее определенного порога.
Таким образом, топливо в первую очередь поступает на пусковые форсунки, при этом главные форсунки получают питание только во время повышения давления топлива, например, в результате повышения режима газотурбинного двигателя.
Учитывая непрерывное питание пусковых форсунок, нет необходимости в их продувке. Таким образом, контур продувки исключен, и контур подачи топлива стал проще.
Кроме того, исключена также функция приоритетной форсунки, поскольку эту функцию выполняют пусковые форсунки, непрерывно получая питание: в случае понижения режима газотурбинного двигателя пусковые форсунки продолжают получать питание и обеспечивают функцию предупреждения самовыключения, поддерживая горение внутри камеры.
Это позволяет исключить распределительный клапан форсунок, обеспечивающий приоритетное питание одной главной форсунки, и контур подачи топлива становится еще проще и дешевле в изготовлении.
Конструкцию камеры сгорания и расположение форсунок следует адаптировать для поддержания надлежащей гомогенности температурных полей в камере и на выходе камеры.
Для этого, как показано на фиг. 3а, в случае, когда камера сгорания является камерой с испарительными устройствами, пусковые форсунки 17 и выходные отверстия испарительных устройств 19 направлены к стенке 16 дна камеры.
Таким образом, топливо впрыскивается непосредственно в движущийся поток топлива во время горения, называемый «рециркуляционным».
Это увеличивает время нахождения топлива, выходящего из пусковой форсунки 17, в первичной зоне камеры сгорания, то есть в зоне, где происходят испарение и сгорание. Таким образом, в первичной зоне топливо сгорает практически полностью, что обеспечивает поведение топлива, впрыскиваемого пусковыми форсунками, аналогично топливу, впрыскиваемому испарительными устройствами, поэтому непрерывное использование указанных форсунок не оказывает отрицательного влияния на общую производительность горения и на загрязняющие выбросы.
Кроме того, используют пусковые форсунки типа "Flat Spray", то есть форсунки, в которых поперечное сечение струи F (см. фиг. 5) имеет большой угловой раствор в первом направлении, составляющий от 120 до 180°, и меньший угловой раствор во втором направлении, ортогональном первому, составляющий от 15 до 35°.
Струя, выходящая из пусковых форсунок, направлена к стенке дна камеры, поэтому второе направление, соответствующее меньшему угловому раствору, является радиальным вокруг оси газотурбинного двигателя, как показано на фиг. 5.
Использование пусковых форсунок типа "Flat Spray" позволяет распределять на более широком угловом секторе точечный впрыск топлива и получать, таким образом, гомогенное температурное поле в первичной зоне камеры сгорания.
Кроме того, как показано на фиг. 5, главные форсунки 18 равномерно распределены по окружности камеры сгорания, то есть с постоянным угловым интервалом между двумя последовательными главными форсунками.
Пусковые форсунки расположены между двумя последовательными главными форсунками и на равном от них расстоянии, поэтому испарительные устройства 19, в которые выходят главные форсунки, находятся напротив концов струи, выходящей из пусковых форсунок.
Чтобы избежать локального перенасыщения топливом в зоне сгорания вблизи пусковых форсунок, то есть локального избытка расхода, создаваемого непрерывно питаемыми пусковыми форсунками, главные форсунки 18', между которыми находятся пусковые форсунки, имеют меньший расход по сравнению с расходом других главных форсунок 18.
Это уменьшение расхода можно получить за счет уменьшения Flow Number форсунок 18' по отношению к Flow Number форсунок 18. Действительно, это позволяет питать главные форсунки 18 и 18' с одинаковым давлением впрыска, что дает возможность упростить топливный контур на входе форсунок.
Например, но не ограничительно, все главные форсунки имеют значение Flow Number, превышающее 4, например, составляющее от 5 до 15, предпочтительно от 7 до 12, но предпочтительно уменьшенное значение Flow Number форсунок 18' составляет от 6 до 8, предпочтительно равно 7, a Flow Number других главных форсунок превышает или равно 9. Что касается Flow Number пусковых форсунок, то оно составляет от 1 до 4, предпочтительно от 1,5 до 2. Разумеется, Flow Number форсунок зависит от переменных параметров, таких как размер газотурбинного двигателя, число форсунок или максимальный расход топлива. Специалист может адаптировать значение Flow Number различных используемых форсунок в зависимости от газотурбинного двигателя, на котором установлены эти форсунки.
Наконец, значения Flow Number необходимо адаптировать, чтобы при режимах большой мощности минимизировать разность расхода топлива между сектором камеры, соответствующим испарительному устройству, и пусковой форсункой.
Например, в случае, когда газотурбинный двигатель содержит восемь главных форсунок, четыре из них могут иметь меньшее значение Flow Number.
Возвращаясь к фиг. 5, в случае, когда расход форсунок 18' меньше по сравнению с расходом других главных форсунок 18, но при этом значение Flow Number не уменьшено, система 45 распределения выполнена также с возможностью распределения расхода топлива между разными типами форсунок (то есть распределять меньший расход на форсунки 18'). Для этого она может дополнительно содержать канал 44' питания форсунок 18', предпочтительно независимый от канала 44 питания форсунок 18, чтобы топливо, питающее указанные форсунки 18', могло иметь давление, отличное от давления топлива, питающего форсунки 18.
На фиг. 6 камера сгорания показана частично и в перспективе. Камера содержит первичную зону, проходящую от стенки дна камеры до осевого положения, соответствующего осевому положению впускных воздушных отверстий 13, расположенных на внутренней стенке 12 камеры 10 сгорания, называемых «первичными отверстиями», при этом осевое положение измеряют параллельно оси газотурбинного двигателя. Это осевое положение находится, например, примерно на расстоянии 40 мм от стенки дна камеры.
Впускные воздушные отверстия 15 распределены по окружности камеры сгорания таким образом, чтобы для каждого испарительного устройства 19 два впускных воздушных отверстия находились напротив одного отверстия испарительного устройства и одно впускное воздушное отверстие находилось напротив другого отверстия испарительного устройства.
Так называемая зона разбавления проходит от первичной зоны до осевого положения, соответствующего осевому положению разбавляющих отверстий 15, расположенных на наружной стенке 14 камеры, причем это осевое положение находится примерно на расстоянии 70 мм от дна 16 камеры.
Число и диаметр разбавляющих отверстий и/или впускных отверстий можно определять таким образом, чтобы адаптировать в угловом направлении расход впуска воздуха в камеру. Это позволяет контролировать температурное поле в камере сгорания, например, чтобы исключить возможные горячие точки при точечном повышении содержания топлива, связанном с непрерывным питанием пусковых форсунок. Эта адаптация позволяет сохранить срок службы деталей газотурбинного двигателя, в частности, на выходе камеры сгорания.
Например, разбавляющие отверстия и впускные отверстия могут иметь диаметр от 4 до 7 мм, предпочтительно от 5 до 6 мм. Это позволяет исключить возможные горячие точки в камере сгорания на выходе первичной зоны по отношению к направлению выхода топлива, что способствует сохранению срока службы деталей газотурбинного двигателя. Разумеется, число и размер первичных отверстий и разбавляющих отверстия зависит от переменных диаметров, таких как размер газотурбинного двигателя, число форсунок или расход воздуха в двигателе. Специалист может адаптировать число и размер отверстий в зависимости от газотурбинного двигателя, на котором установлена камера сгорания.
Таким образом, предложен газотурбинный двигатель, в котором контур подачи топлива упрощен за счет непрерывного питания пусковых форсунок, что не приводит к сокращению срока службы деталей газотурбинного двигателя.