Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе

Авторы патента:

Маяцкий Сергей Александрович (RU)

Переславцев Андрей Викторович (RU)

Пронин Алексей Юрьевич (RU)

F23R3/26 - управление воздушным потоком

Владельцы патента RU 2286513:

Переславцев Андрей Викторович (RU)
Маяцкий Сергей Александрович (RU)
Пронин Алексей Юрьевич (RU)

Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе содержит корпус, неподвижные и подвижные разделители потоков, где топливо подводится в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, состоящие из неподвижных и подвижных частей, с выполненными в них соосными отверстиями. В подвижную часть коллектора-стабилизатора вставлена подвижная гильза. В подвижной части коллектора-стабилизатора и гильзе отверстия расположены под прямым углом к оси коллектора-стабилизатора, а в неподвижной его части отверстия имеют сужающееся к выходу сечение. Между подвижной частью коллектора-стабилизатора и гильзой установлены пружины. Изобретение позволяет обеспечить эффективную работу камеры сгорания во всем диапазоне работы двигателя. 5 ил.

Изобретение относится к камерам сгорания непрерывного действия, использующим жидкое топливо, а именно к средствам стабилизации пламени.

Известно устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе (ГТД), которое содержит корпус с кольцевыми обечайками, неподвижные и подвижные разделители потоков, образующие первичные и вторичные каналы, причем в неподвижных разделителях потоков выполнены каналы для подвода топлива в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, которые установлены на входе в первичные каналы и состоят из неподвижных и подвижных частей, телескопически соединенных между собой и жестко закрепленных соответственно на неподвижных и подвижных разделителях потоков. В неподвижных и подвижных частях коллекторов-стабилизаторов пламени выполнены отверстия - форсунки. [1]

Недостатком такого устройства, принятого за прототип, является невозможность эффективной организации процессов смесеобразования топливо-воздушной смеси (ТВС) в широком диапазоне работы камеры сгорания (КС).

Технической задачей изобретения является расширение диапазона эффективной работы КС за счет усовершенствования устройства для сжигания топлива в ГТД путем создания коллектора-стабилизатора, позволяющего управлять углом распыла.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для сжигания топлива, содержащем корпус, неподвижные и подвижные разделители потоков, где топливо подводится в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, состоящие из неподвижных и подвижных частей с выполненными в них соосными отверстиями, в подвижную часть коллектора-стабилизатора вставлена подвижная гильза, причем в подвижной части коллектора-стабилизатора и гильзе отверстия расположены под прямым углом к оси коллектора-стабилизатора, а в неподвижной его части отверстия имеют сужающееся к выходу сечение, кроме того, между подвижной частью коллектора-стабилизатора и гильзой установлены пружины.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона эффективной работы камеры сгорания, что обеспечивается управлением углом распыла топлива в зависимости от режимных параметров работы двигателя. Влияние скорости воздуха на процесс распыливания в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей существенно потому, что этот процесс не завершается на срезе форсунки, он продолжается в окружающей среде до тех пор, пока размер капли не достигнет минимальной критической величины, ниже которой ее распад становится невозможным. Критический размер капли зависит не от абсолютной, а от относительной величины скорости жидкости в окружающей среде. Если жидкость и газ движутся в одном направлении, то дальнобойность струи увеличивается, а распыливание ухудшается, что выражается в увеличении среднего диаметра капель. Наоборот, при движении жидкости и газа в противоположных направлениях дальнобойность струи уменьшается, конус факела расширяется, а качество распыливания повышается.

Если угол распыла ориентирован по нормали к направлению потока воздуха, то капли большего размера проникают в поток на большее расстояние. При таком распределении аэрозоля воспламенение облегчается, если оно производится в области мелких капель.

Поэтому в заявляемом устройстве на режимах минимальной мощности, для обеспечения устойчивого горения, впрыск топлива осуществляется под прямым углом к оси коллектора-стабилизатора, что позволяет создать локальные зоны, обогащенные топливом. Это способствует эффективному процессу горения и стабилизации пламени при пониженном давлении на входе в КС. При переходе на максимальные режимы угол впрыска топлива изменяется в сторону, обратную направлению потока воздуха. При этом улучшается дисперсность ТВС за счет соударения и дробления капель топлива с набегающим воздухом; предотвращается снос капель вниз по потоку за коллектором-стабилизатором при повышенной скорости потока.

Для определения влияния всех размерных параметров, определяющих процесс распыливания топлива, воспользуемся эмпирическим уравнением объемного спектра распыливания:

где V_s - суммарный относительный объем, т.е. сумма относительных объемов всех капель, с диаметром, меньшим или равным данной капли а_i;

, n - константы размера и распределения соответственно.

Уравнение 1 выражает кривую плотности вероятностей распределения объемов жидкости по различным размерам капель в спектрах распыливания. С учетом влияния изменения угла наклона распыла топлива и набегающего потока спектры распыливания примут следующий вид (фиг.1, 2).

Исходя из соотношения скорости набегающего потока и скорости жидкости, впрыскиваемой в этот поток, оптимальный угол распыла, при котором обеспечивается эффективное распыливание, будет определяться по графику зависимости изменения угла распыла топлива от скорости набегающего потока (фиг.3). [2, 3]

Достижение технического результата изобретения обеспечено наличием существенных отличительных признаков, а именно следующих конструктивных элементов в устройстве:

- подвижной гильзы, установленной в подвижной части коллектора-стабилизатора;

- пружин, установленных между подвижной частью коллектора-стабилизатора и подвижной гильзой;

- отверстий, расположенных в подвижной и неподвижной частях коллектора-стабилизатора и гильзе под прямым углом к оси; в неподвижной части сечение отверстий сужается к выходу,

что позволяет сделать вывод о наличии критерия патентоспособности "новизна".

В известных технических решениях указанные отличительные признаки не выявлены, что соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг.1 - спектр распыливания при изменении угла распыла α; на фиг.2 - спектр распыливания при изменении угла распыла α и скорости набегающего потока ω; на фиг.3 - зависимость изменения угла распыла топлива от скорости набегающего потока; на фиг.4 представлено устройство для сжигания топлива в ГТД, поперечный разрез; на фиг.5 - коллектор-стабилизатор, поперечный разрез.

Устройство (фиг.4) состоит из корпуса 1, неподвижных 2 и подвижных 3 разделителей потока, коллектора-стабилизатора 4.

Коллектор-стабилизатор 4 (фиг.5) представляет собой корпус, состоящий из неподвижной 5 и подвижной 6 частей коллектора-стабилизатора 4 с подвижной гильзой 7, образующие полость А. Между подвижной частью коллектора-стабилизатора 4 и гильзой 7 установлены пружины 8. В подвижной гильзе 7 и корпусе выполнены соосные отверстия 9; в неподвижной части 5 корпуса отверстия сужаются к выходу.

Описание работы устройства

Воздух, подводимый в камеру сгорания, разделяется в реакторной зоне на первичный и вторичный в соотношении, определяемом пропускной способностью первичных и вторичных каналов. Процесс сжигания топлива осуществляется путем его подвода и стабилизации факела пламени посредством коллекторов-стабилизаторов 4.

При работе высокотемпературного ГТД на режимах пониженной мощности подвижная гильза 7 коллектора-стабилизатора 4 удерживается пружиной 8 в положении, при котором впрыск топлива производится под прямым углом к набегающему потоку.

При переходе на режимы повышенной мощности увеличивается давление топлива в полости А коллектора-стабилизатора 4, при этом перемещается подвижная гильза 7, тем самым меняя взаимное расположение отверстий 9, что позволяет обеспечить изменение угла распыла топлива.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность сгорания топлива в широком диапазоне работы ГТД.

Источники информации

1. Патент РФ №2124676, кл. F 23 R 3/26, опубл. 10.01.1999 г., бюл. №1 (прототип).

2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986, с.387...473.

3. Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1964, с.53...173.

Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе, содержащее корпус, неподвижные и подвижные разделители потоков, где топливо подводится в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, состоящие из неподвижных и подвижных частей, с выполненными в них соосными отверстиями, отличающееся тем, что в подвижную часть коллектора-стабилизатора вставлена подвижная гильза, причем в подвижной части коллектора-стабилизатора и гильзе отверстия расположены под прямым углом к оси коллектора - стабилизатора, а в неподвижной его части отверстия имеют сужающееся к выходу сечение, кроме того, между подвижной частью коллектора-стабилизатора и гильзой установлены пружины.

Похожие патенты:

Камера сгорания турбомашины // 2215242

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, преимущественно к камерам сгорания наземных турбомашин, работающих на газовом топливе с низкой токсичностью выхлопных газов.

Способ определения границ вибрационного горения камеры сгорания и устройство для его осуществления // 2212006

Изобретение относится к области создания камер сгорания энергетических установок преимущественно для авиационного авиадвигателестроения, а именно к способам определения границ вибрационного горения основной камеры сгорания турбореактивного двигателя, устройства камеры сгорания, например газотурбинного привода нагнетателя магистрального газа (авиационного типа) на компрессорных станциях газопроводов.

Камера сгорания газотурбинного двигателя с регулируемым распределением воздуха // 2163991

Изобретение относится к камерам сгорания (к.с.) газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к к.с. .

Диффузор основной камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя // 2159898

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к диффузорам основных камер сгорания (ОКС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). .

Фронтовое устройство камеры сгорания для высокотемпературного гтд // 2158881

Способ регулирования распределения расхода воздуха // 2134843

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей. .

Способ сжигания топлива в высокотемпературном газотурбинном двигателе и устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе // 2124676

Камера сгорания газотурбинного двигателя // 2112181

Фронтовое устройство камеры сгорания // 2086857

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках. .

Регулятор поворота лопаток завихрителя фронтового устройства // 2030688

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к устройствам для регулирования завихрителя фронтового устройства камеры сгорания. .

Камера сгорания газотурбинного двигателя // 2311589

Изобретение относится к турбостроению, а именно к кольцевым камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД)

Устройство для регулирования низкоэмиссионной камеры сгорания газовой турбины // 2325588

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно к устройствам регулирования низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок, использующих в качестве горючего природный газ или жидкое углеводородное топливо, и может быть использовано в любых экологически безопасных тепловых или энергетических устройствах для регулирования и производства высокотемпературного и/или высокоэнергетического рабочего тела в любых технологических процессах

Камера сгорания газотурбинного двигателя // 2334172

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям основных камер сгорания

Горелочное устройство камеры сгорания газотурбинной установки // 2378576

Изобретение относится к энергетике, в частности к горелочным устройствам, и может быть использовано в газотурбинных установках

Камера сгорания с оптимальным режимом работы // 2400673

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках

Диффузионная камера газотурбинного двигателя, камера сгорания и содержащий их газотурбинный двигатель // 2461778

Камера сгорания газотурбинного двигателя и способ ее работы // 2505749

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус, жаровую трубу с зонами горения и разбавления, систему подачи топлива, систему подачи первичного и вторичного потоков воздуха, снабженную устройством воздействия на поток вторичного воздуха в полости кольцевого канала между стенками камеры сгорания и жаровой трубы, и устройство зажигания топливовоздушной смеси. Устройство воздействия на поток вторичного воздуха содержит источник лазерного излучения, оптическое волокно и, по меньшей мере, два расположенных друг напротив друга зеркала, размещенных в полости кольцевого канала. Одно из зеркал имеет на фокальной линии сквозное отверстие. Источник лазерного излучения выполнен с возможностью обеспечения возбуждения молекулярного кислорода в синглетное состояние и соединен через оптическое волокно со сквозным отверстием зеркала. Изобретение позволяет практически полностью исключить монооксид углерода в выхлопных газах газотурбинного двигателя, увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси и К.П.Д. камеры сгорания. 2 н. и 8 з.н. ф-лы, 2 ил.

Камера сгорания газотурбинного двигателя и способ ее работы // 2513527

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус, расположенную в корпусе перфорированную жаровую трубу с зонами горения и разбавления, систему подачи топлива, систему подачи первичного и вторичного потоков воздуха и устройство зажигания топливовоздушной смеси. Система подачи потоков воздуха снабжена устройством воздействия на поток первичного воздуха во входном канале первичного воздуха и устройством воздействия на поток вторичного воздуха в полости кольцевого канала между стенками камеры сгорания и жаровой трубы. Устройства воздействия на потоки первичного и вторичного воздуха содержат источник лазерного излучения, делитель лазерного излучения по устройствам воздействия на потоки первичного и вторичного воздуха. Каждое устройство воздействия снабжено оптическими волокнами с вводами, подключенными к делителю лазерного излучения. Вывод оптического волокна устройства воздействия на поток первичного воздуха подключен через сквозное отверстие к входному каналу первичного воздуха, выполненного, по меньшей мере, с двумя расположенными напротив друг друга зеркалами. Устройство воздействия на поток вторичного воздуха содержит, по меньшей мере, два расположенных напротив друг друга зеркала, размещенных в полости кольцевого канала, где одно из зеркал имеет в фокальной плоскости на оси симметрии сквозное отверстие. Вывод оптического волокна устройства воздействия на поток вторичного воздуха подключен через сквозное отверстие зеркала к кольцевому каналу. Источник лазерного излучения выполнен с возможностью возбуждения молекул кислорода в метастабильные синглетные состояния. Изобретение позволяет увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси и к.п.д. камеры сгорания. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе // 2531477

Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе содержит наружный и внутренний корпусы, образующие кольцевую полость, в которой установлены неподвижные и подвижные разделители потоков, образующие чередующиеся первичные и вторичные каналы. На наружном корпусе кольцевой полости в каждом первичном канале выполнены симметричные прямоугольные вырезы, соответствующие его размеру, с проходящими через них неподвижными разделителями потока. В торцевой части кольцевой полости установлены два кольца с возможностью вращения вокруг продольной оси, диаметр одного из которых соответствует диаметру наружного корпуса, второго - диаметру внутреннего корпуса. На наружном кольце выполнены 2N прорези, где N - натуральное четное число, соответствующее количеству первичных каналов. В каждом первичном канале установлены по две выполненные по профилю крыла пластины, шарнирно закрепленные на внутреннем кольце, с возможностью перемещения вокруг продольной оси двигателя по прорезям на наружном кольце и вокруг своей центральной оси. Длина прорези соответствует ходу пластины от минимального до максимального размера первичного канала. В каждом первичном канале установлены уголковые стабилизаторы пламени с углом раскрытия 55-65 градусов по направлению потока, которые жестко закреплены на наружном и внутреннем кольцах равноудаленно по окружности. Точка крепления на наружном кольце находится между прорезями соответствующего канала. Изобретение направлено на расширение диапазона устойчивой работы камеры сгорания. 3 ил.

Способ смешивания разбавляющего воздуха в системе последовательного сгорания газовой турбины // 2570480

Изобретение относится к энергетике. Способ смешивания разбавляющего воздуха с горячим основным потоком в системе последовательного сгорания газовой турбины, при этом газовая турбина содержит компрессор, первую камеру сгорания, соединенную ниже по потоку с компрессором, и горячие газы первой камеры сгорания впускают в промежуточную турбину или непосредственно во вторую камеру сгорания. Горячие газы второй камеры сгорания впускают в дополнительную турбину или непосредственно в систему регенерации энергии, при этом впрыск разбавляющего воздуха вводится в первую камеру сгорания, а направление впрыска разбавляющего воздуха противоположно или совпадает с направлением первоначального потока завихрения внутри области первой камеры сгорания. Также представлены форсунка разбавляющего воздуха и камеры сгорания для осуществления настоящего способа. Изобретение позволяет снизить выделения CO. 4 н. и 8 з. п. ф-лы, 9 ил.