RU2802115C1 - Камера сгорания газотурбинной установки - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к газотурбинным установкам и может быть использовано в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Камера сгорания газотурбинной установки содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы. Дополнительное фронтовое устройство состоит из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами. Пилоны выполнены клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установлены равномерно по окружности с зазорами между ними. Внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива. Смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу. Смесительная камера снабжена обтекателем, установленным на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства. Пилоны клиновидной формы обращены плоской стенкой к смесительной камере, в плоской стенке каждого пилона выполнено калиброванное отверстие для подачи топлива. Пилоны снабжены каналом, сообщенным с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны - со смесительной камерой через калиброванное отверстие. Технический результат - повышение эффективности и надежности камеры сгорания газотурбинной установки в условиях ее работы при высоких температурах и давлении воздуха на входе в камеру сгорания, расширение диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания ГТУ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) и может быть использовано в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей.

Одной из важнейших задач при разработке камеры сгорания является снижение уровня эмиссии вредных веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания концентрации оксидов азота (NO_x) и монооксида углерода (СО). Высокая эмиссия этих веществ характерна для диффузионных камер сгорания любой тепловой машины, работающей на природном углеводородном топливе. При создании малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация подачи в камеру обедненных гомогенизированных топливовоздушных смесей (ТВС) с достижением устойчивого горения при минимальном, но достаточным для эффективного сгорания времени пребывания продуктов сгорания в зонах с высокими температурами. В условиях высокотемпературных ГТУ для расширения диапазона низкоэмиссионной работы без использования специальных методов регулирования на дроссельных режимах, приводящих к снижению КПД ГТУ на этих режимах, а также для снижения эмиссии на наиболее теплонапряженных режимах работы применяют двухзонные схемы сжигания бедных заранее перемешанных смесей. Причем, дополнительные зоны сжигания топлива в МЭКС располагают ниже по потоку от основных зон, ближе к концу жаровой трубы.

Известна малоэмиссионная камера сгорания с двухзонной схемой организации низкоэмиссионного сжигания топлив которая содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из внешней и внутренней стенок, с установленной между ними смесительной камерой (Rolls-Royce Industrial Trent: combustion and other technologies / C. Barkey, S. Richards, N. Harrop, P. Kotsiopriftis, R. Mastroberardino, D. Squires, T. Scarinci // Proceedings of International Sumposium of Air Breathing Engines. - 1999. - Paper №ISABE 997285). Дополнительное фронтовое устройство состоит из каналов подачи воздуха и каналов подачи топлива в смесительную камеру, а также из системы каналов для подачи струй ТВС из смесительной камеры под углом к стенкам жаровой трубы для их последующего сжигания во второй зоне горения МЭКС. При этом система смешения струй воздуха и топлива представляет собой кольцевой расширяющийся канал для подачи потока воздуха и кольцевой канал подачи струй топлива перпендикулярно потоку воздуха через ряд отверстий, расположенных вдоль воздушного канала. На выходе из смесительной камеры поток ТВС делится с помощью отдельных трубок на ряд более мелких потоков, которые подают струи ТВС под углом к стенкам жаровой трубы для их сжигания в дополнительной зоне горения.

Недостатком известной двухзонной МЭКС является сложность конструкции и длина каналов подачи ТВС от смесительной камеры в жаровую трубу, что приводит к нарастанию пограничных слоев, к отрыву потока от стенок и периодически приводит к воспламенению ТВС или проскоку пламени из жаровой трубы в смесительную камеру, что сопровождается их перегревом или прогаром.

Известна малоэмисионная камера сгорания с двумя зонами кинетического горения которая содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы (RU 2753202, 2020). Камера сгорания состоит из модульных элементов, расположенных по окружности концентрично ротору двигателя снаружи по отношению к последним ступеням его компрессора. Внутри каждого модульного элемента установлено: фронтовое устройство с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой с регулируемым топливоподводом и внешней основной горелкой предварительного смешения с радиальным лопаточным завихрителем воздуха и с двумя - главной и корректирующей - независимыми регулируемыми системами топливоподвода, выпускные каналы которых размещены в межлопаточных полостях указанного лопаточного завихрителя воздуха, а также примыкающая к фронтовому устройству жаровая труба с пламенным участком и газоотводным участком.

Интенсивная закрутка потока ТВС в дополнительном фронтовом устройстве, а также увеличение его площади сечения на выходе, приводят к формированию зоны обратных токов (ЗОТ) с повышенным временем пребывания и воспламенением ТВС в этой зоне, формирование которой начинается сразу за завихрителем внутри дополнительного фронтового устройства, а не в потоке продуктов сгорания первичной зоны, что ухудшает качество смешения ТВС до начала процесса горения и увеличивает эмиссионные характеристики.

Интенсивная закрутка потока ТВС и расширение площади выходного канала дополнительных фронтовых устройств приводят также к уменьшению глубины проникновения потока ТВС в сносящий поток продуктов сгорания основной зоны и к распределению высоких температур продуктов сгорания дополнительной зоны вблизи стенок жаровой трубы, что вызывает перегрев стенок за дополнительными фронтовыми устройствами и ухудшает поля температур перед турбиной, т.к. максимум температуры продуктов сгорания формируется вблизи стенок жаровой трубы, а не в центре потока.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является многотопливная камера сгорания газотурбинной установки, которая содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами, выполненными клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установленными равномерно по окружности с зазорами между ними, причем внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива, а смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу (US 9400113, 2016). Каналы подачи топлива в дополнительное фронтовое устройство расположены на поверхности корпуса в сечениях между пилонами и подают струи топлива перпендикулярно потокам воздуха, сформированным между пилонами дополнительного фронтового устройства. ТВС формируется в смесительной камере при взаимодействии струй топлива и воздуха. Для транспортировки ТВС к жаровой трубе служит канал подачи ТВС, закрепленный на внутренней стенке дополнительного фронтового устройства. Качество смешения и равномерность полей концентраций топлива во многом определяется глубиной проникновения струй топлива, истекающих со стенок корпуса в потоки воздуха. При увеличении режимов работы ГТУ увеличивается и расход топлива в дополнительном фронтовом устройстве и глубина проникновения струй топлива в потоки воздуха. Оптимальным для смешения является глубина проникновения струй топлива на половину высоты пилонов дополнительного фронтового устройство.

В известной камере сгорания возникает резкий поворот направления течения струй ТВС из радиального в осевое на 90 градусов, что приводит к отрыву потока ТВС от стенок и формированию ЗОТ, которая может вызвать воспламенение ТВС внутри дополнительного фронтового устройства и его прогар. При этом подача струй топлива в потоки воздуха из смесительной камеры при наличии двух подсистем подачи топлива не обеспечивает высокого качества смешения на всех режимах и создает неравномерные радиальные и окружные поля концентраций топлива, что приводит к росту эмиссионных характеристик.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в снижении концентрации оксидов азота и монооксида углерода в продуктах сгорания.

Технический результат, обеспечивающийся предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности и надежности камеры сгорания газотурбинной установки в условиях ее работы при высоких температурах и давлении воздуха на входе в камеру сгорания, а также в расширении диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания ГТУ.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в камере сгорания газотурбинной установки содержащей жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами, выполненными клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установленными равномерно по окружности с зазорами между ними, причем внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива, смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу, согласно предложенному техническому решению смесительная камера снабжена обтекателем, установленным на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства, пилоны клиновидной формы обращены плоской стенкой к смесительной камере, в плоской стенке каждого пилона выполнено калиброванное отверстие для подачи топлива, пилоны снабжены каналами, сообщенными с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны -со смесительной камерой через калиброванное отверстие.

Существенность отличительных признаков заявляемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающие изобретение, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно:

Ширина плоской стенки В пилонов может быть определена из условия

В=10^-4p^-1,8 e^29600/RTв _,

а суммарная площадь всех зазоров F₃ для прохода воздуха между пилонами может быть определена из выражения:

при этом расстояние между пилонами δ выбирается из условия:

δ=(0,15-0,25) В,

где:

В - ширина пилона дополнительного фронтового устройства, м;

Т_В - температура воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, К;

R - газовая постоянная для воздуха, Дж/кг К;

р - давление воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, Па;

е - число Эйлера;

G_в2 - суммарный расход воздуха через зазоры между пилонами дополнительного фронтового устройства, кг/с;

N_ДФУ - число выбранных зазоров между пилонами дополнительного фронтового устройства;

ρ_в - плотность воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, кг/м³;

M_B - число маха в узком сечении между пилонами дополнительного фронтового устройства;

а - скорость звука в потоке воздуха между пилонами дополнительного фронтового устройства, м/с;

F₃ - суммарная площадь всех зазоров для прохода воздуха между пилонами в дополнительном фронтовом устройстве, м²;

δ - минимальное расстояние между пилонами дополнительного фронтового устройства, м.

Минимальный диаметр D канала подачи топливовоздушной смеси на выходе может быть определен из выражения:

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции камеры сгорания газотурбинной установки и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-3, где:

на фиг. 1 изображен продольный разрез камеры сгорания ГТУ с дополнительным фронтовым устройством и жаровой трубой;

на фиг. 2 - общий вид дополнительного фронтового устройства;

на фиг. 3 - разрез А-А дополнительного фронтового устройства на фиг. 2.

Камера сгорания газотурбинной установки содержит жаровую трубу 1 с фронтовым устройством 2, дополнительное фронтовое устройство 3, установленное на стенке жаровой трубы 1 (фиг. 1). Дополнительное фронтовое устройство 3 состоит из корпуса с внешней 4 и внутренней 5 стенками, с установленной между ними смесительной камерой 6 и связанными между собой пилонами 7 (фиг. 2). Внешняя стенка 4 корпуса дополнительного фронтового устройства 3 содержит топливную полость 8, сообщенную с каналами 9 подвода топлива. Пилоны 7 выполнены клиновидной формы в поперечном сечении с плоской стенкой 10 и установлены равномерно по окружности с зазорами 11 между ними (фиг. 3). Ширина плоской стенки В пилонов 7 может быть определена из условия:

В=10^-4р ^-1,8 е^29600/RTв

а суммарная площадь всех зазоров 11 F₃ для прохода воздуха между пилонами 7 определяется из выражения:

при этом расстояние между пилонами 7 δ выбирается из условия:

δ=(0,15-0,25) В.

Пилоны 7 клиновидной формы обращены плоской стенкой 10 к смесительной камере 6. В плоской стенке 10 каждого пилона 7 выполнено калиброванное отверстие 12 для подачи топлива. Пилоны 7 снабжены каналом 9 подвода топлива, сообщенным с одной стороны с топливной полостью 8, а с другой стороны - со смесительной камерой 6 через калиброванное отверстие 12. Смесительная камера 6 сообщена на входе с каналами 13 подвода воздуха через зазоры 11 между пилонами 7, а на выходе сообщена с каналом 14 подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу 1. Минимальный диаметр D канала подачи топливовоздушной смеси на выходе определяется из выражения:

Смесительная камера 6 снабжена обтекателем 15, установленным на внешней стенке 4 корпуса дополнительного фронтового устройства 3. Камера сгорания газотурбинной установки содержит коллектор 16 подачи топлива в основное фронтовое устройство 2 и коллектор 17 подачи топлива в дополнительное фронтовое устройство 3, а также имеет основную зону горения 18 и дополнительную зону горения 19.

Камера сгорания газотурбинной установки работает следующим образом. На минимальном низкоэмиссионном режиме N=50% основное топливо подается через коллектор 16 подачи топлива в фронтовое устройство 2. Процесс горения реализуется только в основной зоне горения 18, поддерживая температуру продуктов сгорания в основной зоне в диапазоне 1500-1700К. Через дополнительное фронтовое устройство 3 проходит только дополнительный расход воздуха, который попадая в жаровую трубу 1, снижает температуру газа на ее выходе и на входе в турбину.

При наборе мощности (при N≥50%) дополнительное топливо через топливную полость 8 и каналы 9 подвода топлива начинает подаваться в дополнительное фронтовое устройство 3 при поддержании постоянства расхода топлива в фронтовом устройстве 2 и температуры в основной зоне горения 18. Топливо через топливную полость 8 попадает в каналы 9 подвода топлива, расположенные в пилонах 7, далее через калиброванные отверстия 12 в ЗОТ, формируемые при обтекании пилонов 7 струями воздуха, образованными между пилонами 7 при втекании воздуха на вход в дополнительное фронтовое устройство 3. Струи воздуха, образованные при прохождении воздуха в зазорах 11, шириной 5 между пилонами 7, образуют при обтекании пилонов 7 ЗОТ с высокими турбулентными характеристиками. При взаимодействии струй топлива, подаваемых с плоских стенок 10 пилонов 7 в ЗОТ с потоками воздуха, протекающими в этих зонах, образуется богатая гомогенизированная ТВС. Эта богатая ТВС эжектируется из ЗОТ в струи воздуха, обтекающие пилоны 7, смешивается с воздухом в этих струях, при этом концентрация топлива в ТВС снижается ниже стехиометрической, что создает на выходе из смесительной камеры 6 бедную гомогенизированную ТВС. Эта бедная гомогенизированная ТВС с помощью канала 14 подачи топливовоздушной смеси направляется в жаровую трубу 1 и после смешения с высокотемпературными продуктами сгорания основной зоны горения 18 воспламеняется от них и сгорает, создавая дополнительную зону горения 19.

Поддержание низких значений концентрации NO_x и СО на низких дроссельных режимах N=50% реализуется за счет оптимальных и относительно низких температурных режимов горения (1500-1700 К) бедных гомогенизированных ТВС в основной зоне горения 18 камеры сгорания, обеспечивающих и условия быстрого воспламенения бедной ТВС дополнительной зоны горения 19. На режимах работы ГТУ N≥50% низкие эмиссионные характеристики обеспечиваются при организации горения в основной 18 и в дополнительной 19 зонах за счет высокого времени пребывания продуктов сгорания в дополнительной высокотемпературной зоне горения 19. При этом низкие уровни выбросов NO_x и СО в дополнительной зоне горения 19 реализуются за счет хорошего качества смешения топлива и воздуха в дополнительном фронтовом устройстве 3 и формирования гомогенной бедной ТВС на выходе из дополнительного фронтового устройства 3. Низкие выбросы NO_x и СО в дополнительной зоне горения 19 обеспечиваются за счет минимизации времени пребывания продуктов сгорания в этой зоне, реализуемой при отсутствии закрутки потока в дополнительном фронтовом устройстве 3, которая может приводить к образованию ЗОТ с большими временами пребывания в струе на выходе из дополнительного фронтового устройства 3. Кроме того, снижение выбросов NO_x и СО в дополнительной зоне горения 19 связано с расположением этой зоны в конце жаровой трубы 1.

Расширение диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания достигается за счет перевода сжигания части топлива из основной зоны и ЗОТ, обладающей большим временем пребывания продуктов сгорания в этой зоне и приводящим к высокой скорости нарастания выбросов NO_x и СО при росте температуры газа в этой зоне, в поток газа дополнительной зоны горения, характеризуемой малым временем пребывания и низкой скоростью нарастания концентрации NO_x и СО при росте температуры продуктов сгорания.

Таким образом, наличие обтекателя в смесительной камере, установленного на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства, калиброванного отверстия в плоской стенке каждого пилона и канала, сообщенного с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны - со смесительной камерой через калиброванное отверстие обеспечивает снижение концентрации оксидов азота и монооксида углерода в продуктах сгорания и тем самым повышает эффективность и надежность камеры сгорания газотурбинной установки в условиях ее работы при высоких температурах и давлении воздуха на входе в камеру сгорания, а также обеспечивает расширение диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания ГТУ.

Claims (22)

1. Камера сгорания газотурбинной установки, содержащая жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами, выполненными клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установленными равномерно по окружности с зазорами между ними, причем внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива, смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу, отличающая тем, что смесительная камера снабжена обтекателем, установленным на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства, пилоны клиновидной формы обращены плоской стенкой к смесительной камере, в плоской стенке каждого пилона выполнено калиброванное отверстие для подачи топлива, пилоны снабжены каналом, сообщенным с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны - со смесительной камерой через калиброванное отверстие.

2. Камера сгорания газотурбинной установки по п. 1, отличающаяся тем, что что ширина плоской стенки В пилонов определяется из условия:

B=10^-4р^-1,8е ^29600/RТв _,

а суммарная площадь всех зазоров F₃ для прохода воздуха между пилонами определяется из выражения:

при этом расстояние между пилонами δ выбирается из условия:

δ=(0,15-0,25) В,

где:

В - ширина пилона дополнительного фронтового устройства, м;

Т_в - температура воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, K;

R - газовая постоянная для воздуха, Дж/кг K;

р - давление воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, Па;

е - число Эйлера;

G_в2 - суммарный расход воздуха через зазоры между пилонами дополнительного фронтового устройства, кг/с;

N_ДФУ - число выбранных зазоров между пилонами дополнительного фронтового устройства;

ρ_в - плотность воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, кг/м³;

М_В - число маха в узком сечении между пилонами дополнительного фронтового устройства;

а - скорость звука в потоке воздуха между пилонами дополнительного фронтового устройства, м/с;

F₃ - суммарная площадь всех зазоров для прохода воздуха между пилонами в дополнительном фронтовом устройстве, м²;

δ - минимальное расстояние между пилонами дополнительного фронтового устройства, м.

3. Камера сгорания газотурбинной установки по п. 1, отличающаяся тем, что минимальный диаметр D канала подачи топливовоздушной смеси на выходе определяется из выражения: