Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя и способ организации рабочего процесса в ней
ANNULAR COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE AND METHOD OF ARRANGEMENT OF WORKING PROCESS THEREIN

Изобретение относится к устройствам сжигания топлива в воздушно-реактивных двигателях, а именно к области газотурбинных двигателей, в частности к камерам сгорания газотурбинных двигателей, которые могут быть использованы как в авиакосмических, так и в промышленных теплоэнергетических установках.
На сегодняшний день широкое распространение получил способ организации топливно-воздушной смеси с помощью завихрителей газового потока, которые часто используются в качестве фронтовых устройств [1]. Завихритель представляет собой устройство, имеющее элементы, закручивающие воздух или топливно-воздушную смесь для осуществления процесса горения в камере сгорания. При прохождении потока воздуха через лопатки завихрителя он закручивается и образует вихревое течение. Вихревое течение в закрученном потоке приводит к образованию зоны циркуляции в центральной области потока, если сообщаемая закрутка потоку становится большой. Циркуляционная зона, создаваемая таким образом, обеспечивает качественное перемешивание топлива и воздуха, так как вращательные составляющие скорости создают области сильного сдвига течения с высоким уровнем турбулентности и большой скоростью массообмена. Данный способ организации топливно-воздушной смеси используются на практике для повышения устойчивости и интенсивности горения в современных камерах сгорания газотурбинных двигателях.
Однако применение завихрителей потока диктует необходимость наличия множества отдельных фронтовых устройств по обводу кольцевого канала камеры сгорания с соблюдением между этими устройствами некоторого расстояния. Таким образом, между фронтовыми устройствами данного типа всегда присутствует неэффективно используемое пространство, через которое невозможна подача воздуха из компрессора и организация топливно-воздушной смеси. Помимо этого, завихрители потока формируют за собой множество отдельных вихревых структур, имеющих продольную закрутку. Эти структуры интерферируют между собой, что ухудшает гомогенность параметров газового потока по периметру кольцевого канала.
Известно устройство - камера сгорания газотурбинного двигателя кольцевого типа. В классическом варианте это устройство представляет собой кольцевое пространство, образуемое внешним и внутренним корпусами, расположенными соосно. Наиболее близким техническим решением к заявленному и принятому за прототип, является устройство, описанное в патенте [2], где в качестве фронтового устройства используется уголковый стабилизатор пламени. Переход от множества завихрителей потока к единому фронтовому устройству по всему периметру камеры сгорания позволяет использовать ранее недоступные участки, увеличив тем самым пропускную способность камеры сгорания. В свою очередь, переход от продольной системы образования зон обратных токов к поперечной системе позволяет организовать непрерывные вихревые структуры по всему обводу камеры сгорания и значительно сократить ее осевую протяженность. Однако данный вариант содержит в себе недостатки, такие как:
- невозможность задавать коэффициент избытка воздуха в камере сгорания в широком диапазоне;
- наличие застойной зоны за уголковым стабилизатором пламени, что, как следствие, приведет к образованию зон местного переобогащения топливно-воздушной смеси и повышению уровня эмиссии вредных веществ.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков.
Задача достигается за счет того, что кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит уголковый стабилизатор пламени, внешнюю и внутреннюю стенку, которые выполнены в виде криволинейных поверхностей. Отличие в том, что тыльная сторона уголкового стабилизатора пламени имеет профилирование в виде двух криволинейных поверхностей для предотвращения возникновения застойных зон, а также тыльная сторона уголкового стабилизатора пламени содержит каскад дополнительных профилированных элементов, расположенных по окружности для ликвидации местных вихревых структур в данной области. Выходная часть камеры сгорания содержит коллектор газового потока, представляющий из себя канал, образованный лопатками коллектора и стенками камеры сгорания, причем лопатки коллектора имеют гофрирование в виде дополнительного профилирования по окружности выходных кромок. Также выходная часть камеры сгорания содержит газосборник, состоящий из каскада отдельных выходных патрубков, ограниченных корпусами, которые по мере приближения к турбине объединяются в единый кольцевой канал.
Задача также достигается за счет способа организации рабочего процесса в кольцевой камере сгорания, заключающегося в том, что производят закрутку воздуха, поступающего из компрессора, за фронтовым устройством, тем самым образуют зоны обратных токов, необходимые для организации процесса горения топливо-воздушной смеси. Отличие в том, что осуществляют закрутку потока за фронтовым устройством единым сплошным фронтом по всему кольцевому каналу в поперечном направлении относительно продольной оси двигателя, в выходной области камеры сгорания поток газа разделяют на две части, одну часть принудительно направляют в зону обратных токов, вторую часть подают напрямую в зону горения. Предотвращают возникновение застойных зон и локальных вихревых структур с тыльной стороны фронтового устройства путем геометрического воздействия на структуру течения. Организуют выход газов из камеры сгорания в виде множества отдельных струй, которые затем объединяют в единый поток.
Предлагаемая кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя показана на фиг. 1-7. Фиг. 1 - продольный разрез камеры сгорания, выполненный в плоскости III-III, изображенной на фиг. 6-7. Фиг. 2 - продольный разрез камеры сгорания, выполненный в плоскости IV-IV, изображенной на фиг. 6-7. Фиг. 3 - вид в изометрии передней части камеры сгорания. Фиг. 4 -вид в изометрии задней части камеры сгорания. Фиг. 5 - вид сбоку камеры сгорания. Фиг. 6 - частичный вид в изометрии поперечного разреза камеры сгорания, выполненного в плоскости I-I, показанной на фиг. 5. Фиг. 7 - частичный вид в изометрии поперечного разреза камеры сгорания, выполненного в плоскости II-II, показанной на фиг. 5.
На фиг. 1 показан продольный разрез камеры сгорания, секущая плоскость которого совпадает с плоскостью III-III на фиг. 6-7. Камера сгорания 1 включает в себя внешнюю 2 и внутреннюю 3 стенки, во входной части камеры сгорания имеется диффузорная часть, в которой расположен уголковый стабилизатор пламени 4, у которого с тыльной стороны имеется профилирование 5 для предотвращения возникновения застойной зоны. Выходная часть камеры сгорания содержит коллектор газового потока, состоящий из множества внешних 6 и внутренних 7 каналов, образуемых внешней 8 и внутренней 9 лопатками коллектора, а также внешней 2 и внутренней 3 стенками камеры сгорания соответственно. Также выходная часть камеры сгорания содержит газосборник, состоящий из внешнего 10 и внутреннего 11 каскада отдельных выходных патрубков, ограниченных внешними 12 и внутренними 13 корпусами, причем эти патрубки объединяются на выходе в один общий канал 14. На тыльной стороне уголкового стабилизатора пламени имеются дополнительные внешние 15 и внутренние 16 элементы поперечного профилирования поверхностей, необходимых для ликвидации местных вихревых структур в области присоединения возвратных течений к основному потоку. Также имеется гофрирование в виде дополнительного профилирования по окружности внешней 17 и внутренней 18 выходных кромок лопаток коллектора для увеличения пропускной способности коллектора газового потока. Дополнительно на данной иллюстрации изображена продольная ось 19 газотурбинного двигателя. Структура течения в камере сгорания схематично представлена в виде стрелок, причем видимая часть потока обозначена сплошными стрелками, а скрытая часть - пунктирными стрелками.
На фиг. 2 показан продольный разрез камеры сгорания, выполненный таким образом, что секущая плоскость соответствует плоскости IV-IV на фиг. 6-7 и проходит через каналы коллектора 6,7, а не через выходные патрубки 10,11 как на фиг. 1.
На фиг. 3 показан вид в изометрии передней части камеры сгорания, на котором видны внешняя 2 и внутренняя 3 стенки камеры сгорания, уголковый стабилизатор пламени 4, а также внешние корпуса патрубков газосборника 12.
На фиг. 4 показан вид в изометрии задней части камеры сгорания, на котором видны внешняя 2 и внутренняя 3 стенки камеры сгорания, внешний 10 и внутренний 11 каскады выходных патрубков газосборника, внешние 12 и внутренние 13 корпуса выходных патрубков газосборника, а также выходной кольцевой канал 14.
На фиг. 5 показан вид сбоку камеры сгорания, на котором видна внешняя стенка 2 камеры сгорания и внешние корпуса выходных патрубков газосборника 13. Также на данной иллюстрации изображены плоскости I-I и II-II, пересекающие камеру сгорания поперек.
На фиг. 6 показан частичный вид в изометрии поперечного разреза камеры сгорания, выполненного в плоскости I-I, изображенной на фиг. 5. На данной иллюстрации видны внешняя 2 и внутренняя 3 стенки камеры сгорания, уголковый стабилизатор пламени 4 и элементы его профилирования 5, 15, 16. Также на данной иллюстрации изображены плоскости III-III и IV-IV, пересекающие камеру сгорания вдоль.
На фиг. 7 показан частичный вид в изометрии поперечного разреза камеры сгорания, выполненного в плоскости II-II, показанной на фиг. 5. На данной иллюстрации видны внешняя 2 и внутренняя 3 стенки камеры сгорания, внешние 6 и внутренние 7 каналы коллектора газового потока, внешняя 8 и внутренняя 9 лопатки коллектора газового потока, внешний 10 и внутренний 11 каскады выходных патрубков газосборника, внешние 12 и внутренние 13 корпуса выходных патрубков газосборника, и гофрированние в виде дополнительного профилирования по окружности внешней 17 и внутренней 18 выходных кромок лопаток коллектора. Также на данной иллюстрации изображены плоскости III-III и IV-IV, пересекающие камеру сгорания вдоль.
Работа устройства, поясняющая предложенный способ организации рабочего процесса в камере сгорания, заключается в следующем: подача воздуха из компрессора (не показан) осуществляется в расширяющийся канал, образуемый внешней 2 и внутренней 3 стенками камеры сгорания 1, где, в результате обтекания уголкового стабилизатора пламени 4, поток воздуха направляется к коллектору газового потока. Коллектор необходим для интенсификации возвратных течений в зонах обратных токов, а также для предотвращения взаимного воздействия потоков газа в зонах обратных токов и на выходе из камеры сгорания. Также коллектор обеспечивает управление значением коэффициента избытка воздуха в камере сгорания.
Затем поток разделается внешней 8 и внутренней 9 лопатками коллектора на две части, одна часть поступает во внешний 6 и внутренний 7 каналы коллектора, где закручивается в поперечном направлении относительно продольной оси двигателя 19 и организует возвратное течение (В на фиг. 1-2), направленное в сторону элементов профилирования уголкового стабилизатора пламени 5. Затем поток закручивается в обратном направлении и попадает в зону горения топливно-воздушной смеси (Г на фиг. 1-2), где с учетом воздействия дополнительных внешних 15 и внутренних 16 элементов профилирования присоединяется ко второй части воздуха, отделенной лопатками коллектора и не попавшей в зону обратных токов. После чего горячие потоки газа поступают во внешний 10 и внутренний 11 каскады выходных патрубков газосборника, ограниченных внешними 12 и внутренними 13 корпусами, где, в конечном итоге, объединяется в сплошном кольцевом канале 14 и поступают в турбину (не показана) газотурбинного двигателя.
Данный газосборник, в отличии от типовых, позволяет объединить отдельные потоки газа на выходе из камеры сгорания в едином кольцевом канале с учетом наличия коллектора газового потока.
Расположение лопаток коллектора определяет то, какое количество воздуха будет поступать в зону обратных токов В, а какое количество воздуха минует эту зону. То есть, коллектор позволяет задавать коэффициент избытка воздуха в камере сгорания в широком диапазоне путем перемещения внешних 8 и внутренних 9 лопаток коллектора относительно внешней 2 и внутренней 3 стенок камеры сгорания соответственно.
В свою очередь, наличие элементов внутреннего профилирования уголкового стабилизатора пламени 5, путем геометрического воздействия на структуру потока, предотвращает возникновение застойных явлений и, как следствие, зон местного переобогащения топливно-воздушной смеси, что положительно скажется на полноте сгорания топлива и количестве вредных веществ.
Дополнительные элементы уголкового стабилизатора пламени 15, 16 и лопаток коллектора 17, 18 увеличивают эжекцию возвратного течения к входящему потоку и предотвращают возникновение местных вихревых структур, что благоприятно скажется на интенсивности перемешивания топлива с окислителем.
Результаты гидродинамических экспериментов, проведенных с физической моделью камеры сгорания предлагаемой конструкции, подтверждают эффективность и перспективность вышеизложенного способа организации рабочего процесса в кольцевой камере сгорания газотурбинного двигателя.
Литература
1. Иноземцев, А.А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. - М.: Машиностроение, 2008. - 366 с.
2. Патент РФ №2651692, МПК F23R 3/26, опубликовано 23.04.2018.