Регулируемая кольцевая камера сгорания
Владельцы патента RU 2749472:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Предлагаемое 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. Предложена регулируемая кольцевая камера сгорания, содержащая диффузор 1, корпус наружный 4, кожух внутренний 8, жаровую трубу 6 с наружной 5 и внутренней 9 стенками, фронтовое устройство 11 с горелками 10. На выходе из диффузора 1 выполнен кольцевой канал 18, в котором размещены поворотные лопатки 13 с поворотным устройством, на выводном валу привода имеется шлицевое соединение с переходником 15, соединенным с поворотной лопаткой 13. Переходник 15 имеет коническую зубчатую передачу 16, находящуюся в зацеплении с кольцом 17, которое соединено с переходниками других лопаток, на стенках жаровой трубы расположены ряды отверстий 12, за лопатками с поворотным устройством располагается переходное устройство 19, имеющее канал, соединяющий лопатки 13 поворотного устройства 2 с фронтовым устройством 11, в котором размещены горелки 10 жаровой трубы 6. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к газотурбинному двигателестроению, в частности, к конструкциям малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных двигателей, применяемых в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора.
Для обеспечения малоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей на всех режимах его работы в конструкцию вводятся системы регулирования.
Известна регулируемая камера сгорания, регулирование процессов в которой производится за счет постадийной подачи топлива в различные группы горелок [107. Хоффа Ф. "Способ регулирования топливоподачи в ГТД". Патент США №5303542, 1992].
Фронтовое устройство данной регулируемой камеры сгорания состоит из трех кольцевых рядов горелок - предсмесителей, разделенных деталями, обозначенными как "кольцевые перегородки". Две внешние кольцевые зоны имеют по 30 горелок каждая, внутренняя кольцевая зона - 15 горелок. Такое расположение 75 горелок облегчает постадийную подачу топлива при работе двигателя на режимах частичной мощности.
Недостатками данной конструкции являются:
сложная система регулирования, которая включает: 28 электромагнитных клапанов ступенчатой подачи топлива, 2 клапана перепуска воздуха, электронный регулятор NOx, контрольно-измерительные приборы и датчики для измерения параметров, требующихся для расчета температуры пламени. Электронный регулятор NOx по замеренным параметрам вычисляет Тпл и управляет элементами, изменяющими Fгор и GВкс. Основная система регулирования сохраняет общее управления двигателем, включая управление суммарным расходом топлива,
- высокая стоимость,
- высокий риск отказа одного из ее элементов системы регулирования,
- локальные перегревы жаровой трубы по причине неравномерности распределения температур при постадийной подаче топлива в разные группы горелок,
- неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания,
- сложность конструкции, так как требует дополнительные коллектора подвода топлива.
Известна регулируемая камера сгорания, регулирование процессов в которой производится за регулирования воздуха. Основным регулирующим элементом служит гибкая металлическая лента. В положении «закрыто» она плотно охватывает жаровую трубу в месте расположения окон перепуска воздуха. В положении «открыто» лента перемещается в радиальном направлении одним приводом и плотно прилегает к внутренней поверхности силового корпуса. Тем самым обеспечивается необходимая герметичность по воздуху, отсутствие наклепа и износа сопрягаемых поверхностей [Постников A.M. Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ. // Самара. Изд-во Самарского научного центра РАН. 2002. 286 с.].
На наружном корпусе камеры сгорания закреплено кольцо с окнами, над которыми размещена лента и механизм привода ленты перепуска воздуха. При открытом положении ленты воздух из кольцевого канала, образованного наружным кожухом и корпусом, поступает через окна внутрь жаровой трубы.
Недостатками данной конструкции являются:
- уменьшение перепада давления на стенках жаровой трубы при открытом положении ленты,
- неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания при открытом положении ленты,
- сложная система управления,
- не технологичность конструкции,
- низкая надежность механизма.
Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением по совокупности признаков и достигаемому техническому результату, известна регулируемая камера сгорания за счет изменения положения лопаток в завихрителе горелочного устройства [Васильев Ю.Н. и др. // Новости зарубежной науки и техники №10. 1986. М., ЦИАМ. С. 39-42].
Недостатками данной конструкции являются:
- заклинивание механизма управления из-за его расположения вблизи нагретых частей камеры сгорания,
- высокий риск отказа (низкая надежность работы) из-за необходимости вращения большого количества лопаток в каждом завихрителе,
- срывы потока воздуха на лопатках завихрителя, так как он не успевает выровняться, выходя из диффузора камеры сгорания,
- отсутствие перераспределения воздуха в жаровой трубе при повороте лопаток завихрителя,
- местные зоны горения с высокой температурой за горелками, расположенными по окружности во фронтовом устройстве.
Кроме указанного, известное техническое решение, так же как и предыдущие аналоги, не обеспечивает:
- равномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания,
- технологичность конструкции,
- не исключают местные зоны горения с высокой температурой за фронтовым устройством,
- надежность работы,
- низкую себестоимость,
- перераспределение воздуха в жаровой трубе,
- простую систему управления.
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа.
Поставленная задача в целом достигается тем, что:
для обеспечения равномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания, на выходе из диффузора организован кольцевой канал, в котором размещается лопатки с поворотным устройством;
для обеспечения технологичности конструкции поворотное устройство снабжено минимальным количеством конструктивных элементов;
для исключения местных зон горения с высокой температурой за фронтовым устройством, за лопатками с поворотным устройством располагается переходное устройство, имеющее плавный канал, соединяющий лопатки поворотного устройства с фронтовой плитой, в которую размещены горелки жаровой трубы;
для обеспечения надежность работы все подвижные элементы расположены на отдалении от высокотемпературных областей камеры сгорания;
для обеспечения низкой себестоимости лопатки с поворотным устройством имеют простую конструкцию;
Для обеспечения перераспределения воздуха в жаровой трубе на ее стенках расположены ряды отверстий, которые позволяют перенаправить воздух между горелками и отверстиями при изменении угла лопаток поворотного устройства;
для обеспечения простой системы управления на выводном валу привода имеется шлицевое соединение с переходником, соединенным с лопаткой, переходник имеет коническую зубчатую передачу, находящееся в зацеплении с кольцом, которое соединено с переходниками других лопаток, что обеспечивает одновременный поворот всех лопаток на одинаковый угол.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из исследованного заявителем уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизны» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид регулируемой кольцевой камеры сгорания, продольный разрез.
Фиг. 2 - общий вид на поворотное устройство.
Регулируемая кольцевая камера сгорания содержит диффузор 1, корпус наружный 4, внутренний кожух 8, жаровую трубу 6 со стенками 5 и 9 имеющими отверстия 12, фронтовым устройством 11 с горелками 10. Между корпусом наружным 4 и жаровой трубой 6 сформированы наружный канал 3, между корпусом наружным 4 и внутренним кожухом 8 сформирован внутренний каналы 7. На выходе из диффузора 1 находятся кольцевой канал 18 с лопатками 13, за которым располагается переходное устройство 19, имеющее плавный канал, соединяющий лопатки 13 поворотного устройства 2 с фронтовой плитой 11, в которой размещены горелки 10 жаровой трубы 6.
Одна из лопаток 13, являющаяся ведущей, через рессору 14 (фиг. 2) соединена с электроприводом управления системой регулирования 20. Крутящий момент от рессоры 14 через шлицевое соединение передается на переходник 15, который в свою очередь через шлицевое соединение передает крутящий момент на лопатку 13. Переходник 15, имеющий коническую зубчатую передачу 16 соединен с кольцом 17, которое соединено с переходниками других лопаток, что обеспечивает одновременный синхронный поворот всех лопаток на одинаковый угол.
Воздух из компрессора попадает в диффузор 1 и разделяется на два потока: один проходит в поворотное устройство 2, а другой в наружный канал 3, образованный корпусом 4 и наружной стенкой 5 жаровой трубы 6, а так же во внутренний канал 7, образованный внутренним кожухом 8 и внутренней стенкой 9 жаровой трубы 6.
Первичный воздух, пройдя через лопатки 13 поворотного устройства 2, установленные в кольцевом канале 18, попадает в переходный канал 19 и попадает на горелки 10, расположенные в фронтовой плите 11 жаровой трубы 6, а второй, пройдя наружный 3 и внутренний каналы 7, попадает через отверстия 12 во внутреннюю часть жаровой трубы 6. При повороте лопаток 13 поворотного устройства 2 количество поступающего к горелкам 10 воздуха уменьшается, а проходящее через отверстия 12 увеличивается, тем самым происходит перераспределение воздуха внутри жаровой трубы 6, что способствует обеспечению оптимальных условий горения, обеспечивающих малоэмиссионное горение на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
Основываясь на изложенном выше, представляется возможным сделать выводы о достижении заявленных целей, а именно:
обеспечение равномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания достигнуто за счет организации на выходе из диффузора кольцевого канала, в котором размещаются лопатки с поворотным устройством,
обеспечение технологичности конструкции достигнуто за счет того, что поворотное устройство снабжено минимальным количеством конструктивных элементов,
исключения местных зон горения с высокой температурой за фронтовым устройством достигнуто за счет того, что за лопатками с поворотным устройством располагается переходное устройство, имеющее плавный канал, соединяющий лопатки поворотного устройства с фронтовой плитой, в которую размещены горелки жаровой трубы,
обеспечение надежности работы достигнуто за счет того, что все подвижные элементы расположены на отдалении от высокотемпературных областей камеры сгорания,
обеспечение низкой себестоимости достигнуто за счет того, что лопатки с поворотным устройством имеют простую конструкцию,
обеспечение перераспределения воздуха в жаровой трубе достигнуто за счет того, что на ее стенках расположены ряды отверстий, которые позволяют перенаправить воздух между горелками и отверстиями при изменении угла лопаток поворотного устройства,
Обеспечение простой системы управления достигнуто за счет того, что на выводном валу привода имеется шлицевое соединение с переходником, соединенным с лопаткой, переходник имеет коническую зубчатую передачу, находящееся в зацеплении с кольцом, которое соединено с переходниками других лопаток, что обеспечивает одновременный поворот всех лопаток на одинаковый угол.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, т.е. заявленное техническое решение обеспечивается за счет внесения конструктивных изменений в конструкцию регулируемой кольцевой камеры сгорания, имеет более эффективное использование в качестве привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата или электрогенератора, а именно: надежное, более дешевое, технологичное, с простой системой управления, т.к. обеспечивает регулирование, повышает надежность камеры сгорания, а значит и ресурс двигателя, в который она входит, снижает себестоимость изготовления.
Регулируемая кольцевая камера сгорания, содержащая диффузор, корпус наружный, кожух внутренний, жаровую трубу с наружной и внутренней стенками, фронтовое устройство с горелками, отличающаяся тем, что на выходе из диффузора выполнен кольцевой канал, в котором размещены поворотные лопатки с поворотным устройством, на выводном валу привода имеется шлицевое соединение с переходником, соединенным с поворотными лопатками, переходник имеет коническую зубчатую передачу, находящуюся в зацеплении с кольцом, которое соединено с переходниками других лопаток, на стенках жаровой трубы расположены ряды отверстий, за лопатками с поворотным устройством располагается переходное устройство, имеющее канал, соединяющий лопатки поворотного устройства с фронтовым устройством, в котором размещены горелки жаровой трубы.
