Камера сгорания газотурбинного двигателя
Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус с кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части лобовой стенкой, снабженной теплоизолирующими экранами со стороны полости горения. Теплоизолирующие экраны содержат полки, ребра на стороне, обращенной к лобовой стенке. Лобовая стенка выполнена с отверстиями для установки горелочных модулей и прохода охлаждающего воздуха. На каждом теплоизолирующем экране ребро и полка выполнены замкнутыми вдоль контура. Поверхность теплоизолирующего экрана с ребром и лобовой стенкой образуют полость, сообщенную с полостью жаровой трубы через отверстие для горелочного модуля. Полки соседних теплоизолирующих экранов образуют с лобовой стенкой проточные каналы. Отверстия на лобовой стенке для прохода охлаждающего воздуха расположены по контуру каждого теплоизолирующего экрана с обеих сторон ребра. Сторона полок, обращенная к полости горения, является продолжением поверхности экрана. Изобретение направлено на повышение топливной экономичности двигателя, полноты сгорания топлива и надежности камеры сгорания путем снижения эмиссии вредных веществ в выхлопных газах за счет повышения эффективности охлаждения лобовой стенки жаровой трубы и вторичного использования воздуха, охлаждающего теплоизолирующие экраны лобовой стенки, для распыления топлива за топливовоздушными горелками и формирования топливовоздушной смеси, а также в процессе горения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям основных камер сгорания.
Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая лобовую стенку с закрепленным на ней теплоизолирующим экраном [патент GB 2297829, F23R 3/50, 2005 г.].
Недостатком известной конструкции является наличие в соединении лобовой стенки и теплоизолирующего экрана повышенных напряжений вследствие разницы температур.
Наиболее близкой к заявляемой является камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая кольцевую жаровую трубу с лобовой стенкой, примыкающим к ней теплоизолирующим экраном, состоящим из множества сегментов и множества топливовоздушных горелок [патент US 5479774, F02C 3/14, 1992 г].
В известной камере сгорания с целью снижения эмиссии вредных веществ, в частности для уменьшения образования сажи, в зону, обогащенную топливом и находящуюся в полости жаровой трубы между топливовоздушными горелками и на некотором расстоянии от лобовой стенки, в зону смыкания топливных факелов через щель в лобовой стенке и теплоизолирующем экране подается некоторое количество воздуха для разбавления обогащенной зоны, тем самым уменьшается образование сажи. Используемый здесь способ подачи воздуха в обогащенную зону камеры сгорания является неэффективным, т.к. большая часть воздуха, подаваемого через плоскую щель в место смыкания вращающихся топливных факелов, отбрасывается из этой зоны центробежными силами вращающихся топливных факелов, не доходя до центра этой зоны.
Кроме того, воздух, охлаждающий теплоизолирующий экран с помощью диафрагмы, установленной на топливовоздушной горелке, выпускается параллельно стенке теплоизолирующего экрана в сторону от топливовоздушной горелки, и не используется для разбавления обогащенных зон и практически не используется в процессе горения.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое решение, заключается в повышении топливной экономичности двигателя, полноты сгорания топлива и надежности камеры сгорания путем снижения эмиссии вредных веществ в выхлопных газах за счет повышения эффективности охлаждения лобовой стенки жаровой трубы и вторичного использования воздуха, охлаждающего теплоизолирующие экраны лобовой стенки, для распыления топлива за топливовоздушными горелками и формирования топливовоздушной смеси, а также в процессе горения.
Сущность технического решения заключается в том, что в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей корпус с кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части лобовой стенкой, снабженной теплоизолирующими экранами со стороны полости горения, причем теплоизолирующие экраны содержат полки ребра на стороне, обращенной к лобовой стенке, а лобовая стенка выполнена с отверстиями для установки горелочных модулей и прохода охлаждающего воздуха, согласно изобретению на каждом теплоизолирующем экране ребро и полка выполнены замкнутыми вдоль контура, поверхность теплоизолирующего экрана с ребром и лобовой стенкой образуют полость, сообщенную с полостью жаровой трубы через отверстие для горелочного модуля, а полки соседних теплоизолирующих экранов образуют с лобовой стенкой проточные каналы, причем отверстия на лобовой стенке для прохода охлаждающего воздуха расположены по контуру каждого теплоизолирующего экрана с обеих сторон ребра, а сторона полок, обращенная к полости горения, является продолжением поверхности экрана.
Кроме того, полки теплозащитных экранов со стороны, обращенной к лобовой стенке, выполнены дугообразной формы, а поверхность теплоизолирующих экранов выполнена вогнутой в сторону лобовой стенки.
Выполнение на каждом теплоизолирующем экране ребра и полки замкнутыми вдоль контура экрана, т.е. без разрывов, вырезов и отверстий, позволяет разделить воздух, идущий на охлаждение теплоизолирующих экранов, на две части и распределить его в необходимом соотношении, что позволяет вокруг топливовоздушных горелок сформировать воздушную кольцевую струю, воздействовать на топливовоздушный факел за горелкой снаружи, улучшая качество смешения и обедняя топливовоздушную смесь на периферии факела, а также равномерно охлаждать теплоизолирующий экран.
При этом поверхность экрана, ребро и лобовая стенка образуют полость, через отверстие для горелочного модуля, сообщенную с полостью жаровой трубы. В эту полость через отверстия в лобовой стенке поступает основная часть воздуха для охлаждения большей части теплоизолирующего экрана и вторично используемая для распыления топлива за топливовоздушным горелочным модулем, для формирования топливовоздушной смеси и в процессе горения.
Полки соседних экранов с лобовой стенкой образуют проточные каналы, в которые через отверстия в лобовой стенке поступает вторая небольшая часть воздуха, используемая для охлаждения периферийной части теплоизолирующих экранов.
Заявляемая конструкция позволяет устранить богатые зоны, образующиеся в месте смыкания топливных факелов, сделав их бедными. Это ведет к улучшению качества смешения топлива с воздухом и повышению однородности смеси в районе лобовой стенки, а также к уменьшению неравномерности поля температур в сечении зоны горения камеры сгорания и на ее выходе. В результате чего снижается эмиссия вредных веществ в выхлопных газах, улучшается топливная экономичность двигателя и повышается полнота сгорания топлива.
Выполнение стороны полок, обращенных к лобовой стенке дугообразной формы, позволяет сформировать внутри проточных каналов вихревой поток и тем самым улучшить теплосъем с поверхности теплоизолирующих экранов.
Выполнение поверхности теплоизолирующих экранов вогнутой формы в сторону лобовой стенки повышает устойчивость экранов к термическим деформациям, что повышает надежность камеры сгорания.
Изобретение проиллюстрировано фигурами.
На фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания газотурбинного двигателя заявляемой конструкции. На фиг.2 показан вид на лобовую стенку и сечение каналов по теплоизолирующим экранам, а на фиг.3 - продольный разрез лобовой стенки по оси горелки.
Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус 1 с кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки 2 и 3, соединенные между собой в передней по потоку части этой жаровой трубы лобовой стенкой 4, снабженной теплоизолирующими экранами 5 со стороны полости горения 6. Теплоизолирующие экраны 5 содержат ребра 7 на стороне, обращенной к лобовой стенке 4, и полки 8. Лобовая стенка 4 выполнена с отверстиями 9 для установки горелочных модулей 10 и калиброванными отверстиями 11 для прохода охлаждающего воздуха. На каждом теплоизолирующем экране 5 ребро 7 и полка 8 выполнены замкнутыми вдоль контура теплоизолирующего экрана 5 без разрывов, вырезов и отверстий. Поверхность теплоизолирующего экрана с ребром 7 и лобовой стенкой 4 образуют полость 12, сообщенную с полостью жаровой трубы 6 через отверстие 9. Полки 8 ближайших теплоизолирующих экранов 5 образуют с лобовой стенкой 4 проточные каналы 13. Калиброванные отверстия 11 на лобовой стенке 4 для прохода охлаждающего воздуха расположены по контуру каждого теплоизолирующего экрана 5 с обеих сторон ребра 7, а сторона полок 8, обращенная к полости горения 6, является продолжением поверхности экрана 5.
Часть воздушного потока высокого давления 14, 15 образует вихревой поток, который выходит через открытые торцы 16 проточных каналов 13 и частично через зазоры 17 между теплозащитными экранами 5. Вокруг топливовоздушных горелочных модулей 10 формируется воздушная кольцевая струя 18.
Работа камеры сгорания осуществляется следующим образом.
Воздушный поток 14, 15 высокого давления из полости корпуса камеры сгорания поступает через калиброванные отверстия 11 с внутренней стороны ребер 7 в полость 12 между лобовой стенкой 4 и теплоизолирующим экраном 5. Воздушный поток 14, двигаясь параллельно стенке теплоизолирующего экрана 5, охлаждает его и, выходя в кольцевую щель вдоль оси топливовоздушной горелки 10 с внешней стороны топливовоздушного факела, вторично используется при смесеобразовании. При этом происходит воздействие воздушной кольцевой струи 18 на топливовоздушный факел, дополнительное перемешивание смеси с воздухом и обеднение периферийной зоны факела. Смыкание смежных факелов ниже по потоку происходит по обедненным поверхностям, вследствие чего не образуется локальных обогащенных топливом зон, смесь образуется более равномерная по концентрации. При горении в этих местах локальных зон повышенных температур не образуется, благодаря чему эмиссия вредных веществ в выхлопных газах снижается, улучшая полноту сгорания и топливную экономичность двигателя. Вогнутая поверхность теплоизолирующих экранов в сторону лобовой стенки уменьшает площадь поперечного сечения полости 12 в направлении горелки, что при движении воздуха увеличивает его скорость и, соответственно, отвод тепла с поверхности экрана 5. Кроме того, вогнутая коническая поверхность в сравнении с плоской обладает большей жесткостью, благодаря чему более устойчива к термическим деформациям.
Небольшая часть воздушного потока 14, 15 высокого давления из полости корпуса камеры сгорания поступает через калиброванные отверстия 11 с внешней стороны ребра 7 в проточный канал 13 между теплоизолирующими экранам 5 и, образуя вихревой поток, охлаждает полку 8 и ребро 7. Вихревой поток, двигаясь в канале 13, выходит в полость жаровой трубы 6 через открытые торцы 16 проточных каналов 13 и частично через зазоры 17 между теплоизолирующими экранами 5.
1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус с кольцевой жаровой трубой, включающей две отстоящие друг от друга кольцевые оболочки, соединенные между собой в передней по потоку части лобовой стенкой, снабженной теплоизолирующими экранами со стороны полости горения, причем теплоизолирующие экраны содержат полки, ребра на стороне, обращенной к лобовой стенке, а лобовая стенка выполнена с отверстиями для установки горелочных модулей и прохода охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что на каждом теплоизолирующем экране ребро и полка выполнены замкнутыми вдоль контура, поверхность теплоизолирующего экрана с ребром и лобовой стенкой образуют полость, сообщенную с полостью жаровой трубы через отверстие для горелочного модуля, а полки соседних теплоизолирующих экранов образуют с лобовой стенкой проточные каналы, причем отверстия на лобовой стенке для прохода охлаждающего воздуха расположены по контуру каждого теплоизолирующего экрана с обеих сторон ребра, а сторона полок, обращенная к полости горения, является продолжением поверхности экрана.
2. Камера сгорания газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что полки теплозащитных экранов со стороны, обращенной к лобовой стенке, выполнены дугообразной формы.
3. Камера сгорания газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что поверхность теплоизолирующих экранов выполнена вогнутой в сторону лобовой стенки.
