КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям и может быть использована в камерах сгорания газотурбинных установок.
Известна трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении лобовую стенку, скрепленную со стенкой жаровой трубы и соединенную с газосборником, в жаровой трубе в плоскости лобовой стенки, обращенной к потоку, по периметру стенки жаровой трубы выполнены каналы, отличающаяся тем, что лобовая стенка соединена с газосборником с возможностью перемещения вдоль оси жаровой трубы, в последней перед лобовой стенкой выше по потоку выполнен минимум один ряд отверстий, от которых стенка жаровой трубы сплошная, а каналы в жаровой трубе выполнены щелевыми (патент на изобретение РФ №2107227, опубл. 20.03.1998 г.).
Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит корпус, жаровую трубу, на фронтальной стенке которой размещены воздушные завихрители, а на боковых стенках - отверстия для подвода воздуха и, по меньшей мере, одно запальное устройство. Топливные форсунки установлены коаксиально воздушным завихрителям и выполнены в виде топливного завихрителя с тангенциальными каналами и/или выходного сопла. По меньшей мере, одна топливная форсунка, расположенная в зоне запального устройства, выполнена с суммарной площадью ее тангенциальных каналов и/или сопла, на 2-30% большей, чем у остальных форсунок (патент на изобретение РФ №2250415, опубл. 20.04.2005 г.).
Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит наружный корпус и внутренний корпус, выполненный в виде газосбирника, установленный на входе в камеру сгорания заборное устройство в виде кольцевого диффузора, газосборник размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха. На входе в газосборник расположено кольцевое фронтовое устройство, с лопаточным завихрителем (патент на изобретение РФ №2349840, опубл. 20.03.2009 г.).
Недостатком данной конструкции является недостаточная надежность из-за возможного выноса языка пламени в сопловой аппарат и как следствие пережег лопаток первой ступени.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является кольцевая камера сгорания газотурбинной установки, которая содержит наружный каркас и газосборник, который размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, на входе в газосборник расположено фронтовое устройство с лопаточным завихрителем и топливной форсункой, смеситель, выполненный в виде стакана, причем с одного торца стенки смесителя образуют входной цилиндр, который соединен с лопаточным завихрителем фронтового устройства, а с другого торца смеситель соединен с газосборником, смеситель снабжен поясами отверстий подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя и для поджима факела, отверстия пояса подвода воздуха для охлаждения поверхности смесителя выполнены неотбортованными и по диаметру меньше, чем отверстия пояса подвода воздуха для поджима факела (патент на полезную модель RU №125310, 2012).
Известная кольцевая камера позволяет повысить надежность, стабилизировать температуру по объему камеры, повысить равномерность смешения топлива. Вместе с тем, как показала практика, известное устройство успешно может быть использовано для газотурбинных установок с невысокой мощностью (около 6 МВт), а для газотурбинных установок с повышенной мощностью (более 16 МВт), используемая система охлаждения недостаточно эффективна. В условиях повышенных расхода топлива в газотурбинных установках с повышенной мощностью происходит сокращение ресурса фронтового устройства за счет его прогорания.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности газотурбинных установок повышенной мощности.
Технический результат - повышение эффективности охлаждения фронтового устройства.
Техническая задача достигается тем, что кольцевая камера сгорания газотурбинной установки содержит наружный каркас и газосборник, который размещен в кольцевой полости и выполнен из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха, на входе в газосборник расположено фронтовое устройство с лопаточным завихрителем и топливной форсункой, в нижней части фронтового устройства размещен пояс отверстий для подвода воздуха, отличается тем, что, дополнительно на входе в газосборник соосно фронтовому устройству установлен кожух, фронтовое устройство и кожух выполнены в виде стаканов, нижние торцы которых сообщены с газосборником, а между стенками фронтового устройства и кожуха образованы каналы для прохода воздуха.
В заявляемом устройстве нижний край кожуха предпочтительно расположен ниже уровня, на котором располагается пояс отверстий для подвода воздуха фронтового устройства.
Сравнение заявляемой полезной модели с прототипом показывает, что она отличается следующими признаками:
- на входе в газосборник дополнительно установлен кожух;
- кожух и фронтовое устройство расположены соосно;
- фронтовое устройство и кожух выполнены в виде стаканов;
- нижние торцы фронтового устройства и кожуха сообщены с газосборником;
- между стенками фронтового устройства и кожуха расположены каналы для прохода воздуха;
- фронтовое устройство снабжено поясом отверстий для подвода воздуха.
Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».
Полезная модель может быть изготовлена на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
На рисунке показана кольцевая камера сгорания газотурбинной установки. Заявляемая камера сгорания содержит наружный каркас 1, в кольцевой полости 2 расположен газосборник, который состоит из наружной обечайки 3 и внутренней обечайки 4. На входе в газосборник установлено фронтовое устройство 5, выполненное в виде стакана, верхний торец которого снабжен лопаточным завихрителем 6, топливная форсунка 7 с горелкой. Стакан фронтового устройства 5 в нижней части снабжен поясом 8 отверстий, предназначенных для подвода воздуха для поджима факела, а нижний торец фронтового устройства сообщен с газосборником. Кожух 9 размещен на входе в газосборник соосно фронтовому устройству 5 и жестко с ним соединен, торец кожуха 9 сообщен с газосборником. Между стенками кожуха 9 и фронтового устройства 5 образованы каналы 10 для прохождения воздуха-хладагента.
Уровень края нижнего торца кожуха 9 расположен ниже уровня пояса 8 отверстий фронтового устройства 5.
Устройство работает следующим образом. Топливо подается по газоподводящей трубе 11 в топливную форсунку 7. В кольцевую полость 2 компрессором (не показан) подается поток сжатого воздуха, который проходит через лопаточный завихритель 6, турбулизирующий поток газовой смеси. Газовая смесь воспламеняется обычным для таких систем способом, например при помощи воспламенителя искрового действия (на рисунке не показан), при этом во фронтовом устройстве 5 образуется факел пламени.
Сжатый воздух поступает в каналы 10, образованные стенками кожуха 9 и фронтового устройства 5, обеспечивая охлаждение стенок фронтового устройства. Часть сжатого воздуха поступает в отверстия пояса 8, создавая проистекающие столбы воздуха, направленные навстречу фронту факела пламени, образуя обратный вихрь и не давая пламени сорваться с форсунки, а также поджимая факел к фронтовому устройству. В результате происходит дополнительное перемешивание газовоздушной смеси, стабилизация температуры горения и повышение полноты сгорания топлива. Поскольку стенки фронтового устройства 5 непрерывно охлаждаются потоками воздуха, проходящими по каналам 10, постольку предотвращается прогорание стенок фронтового устройства, в том числе при повышенном расходе топлива. При этом, помимо продуктов сгорания, в газосборник поступает дополнительный объем нагретого воздуха, образовавшийся в результате передачи тепла от стенок фронтового устройства. Устранение прогорания фронтового устройства за счет обеспечения эффективного охлаждения его стенок и получения дополнительного объема нагретого воздуха обеспечивает повышение ресурса и эффективности работы кольцевой камеры. Расположение края нижнего торца кожуха 9 ниже уровня пояса 8 отверстия для поджима факела позволяет обеспечить равномерный направленный вдув в зону горения встречного воздуха для стабилизации фронта пламени, сокращения его длины и времени пребывания продуктов сгорания топлива в зоне высоких температур более 1200°C. Тем самым устраняются условия для образования оксидов азота NOx более установленных экологическими требованиями к газотурбинным установкам.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает повышение надежности кольцевой камеры сгорания газотурбинных установок повышенной мощности за счет эффективного охлаждения фронтового устройства потоками воздуха. Кроме того, надежность обеспечивается тем, что в заявляемой полезной модели исключен вынос языка пламени в сопловой аппарат, обеспечивается минимальный перекос температурного поля перед турбиной высокого давления.