Жаровая труба малоэмиссионной камеры сгорания с направленным вдувом воздуха
Полезная модель относится к энергетическому и транспортному машиностроению, и может быть использована в газотурбинных установках. Полезная модель позволяет создать жаровую трубу малоэмиссионной камеры сгорания малогабаритного газотурбинного двигателя, обеспечивающую увеличение полноты сгорания топлива, что характеризуется снижением концентрации в продуктах сгорания монооксида углерода СО и несгоревших углеводородов UHC, при минимизации длины зоны горения и минимизации габаритов самой камеры сгорания. Кроме этого, полезная модель решает задачи расширения пределов устойчивого горения на всех режимах работы двигателя и снижение эмиссии оксидов азота и дыма при работе малогабаритного газотурбинного двигателя. Жаровая труба содержит фронтовое устройство и корпус, на котором установлены два ряда воздухонаправляющих патрубков, расположенных на уровне зоны горения и на уровне зоны смешения. Воздухонаправляющие патрубки, подающие холодный воздух в зону горения, имеют размер по длинной стороне направляющей не менее 2-х диаметров этих патрубков, расположены равномерно тангенциально и с внешней стороны имеют срез под 45° к направлению потока. Патрубки второго ряда, подающие воздух в зону смешения установлены под углом 60° к стенке жаровой трубы.
Полезная модель относится к энергетическому и транспортному машиностроению, может быть использована в газотурбинных двигателях.
Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания для современных малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) является снижение уровня эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NOx), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Накладываемые в настоящий момент ограничения по экологическим характеристикам двигателей требуют мероприятий по увеличению расхода воздуха через головную часть жаровой трубы и применения пневматических форсунок с предварительным смешением топлива с воздухом для улучшения гомогенизации смеси и снижения выбросов эмиссии. Однако повышение давления и температуры воздуха за компрессором в современных ГТД приводит к уменьшению габаритных размеров камер сгорания (КС), в частности, размеров фронтовых устройств, что ограничивает увеличение расхода воздуха через форсунку и ведет к ухудшению эмиссионных характеристик.
Другой важной задачей, является создание камеры сгорания МГТД, работающей в широком диапазоне эксплутационных условий и имеющей широкие пределы устойчивого горения на всех режимах работы двигателя.
Однако общепризнано, что аэродинамика малоразмерных камер сгорания для МГТД является более трудно организуемой, с точки зрения устойчивости горения, чем для камер сгорания больших гражданских двигателей с тягой, например 12-14 тонн. Поэтому, выполняя требования увеличения расхода воздуха через фронтовое устройство при ужесточающихся ограничениях на габаритный размер жаровой трубы (а следовательно и форсунки), решить задачу сохранения и расширения пределов устойчивой стабилизации пламени в малоэмиссионных камерах сгорания МГТД становится все более трудно выполнимо.
Известна камера сгорания, содержащая горелки с завихрителями воздуха и жаровую трубу с соплами дополнительного подвода первичного воздуха, размещенными на торцевой стенке, и с соплами для подвода воздуха в хвостовую часть зоны горения, размещенными на боковой стенке жаровой трубы, причем все сопла установлены под острыми радиальными углами к оси камеры сгорания (патент RU 
2062405, F23R 3/00 20.06.1996). Такая конструкция позволяет осуществить подачу дополнительного количества первичного воздуха в наиболее высокотемпературные области зоны горения, что снижает эмиссию оксидов азота, кроме этого, подвод воздуха в хвостовую часть зоны горения охлаждает и турбулизирует эту зону, дополнительно снижая эмиссию NOx и увеличивая ресурс стенки камеры. Однако прямая подача дополнительного воздуха вблизи фронтового устройства в начале зоны горения способствует разрушению зоны обратных токов, как на оси факела распыла, так и на периферии, что приводит к снижению пределов устойчивого горения и переохлаждению начальной части зоны горения и, как следствие, уменьшению полноты сгорания.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является жаровая труба камеры сгорания (патент RU 2086856, F23R 3/04 1997), содержащая горелку с лопаточным завихрителем воздуха. На жаровой трубе установлены воздухонаправляющие патрубки под определенном углом к оси жаровой трубы. Задача, на решение которой направлено данное изобретение состоит в снижении токсичности продуктов сгорания. Установка патрубков на жаровой трубе позволяет увеличить глубину проникновения воздуха и придать им необходимое направление. Данное изобретение позволяет сократить продолжительность пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Струя воздуха, попадая в высокотемпературную зону, снижает ее температуру до уровня, при котором скорость образования веществ, загрязняющих атмосферу, мала. Однако подача воздушной струи во фронт зоны смешения приводит к разрушению зоны обратных токов, к увеличению длины фронта пламени и кнедостаточному перемешиванию и охлаждению горячих газов на выходе из камеры сгорания, формированию недостаточно ровного поля температуры сгорания.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- создание жаровой трубы малоэмиссионной камеры сгорания МГТД, обеспечивающей увеличение полноты сгорания топлива, что характеризуется снижением концентрации в продуктах сгорания монооксида углерода СО и несгоревших углеводородов UHC, при минимизации длины зоны горения и минимизации габаритов самой камеры сгорания;
- расширение пределов устойчивого горения на всех режимах работы двигателя;
- снижение сажеобразования и эмиссии оксидов азота при работе МГТД.
Для достижения этого технического результата жаровая труба камеры сгорания содержит центральную горелку и установленный на трубе кольцевой ряд охлаждающих воздухоподводящих патрубков, равнорасположенных по окружности в радиальных плоскостях под острым углом к оси камеры.
Новым в полезной модели является то что, жаровая труба выполнена цилиндрической и содержит перед охлаждающим рядом патрубков дополнительный кольцевой ряд равнорасположенных по окружности тангенциальных патрубков расстояние между скрещивающимися осями которых и продольной осью жаровой трубы определяется по формуле:
где 
- угол распыла горелкой топливовоздушной смеси,
R - радиус жаровой трубы,
- угол расширения зоны максимальной концентрации топлива в топливовоздушном факеле.
Расстояние между кольцевым рядом тангенциальных патрубков и срезом сопла горелки определяется по формуле L=R·ctg(/2).
Новым так же является то, что тангенциальные патрубки имеют размер по наибольшей стороне направляющей не менее 2-х диаметров этих патрубков, а срез патрубков выполнен под углом 45° к оси жаровой трубы.
Увеличение полноты сгорания топлива при минимизации длины зоны горения достигается тем, что тангенциальные патрубки создают добавочную закрутку воздушного потока, подаваемого в зону горения, и уменьшаютосевую составляющую скорости в зоне максимальных скоростей потока, увеличивая длину пути капель топлива. При увеличении длины пути каждая капля взаимодействует с большим объемом воздуха, следовательно, интенсифицируется тепломассообмен и улучшается степень испарения топлива до попадания его в зону горения. Полностью испаренное топливо (смесь паров и воздуха) сгорает с большей полнотой, чем смесь, содержащая жидкие капли. Закручивая поступающий в зону горения воздух, тангенциальные патрубки создают эффект частичного «запирания» потока газа, что распространяет эффект снижения осевой составляющей скорости вверх по потоку, в сторону форсунки, увеличивая тем самым время на испарение капель топлива и повышая равномерность топливовоздушной смеси. Таким образом, в устройстве удается минимизировать и интенсифицировать зону горения, как следствие уменьшить габариты самой камеры сгорания и увеличить полноту сгорания топлива.
Стабилизация пламени за фронтовыми устройствами, происходящая в осевой зоне обратных токов (ЗОТ), уверенно идет в камерах сгорания сравнительно большого поперечного размера. Для малогабаритных камер необходимо дополнительно использовать для стабилизации пламени периферийную (пристеночную) зону обратного тока воздуха, наряду с осевой. Подача первичного воздуха с дополнительной закруткой тангенциально расположенными патрубками, по сравнению с известным аналогом, не только не приводит к разрушению периферийной зоны обратных токов и к переохлаждению начальной части зоны горения, но и обеспечивает дополнительную закрутку и стабилизацию осевой ЗОТ, что приводит к расширению пределов устойчивого горения.
Введение воздуха из патрубков в спиральную струю, выходящую из фронтового устройства, важно произвести в конце осевой зоны обратных токов, что и определяет расстояние L от фронтового устройства до патрубков.
Экспериментально установлено, что при длине патрубков не менее двух собственных диаметров по наибольшей стороне, вводимые струи воздуха в достаточной мере сохраняют заданное им направление, чтобы достаточно глубоко проникнуть в спиральный поток богатого топливом воздуха, при этом, не переохлаждая и не разрушая зону обратных токов. Высокая стабильность горения, полученная вследствие использования и сохранения стабильными осевой и периферийной зон обратного тока, снижает отрицательное влияние неравномерности и недостаточной точности распыла топлива, что характерно для режимов запуска, и повышает сопротивляемость факела внешним воздействиям. Это расширяет пределы устойчивого горения на всех режимах работы двигателя при сохранении малых габаритов камеры сгорания.
Снижение эмиссии вредных веществ достигается следующим образом. Всего, в настоящий момент, по международным правилам ИКАО нормируются выбросы по 4-м составляющим: СО, СН (несгоревшие углеводороды), NOx и сажеобразование.
1. Снижение дымности (сажеобразования) достигается в устройстве путем улучшенного испарения топлива, за счет увеличения длины пути капли и интенсификации тепломассообмена с горячим газом, исключения попадания крупных капель в зону горения.
2. Снижение эмиссии NOx достигается за счет разбавления воздухом высокотемпературной зоны пламени и сохранения объема осевой ЗОТ необходимой для увеличения стабилизации пламени.
3. Снижение выбросов несгоревших углеводородов достигается за счет улучшения полноты сгорания топлива.
4. Снижение выбросов оксидов углерода достигается за счет увеличения объемной доли воздуха, подаваемого в головную часть жаровой трубы, значительного обеднения топливовоздушной смеси.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи: создание малогабаритной камеры сгорания с высокой полнотой сгорания топлива, расширение пределов устойчивого горения на всех режимах работы двигателя, снижение эмиссии вредных веществ
Предлагаемая полезная модель поясняется последующим подробным описанием жаровой трубы и ее работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-2, где
на фиг.1 схематично изображена жаровая труба с фронтовым устройством;
на фиг.2 изображен разрез жаровой трубы по плоскости расположения тангенциальных патрубков.
Жаровая труба (см. фиг.1) содержит фронтовое устройство 1, корпус 2, на котором установлены воздухонаправляющие патрубки 3 в зоне горения и патрубки 4 в зоне смешения. Фронтовое устройство 1 крепится к фронтовой плите 5. Воздухонаправляющие патрубки 3, подающие холодный воздух в зону горения, расположены равномерно тангенциально (см. фиг.2).
Во фронтовом устройстве 1 происходит подготовка топливовоздушной смеси, которая закручивается и распыляется в зону горения внутри корпуса 2. Выходящая из фронтового устройства 1, закрученная струя воздуха движется по расширяющейся спирали, образуя по своей оси зону обратных токов. В конце осевой зоны обратных токов вводится воздух из тангенциальных патрубков 3, который разбавляет спиральный поток топливовоздушной смеси. Тангенциальный наклон патрубков 3 задает однозначное направление пронизывающим струям воздуха по касательной к внутренней поверхности спирального потока. Направление движения струй совпадает с направлением окружной скорости спирального потока. При этом струи выполняют сразу несколько функций: подкручивают спиральный поток, образуя на его оси небольшую, но интенсивную ЗОТ; увеличивают объем разбавления переобогащенной топливом спиральной струи;
улучшают перемешивание топлива с воздухом;
сохраняют устойчивость осевой ЗОТ в ее конце;
улучшают охлаждение пристеночных областей из-за большей массы относительно холодного воздуха. Для лучшего забора воздуха патрубки 3 имеют срез углом 45° к оси жаровой трубы.
Далее, продукты сгорания, проходя по сечению жаровой трубы, смешиваются с холодным воздухом, подведенным из воздухонаправляющих патрубков 4, тем самым, формируя на выходе из камеры сгорания равномерную эпюру температуры. Для наилучшего перемешивания патрубки 4 устанавливаются под углом 60 к стенке жаровой трубы. За счет угла наклона патрубков верхняя граница выходной струи образует вихревые зоны возле стенки жаровой трубы, тем самым, охлаждая ее.
1. Жаровая труба малоэмиссионной камеры сгорания с направленным вдувом воздуха, содержащая центральную горелку и установленный на трубе кольцевой ряд воздухоподводящих охлаждающих патрубков, равнорасположенных по окружности в радиальных плоскостях под острым углом к оси камеры, отличающаяся тем, что жаровая труба выполнена цилиндрической и содержит перед охлаждающим рядом патрубков дополнительный кольцевой ряд равнорасположенных по окружности тангенциальных патрубков, расстояние между скрещивающимися осями которых и продольной осью жаровой трубы определяется по формуле
,
где - угол распыла горелкой топливовоздушной смеси,
R - радиус жаровой трубы,
- угол расширения зоны максимальной концентрации топлива в топливовоздушном факеле, а расстояние между кольцевым рядом тангенциальных патрубков и срезом сопла горелки определяется по формуле
L=R·ctg((/2).
2. Жаровая труба по п.1, отличающаяся тем, что тангенциальные патрубки имеют размер по наибольшей стороне направляющей не менее 2-х диаметров этих патрубков, а срез патрубков выполнен под углом 45° к оси жаровой трубы.
