Камера сгорания газотурбинного двигателя, система зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя и способ зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя

Группа изобретений относится устройствам для воспламенения топливо-воздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит внешний корпус, жаровую трубу и форсуночную плиту кольцевой формы и систему зажигания со свечой зажигания. Топливный коллектор соединен с плитой и установлен в полости перед форсуночной плитой, полость которого соединена с одной стороны с топливопроводом, а с другой топливными каналами с форсуночными модулями. Свеча зажигания выполнена лазерной и установлена с наклоном в сторону форсуночной плиты с возможностью фокусирования луча лазера в точке фокуса между форсуночной плитой и двумя форсуночными модулями. Изобретение направлено на повышение надежности воспламенения топливной смеси и предотвращение отложения сажи на оптическом окне свечи зажигания. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Группа изобретений относится к системам зажигания газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известна камера сгорания ГТД по патенту РФ №2612231, МПК F02C 7/22, опубл. 03.03.2017 г., прототип камеры сгорания ГТД.

Эта камера сгорания содержит внешний корпус, жаровую трубу и форсуночную плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и топливный коллектор, соединенный с плитой и установленный в полости перед форсуночной плитой, полость которого соединена с одной стороны с топливопроводом, а с другой топливными каналами с форсуночными модулями и систему зажигания со свечой.

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за слабой защищенности свечи зажигания от воздействия высокотемпературного потока продуктов горения, что приводит к ее обгоранию.

Известна система зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя по патенту РФ №2247282, МПК F23R 3/42, опубл. 27.02.2005 г., содержащая жаровую трубу, форсуночную плиту и форсуночные модули. Камера сгорания содержит электрическую свечу зажигания, корпус которой установлен с наклоном в сторону противоположную форсуночной плите (к выходу).

Недостатком этой камеры сгорания и системы зажигания, является ненадежное зажигание и потребность в большой мощности свечи зажигания, так как ее рабочая часть расположена в зоне высоких скоростей потока топливо-воздушной смеси и постоянно охлаждается, а также снижение надежности из-за коксования топлива и накопления сажистых отложений на внутренней поверхности электродов, что ухудшает пусковые характеристики свечи и ее ресурс.

Известна система зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя и способ воспламенения топливной смеси в камере сгорания по патенту РФ на изобретение №2277278, МПК Н01Т 13/06, опубл. 27.95.2006 г., (прототип системы зажигания и способа воспламенения).

Эта система зажигания газотурбинного двигателя содержит свечу зажигания установленную на корпусе камеры, имеющую корпус свечи с центральным электродом и боковой электрод в виде втулки с центральным цилиндрическим каналом, а также кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости и снабженный отражателем с выходным отверстием, согласно изобретению в стенках бокового электрода выполнены тангенциальные к боковой поверхности его отверстия, на выходе соединенные с воздушной полостью между корпусом и кожухом свечи.

Способ заключается в фокусировке луча лазера в выбранной точке. При этом способы выбора этой точки не указаны ни в формуле изобретения-прототипа, ни в описании, а ее местоположение радикально влияет на воспламенение топливной смеси в камере сгорания.

Недостатки этой системы зажигания: накопление сажистых отложений на электродах и ненадежность воспламенения.

Задачи создания группы изобретений: повышение надежности воспламенения топливной смеси и предотвращение отложения сажи на оптическом окне свечи зажигания.

Технические результаты: повышение надежности воспламенения топливной смеси и предотвращение отложения сажи на оптическом окне свечи зажигания.

Решение указанных задач достигнуто в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей внешний корпус, жаровую трубу и форсуночную плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и топливный коллектор, соединенный с плитой и установленный в полости перед форсуночной плитой, полость которого соединена с одной стороны с топливопроводом, а с другой топливными каналами с форсуночными модулями, и систему зажигания со свечой зажигания, тем, что свеча зажигания выполнена лазерной и установлена с наклоном в сторону форсуночной плиты с возможностью фокусирования луча лазера в точке фокуса между форсуночной плитой и двумя форсуночными модулями.

Форсуночные модули могут быть установлены в два концентричных ряда, а точка фокуса расположена между этими рядами.

Форсуночные модули могут содержать корпус, центральное тело, струйную топливную форсунку и каналы подвода и закрутки воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом, а точка фокуса луча лазера выполнена между корпусами двух соседних модулей и форсуночной плитой.

Решение указанных задач достигнуто в системе зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя, блок энергопитания и свечу зажигания, содержащую, в свою очередь, корпус свечи в виде втулки с центральным цилиндрическим каналом, а также кожух, охватывающий корпус свечи с образованием охлаждающей полости с выходным отверстием, при этом в кожухе выполнены тангенциальные отверстия, соединяющие полость охлаждающего воздуха с воздушной полостью между корпусом и кожухом свечи, при этом свеча зажигания выполнена лазерной и содержит оптическое волокно, соединенное с одной стороны с блоком накачки, и проходящее внутри центрального цилиндрического канала, выполненного в корпусе, внутри корпуса свечи в центральной полости линзу рассеивания, фокусирующую линзу и оптическое волокно, выполненное на торце свечи зажигания, тем, что в плоскости оптического окна на кожухе выполнена вторая группа тангенциальных отверстий.

Концентрично кожуху в районе второй группы тангенциальных отверстий на жаровой трубе может быть установлен второй кожух в форме полуцилиндра, открытого со стороны форсуночной плиты.

Решение указанных задач достигнуто в способе воспламенения топливной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащего форсуночные модули и форсуночную плиту, включающий нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, тем, что точка фокуса расположена между форсуночной плитой и форсуночными модулями камеры сгорания.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…12, где:

- на фиг. 1 приведена схема камеры сгорания,

- на фиг. 2 приведена конструкция свечи зажигания и ее установка на камере сгорания,

- на фиг. 3 приведен разрез А-А на фиг. 2,

- на фиг. 4 приведен разрез В-В на фиг. 2,

- на фиг. 5 приведена плита с форсуночными модулями,

- на фиг. 6 приведена схема подвода топлива к форсуночным модулям,

- на фиг. 7 приведена форсуночная плита,

- на фиг. 8 приведен вид С на форсуночную плиту.

- на фиг. 9 приведена конструкция форсуночного модуля,

- на фиг. 10 приведен разрез D-D на фиг. 9,

- на фиг. 11 приведена схема фокусировки лазерного луча между форсуночной плитой и форсунками

- на фиг. 12 приведена схема фокусировки луча лазера между двумя рядами форсуночных модулей.

Камера сгорания ГТД (фиг. 1) содержит корпус двигателя 1. внешний корпус 2, внешнюю жаровую трубу 3 с отверстиями 4, форсуночную плиту 5 и коллектор 6 с полостью 7. Коллектор 6 установлен в воздушной полости 8 и к нему присоединен топливопровод 9.

На плите 3 установлены форсуночные модули 10, размещенные, например, в два концентричных ряда в многофорсуночной кольцевой камере сгорания. В форсуночной плите 5 выполнены топливные каналы 11 для подвода топлива через кольцевые полости 12 к форсуночным модулям 10. Кроме того, в плите форсуночной плите 5 выполнены сквозные отверстия 13 (фиг. 1, 7 и 8) для установки форсуночных модулей 10. при этом форсуночные модули 10 могут быть установлены в два или три ряда и в шахматном порядке.

Камера сгорания, кроме того, содержит внутреннюю жаровую трубу 14 и внутренний кожух 15 (фиг. 1).

Камера имеет следующие воздушные каналы:

канал 16 между корпусом ГТД 1 и внешним корпусом 2,

внешний охлаждающий канал 17,

внутренний охлаждающий канал 18.

На корпусном фланце 19 установлена свеча зажигания 20, которая выполнена лазерной. Вне камеры сгорания установлен блок энергопитания 21, к которому электрическими проводами 22 присоединен блок накачки 23, выход которого оптическим волокном 24 соединен со свечей зажигания 20. Свеча зажигания 20 содержит корпус свечи 25, фланец свечи 26, установленные внутри корпуса свечи 25 в центральной полости 27 линзу рассеивания 28. фокусирующую линзу 29 и оптическое окно 30, выполненное на торце свечи зажигания 20.

Луч лазера 31 фокусируют в точке фокуса «Ф» (фиг. 1) положение которой значительно влияет на надежность зажигания камеры сгорания.

Концентрично корпусу свечи 25 установлен кожух 32 (фиг. 2 и 3). Особенностью системы зажигания являются выполнение между корпусом свечи 25 и кожухом 32 полости охлаждения 33. В кожухе 32 выполнены тангенциальные отверстия 34, которые соединяют канал 16 с полостью охлаждения 33.

Также в кожухе 32 выполнена вторая группа тангенциальных отверстий 35, которые соединяют верхнюю охлаждающую полость 17 с полостью охлаждения 33 и которые выполнены в плоскости расположения оптического окна 30. Это сделано для предотвращения покрытия оптического окна 30 сажистыми отложениями.

Для увеличения расхода воздуха через вторую группу тангенциальных отверстий 35 концентрично кожуху 33 может быть установлен дополнительный кожух 36 (фиг. 2 и 4) в форме полцилиндра, с полукольцевой в поперечном сечении полостью 37, имеющей входные окна 38 (два прямоугольных окна) для интенсивного заполнения этой полости воздухом с использованием его скоростного напора.

На фиг. 5 приведена схема расположения форсуночных модулей 10 на форсуночной плите 5.

На фиг. 6 приведена схема подачи топлива из полости 7 топливного коллектора 6 (фиг. 1) через топливные каналы 11 в форсуночные модули 10.

Схема подвода воздуха к форсуночным модулям 10 показана на (фиг. 7 и 8) и включает воздушные каналы 39, образованные наклонными ребрами 40.

Форсуночный модуль 10 (фиг. 9 и 10) содержит корпус 41, центральное тело 42, топливную форсунку 43, радиальное отверстие 44, выходящее в нее и сообщающееся с кольцевой полостью 12 (фиг. 7). Концентрично топливной форсунке 43 выполнены каналы закрутки воздуха 45, образованные наклонными лопатками 46 (фиг. 4 и 5). Конструкция предложенного форсуночного модуля 10 обеспечивает более интенсивное перемешивание топлива и воздуха и более качественное сжигание топлива.

На фиг. 11 приведен вариант расположения точки фокуса «Ф» между форсуночными модулями 10, а на фиг. 12 - между двумя радами 47 и 48 форсуночных модулей 10. В этом случае точка фокуса «Ф» располагается между тремя форсуночными модулями 10. Схема с двумя рядами форсуночных модулей является наиболее распространенной.

РАБОТА КАМЕРЫ СГОРНИЯ ПРИ ЗАПУСКЕ ГТД

При запуске ГТД (фиг. 1) стартером раскручивают его ротор (не показано) и воздух через воздушные каналы 39 (фиг. 7) поступает в форсуночные модули 10 и по каналам 17 и 18 через отверстия 4 подается в камеру сгорания. Одновременно или с некоторым запозданием подают топливо по топливопроводу 9 в полость 7 топливного коллектора 6 и далее по каналам 11 в форсуночные модули 10 и в топливную форсунку 43.

После этого с блока энергопитания 21 по проводам 22 подают электрическую энергию в блок накачки 23. Блок накачки 23 подает лазерный импульс по оптическому волокну 24 в лазерную свечу 20 для воспламенения топливной смеси.

Луч лазера 31 через установленные внутри корпуса свечи 25 в центральной полости 27 линзу рассеивания 28, фокусирующую линзу 29 и оптическое окно 30 фокусируется в точке фокуса «Ф» между форсуночной плитой 5 и двумя ( или более) форсуночными модулями 10. Такая фокусировка в застойной зоне во вращающемся вихре (предпочтительно в центре вихря или около него) позволит быстрее и надежнее подогреть топливовоздушную смесь при меньших затратах мощности на формирование луча лазера 31 (фиг. 11 и 12). Это объясняется тем, что фокусировка в любом другом объеме камеры сгорания, где происходит интенсивный массообмен (движение топливовоздушной смеси к выходу из камеры сгорания) подогрев небольшого объема до температуры воспламенения осуществить на порядок труднее или потребует значительного увеличения мощности свечи зажигания 20.

Наличие второй группы тангенциальных отверстий 35 и плоскости оптического окна 30 предотвращает оседание сажистых отложений на оптическом окне 30 и предотвратит частые отказы системы зажигания.

Применение изобретения позволило:

- предотвратить отложение копоти на оптическом окне, за счет второй группы тангенциальных отверстий в кожухе и применения дополнительного кожуха,

- улучшить охлаждение оптической части свечи зажигания,

- обеспечить надежное воспламенение топливной смеси при запуске ГТД за счет фокусировки луча лазера в застойную зону обратных токов между форсуночными модулями.

1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая внешний корпус, жаровую трубу и форсуночную плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и топливный коллектор, соединенный с плитой и установленный в полости перед форсуночной плитой, полость которого соединена с одной стороны с топливопроводом, а с другой топливными каналами с форсуночными модулями, и систему зажигания со свечой зажигания, отличающаяся тем, что свеча зажигания выполнена лазерной и установлена с наклоном в сторону форсуночной плиты с возможностью фокусирования луча лазера в точке фокуса между форсуночной плитой и двумя форсуночными модулями.

2. Камера сгорания газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что форсуночные модули установлены в два концентричных ряда, а точка фокуса расположена между этими рядами.

3. Камера сгорания газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что форсуночные модули содержат корпус, центральное тело, струйную топливную форсунку и каналы подвода и закрутки воздуха, выполненные между корпусом и центральным телом, а точка фокуса луча лазера выполнена между корпусами двух соседних модулей и форсуночной плитой.

4. Система зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая блок энергопитания и свечу зажигания, содержащую, в свою очередь, корпус свечи в виде втулки с центральным цилиндрическим каналом, а также кожух, охватывающий корпус свечи с образованием охлаждающей полости с выходным отверстием, при этом в кожухе выполнены тангенциальные отверстия, соединяющие полость охлаждающего воздуха с воздушной полостью между корпусом и кожухом свечи, при этом свеча зажигания выполнена лазерной и содержит оптическое волокно, соединенное с одной стороны с блоком накачки и проходящее внутри центрального цилиндрического канала, выполненного в корпусе, внутри корпуса свечи в центральной полости линзу рассеивания, фокусирующую линзу и оптическое окно, выполненное на торце свечи зажигания, отличающаяся тем, что в плоскости оптического окна на кожухе выполнена вторая группа тангенциальных отверстий.

5. Система зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя по п. 4, отличающаяся тем, что концентрично кожуху в районе второй группы тангенциальных отверстий на жаровой трубе установлен второй кожух в форме полуцилиндра, открытого со стороны форсуночной плиты.

6. Способ воспламенения топливной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащего форсуночные модули и форсуночную плиту, включающий нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, отличающийся тем, что точка фокуса расположена между форсуночной плитой и форсуночными модулями камеры сгорания.