Малоэмиссионная камера сгорания и способ подачи в ней топлива

Малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя содержит как минимум два топливных коллектора: основной и пилотный, кран перераспределения топлива, как минимум два горелочных устройства, каждое из которых снабжено криволинейным каналом, образованным двумя спрофилированными обечайками. Внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства, на котором установлен аксиальный завихритель и трубки подачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора. На внешней поверхности криволинейного канала размещен выравнивающий коллектор для подвода топлива через соответствующие трубки из пилотного коллектора в проточную часть горелочного устройства, которое соединено с жаровой трубой, имеющей отверстия для подачи воздуха, внутри которой соосно с ней расположен экран, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части. Экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха. На входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, состоящий из сообщающихся первого и второго кольцевых объемов и кольцевой щели, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом. Изобретение направлено на повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы при сохранении низкого уровня выбросов оксидов азота на режимах, близких к максимальной нагрузке двигателя, за счет уменьшения пульсаций давления в камере сгорания и предотвращения нагарообразования на выходных частях горелочных устройств. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в газотурбинных установках и двигателях с низким уровнем вредных выбросов, в частности в малоэмиссионных камерах сгорания, работающих на газообразном топливе.

Известно, что малоэмиссионные камеры сгорания данного типа склонны к возбуждению автоколебаний, что снижает их ресурс и надежность, а для поддержания устойчивости горения на режимах с малым расходом топливного газа необходима подача части топлива с худшим качеством смешения по сравнению с качеством смешения на режиме максимальной мощности. (Tim С. Lieuwen Unsteady Combustor Physics Cambridge University Press, 27 авг. 2012 г., 405 с). Обычно такая подача части топлива, обеспечивающая худшее качество смешения, обеспечивается другим горелочным устройством с отдельным топливным коллектором или особым расположением отверстий подачи топлива на нем. При выходе на режим максимальной мощности подача топлива в данный топливный коллектор либо прекращается, либо снижается до минимума, что вызывает проблему возникновения перетекания топлива из одного горелочного устройства в другое из-за отсутствия напора в отдельном коллекторе и разности гидравлического сопротивления горелочных устройств и проблему нагарообразования на срезе горелочного устройства.

Известна малоэмиссионная камера сгорания (US 7,284,378 В2, МПК F02C 9/26, опубл. 23.10.2007), которая состоит из нескольких модулей малоэмиссионного горения, каждый из которых состоит из нескольких горелочных устройств, жаровой трубы, переходного патрубка. Подачатоплива в горелочные устройства осуществляется из нескольких топливных коллекторов. В каждом горелочном устройстве, кроме центрального горелочного устройства, есть два канала подачи топлива: основной и пилотный. Недостатком данной камеры сгорания является несовпадение гидравлических сопротивлений в модулях малоэмиссионного горения, приводящее к перетеканию продуктов сгорания между ними, что вызывает необходимость продувки воздухом топливных пилотных каналов. Данная продувка затрудняет переход с режима работы с участием пилотного топлива и приводит к неустойчивости горения на срезе горелочного устройства в его центральной рециркуляционной зоне.

Известна камера сгорания (ЕР 3029376 А1, МПК F23R 3/00, опубл. 08.06.2016), в которой использован глушитель Гельмгольца для подавления автоколебаний в камере сгорания газотурбинного двигателя. В данном изобретении предлагается настраивать подавляемую частоту колебаний с помощью изменения резонансного объема путем изготовления резонатора Гельмгольца в виде поршня в цилиндре. Изменением положения поршня обеспечивается изменение рабочего объема резонатора и тем самым изменение его первой собственной частоты. Горло резонатора Гельмгольца выполнено в виде цилиндрической трубки. Недостатком данного технического решения является то, что конструкция предусматривает наличие подвижных частей у системы, находящейся в условиях высоких температур, что может приводить к «закусыванию» частей цилиндра и поршня. Данное обстоятельство существенно снижает надежность камеры сгорания.

Известен способ подачи топлива в горелочное устройство камеры сгорания (ЕР 2631544 В1, МПК F23R 3/14, опубл. 09.05.2018), в котором топливо подают рядом с зоной рециркуляции, причем к нему подмешивают воздух, что уменьшает зону рециркуляции. Это неблагоприятно сказывается на устойчивости работы камеры сгорания.

Известен способ подачи топлива в горелочное устройство камеры сгорания с малым временем смешения непосредственно в зону рециркуляции (US 6,363,724 В1, МПК F23R 3/28, опубл. 02.04.2002). Недостатком данного способа является возникновение перетока продуктов сгорания между форсунками. Это может приводить к повреждению элементов конструкции топливного коллектора и газовых форсунок, что снижает надежность конструкции.

Известно горелочное устройство (US 2,970,772 МПК F23D 11/38, опубл. 07.02.1961), в котором с поверхности центрального тела сдувают высокую концентрацию топлива тонкой пленкой воздуха для решения проблемы нагарообразования. Однако это приводит к снижению устойчивости горения из-за чрезмерного обеднения топливовоздушной смеси в зоне рециркуляции.

Техническим результатом изобретения, является повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы при сохранении низкого уровня выбросов оксидов азота на режимах, близких к максимальной нагрузке двигателя, за счет уменьшения пульсаций давления в камере сгорания и предотвращения нагарообразования на выходных частях горелочных устройств.

Указанный технический результат достигается малоэмиссионной камерой сгорания газотурбинного двигателя, содержащей как минимум два топливных коллектора: основной и пилотный, кран перераспределения топлива, как минимум два горелочных устройства, каждое из которых снабжено криволинейным каналом с возможностью поворота потока на 90 градусов, образованным двумя спрофилированными обечайками, на входе которого установлена кольцевая обечайка с отверстиями для подачи воздуха в горелочное устройство, расположенными нормально к ее поверхности, причем внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства, на котором установлен аксиальный завихритель с закруткой потока на 35-50 градусов и трубкиподачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора, а на внешней поверхности криволинейного канала размещен выравнивающий коллектор для подвода топлива через соответствующие трубки из пилотного коллектора в проточную часть горелочного устройства, которое соединено с жаровой трубой, имеющей отверстия для подачи воздуха, внутри которой соосно с ней расположен экран, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части, на выходе жаровой трубы установлен переходный патрубок с равномерно размещенными по окружности отверстиями для подачи воздуха на смешение, причем экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха, а на входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, состоящий из сообщающихся первого и второго кольцевых объемов и кольцевой щели, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом.

Технический результат достигается также способом подачи газообразного топлива в камере сгорания, включающим впрыск топлива в поток воздуха, подаваемого в горелочное устройство, через основной топливный коллектор и пилотный топливный коллектор, причем впрыск топлива из последнего осуществляют через трубки с отношением длины трубки к ее гидравлическому диаметру отверстия более 10, при этом указанные трубки направляют к центральному телу так, что струи топлива ударяются о центральное тело горелочного устройства, а расстояние от центрального тела до выхода струи топлива из трубок не превышает двух гидравлических диаметров отверстия, а впрыск топлива в воздушный поток из основного топливного коллектора осуществляют вниз по потоку от подачи топлива в воздушный поток от пилотного коллектора, который отключают на основных режимах работы камеры сгорания.

Существо изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема малоэмиссионной камеры сгорания.

Камера сгорания содержит основной топливный коллектор 1 и пилотный топливный коллектор 2, кран перераспределения топлива 3, связывающий топливную систему двигателя с пилотным топливным коллектором, два горелочных устройства 4, каждое из которых соединено с жаровой трубой 5, внутри которой соосно с ней расположен экран 6, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части, на жаровой трубе расположены отверстия 7 для подачи воздуха, экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха 8. На выходе жаровой трубы установлен переходной патрубок 9, на котором выполнены равномерно размещенные по окружности отверстия 10 для подачи воздуха на смешение. На входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, включающий первый 11 и второй 12 кольцевые объемы, соединенные каналом 13, и кольцевую щель 14, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом 11. Горелочное устройство снабжено криволинейным каналом 15, обеспечивающим поворот потока на 90 градусов, образованным двумя спрофилированными обечайками. На входе криволинейного канала установлена кольцевая обечайка 16 с отверстиями для подачи воздуха в горелочное устройство, расположенными нормально к ее поверхности. Внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства 17, на котором установлен аксиальный завихритель 18 с закруткой потока от 35 до 50 градусов и трубки 19 для подачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора. На внешней поверхности криволинейного канала горелки размещен выравнивающий коллектор 20, к которому подводится топливо из пилотного топливного коллектора 2, из выравнивающего коллектора 20 топливо подается через трубки 21, сотношением длины трубки к ее гидравлическому диаметру отверстия более 10, которые направлены к центральному телу 17 так, что струи топлива ударяются об него, а расстояние от центрального тела 17 до выхода струй топлива из трубок 21 не превышает двух гидравлических диаметров ее отверстия.

Способ подачи топлива в камеру сгорания осуществляют следующим образом. Воздух подают в камеру сгорания из компрессора или другого источника сжатого воздуха. Одна часть воздуха поступает в переходной патрубок 9 через отверстия 10, а другая часть поступает в горелочное устройство 4 через отверстия 16. В горелочное устройство также подают газообразное топливо через основной топливный коллектор 1 и пилотный топливный коллектор 2. Топливо в основной топливный коллектор 1 поступает из топливной системы двигателя непосредственно, а в пилотный топливный коллектор 2 - через кран перераспределения топлива 3. Посредством данного крана регулируют долю расхода пилотного топлива в зависимости от режима работы двигателя: при пониженной нагрузке двигателя в пилотный топливный коллектор 2 поступает большая доля топлива по сравнению с режимами повышенной нагрузки двигателя. Малое расстояние места подачи топлива через трубки 21 от центрального тела горелочного устройства 17 предотвращает перемешивание топлива с воздухом и обеспечивает создание тонкой топливной пленки на центральном теле, и соответственно, высокую концентрацию топлива на выходном торце центрального тела. Таким образом уменьшается смешивание топлива с воздухом и повышается устойчивость горения на режимах пониженной мощности. На максимальном режиме работы газотурбинного двигателя подачу топлива в пилотный топливный коллектор 2 прекращают полностью. При выключении подачи топлива в пилотный топливный коллектор 2 закрытием крана перераспределения топлива 3 неодинаковость гидравлических сопротивлений горелочных устройств 4 камеры сгоранияприводит к возникновению течения воздуха из компрессора по пилотному топливному коллектору 2. Поскольку в воздухе отсутствуют продукты сгорания, это предотвращает отложение сажи в пилотном топливном коллекторе 2. Подачу топлива в воздушный поток из основного топливного коллектора 1 через трубки 19 осуществляют вниз по потоку от места подачи топлива в воздушный поток через трубки 21 от пилотного топливного коллектора. В месте подачи основного топлива через трубки 19 в воздушный поток в горелочном устройстве происходит смешение топлива с воздухом. Благодаря аксиальному завихрителю 18 обеспечивается высокое качество перемешивания, что приводит к низкому уровню эмиссии оксидов азота, однако при таком режиме горения возникает положительная обратная связь между процессом смешения и пульсациями давления в камере сгорания. Наличие положительной обратной связи приводит к возбуждению автоколебаний в камере сгорания, которые демпфируются глушителями, установленными на входах жаровых труб 5. На срезе горелочных устройств 4 топливовоздушная смесь сгорает с образованием высокотемпературных продуктов сгорания. Защита жаровой трубы 5 от высокотемпературных продуктов сгорания осуществляется экраном 6. Охлаждение экрана от продуктов сгорания осуществляется ударным охлаждением экрана воздухом, поступающим через отверстия 7.

Таким образом, в заявляемой камере сгорания благодаря ее конструктивным особенностям повышается надежность работы за счет демпфирования колебаний давления в камере сгорания и предотвращения перетока продуктов сгорания по трубопроводу пилотного топливного коллектора. Также данная конструкция позволяет защитить топливные форсунки от засорения нагаром и предотвратить втекание в них продуктов сгорания при отключении подачи топлива через пилотный топливный коллектор в данные форсунки или при существенном снижении расхода топлива в них. Предложенный способ подачи топлива в камере сгоранияобеспечивает улучшение стабилизации горения благодаря существенному уменьшению смешения топлива, подаваемого из трубок, с потоком воздуха до среза горелочного устройства, в том числе созданием тонкой топливной пленки.

1. Малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая как минимум два топливных коллектора: основной и пилотный, кран перераспределения топлива, как минимум два горелочных устройства, каждое из которых снабжено криволинейным каналом с возможностью поворота потока на 90 градусов, образованным двумя спрофилированными обечайками, на входе которого установлена кольцевая обечайка с отверстиями для подачи воздуха в горелочное устройство, расположенными нормально к ее поверхности, причем внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства, на котором установлен аксиальный завихритель с закруткой потока на 35-50 градусов и трубки подачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора, а на внешней поверхности криволинейного канала размещен выравнивающий коллектор для подвода топлива через соответствующие трубки из пилотного коллектора в проточную часть горелочного устройства, которое соединено с жаровой трубой, имеющей отверстия для подачи воздуха, внутри которой соосно с ней расположен экран, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части, на выходе жаровой трубы установлен переходный патрубок с равномерно размещенными по окружности отверстиями для подачи воздуха на смешение, причем экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха, а на входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, состоящий из сообщающихся первого и второго кольцевых объемов и кольцевой щели, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом.

2. Способ подачи газообразного топлива в камере сгорания по п. 1, включающий впрыск топлива в поток воздуха, подаваемого в горелочное устройство, через основной топливный коллектор и пилотный топливный коллектор, причем впрыск топлива из последнего осуществляют через трубки с отношением длины трубки к ее гидравлическому диаметру отверстия более 10, при этом указанные трубки направляют к центральному телу так, что струи топлива ударяются о центральное тело горелочного устройства, а расстояние от центрального тела до выхода струи топлива из трубок не превышает двух гидравлических диаметров отверстия, а впрыск топлива в воздушный поток из основного топливного коллектора осуществляют вниз по потоку от подачи топлива в воздушный поток от пилотного коллектора, который отключают на основных режимах работы камеры сгорания.



 

Похожие патенты:

Малоэмиссионная кольцевая камера сгорания для газовых турбин содержит цилиндрический тонкостенный наружный корпус и конусообразный тонкостенный внутренний корпус в виде раструба для выхлопа отработанных дымовых газов на выходе рабочего колеса турбины, которые жестко соединены между собой методом сварки при помощи тонколистовой обечайки.

Описывается топливная форсунка для камеры сгорания в сборе газотурбинного агрегата. Топливная форсунка включает первый компонент, второй компонент и слой твердого припоя.

Камера сгорания газовой турбины включает в себя кромку завихрителя, располагающуюся на внешней границе пластины с отверстиями для воздуха с выступанием в сторону полости сгорания, и пружинное уплотнение, установленное на участке сопряжения вкладыша камеры сгорания с пластиной с отверстиями для воздуха и кромкой завихрителя.

В изобретении предложена камера сгорания газовой турбины, обладающая конструкционной надежностью по отношению к вибрации топливных форсунок, обусловленной действием текучей среды, и высокой экологической эффективностью за счет равномерного сгорания в секции камеры сгорания.

В изобретении предложена камера сгорания газовой турбины, обладающая конструкционной надежностью по отношению к вибрации топливных форсунок, обусловленной действием текучей среды, и высокой экологической эффективностью за счет равномерного сгорания в секции камеры сгорания.

Топливная форсунка для камеры сгорания газотурбинного агрегата. Топливная форсунка содержит наружную газовую трубку (351), внутреннюю газовую трубку (340), жидкостную трубку (370) и теплозащитный экран (390).

Изобретение относится к трубчатому инжектору с двойным соплом для впрыска нефтяного топлива в камеру сгорания газовой турбины, газотурбинной установке и способу питания газовой турбины.

Фронтовое устройство камеры сгорания содержит фронтовую плиту жаровой трубы и топливовоздушные модули, каждый из которых содержит пилотный и основной контуры с коаксиально расположенными внутренним, средним и наружным воздушными каналами и канал охлаждения, образованные соответствующими стенками и кольцевым экраном.

Задачей настоящего изобретение является создание топливной форсунки для камеры сгорания газовой турбины, отличающейся длительным сроком службы и высокой прочностной надежностью.

Изобретение относится к горелочному устройству для использования в индивидуальной камере сгорания или в трубчатой камере сгорания. Горелочное устройство содержит горелку с центральным корпусом, расположенную выше по потоку от области горения, кольцевой канал с площадью поперечного сечения, промежуточные лопасти, которые расположены в периферийном направлении и в продольном направлении центрального корпуса.

Способ регулирования авиационного турбореактивного двигателя (ТРД) с изменяемой геометрией выходного устройства относится к способам регулирования, оптимизирующим работу ТРД в зависимости от условий полета.

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности к двигателям, применяемым в качестве привода газоперекачивающих агрегатов и энергоустановок.

Двухканальная система топливопитания и регулирования ГТД относится к области авиационного двигателестроения и предназначена для автоматического управления ГТД на всех режимах работы двигателя.

Изобретение относится к способам контроля тяги турбореактивного двигателя. Способ содержит этапы получения первого значения тяги, соответствующего первой рабочей точке компрессора на верхнем ограничении, причем это верхнее ограничение учитывает недооценку расхода топлива; управления турбореактивным двигателем для достижения первого значения тяги; мониторинга турбореактивного двигателя для обнаружения срыва работы компрессора; в случае необходимости: получения второго значения тяги, соответствующего второй рабочей точке, гарантирующей заранее определенный запас относительно верхнего ограничения для защиты турбореактивного двигателя от срыва работы компрессора, и управления турбореактивным двигателем для достижения второго значения.

Двухканальная система регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель относится к области авиационного двигателестроения и предназначена для автоматического управления ГТД на всех режимах работы двигателя.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к камерам сгорания газотурбинных двигателей, преимущественно малоэмиссионным камерам сгорания, и позволяет повысить топливную эффективность полноты сгорания топлива газотурбинного двигателя, на таких режимах работы камеры сгорания, когда вследствие неблагоприятного сочетания параметров топлива в зоне горения за частью или всеми горелками, полнота сгорания топлива снижается.

Способ в соответствии с изобретением содержит в фазе (Е0) запуска газотурбинного двигателя: - этап (Е10) генерирования в режиме разомкнутого цикла команды (WF_OL) расхода топлива на основании по меньшей мере одного заранее установленного правила; и - этап (Е20-Е30) отслеживания в режиме замкнутого цикла по меньшей мере одного рабочего параметра газотурбинного двигателя, выбираемого из следующих параметров: - степень (dN2/dt) ускорения компрессора газотурбинного двигателя, и - температура (EGT) на выходе турбины газотурбинного двигателя, причем этот этап отслеживания включает в себя поддержание (Е30) рабочего параметра в определенном диапазоне значений при помощи по меньшей мере одной корректирующей схемы (R1, R2, R3), связанной с этим параметром и выполненной с возможностью выдачи сигнала коррекции команды расхода топлива, генерируемой в режиме разомкнутого цикла.

Группа изобретений относится к дозирующему топливному устройству для топливного инжектора турбоустройства летательного аппарата, а также к камере сгорания турбоустройста летательного аппарата и к турбоустройству.

Изобретение относится к области турбинных двигателей, и предпочтительно применимо к области авиации. Способ регулирования порогового значения расхода топлива для использования в разомкнутом контуре для регулирования турбореактивного двигателя, приводящего в движение летательный аппарат, включает этап получения первой оценки расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания турбинного двигателя; этап получения второй оценки расхода топлива, причем вторая оценка является более точной, чем первая оценка, для, по меньшей мере, одного диапазона значений расхода топлива, и этап регулирования порогового значения расхода топлива с помощью разности, вычисленной между первой оценкой и второй оценкой.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) и регулирования подачей топлива на запусках газотурбинных двигателей.

Малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя содержит как минимум два топливных коллектора: основной и пилотный, кран перераспределения топлива, как минимум два горелочных устройства, каждое из которых снабжено криволинейным каналом, образованным двумя спрофилированными обечайками. Внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства, на котором установлен аксиальный завихритель и трубки подачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора. На внешней поверхности криволинейного канала размещен выравнивающий коллектор для подвода топлива через соответствующие трубки из пилотного коллектора в проточную часть горелочного устройства, которое соединено с жаровой трубой, имеющей отверстия для подачи воздуха, внутри которой соосно с ней расположен экран, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части. Экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха. На входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, состоящий из сообщающихся первого и второго кольцевых объемов и кольцевой щели, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом. Изобретение направлено на повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы при сохранении низкого уровня выбросов оксидов азота на режимах, близких к максимальной нагрузке двигателя, за счет уменьшения пульсаций давления в камере сгорания и предотвращения нагарообразования на выходных частях горелочных устройств. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх