RU218632U1 - Малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области двигателестроения и может найти применение в конструкциях камер сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) энергетических газотурбинных установок. Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является повышение надежности работы и ресурса камеры сгорания в эксплуатации. Технический результат достигается тем, что в малоэмиссионной камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей модульные элементы, внутри каждого из которых установлено фронтовое устройство с концентрично расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с лопаточным завихрителем воздуха, к фронтовому устройству примыкает жаровая труба, содержащая пламенный участок, который соединен с газоотводным участком, жаровая труба соединена с газосборником, при этом основная горелка предварительного смешения снабжена основной и дополнительной системами топливоподвода, расположенными концентрично друг другу, каждая из которых содержит свой кольцевой коллектор, к полости каждого из которых подсоединены подводящие топливопроводы и распределительные каналы, сообщающиеся с межлопаточной полостью через выпускные каналы, число распределительных каналов соответствует числу лопаток завихрителя воздуха и расположены они внутри лопатки по ее длине, в отличие от известного, каждый кольцевой коллектор выполнен в виде единой полости, имеющей переменное поперечное сечение, максимальная площадь которого расположена в зоне подсоединения подводящих трубопроводов и составляет не менее суммы площадей всех распределительных каналов в лопатках завихрителя, а минимальная площадь - с противоположной стороны и составляет не менее площади одного распределительного канала, при этом к полости каждого кольцевого коллектора подсоединены не менее двух подводящих топливопроводов, пламенный участок жаровой трубы выполнен с соотношением длины и наружного диаметра не более 2:1, а газоотводный участок является частью газосборника, поверхность которого на указанном участке выполнена цельной.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения и может найти применение в конструкциях камер сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) энергетических газотурбинных установок.

Известна малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая модульные элементы, внутри каждого из которых установлено фронтовое устройство с концентрично расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с лопаточным завихрителем воздуха, к фронтовому устройству примыкает жаровая труба, содержащая пламенный участок, который соединен с газоотводным участком, жаровая труба соединена с газосборником, при этом основная горелка предварительного смешения снабжена основной системой топливоподвода, которая содержит кольцевой коллектор, к полости которого подсоединены подводящие топливопроводы и распределительные каналы, сообщающиеся с межлопаточной полостью через выпускные каналы, число распределительных каналов соответствует числу лопаток завихрителя воздуха и расположены они внутри лопатки по ее длине (описание полезной модели по патенту № RU 97479, МПК F23R 3/44, опубл. 10.09.2010. Бюл. № 25).

Наличие у кольцевого коллектора системы топливоподвода основной горелки модульного элемента по меньшей мере двух отсеков, к каждому из которых присоединен отдельный подводящий топливопровод, оборудованный расходным регулирующим органом, ухудшает равномерность распределения топлива через выпускные каналы из лопатки в межлопаточную полость.

Наиболее близкой к предлагаемой является малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая модульные элементы, внутри каждого из которых установлено фронтовое устройство с концентрично расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с лопаточным завихрителем воздуха, к фронтовому устройству примыкает жаровая труба, содержащая пламенный участок, который соединен с газоотводным участком, жаровая труба соединена с газосборником, при этом основная горелка предварительного смешения снабжена основной и дополнительной системами топливоподвода, расположенными концентрично друг другу, каждая из которых содержит свой кольцевой коллектор, к полости каждого из которых подсоединены подводящие топливопроводы и распределительные каналы, распределительные каналы, сообщающиеся с межлопаточной полостью через выпускные каналы, число распределительных каналов соответствует числу лопаток завихрителя воздуха и расположены они внутри лопатки по ее длине (описание полезной модели по патенту № RU 155055, МПК F23R 3/44, опубл. 20.09.2015. Бюл. № 26).

Недостатками известных устройств являются следующие.

Основная и дополнительная автономная система топливоподвода у фронтовых устройств представляет из себя отдельный кольцевой коллектор, разделенный от другого перемычкой. Каждый кольцевой коллектор имеет постоянное поперечное сечение и отдельный подводящий топливопровод, оборудованный расходным регулирующим органом, что ухудшает равномерность распределения топлива через выпускные каналы из лопатки в межлопаточную полость в связи с разными скоростями затекания топлива в каналы лопаток, что приводит к неравномерному смешению с воздухом и его сгоранию с образованием локальных зон повышенных температур. Локальные горячие зоны приводят к перегреву, трещинам и дальнейшим прогарам на стенках пламенного участка жаровой трубы.

К фронтовому устройству примыкает жаровая труба с пламенным и газоотводным участками, имеющая отношение длины и наружного диаметра более 4:1, что приводит к образованию трещин на жаровой трубе вследствие значительных осевых расширений самой жаровой трубы и радиальных расширений соплового аппарата турбины относительно жаровой трубы (на основании опыта эксплуатации таких жаровых труб) и ухудшает ее надежность.

Необходимость применения струйного конвективного воздушного наружного охлаждения газоотводного участка жаровой трубы связана с образованием в этом месте локальной зоной перегрева вследствие неравномерности смешения топлива с воздухом и его сгорания с высокой температурой. На основании экспериментальных исследований с проведением термометрирования стенки газоотводного участка установлено, что струйное конвективное воздушное наружное охлаждение газоотводного участка жаровой трубы увеличивает температуру стенки и вследствие воздействия температурного градиента приводит к образованию трещин на стенке газоотводного участка.

Все вместе вышеприведенные недостатки уменьшают надежность работы и ресурс малоэмиссионной камеры сгорания в эксплуатации.

Технической задачей является создание малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя, конструкция которой устраняет вышеприведенные недостатки.

Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является повышение надежности работы и ресурса камеры сгорания в эксплуатации за счет обеспечения равномерности подачи топлива в выпускные каналы, равномерного сгорания топлива в жаровой трубе и исключения локальных зон перегрева стенок газосборника.

Равномерность подачи топлива в выпускные каналы обеспечивается путем выполнения каждого кольцевого коллектора в виде единой полости, не разделенной на отсеки, который имеет переменное поперечное сечение, и не менее двух подводящих трубопроводов. Причем максимальная площадь поперечного сечения кольцевого коллектора расположена в зоне подвода топлива и составляет не менее суммы площадей всех распределительных каналов в лопатках завихрителя, а минимальная площадь поперечного сечения кольцевого коллектора расположена с противоположной стороны и составляет не менее площади одного распределительного канала.

Для равномерного сгорания топлива и исключения локальных зон перегрева стенок газосборника жаровая труба выполнена укороченной и содержит только пламенный участок, а газоотводный участок выполнен цельным без конвективного струйного охлаждения и является частью газосборника.

Технический результат достигается тем, что в малоэмиссионной камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей модульные элементы, внутри каждого из которых установлено фронтовое устройство с концентрично расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с лопаточным завихрителем воздуха, к фронтовому устройству примыкает жаровая труба, содержащая пламенный участок, который соединен с газоотводным участком, жаровая труба соединена с газосборником, при этом основная горелка предварительного смешения снабжена основной и дополнительной системами топливоподвода, расположенными концентрично друг другу, каждая из которых содержит свой кольцевой коллектор, к полости каждого из которых подсоединены подводящие топливопроводы и распределительные каналы, сообщающиеся с межлопаточной полостью через выпускные каналы, число распределительных каналов соответствует числу лопаток завихрителя воздуха и расположены они внутри лопатки по ее длине, в отличие от известного, каждый кольцевой коллектор выполнен в виде единой полости, имеющей переменное поперечное сечение, максимальная площадь которого расположена в зоне подсоединения подводящих трубопроводов и составляет не менее суммы площадей всех распределительных каналов в лопатках завихрителя, а минимальная площадь - с противоположной стороны и составляет не менее площади одного распределительного канала, при этом к полости каждого кольцевого коллектора подсоединены не менее двух подводящих топливопроводов, пламенный участок жаровой трубы выполнен с соотношением длины и наружного диаметра не более 2:1, а газоотводный участок является частью газосборника, поверхность которого на указанном участке выполнена цельной.

Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображены:

фиг. 1 - продольный разрез малоэмиссионной камерой сгорания газотурбинного двигателя; фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.

Малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя содержит, например, 20 модульных элементов, равномерно расположенных по окружности концентрично ротору снаружи по отношению к последним ступеням компрессора. Все модульные элементы помещены в кольцевом силовом корпусе.

Каждый модульный элемент состоит из фронтового устройства 1 с внутренней диффузионной пилотной горелкой 2 и внешней основной горелкой 3 предварительного смешения.

Основная горелка 3 содержит лопаточный завихритель 4 с лопатками 5 и две системы топливоподвода - основную и дополнительную.

Основная система топливоподвода включает в себя кольцевой коллектор 6, выполненный в виде сплошной (без разделения на отсеки) полости внутри корпуса основной горелки 3.

К кольцевому коллектору 6 подключены распределительные каналы 7 по числу лопаток 5 завихрителя 4 воздуха (фиг.2). Каждый распределительный канал 7 расположен по длине внутри каждой из лопаток 5, а к каждому распределительному каналу 7 подключены расположенные по длине лопатки 5 выпускные каналы 8 из каждой лопатки 5 в межлопаточную полость 9.

К кольцевому коллектору 6 со стороны подачи топлива подключены не менее двух подводящих топливопроводов 10, на каждом из которых установлен регулирующий орган 11. При количестве топливопроводов менее двух не обеспечивается равномерность распределения топлива через выпускные каналы из лопатки в межлопаточную полость в связи с разными скоростями затекания топлива в распределительные каналы лопаток.

Полость кольцевого коллектора 6 выполнена сплошной, без разделения на отсеки, и имеет переменное поперечное сечение (фиг.3). При этом максимальная площадь поперечного сечения кольцевого коллектора 6 расположена в зоне расположения подводящих топливопроводов 10, а минимальная площадь расположена с противоположной стороны (зеркально относительно горизонтальной оси коллектора 6). При этом максимальная площадь поперечного сечения кольцевого коллектора 6 составляет не менее суммы площадей всех распределительных каналов 7 в лопатках завихрителя, а минимальная площадь - составляет не менее площади одного распределительного канала 7. При максимальной площади поперечного сечения кольцевого коллектора 6 менее суммы площадей всех распределительных каналов 7 в лопатках завихрителя, и при минимальной площади - менее площади одного распределительного канала 7, не обеспечивается необходимый расход топлива.

Дополнительная система топливоподвода включает в себя кольцевой коллектор 12, полость которого является сплошной, без разделения на отсеки и имеет переменное сечение. К полости коллектора 12 подключены со стороны подачи топлива подключены как минимум два подводящих топливопровода 13, на каждом из которых установлен регулирующий орган 14, и распределительные каналы 15, сообщающиеся с выпускными каналами 16, которые сообщаются с межлопаточным каналом.

Диаметр распределительных каналов 7 и 15, а также диаметр и количество выпускных каналов 8 и 16 у основной и дополнительной системы топливоподвода различны.

К фронтовому устройству 1 примыкает жаровая труба 17, которая содержит пламенный участок 18, и имеет соотношение длины и наружного диаметра не более 2:1, что повышает эффективность сгорания топливовоздушной смеси в жаровой трубе. Если соотношение длины и наружного диаметра жаровой трубы 17 будет более 2:1, то не обеспечивается эффективность сгорания в жаровой трубе, что приводит к образованию локальных зон с повышенной температурой газов.

Жаровая труба 17 сообщается с газосборником 19, который содержит газоотводный участок 20. Поверхность газосборника на указанном участке выполнена без отверстий струйного конвективного охлаждения, которое исключается в связи со снижением температуры в данной части стенки газосборника из-за равномерного сгорания топлива в жаровой трубе.

Газосборник примыкает к корпусу соплового аппарата 21.

Предлагаемая малоэмиссионная камера сгорания работает следующим образом. Топливо поступает в основную горелку в кольцевые коллекторы основной и дополнительной системы топливоподвода через как минимум два подводящих топливопровода. Далее топливо поступает в распределительные каналы, выполненные в каждой лопатке завихрителя основной горелки, и выходит через выпускные каналы в межлопаточную полость основной горелки, где смешивается с воздухом, образуя топливовоздушную смесь, которая равномерно сгорает в пламенном участке укороченной жаровой трубы и выходит в виде газов в турбину через цельный газоотводный участок газосборника без образования локальных зон перегрева его стенок.

Предлагаемая конструкция позволяет повысить надежность работы и ресурс камеры сгорания за счет равномерной подачи топлива в межлопаточный канал завихрителя через выпускные каналы в лопатках, его смешению с воздухом и сгоранию без образования локальных зон повышенных температур, что исключит локальные зоны перегрева и образование трещин на стенках жаровой трубы и газоборника.

Claims (1)

1. Малоэмиссионная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая модульные элементы, внутри каждого из которых установлено фронтовое устройство с концентрично расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с лопаточным завихрителем воздуха, к фронтовому устройству примыкает жаровая труба, содержащая пламенный участок, который соединен с газоотводным участком, при этом основная горелка предварительного смешения снабжена основной и дополнительной системами топливоподвода, расположенными концентрично друг другу, каждая из которых содержит свой кольцевой коллектор, к полости каждого из которых подсоединены подводящие топливопроводы и распределительные каналы, сообщающиеся с межлопаточной полостью через выпускные каналы, число распределительных каналов соответствует числу лопаток завихрителя воздуха и расположены они внутри лопатки по ее длине, отличающаяся тем, что каждый кольцевой коллектор выполнен в виде единой полости, имеющей переменное поперечное сечение, максимальная площадь которого в зоне подсоединения подводящих трубопроводов составляет не менее суммы площадей всех распределительных каналов в лопатках завихрителя, а минимальная площадь – с противоположной стороны составляет не менее площади одного распределительного канала, при этом к полости каждого кольцевого коллектора подсоединены не менее двух подводящих топливопроводов, пламенный участок жаровой трубы выполнен с соотношением длины и наружного диаметра не более 2:1, а газоотводный участок является частью газосборника, поверхность которого на указанном участке выполнена цельной.

Images