ФОРСУНОЧНЫЙ БЛОК КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД
INJECTOR UNIT OF GAS-TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к газотурбинный двигателям, в том числе к авиационным и стационарным газотурбинным двигателям ГТД, и может найти применение в авиастроении, судостроении, на газоперекачивающих станциях и для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.
Известна камера сгорания ГТД по патенту РФ на изобретение №2375597, МПК P02C 7/22, опубл. 10.12.2009 г. Топливный коллектор камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит кольцевую трубу для подачи топлива к форсункам, установленную внутри корпуса камеры, подводящий трубопровод и размещенный снаружи камеры входной штуцер, установленный в наружной втулке, прикрепленной к корпусу камеры с возможностью осевого перемещения, снабженный внутренней втулкой, выполненной в виде, по меньшей мере, одного звена, включающего два неподвижных кольца и подвижное кольцо, установленное между ними с возможностью поперечного перемещения. Неподвижные кольца соединены с наружной втулкой, а подвижное кольцо установлено с возможностью контактирования с входным штуцером. Устройство позволяет компенсировать термические напряжения, возникающие в наружной втулке и штуцере за счет различного термического расширения корпуса камеры сгорания и топливного коллектора в осевом и поперечном направлениях. Уменьшение диаметра поверхности до диаметра штуцера позволяет уменьшить утечки воздуха.
Недостатком является большая неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания, обусловленная небольшим количеством форсунок.
Известна камера сгорания по патенту РФ на изобретение №215888, МПК P23K 3/26, опубл. 10.11.2000 г.
Фронтовое устройство камеры сгорания для высокотемпературного газотурбинного двигателя с подводом топлива в топливные коллекторы через неподвижные разделители потока содержит фронтовое устройство, выполненное в виде ряда профилированных пластин. Профилированные пластины установлены на входе в первичные каналы с возможностью перемещения друг относительно друга в окружном направлении при изменении площадей проходных сечений первичных каналов. Каждая из профилированных пластин состоит из неподвижной и подвижной частей, телескопически соединенных между собой. Неподвижные части телескопических пластин жестко закреплены на неподвижных разделителях потока. Ответные подвижные части пластин закреплены на подвижных разделителях потока. Топливные коллекторы с одного конца с помощью внутренних шаровых шарниров закреплены на неподвижных разделителях потока, а с другого конца шарнирно закреплены к поворотным тягам, вторые концы которых шарнирно крепятся к подвижным разделителям потока. Такое выполнение фронтового устройства расширяет диапазон устойчивого горения.
Недостатки этой камеры сгорания: эмиссия вредных веществ особенно на режиме «малого газа», неполное сгорание топлива, окружная и радиальная неравномерность поля температур на выходе их камеры сгорания.
Известна камера сгорания и форсуночный модуль из книги Старцев Н.И. Конструкция и проектирование камеры сгорания ГТД. Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007 г., прототип камеры сгорания и форсуночного модуля.
Эта камера сгорания содержит корпус, жаровую трубу, имеющую плиту кольцевой формы с установленными на ней в два ряда форсуночными модулями и основной топливный коллектор, установленный на плите, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешний и внутренний корпусы жаровой трубы.
Недостатки этой камеры сгорания: эмиссия вредных веществ особенно на режиме «малого газа», неполное сгорание топлива, окружная и радиальная неравномерность поля температур на выходе их камеры сгорания. Все эти недостатки обусловлены тем, что весь расход горючего на всех режимах проходит через все форсунки камеры сгорания. Кроме того, камера сгорания должна устойчиво работать в широком диапазоне режимов от «малого газа» до «максимального режима», т.е. в диапазоне десятикратного изменения расхода топлива. Если на 2 максимальном режиме перепад давления на форсунках (форсуночных модулях) будет достаточным для качественного распыления топлива, то в режиме «малого газа» перепад давления на форсунках уменьшится в 100 раз, т.к. он изменяется пропорционально квадрату расхода топлива и окажется недостаточным для качественного распыления топлива.
2
2
Например, если перепад давления на форсунках на «максимальном режиме» составляет 10 кгс/см, то на режиме «малого газа» всего 0.1 кгс/см. Это приводит к неполному сгоранию топлива, эмиссии вредных веществ и неравномерному полю температур на выходе из камеры сгорания. Последнее приведет к прогару сопловых и рабочих лопаток турбины.
Форсуночный модуль содержит корпус, центральное тело, камеру в форме усеченного конуса, центральный топливный канал и несколько наклонных к оси форсуночного модуля выходных каналов и завихрители воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом в виде наклонно установленных лопастей.
Недостатки - те же самые, они обусловлены параллельным расположением форсуночных модулей в соседних рядах.
Задачи создания изобретения - увеличение полноты сгорания топлива на всех режимах, снижение эмиссии вредных веществ и обеспечение равномерного температурного поля на выходе из камеры сгорания по окружности на всех режимах.
Решение указанных задач достигнуто в форсуночном блоке камеры сгорания ГТД, содержащем плиту с установленными на ней в несколько рядов форсуночными модулями, содержащими топливные и воздушные каналы, и топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, отличающемся тем, что применено более трех концентричных рядов форсуночных модулей, которые установлены установочными выступами в несквозные отверстия, выполненные в плите, плита выполнена выпуклой формы в сторону воздушного потока. Форсуночные модули в рядах могут быть установлены на плите в шахматном порядке. Форсуночные модули могут содержать корпус, центральное тело, камеру смешения в форме усеченного конуса, центральный топливный канал, завихрители воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом в виде наклонно установленных лопастей. Лопасти в соседних рядах форсуночных модулей могут быть наклонены в противоположные стороны.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6,
где на фиг.1 приведен форсуночный блок камеры сгорания ГТД,
на фиг.2 приведен форсуночный модуль,
на фиг.3 приведено сечение А-А фиг.2,
на фиг.4 приведена плита,
на фиг.5 приведена плита с форсуночным модулем,
на фиг.6 приведена схема установки форсуночных модулей.
Форсуночное устройство камеры сгорания ГТД (фиг.1…6) содержит плиту 1 с коллектором 2, имеющим полость 3. Плита 1 выполнена выпуклой формы в сторону воздушного потока, это позволит увеличить длину камеры сгорания в ее центральной части и, как следствие, полноту сгорания и равномерность поля температуры на выходе из камеры сгорания.
На плите 1 установлены форсуночные модули 4, размещенные в несколько концентричных рядов 5…7 (более трех).
Чем больше количество концентричных рядов 5…7, тем меньше неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания. Количество рядов 5…7 может быть сколь угодно большим, с применением нанотехнологий - бесконечно большим.
В плите 1 выполнены несквозные отверстия 8 и топливные каналы 9 для подвода топлива к форсуночным модулям 4.
1
1
2
2
Форсуночные модули 4 в рядах 5…7 могут быть установлены в шахматном порядке, что предпочтительнее, т.к. позволит разместить большее количество форсуночных модулей 4. Продольная ось камеры сгорания (соответствующая продольной оси двигателя) обозначена как ОО, а ось симметрии форсуночного блока ОО.
Форсуночные модули 4 содержат корпус 10 цилиндрической формы, центральное тело 11, выполненное внутри корпуса 10, уступ для крепления 12, выполненный на одном торце корпуса 10, камеру смешения 13, выполненную в форме усеченного конуса,  на другом торце и сквозной топливный канал 14, выполненный в центральном теле 11 и уступе для крепления 12. Центральное тело 11 и корпус 10 соединены лопатками 15, установленными наклонно, между которыми выполнены воздушные каналы 16 (фиг.2). В плите 1 против воздушных каналов 16 выполнены сквозные воздушные каналы 17, разделенные перемычками 18 обтекаемой формы (фиг.4).
Для обеспечения работы камера сгорания  имеет трубопровод 19 (фиг.1).
Коллектор 2 может быть выполнен с обтекателем 20, который присоединен к нему сварочным швом 21. Плита 4 имеет выступы 22 и 23, к которым сварочными швами 24 и 25 присоединены стенки 26 и 27 коллектора 2.
Особенностями форсуночного модуля является соотношение размеров:
h=(0,1…0,5)Н.
При таком соотношении смешение топлива с воздухом происходит внутри камеры смешения 13 (фиг.2).
При работе камеры сгорания топливо подается по трубопроводу 19 в полость 6 коллектора 5, потом по топливным каналам 9 в несквозные отверстия 8 и далее - в сквозные топливные каналы 14. Воздух подается через воздушные каналы 17 в воздушные каналы 16 и смешивается с топливом в камере смешения 13. Качественная топливовоздушная смесь сгорает в камере сгорания.
Конструкция форсуночного модуля 4 обеспечивает более качественное перемешивание топлива с воздухом и, как следствие, улучшение полноты сгорания.
Применение изобретения позволило
1. обеспечить эффективное плавное регулирование расхода топлива в газотурбинном двигателя с сохранением практически постоянного перепада давления на всех режимах, особенно в режиме «малого газа»,
2. обеспечить увеличение полноты сгорания на всех режимах за счет особенностей конструкции камеры сгорания и форсуночных модулей,
3. обеспечить низкую эмиссию вредных веществ за счет качественного перемешивания топливовоздушной смеси и за счет перемешивания продуктов сгорания, в том числе воздухом, подаваемым в зону горения средствами для подачи и закрутки воздуха,
4. обеспечить равномерное поле температур на выходе из камеры сгорания,
5. уменьшить радиальную неравномерность поля температур на выходе из камеры сгорания на надежность работы сопловых и рабочих лопаток за счет применения более трех рядов форсуночных модулей.