Горелочное устройство камеры сгорания гтд

Авторы патента:

F23D14/02 - горелки с заранее приготовленной газовой смесью, т.е. горелки в которых газообразное топливо смешивается с воздухом до зоны сгорания

Владельцы патента RU 2746347:

(RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Казанский национальный исследовательский технический уриверситет им. А.Н.Туполева-КАИ

Изобретение относится к горелочным устройствам камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе. Горелочное устройство камеры сгорания содержит корпус (1), топливную форсунку (2), закрепленную фланцами (3) к обечайке камеры сгорания, выходной срез форсунки (2) установлен в отверстие корпуса (1), между выходным срезом форсунки и корпусом установлен уплотнительный узел (4). Корпус (1) установлен в кольцевую головку (7) и имеет камеру смешения (8) с тангенциальными пазами (5) и рядами отверстий (6). Выходное сопло (9) выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим. В корпусе (1) в выходной части сопла (9) выполнены два концентрично расположенных охлаждающих кольцевых канала (10) и (15), на входе сообщенные с каналом подачи воздуха. На выходе кольцевого канала (15) имеются равномерно расположенные по окружности отверстия (14), через которые охлаждающий воздух поступает в пространство жаровой трубы (7). На выходе кольцевых каналов (10) и (15) в полости жаровой трубы расположены защитные экранирующие поверхности (11). На выходном срезе форсунки (2) выполнены осевые (12) и радиальные (13) отверстия. Изобретение позволяет обеспечить низкий уровень концентрации ΝΟ_x путем повышения равномерности температур в зоне горения и исключения локального перегрева кольцевой головки, а также повысить надежность запуска и устойчивость горения камеры сгорания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горелочным устройствам камер сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), работающих преимущественно на газообразном топливе.

Известны устройства топливовоздушных горелок, расположенных во фронтовом устройстве КС [Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. - М.; Машиностроение, 1967, с. 137.], содержащие осесимметричные лопаточные завихрители с расположенными по их оси топливными форсунками. В таком устройстве топливо из форсунок подается в зону обратных токов (ЗОТ), образующуюся ниже по потоку за завихрителем, создавая в ней топливо-воздушную смесь (ТВС). При горении такой смеси в ЗОТ (из-за высокой температуры и большого времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур) образуются в большом количестве окислы азота (NO_x=NO+NO₂), которые вместе с продуктами сгорания выделяются из ГТД, загрязняя окружающую среду, что является недостатком таких устройств.

Известно устройство топливовоздушной горелки [SU, авторское свидетельство 308653, кл. F23R 3/00, 1983.], в которой для уменьшения выделения окислов азота (NO_x) в нее подают до 55% воздуха, поступающего в КС, обедняя смесь, что уменьшает образование NO_x. Характерными недостатками данного устройства являются узкие области запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя (патент на изобретение РФ №2670858, МПК F23R 3/50, F23R 3/46(2006.01), опубликовано: 25.10.2018, Бюл. №30), содержащая жаровую трубу, фронтовое устройство, обтекатель с открытой передней центральной частью и диффузор. Диффузор содержит наружную стенку, внутреннюю стенку и две кольцевые перегородки между ними, образующие три кольцевых прохода внутри диффузора для подачи воздуха в камеру сгорания. Каждая перегородка состоит из основного участка, входного участка и выходного участка. Кромки входных участков перегородок выполнены острыми. Выходные участки перегородок выступают по отношению к стенкам диффузора и имеют форму, обеспечивающую предотвращение отрыва потока воздуха и образование в следе за ними зон обратных токов. Поверхности основных участков перегородок имеют коническую форму. Кромки открытой передней части обтекателя лежат на продолжении образующих поверхностей основных участков перегородок. Изобретение направлено на уменьшение образования оксидов азота при сжигании топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя.

Недостатками известной камеры сгорания являются перегрев кольцевой головки со стороны зоны горения, неравномерность температурного поля в зоне горения.

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением по совокупности признаков и достигаемому техническому результату по патенту на изобретение РФ №2160416 МПК F23R 3/60, опубл. 10.12.2000, Бюл. №34), сущность которого заключается в том, что камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, на бобышках которого закреплены фланцами топливные форсунки состоящие из корпуса и пробки, выходной срез форсунок установлен в отверстии корпусов завихрителей, входящих в горелки закрепленные в кольцевой головке при помощи резьбовых гаек, между концами каждой форсунки и корпусом завихрителя установлен уплотнительный узел закрепленный в отверстии корпуса завихрителя.

Однако, известное техническое решение небольшим ресурсом и ненадежностью в эксплуатации из-за локального перегрева кольцевой головки в местах между горелками, происходящего под воздействием рабочих температур, что приводит к прогару камеры сгорания, а также из-за неравномерности температур в зоне горения в результате возникновения отрыва потока на кромках резьбовых гаек; кроме того повышенные выбросы NO_x, которые вместе с продуктами сгорания выделяются из камеры сгорания ГТД, загрязняющие окружающую природную среду.

- для исключения локального перегрева кольцевой головки цилиндрическое сопло оснащенное охлаждающим тоннелем и защитным двухъярусным экраном между ярусами которого расположены отверстия;

- для исключения неравномерности температур в зоне горения на выходном срезе форсунки выполнены осевые и радиальные отверстия;

- для обеспечения низкой концентрации NO_x в продуктах сгорания корпус горелочного устройства имеет тангенциальные пазы и ряд отверстий, камеру смешения и цилиндрическое сопло, позволяющее обеспепечить хорошее перемешивание топлива с воздухом;

- для обеспечения надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания коэффициент избытка воздуха (а) на выходе из цилиндрического сопла составляет α=1,5…1,7, что достаточно для обеспечения устойчивого горения.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является создание высокоэффективной камеры сгорания с низким уровнем выхода токсичных веществ.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в обеспечении низкой концентрации NO_х, путем повышения равномерности температур в зоне горения и исключения локального перегрева кольцевой головки, а также в повышении надежности запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Технический результат достигается тем, что в горелочном устройстве камеры сгорания ГТД, содержащем корпус, включающий входную часть, камеру смешения и выходное сопло, топливную форсунку, закрепленную фланцами к обечайке камеры сгорания, выходной срез топливной форсунки установлен во входную часть корпуса, между выходным срезом топливной форсунки и корпусом установлен уплотнительный узел, корпус установлен в кольцевую головку жаровой трубы камеры сгорания, отличающееся тем, что в камере смешения выполнены последовательно равномерно по окружности рядами тангенциальные пазы и осесимметричные отверстия, в корпусе в выходной части сопла выполнены два концентрично расположенных канала, на входе сообщенные с каналом подачи воздуха, а на выходе которых, в полости жаровой трубы, расположены защитные экранирующие поверхности.

Выходное сопло выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлен продольный разрез горелочного устройства камеры сгорания ГТД.

На фиг. 2 - представлен вид А-А фиг. 1.

На фиг. 3 - вид Б фиг. 1.

Горелочное устройство камеры сгорания, содержит корпус горелочного устройства 1, топливную форсунку 2 закрепленную фланцами 3 к обечайке камеры сгорания, выходной срез форсунки 2 установлен в отверстие корпуса 1, между выходным срезом форсунки 2 и корпусом 1 установлен уплотнительный узел 4. Корпус 1 установлен в кольцевую головку 7. Камера смешения 8 имеет равномерно расположенные по окружности рядами тангенциальные пазы 5 и осесимметричные отверстия 6. Выходное сопло 9 может быть выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим. В корпусе 1 в выходной части сопла 9 выполнены два концентрично расположенных охлаждающих кольцевых каналов 10 и 15, на входе сообщенные с каналом подачи воздуха. На выходе кольцевого канала 15 имеются равномерно расположенные по окружности отверстия 14, через которые охлаждающий воздух поступает в пространство жаровой трубы. На выходе кольцевых каналов 10 и 15 в полости жаровой трубы, расположены защитные экранирующие поверхности 11. На выходном срезе форсунки 2 выполнены осевые 12 и радиальные 13 отверстия.

Воздух поступающий в горелочное устройство через тангенциальные пазы 5 и ряд отверстий 6, закручивается и поступает в камеру смешения 8. Топливо, выходящее из осевых 12 и радиальных 13 отверстий перемешивается с воздухом в камере смешения 8 и, сформировавшаяся топливовоздушная смесь, выходит в цилиндрическое сопло 9. Другая часть воздуха поступает в кольцевой канал 15 образованный между кольцевой головкой 7 и корпусом 1, разделяясь поступает в кольцевой канал 10 и одновременно через отверстия 14 выходит в жаровую полость и охлаждает сопло 9. Воздух, выходящий из кольцевого канала 10, также выходит в жаровую полость, охлаждая сопло 9. Защитные экранирующие поверхности 11 на выходе кольцевых каналов 10 и 15 усиливают эффект охлаждения сопла 9.

Таким образом заявленный технический результат достигается за счет:

- исключения локального перегрева кольцевой головки достигнутое за счет эффективного охлаждения сужающе-расширяющегося сопла, оснащенного охлаждающими кольцевыми каналами и защитными экранирующими поверхностями;

- исключение неравномерности температур в зоне горения достигнуто за счет эффективного смесеобразования топливовоздушной смеси, что обеспечивает низкую концентрацию NO_x в продуктах сгорания;

Надежный запуск и устойчивое горение топливовоздушной смеси в камере сгорания достигнуто за счет эффективного смесеобразования топливовоздушной смеси, что позволяет получать коэффициент избытка воздуха а на выходе из сопла равным α=1,5…1,7, что достаточно для обеспечения устойчивого горения.

Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, то есть заявленное техническое решение обеспечивает за счет внесения конструктивных изменений в горелочном устройстве более эффективное использование в камерах сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе, а именно: исключает локальный перегрев кольцевой головки, обеспечивает равномерность температур в зоне горения, обеспечивает низкую концентрацию NO_x, обеспечивает надежность запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Конструкция апробирована в КНИТУ - КАИ им. А.Н. Туполева и результаты испытаний показали реализацию поставленных целей.

1. Горелочное устройство камеры сгорания ГТД, содержащее корпус, включающий входную часть, камеру смешения и выходное сопло, топливную форсунку, закрепленную фланцами к обечайке камеры сгорания, выходной срез топливной форсунки установлен во входную часть корпуса, между выходным срезом топливной форсунки и корпусом установлен уплотнительный узел, корпус установлен в кольцевую головку жаровой трубы камеры сгорания, отличающееся тем, что в камере смешения последовательно расположены равномерно по окружности рядами тангенциальные пазы и осесимметричные отверстия, в корпусе в выходной части сопла выполнены два концентрично расположенных канала, на входе сообщенные с каналом подачи воздуха, а на выходе которых, в полости жаровой трубы, расположены защитные экранирующие поверхности.

2. Горелочное устройство камеры сгорания ГТД по п. 1, отличающееся тем, что выходное сопло выполнено сужающе-расширяющимся или цилиндрическим.

Похожие патенты:

Скоростная горелка // 2746144

Изобретение относится к теплотехнике, в частности, к устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использовано в системах отопления сушильных, нагревательных, термических печей и других нагревательных устройств.

Горелка с низким выбросом nox с перфорированной пластинчатой пламенной головкой // 2743686

Изобретение относится к области энергетики. Горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой содержит первичную трубу, установленную таким образом, что она выступает внутрь камеры сгорания с обеспечением направления воздуха в камеру сгорания, первичный подающий топливопровод, предназначенный для первичной подачи топлива и расположенный внутри первичной трубы.

Диффузионно-вихревая газовая горелка // 2743106

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для сжигания топлива (газообразного, пылевидного, жидкого или их комбинации) в промышленных печах и в других тепловых агрегатах.

Котел с дымогарными трубками // 2737576

Изобретение относится к котлу с дымогарными трубами. Котел содержит смесительную камеру, расположенную на камере сгорания и имеющую пространство для смешивания, в котором смешиваются газ сгорания и воздух, и горелку плоскофакельного типа.

Горелка для газовой турбины // 2733568

Изобретение относится к горелочным устройствам газовых турбин и может быть применено в любой области народного хозяйства, где требуется обеспечить сжигание углеводородных топлив с высоким качеством, низким уровнем эмиссии вредных веществ, дыма и высокой полнотой сгорания.

Шумоподавление в горелках // 2728307

Изобретение относится к области энергетики. Горелка содержит камеру, имеющую продольно противоположные первый и второй концы, и отверстие для пламени, проходящее через первый конец; перегородку в камере, имеющую внешний край, смежный с внутренней поверхностью камеры, при этом перегородка имеет первую поверхность, обращенную к первому концу камеры, и имеет вторую поверхность, обращенную ко второму концу камеры, и причем перегородка расположена в камере таким образом, что вторая поверхность перегородки находится на расстоянии от 5 до 10 дюймов от внутренней поверхности второго конца камеры; патрубок, который проходит от впускного отверстия патрубка, находящегося за пределами камеры, в камеру и заканчивается на выпускном отверстии патрубка в секции камеры, расположенной между первой поверхностью перегородки и отверстием для пламени, причем выпускное отверстие патрубка открывается к отверстию для пламени; канал, который проходит от впускного отверстия канала, находящегося за пределами камеры, и заканчивается на выпускном отверстии канала в секции камеры, расположенной между первой поверхностью перегородки и отверстием для пламени; перегородка содержит металлическую пластину, имеющую первую поверхность пластины, обращенную к отверстию для пламени, и вторую поверхность пластины, обращенную ко второму концу камеры, и слой металлических волокон, находящихся в контакте со второй поверхностью пластины, металлическая пластина имеет толщину от одной восьмой до половины дюйма, и множество отверстий диаметром от одной восьмой до половины дюйма проходят через металлическую пластину между первой и второй поверхностями пластины в достаточном количестве отверстий таким образом, что общая площадь открытых частей всех отверстий в каждой поверхности пластины составляет от 30% до 50% площади поверхности металлической пластины, и слой металлических волокон имеет толщину по меньшей мере 0,25 дюйма, имеет плотность до 0,5 унции на кубический дюйм и состоит из волокон толщиной до 0,005 дюйма.

Двухдиапазонная модуляционная газовая горелка полного предварительного смешивания // 2727117

Изобретение относится к области энергетики. Газовая модуляционная горелка полного предварительного смешивания состоит из цилиндрической головки, заглушенной с одной стороны и прикрепленной к фланцу корпуса горелки другой стороной.

Горелка с предварительным смешением газа и воздуха для газовых турбин и конвекторов (варианты) // 2716775

Изобретение относится к области энергетики. Горелка с предварительным смешением горючего газа и воздуха содержит на основании полый цилиндрический корпус с каналами для подачи воздуха, внутри которого в осевом направлении установлен цилиндрический газовый коллектор и вихреобразователь.

Топливовоздушная горелка и форсуночный модуль топливовоздушной горелки // 2698621

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности к конструкциям камер сгорания газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора.

Улучшенная вихревая горелка с впрыском топлива до и после завихрителя // 2693534

Изобретение относится к области энергетики. Узел вихревой горелки включает: полый продольно вытянутый корпус, проходящий вдоль центральной оси и имеющий первый конец и второй конец, концевую стенку на первом конце, стенку горелки, расположенную между первым концом и вторым концом и образующую первый объем от первого конца до стенки горелки и второй объем от стенки горелки до второго конца, впуск окислителя в первый объем, по меньшей мере один полый продольно вытянутый блок горелки, имеющий первый конец блока горелки, проходящий снаружи отверстия в концевой стенке от первого объема, причем блок горелки проходит через отверстие в стенке горелки от первого объема ко второму объему ко второму концу блока горелки и образует внутренний объем блока горелки, и включает в себя: вихревой смеситель с осевым завихрением, размещенный внутри блока горелки и расположенный между первым концом блока горелки и вторым концом блока горелки, причем вихревой смеситель включает в себя множество лопаток, имеющих внутренний диаметр и наружный диаметр, первую сторону, направленную и открытую в первый объем, и вторую сторону, направленную и открытую во второй объем, первый впуск топлива в первый объем, причем первый впуск топлива расположен радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, и второй впуск топлива во второй объем, ближний ко второму концу блока горелки, расположенный радиально внутри наружного диаметра множества лопаток, причем каждый по меньшей мере один блок горелки образует первую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, наиближайшей к первому концу, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; образует вторую точку, которая является точкой вдоль центральной оси, самой дальней от первого конца, где плоскость, перпендикулярная центральной оси в упомянутой точке, пересекает множество лопаток вихревого смесителя блока горелки; и образует геометрическую среднюю точку вдоль центральной оси, равноудаленную от первой точки и второй точки, при этом каждый первый впуск топлива расположен в точке в осевом направлении относительно центральной оси между впуском окислителя и вихревым смесителем, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси между 1 и 2 эквивалентными диаметрами окружностей проходного сечения первого впуска топлива из первой точки, и каждый второй впуск топлива расположен в точке между первым впуском топлива и вторым концом, которая пересекается с плоскостью, перпендикулярной центральной оси и пересекающейся с точкой вдоль центральной оси, равной или менее, чем внутренний диаметр множества лопаток из геометрической средней точки.