Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя

1. Объект технического решения: Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя. 2. Область применения: Газотурбинная энергетика, авиационная, и наземная. 3. Сущность технического решения: Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя имеет последовательно взаимосвязанные лобовое кольцо с завихрителями топливных форсунок и наружный и внутренний кожухи полости жаровой трубы. На внутренних поверхностях кожухов выполнены кольцевые щели, которые взаимосвязаны с отверстиями охлаждения, направленными в жаровую трубу извне кожухов, и пояса, трапециевидной формы в их продольном сечении, суженные в направлении полости жаровой трубы. Пояса имеют сквозные отверстия в том же направлении и могут быть различной формы, в том числе многогранными. Согласно техническому решению в жаровой трубе камеры сгорания произведены усовершенствования, а именно: - в каждом трапециевидном поясе его боковые стенки, взаимосвязанные со внутренней полостью жаровой трубы, выполнены с кольцевыми двусторонними углублениями. - в продольном сечении углубления имеют вид частей окружности. При этом, как перед, так и за указанными трапециевидными поясами, кольцевые щели с указанными выше отверстиями размещены встречно и направлены, каждая со своей стороны, на указанные кольцевые углубления поясов. Указанные трапециевидные пояса могут быть объединены вместе с отдельными промежуточными частями кожухов жаровой трубы, жестко закрепленными на и между другими частями кожухов жаровой трубы. 5. Технический результат: Заявляемое техническое решение позволяет получить такое взаимодействие потоков в полости жаровой трубы, которое обеспечивает высокоэффективное перемешивание топливно-воздушной смеси и газа. Испытания показали высокую стабильность потоков, ориентированных в полость жаровой трубы при постоянном возврате большей части воздуха охлаждения в зону горения. Это позволило уменьшить выделения окислов азота, а интенсивное перемешивание топливно-воздушной смеси и газов в полости жаровой трубы снизило неравномерность температурного поля на выходе камеры сгорания. 1 нз.п. формулы, 5 з.п., 7 ил., 1 пр.

Заявляемое техническое решение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, особенно их жаровых труб, в частности кольцевой формы, стенки которых формируют в них конфигурацию газового и воздушного потоков.

Из описания к патенту General Electric US N7007481 (кл.60/752) и его аналогов ЕР N1515090, JP N2005098687, CN N1629541 (кл. МПК F02C 3/00, F02C 7/18, F23R 3/00) известна жаровая труба кольцевой камеры сгорания, в которой вдоль ее стенок образован ряд кольцевых утолщений со щелями, сообщенными отверстиями с полостью, окружающей жаровую трубу, что обеспечивает пленочное охлаждение и защиту ее стенок.

Известное техническое решение достаточно эффективно на режимах, присущих газотурбинным двигателям.

Из описания к патенту фирмы Rolls Royce Великобритании 2 099 978, МКИ F23R 3/06 (аналоги - Франции 2505401, Германии 3215641, Японии 57192729) известно устройство жаровой трубы камеры сгорания, где на Фиг.3, 4 показаны технические приемы направления воздушных потоков.

По ходу рабочего тела, на выходе из конических чаш завихрителей в стенках жаровой трубы выполнены отдельные группы продольно и поперечно направленных отверстий подвода воздуха в жаровую трубу вместе с закрученным потоком за каждым завихрителем. В наружной и внутренней стенках жаровой трубы размещены входные воздушные патрубки.

На Фиг.3, за патрубками вдоль оси жаровой трубы в ее стенке показана группа входных отверстий. Патрубки и группы отверстий перед и за ними получают воздух из-за диффузора. Внутренняя поверхность передней части жаровой трубы интенсивно омывается воздухом, что снижает эмиссию монооксидов карбонатов и гидрокарбонатов, как показано в описании.

Известное устройство, возможно, оптимизирует соотношение «воздух-топливо» и обеспечивает охлаждение поверхности. Но это касается только передней части жаровой трубы камеры сгорания, а размещение и выполнение групп отверстий и патрубков в предложенных местах усложняет ее конструкцию.

На Фиг.4 патента GB 2099978 (МКИ, F23R 3/06), в стенках жаровой трубы в ее полость перед патрубками направлены V-образные кольцевые выступы, в обеих стенках которых имеется множество отверстий подачи воздуха внутрь жаровой трубы за диффузором. Отверстия направлены в основном под расчетным углом ко внутренней поверхности стенки жаровой трубы. В этом техническом решении уже представлены тороидально закрученные потоки А и В у наружного и внутреннего кожухов жаровой трубы.

Известно техническое решение камеры сгорания газотурбинного двигателя по патенту США 7 441 409 фирмы Pratt Whitney (CA), кл US 60/752, МКИ F23R 3/00, где дана Фиг.9 "prior art" патента США 6711900.

Эта камера сгорания практически любого профиля газотурбинного двигателя, причем ее жаровая труба имеет также утолщения с отверстиями (Фиг.2А), а в стенке жаровой трубы - выступы в виде V-образных кольцевых поясов. В боковых стенках V-образных поясов имеется множество отверстий перфораций, которые сообщают внешние впадины каждого V-образного пояса вокруг жаровой трубы с внутренней полостью последней. Сами отверстия перфораций направлены вдоль внутренней поверхности жаровой трубы.

Такой дополнительно встроенный пояс получил развитие в уже указанном патенте США 7441409 (Фиг.10, 11, 12). Однако какова бы ни была его эффективность, конструктивная сложность и увеличенный вес, вероятно приведут к дополнительным напряжениям в местах его установки, а, значит, к нестабильности геометрии на любых режимах работы камеры сгорания в целом, и жаровой трубы, в частности.

Тем не менее, как одно из наиболее близких технических решений жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя по патенту США 7441409 принята за прототип предлагаемого устройства.

При этом перед авторами стояла задача, используя опыт известных технических решений, обеспечить одновременно несколько взаимозависимых новых технических результатов, а именно:

- оптимизация процесса горения с обеспечением снижения выбросов вредных веществ на всех режимах работы двигателя,

-- обеспечение стабильности работы на всех режимах,

--- повышение надежности устройства,

---- упрощение конструкции узла в целом.

Поставленная задача решается следующим образом.

В жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей последовательно взаимосвязанные лобовое кольцо с расположенными на нем завихрителями и топливными форсунками, наружный и внутренний кожухи жаровой трубы с кольцевыми утолщениями, отверстиями и щелями охлаждения, направленными в полость жаровой трубы, причем кожухи в их продольном сечении имеют трапециевидные суженные внутрь полости жаровой трубы пояса со сквозными отверстиями, произведены усовершенствования, которые состоят в следующем.

В каждом трапециевидном поясе его боковые стенки во внутренней полости жаровой трубы выполнены в виде кольцевых двусторонних углублений с их продольным сечением в виде частей окружности. При этом, расположенные перед и за указанными трапециевидными поясами, упомянутые кольцевые щели выполнены встречными и направленными каждая со своей стороны на кольцевые углубления упомянутых поясов.

Эти трапециевидные пояса в полости жаровой трубы могут быть выполнены совместно с отдельными промежуточными частями кожухов жаровой трубы, жестко закрепленными на и между другими частями кожухов жаровой трубы. А упомянутые отдельные промежуточные части кожухов жаровой трубы выполнены совместно со встречными кольцевыми щелями.

Сами отдельные промежуточные части могут быть размещены между упомянутыми встречными кольцевыми щелями в утолщениях кожухов жаровой трубы. При этом упомянутые отдельные промежуточные части кожухов жаровой трубы передней кромкой закреплены на лобовом кольце у кольцевых утолщений со встречными кольцевыми щелями, сообщенными с упомянутыми сквозными отверстиями.

Сквозные отверстия трапециевидных поясов в поперечном сечении могут быть и округлыми, и многогранными согласно расчетам и возможностям производства. Решение поставленной задачи поясняется чертежами, где:

- на Фигуре 1 показано продольное сечение заявляемой жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя с потоками воздуха и топливно-воздушной смеси, в том числе, в тороидальных зонах I и II по предлагаемому решению;

- на Фигуре 2 показано продольное сечение заявляемой жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя в ее детальном выполнении;

- на Фигуре 3 дано продольное сечение промежуточной части наружного кожуха жаровой трубы с его кольцевым трапециевидным поясом и одним из его сквозных отверстий, а также отверстий во встречных кольцевых щелях, сообщающих полость жаровой трубы с окружающей ее общей полостью камеры сгорания.

- на Фигуре 4 показан вид по стрелке А Фиг.3 на поперечные ряды сквозных отверстий в кольцевом трапециевидном поясе, и рядами отверстий во встречных кольцевых щелях, сообщающих внутреннюю полость жаровой трубы с общей полостью камеры сгорания;

- на Фигуре 5 дано продольное сечение отдельной промежуточной части внутреннего кожуха жаровой трубы с его кольцевым трапециевидным поясом и одним из его сквозных отверстий, сообщающих полость жаровой трубы с общей воздушной полостью камеры сгорания, и отверстий во встречных кольцевых щелях, тоже сообщающих полость жаровой трубы с общей полостью камеры сгорания;

- на Фигуре 6 показан вид по стрелке Б Фиг.5 на поперечные ряды сквозных отверстий в кольцевом трапециевидном поясе, и рядами отверстий во встречных кольцевых щелях, сообщающих внутреннюю полость жаровой трубы с общей полостью камеры сгорания;

- на Фигуре 7 - фрагмент Д фиг.4, 6, увеличенных многогранных отверстий поясов.

Предлагаемая жаровая труба 1 камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит взаимосвязанные фронтовое устройство 2 и лобовое кольцо 3, на котором установлены воздушные завихрители 4 известного типа со множеством отверстий в их стенках и введенными в завихрители топливными форсунками 5.

Жаровая труба 1, далее, содержит в себе наружный 6 и внутренний 7 кожухи.

При этом те и другие кожухи 6 и 7 по своим продольным размерам могут в себя включать встроенные и жестко в них закрепленные промежуточные внутреннее 8 и наружное 9 кольца.

В заявляемой жаровой трубе 1 предусмотрены средства оптимизации рабочей смеси при одновременном поддержании температурных режимов ее стенок.

Для этого, в частности, вдоль внутренних поверхностей наружного кожуха 6 жаровой трубы 1 к ее выходу предусмотрены средства пленочного охлаждения спутного направления в виде множества сквозных отверстий 10, 11, 12, с выходом внутрь жаровой трубы 1 из направленных по потоку кольцевых щелей 13, 14, 15.

Вдоль внутренних поверхностей внутреннего кожуха 7 жаровой трубы 1 к ее выходу - также предусмотрены средства обеспечения спутного пленочного охлаждения в виде множества сквозных отверстий 16, 17, 18 с выходом внутрь жаровой трубы 1 из кольцевых щелей 19, 20, 21, направленных по потоку.

Кроме упомянутых, в стенках наружного 6 и внутреннего 7 кожухов также предусмотрены средства пленочного охлаждения встречного направления против потока внутри жаровой трубы 1.

В наружном кожухе 6 предусмотрено множество сквозных отверстий 22, 23 и кольцевые щели 24, 25, направленные против потока.

Во внутреннем кожухе 7 предусмотрено множество сквозных отверстий 26, 27 и кольцевые щели 28, 29, направленные также против потока. Как указывалось ранее, в наружном 6 и во внутреннем 7 кожухах жестко закреплены промежуточные кольца, внутреннее 8 и наружное 9.

В упомянутых кожухах, наружном 6 и внутреннем 7, между группами спутных и встречных средств пленочного охлаждения, а именно, 17/20, 26/28, 11/14 и 23/25 на упомянутых промежуточных частях в виде колец 8 и 9 выполнены кольцевые утолщения, направленные внутрь полости жаровой трубы 1.

Последние выполнены в виде поясов 31 наружного кожуха 6 и 32 внутреннего кожуха 7. Упомянутые пояса 31, 32, оба в своем продольном сечении имеют трапециевидную форму и являются частями кожухов 6 и 7 и, в частности, частями промежуточных колец - внутреннего 8 и наружного 9.

Каждый из поясов 31, 32, в своем трапециевидном продольном сечении имеет боковые стенки в виде частей окружности, а в объеме рабочей полости жаровой трубы 1 каждый из них сужен внутрь своими боковыми поверхностями в виде боковых двусторонних кольцевых углублений 33 и 34.

В каждом из поясов 31, 32 выполнено множество сквозных отверстий соответственно 35 и 36 внутрь полости жаровой трубы 1. Отверстия как 35, так и 36 направлены, в основном, поперек продольной оси проточной части жаровой трубы 1 и внутрь последней. Отверстия 35, 36 могут быть выбраны по своей форме и круглыми, и гранеными, как на Фиг 4, 6, 7 в связи с расчетом потоков, или возможностями производства, например их прожига. При этом проектные расчеты влияют на воздушные потоки спутных щелей 13, 14 с отверстиями 10, 11 как и на воздушные потоки спутных щелей 19, 20 с отверстиями 16, 17.

Работа заявляемой жаровой трубы 1 камеры сгорания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

Воздушные завихрители 4 по числу окружаемых ими топливных форсунок 5 направляют наряду со множеством отверстий 10, 16 воздушный поток из-за компрессора на топливную смесь из форсунок 5 с начальным образованием зоны I (Фиг.1). Этим обеспечивается первоначальная закрутка рабочей топливно-воздушной смеси во фронтовом устройстве 2.

Затем (см. Фиг.1) воздухом из-за компрессора (не показан) одновременно производится начальная закрутка и далее поддержание двух, один за другим, тороидальных вихрей топливно-воздушной смеси (Зоны I и II), а именно: вихри зоны I образуются, начиная от передней стенки жаровой трубы 1.

При полном разделении наружного кожуха 6 и внутреннего кожуха 7 это происходит при воздействии воздушных струй из упомянутых отверстий 10 и 16 через щели 13 и 19, наряду со спутными потоками через щель 14 из отверстий 11 и через щель 20 из отверстий 17.

Далее рабочий поток, продвигающийся в жаровой трубе 1, заворачивается внутрь ее полости благодаря взаимодействию с передними поверхностями кольцевых углублений 33 и 34 каждого из трапециевидных поясов 31 и 32 кожухов жаровой трубы 1, как внутреннего 8, так наружного 9.

При этом холодный воздух, направляемый извне внутрь жаровой трубы 1 эжектируемыми потоками струйно из отверстий 35 и 36 трапециевидных 31 и 32 поясов, воздействует на воздушные потоки спутных щелей 13, 14 с отверстиями 10, 11, а также на воздушные потоки спутных щелей 19, 20 с отверстиями 16, 17.

В то же время потоки воздуха из встречных щелей 25, 28 с отверстиями 23, 26, и из щелей 24 и 29 с отверстиями 22 и 27 пленочного охлаждения, наряду с теми же потоками из отверстий 35, 36 трапециевидных поясов 31, 32 взаимодействуют между собой. Их взаимодействие разделяет пространство полости жаровой трубы 1 на две зоны I и II, и в каждой зоне образуются свои тороидальные вихри.

Полученное взаимодействие потоков внутри жаровой трубы 1 способствует эффективному перемешиванию топливно-воздушной смеси и газа и обеспечивает высокую стабильность организованных потоков в полости жаровой трубы.

При этом на режимах малой мощности топливо выгорает в зоне I с минимальными выделениями СО и СН, а на высоких режимах топливо, не сгоревшее в зоне I, переходит в зону II с достаточно высокой температурой, где и завершается процесс горения.

Таким образом, постоянный возврат большей части охлаждающего воздуха в зону горения снижает выделения окислов азота, а интенсивное перемешивание топливно-воздушной смеси и газов в полости жаровой трубы снижает неравномерность температурного поля газа на выходе из камеры сгорания.

1. Жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая последовательно взаимосвязанные лобовое кольцо с завихрителями и топливными форсунками, наружный и внутренний кожухи полости жаровой трубы, в утолщениях которых выполнены кольцевые щели, сообщенные с отверстиями охлаждения, направленными в жаровую трубу извне кожухов, а также в продольном сечении последних - трапециевидные суженные внутрь полости жаровой трубы пояса со сквозными отверстиями, отличающаяся тем, что в каждом трапециевидном поясе его боковые стенки во внутренней полости жаровой трубы выполнены в виде кольцевых двусторонних углублений с их продольным сечением в виде частей окружности, при этом расположенные перед и за указанными трапециевидными поясами упомянутые кольцевые щели выполнены встречными и направленными каждая со своей стороны на кольцевые углубления упомянутых поясов.

2. Жаровая труба по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые трапециевидные пояса в полости жаровой трубы выполнены в дополнительных отдельных промежуточных частях кожухов жаровой трубы, размещены между упомянутыми встречными кольцевыми щелями и жестко закреплены на и между другими частями кожухов жаровой трубы.

3. Жаровая труба по п.2, отличающаяся тем, что упомянутые встречные кольцевые щели выполнены в дополнительных кольцевых утолщениях упомянутых отдельных промежуточных частей кожухов жаровой трубы.

4. Жаровая труба по любому из пп.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что упомянутые отдельные промежуточные части кожухов жаровой трубы своей передней кромкой закреплены на лобовом кольце в местах размещения упомянутых кольцевых утолщений со встречными кольцевыми щелями, сообщенными с упомянутыми отверстиями охлаждения.

5. Жаровая труба по п.1, отличающаяся тем, что сквозные отверстия трапециевидных поясов в поперечном сечении выполнены многогранными.