Жарова труба камери згоряння газотурбінного двигуна

Реферат: Жарова труба кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна містить послідовно взаємозалежні лобове кільце із завихрювачами й паливними форсунками,зовнішній і внутрішній кожухи порожнини жарової труби, у стовщеннях яких виконані кільцеві щілини, поєднані з отворами охолодження, спрямованими в жарову трубу ззовні кожухів, а також, у поздовжньому перерізі останніх, трапецієподібні пояси з наскрізними отворами, звужені усередину порожнини жарової труби. У кожному трапецієподібному поясі його бічні стінки у внутрішній порожнині жарової труби виконані у вигляді кільцевих двосторонніх поглиблень із їхнім поздовжнім перерізом у вигляді частин окружності. UA 68685 U (12) UA 68685 U UA 68685 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до камер згоряння газотурбінних двигунів, особливо їхніх жарових труб, зокрема кільцевої форми, стінки яких формують у них конфігурацію газового й повітряного потоків. З опису до патенту General Electric US N7007481 (кл. 60/752) і його аналогів, а саме ЕР N1515090, JP N2005098687, CN N1629541 (кл. МПК F02C 3/00, F02C 7/18, F23R 3/00) відома жарова труба кільцевої камери згоряння, у якій уздовж її стінок утворений ряд кільцевих стовщень із щілинами, поєднаними з порожниною навкруги жарової труби отворами, що забезпечує плівкове охолодження й захист її стінок. Це відоме технічне рішення досить ефективне на режимах, властивих газотурбінним двигунам. За патентом фірми Rolls Royce Великобританії №2099978, й його аналогами - Франції №2505401, Німеччини № 3215641, Японії № 57192729, МПК F23R 3/06 відомий пристрій жарової труби камери згоряння, де показані технічні прийоми напрямку повітряних потоків. По ходу робочого тіла, на виході з конічних чаш завихрювачів у стінках жарової труби виконані окремі групи подовжньо й поперечно спрямованих отворів підведення повітря в жарову трубу разом із закрученим потоком за кожним завихрювачем. У зовнішній і внутрішній стінках жарової труби розміщені вхідні повітряні патрубки. За патрубками уздовж осі жарової труби в її стінці показана група вхідних отворів. Патрубки й групи отворів перед і за ними одержують повітря через дифузор. Внутрішня поверхня передньої частини жарової труби інтенсивно обмивається повітрям, що знижує емісію монооксидів карбонатів і гідрокарбонатів, як зазначено в описі. Відомий пристрій, можливо, оптимізує співвідношення "повітря-паливо" і забезпечує охолодження поверхні. Але це стосується тільки передньої частини жарової труби камери згоряння, а розміщення й виконання груп отворів і патрубків у запропонованих місцях ускладнює її конструкцію. Патент GB № 2099978 (МПК, F23R 3/06), у стінках жарової труби в її порожнину перед патрубками спрямовані V-подібні кільцеві виступи, в обох стінках яких є безліч отворів подачі повітря усередину жарової труби за дифузором. Отвори спрямовані в основному під розрахунковим кутом до внутрішньої поверхні стінки жарової труби. У цьому технічному рішенні вже представлені тороїдально закручені потоки А і В у зовнішньому й внутрішньому кожухах жарової труби. Відоме також технічне рішення камери згоряння газотурбінного двигуна за патентом US № 7441409 фірми Pratt Whitney (СА), кл US60/752, МПК F23R 3/00. Камера згоряння практично будь-якого профілю газотурбінного двигуна, причому її жарова труба має також стовщення з отворами, а в стінці жарової труби - виступи у вигляді V-подібних кільцевих поясів. У бічних стінках V-подібних поясів є безліч отворів перфорацій, які поєднують зовнішні западини кожного V-подібного пояса навколо жарової труби із внутрішньою порожниною останньої. Самі отвори перфорацій спрямовані уздовж внутрішньої поверхні жарової труби. Такий додатково убудований пояс має розвиток у зазначеному патенті US №7441409. Однак яка б не була його ефективність, конструктивна складність і збільшена вага, ймовірно, можуть привести до додаткових напруг у місцях його встановлення, і, отже, до нестабільності геометрії й додаткових напруг на будь-яких режимах роботи камери згоряння в цілому й у жаровій трубі, зокрема. Проте, як одне з найбільш близьких, жарова труба камери згоряння газотурбінного двигуна за патентом США № 7441409 прийнята як прототип пропонованого пристрою. При цьому перед авторами було поставлена задача, приймаючи досвід відомих технічних рішень, забезпечити одночасно кілька взаємозалежних нових технічних результатів, а саме: - оптимізація процесу горіння із забезпеченням зниження викидів шкідливих речовин на всіх режимах роботи двигуна; - забезпечення стабільності роботи на всіх режимах; - підвищення надійності пристрою; - спрощення конструкції вузла в цілому. Поставлена задача вирішується тим, що у жаровій трубі кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна, яка містить послідовно взаємопов'язані лобове кільце з розташованими на ньому завихрювачами й паливними форсунками, зовнішній і внутрішній кожухи жарової труби з кільцевими стовщеннями, отворами й щілинами охолодження, спрямованими в порожнину жарової труби, а в їхньому поздовжньому перерізі трапецієподібні звужені усередину порожнини жарової труби, пояса з наскрізними отворами, зроблені удосконалення. Удосконалення полягають у наступному. 1 UA 68685 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 У кожному трапецієподібному поясі його бічні стінки, що виступають у внутрішню порожнину жарової труби, виконані у вигляді кільцевих двосторонніх поглиблень, які в поздовжньому перерізі виконані у вигляді частин окружності. При цьому, у кільцевих стовщеннях, перед і за трапецієподібними поясами, утворені спрямовані в їхні сторони кільцеві щілини з наскрізними отворами, поєднаними з повітряною порожниною, що оточує жарову трубу. Трапецієподібні пояси в стінках жарової труби виконані разом з окремими проміжними частинами кожухів жарової труби й жорстко з'єднані з іншими частинами кожухів жарової труби. У цих проміжних частинах кожухів жарової труби, між згаданими зустрічними кільцевими стовщеннями із щілинами, розміщені згадані трапецієподібні пояси. Причому згадані окремі проміжні частини кожухів жарової труби передніми крайками закріплені на лобовому кільці в місцях кільцевих стовщень із зустрічними кільцевими щілинами, поєднаними з наскрізними отворами. Рішення поставленої задачі пояснюється кресленнями, де: на Фіг. 1 показаний поздовжній переріз жарової труби камери згоряння газотурбінного двигуна, що заявляється, з потоками повітря й паливно-повітряної суміші, у тому числі, у тороїдальних зонах І і II за пропонованим рішенням; на Фіг. 2 показаний поздовжній переріз жарової труби камери згоряння газотурбінного двигуна, що заявляється, в її детальному виконанні; на Фіг. 3 показаний поздовжній переріз проміжної частини зовнішнього кожуха жарової труби з його кільцевим трапецієподібним поясом й одним з його наскрізних отворів, а також отворів у зустрічних кільцевих щілинах, що поєднують порожнину жарової труби з навколишньою її загальною порожниною камери згоряння. на Фіг. 4 показаний вид по стрілці А Фіг. 3 на поперечні ряди наскрізних отворів у кільцевому трапецієподібному поясі, і ряди отворів у зустрічних кільцевих щілинах, що поєднують внутрішню порожнину жарової труби із загальною порожниною камери згоряння; на Фіг. 5 показаний поздовжній переріз окремої проміжної частини внутрішнього кожуха жарової труби з його кільцевим трапецієподібним поясом і одним з його наскрізних отворів, що поєднують порожнину жарової труби із загальною повітряною порожниною камери згоряння, і отворів у зустрічних кільцевих щілинах, що теж поєднують порожнину жарової труби із загальною порожниною камери згоряння; на Фіг. 6 показаний вид по стрілці Б Фіг. 5 на поперечні ряди наскрізних отворів у кільцевому трапецієподібному поясі, та ряди отворів у зустрічних кільцевих щілинах, що поєднують внутрішню порожнину жарової труби із загальною порожниною камери згоряння. на Фіг. 7 показано фрагмент Д Фіг. 4, 6, багатограних збільшених отворів поясів. Пропонована жарова труба 1 камери згоряння газотурбінного двигуна містить взаємопоєднані фронтовий пристрій 2 і лобове кільце 3, на якому встановлені повітряні завихрювачі 4 відомого типу з безліччю отворів у їхніх стінках і уведеними у завихрювачі паливними форсунками 5. Жарова труба 1, далі, містить у собі зовнішній 6 і внутрішній 7 кожухи. При цьому ті й інші кожухи, 6 і 7, за своїми поздовжніми розмірами можуть у себе включати убудовані й жорстко в них закріплені проміжні внутрішнє 8 і зовнішнє 9 кільця. У жаровій трубі 1, що заявляється, передбачені засоби оптимізації робочої суміші при одночасній підтримці температурних режимів її стінок. Для цього, зокрема, уздовж внутрішніх поверхонь зовнішнього кожуха 6 жарової труби 1 до її виходу передбачені засоби плівкового охолодження супутнього напрямку у вигляді безлічі наскрізних отворів 10, 11, 12, з виходом усередину жарової труби 1 зі спрямованих за потоком кільцевих щілин 13,14,15. Уздовж внутрішніх поверхонь внутрішнього кожуха 7 жарової труби 1 до її виходу також передбачені засоби забезпечення супутнього плівкового охолодження у вигляді безлічі наскрізних отворів 16, 17, 18 з виходом у середину жарової труби 1 з кільцевих щілин 19, 20, 21, спрямованих за потоком. Крім згаданих, у стінках зовнішнього 6 і внутрішнього 7 кожухів, також передбачені засоби плівкового охолодження зустрічного напрямку (проти потоку усередині жарової труби 1). У зовнішньому кожусі 6 передбачена безліч наскрізних отворів 22, 23 і кільцеві щілини 24, 25, спрямовані проти потоку. У внутрішньому кожусі 7 передбачена безліч наскрізних отворів 26, 27 і кільцеві щілини 28, 29, спрямовані також проти потоку. Як вказувалося раніше, у зовнішньому 6 і у внутрішньому 7 кожухах жорстко закріплені проміжні кільця, внутрішнє 8 і зовнішнє 9. 2 UA 68685 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 У згаданих кожухах, зовнішньому 6 і внутрішньому 7, між групами супутніх і зустрічних засобів плівкового охолодження, а саме, 17/20, 26/28, 11/14 і 23/25 на згаданих проміжних частинах у вигляді кілець 8 і 9 спрямовані усередину порожнини жарової труби 1 кільцеві стовщення. Останні виконані у вигляді поясів 31 зовнішнього кожуха 6 та 32 внутрішнього кожуха 7. Згадані пояси 31, 32, обидва у своєму поздовжньому перерізі мають трапецієподібну форму, є частинами кожухів 6 і 7 і, зокрема, частинами проміжних кілець - внутрішнього 8 і зовнішнього 9. Кожен з поясів 31, 32 у своєму трапецієподібному поздовжньому перерізі має бічні стінки у вигляді частин окружності а, в обсязі робочої порожнини жарової труби 1 кожен з них звужений усередину своїми бічними поверхнями у вигляді бічних двосторонніх кільцевих поглиблень 33 і 34. У кожному з поясів 31, 32 виконано безліч наскрізних отворів 35 і 36, відповідно, в середину порожнини жарової труби. Отвори і 35, і 36 спрямовані, в основному, упоперек поздовжньої осі проточної частини жарової труби 1 й усередину останньої. Робота жарової труби 1 камери згоряння газотурбінного двигуна, що заявляється, здійснюється, як показано далі. Повітряні завихрювачі 4 по числу оточуваних останніми паливних форсунок 5, направляють, поряд з безліччю отворів 10, 16 повітряний потік від компресора на паливну суміш із форсунок 5 з початковим утворенням зони І (Фіг.1). Це забезпечує первісне закручення робочої паливно-повітряної суміші у фронтовому пристрої 2. Потім (див. Фіг. 1) повітрям від компресора (не показаний) одночасно відбувається початкове закручення, а далі підтримка двох, один за іншим, тороїдальних вихрів паливноповітряної суміші (Зони І і II), а саме: Вихри зони І утворюються, починаючи від передньої поверхні стінок жарової труби 1. При участі зовнішнього кожуха 6 і внутрішнього кожуха 7 це відбувається впливом і повітряних струменів зі згаданих отворів 10 і 16 через щілини 13 і 19, поряд зі супутніми потоками через щілину 14 із отворів 11 і через щілину 20 із отворів 17. Далі робочий потік, що просувається в жаровій трубі 1, загортається усередину її порожнини завдяки взаємодії з передніми поверхнями кільцевих поглиблень 33 і 34 кожного із трапецієподібних поясів 31 і 32 кожухів жарової труби 1, як внутрішнього 8, так зовнішнього 9. При цьому холодне повітря, що направляється із-зовні усередину жарової труби 1, ежектується потоками й струменями отворів 35 і 36 трапецієподібних 31 і 32 поясів. Отвори 35,36 можуть бути вибрані за своєю формою і круглою, і багатогранною, як це показано на Фіг. 4, 6, 7 у зв'язку з розрахунком потоків, або можливостями виробництва, наприклад можливості їх прожигу. Але тільки проектні розрахунки впливають на повітряні потоки супутніх щілин 13, 14 з отворами 10,11, а також на повітряні потоки супутніх щілин 19, 20 з отворами 16,17. У той же час потоки повітря із зустрічних щілин 25, 28 з отворами 23, 26, і із щілин 24 і 29 з отворами 22 і 27 плівкового охолодження, разом із потоками з отворів 35, 36 трапецієподібних поясів 31, 32 взаємодіють між собою. Їхня взаємодія розділяє простір порожнини жарової труби 1 на дві зони І і II, при тому в кожній зоні утворюються свої тороїдальні вихри. Отримана взаємодія потоків усередині жарової труби 1 сприяє ефективному перемішуванню паливно-повітряної суміші й газу, що забезпечує високу стабільність організованих потоків у порожнині жарової труби. При цьому на режимах малої потужності паливо вигорає в зоні І з мінімальними виділеннями СО і СН, а на високих режимах паливо, що не згоріло в зоні І, переходить у зону II з досить високою температурою, де й завершується процес горіння. Таким чином, постійне повернення більшої частини охолодного повітря в зону горіння знижує виділення окислів азоту, а інтенсивне перемішування паливно-повітряної суміші й газів у порожнині жарової труби знижує нерівномірність температурного поля газу на виході з камери згоряння. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Жарова труба кільцевоїкамери згоряння газотурбінного двигуна, що містить послідовно взаємозалежні лобове кільце із завихрювачами й паливними форсунками,зовнішній і внутрішній кожухи порожнини жарової труби, у стовщеннях яких виконані кільцеві щілини, поєднані з отворами охолодження, спрямованими в жарову трубу ззовні кожухів, а також, у поздовжньому перерізі останніх, трапецієподібні пояси з наскрізними отворами, звужені усередину порожнини 3 UA 68685 U 5 10 15 жарової труби, яка відрізняється тим, що у кожному трапецієподібному поясі його бічні стінки у внутрішній порожнині жарової труби виконані у вигляді кільцевих двосторонніх поглиблень із їхнім поздовжнім перерізом у вигляді частин окружності, при цьому, у розташованих перед і за зазначеними трапецієподібними поясами, згадані кільцеві щілини виконані зустрічними й спрямованими кожна зі своєї сторони на кільцеві поглиблення згаданих поясів. 2. Жарова труба за п. 1, яка відрізняється тим, що згадані трапецієподібні пояси в порожнині жарової труби виконані разом з окремими проміжними частинами кожухів жарової труби, й жорстко закріпленими на й між іншими частинами вказаних кожухів. 3. Жарова труба за пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що згадані окремі проміжні частини кожухів жарової труби виконані разом зі згаданими зустрічними кільцевими щілинами. 4. Жарова труба за пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що згадані окремі проміжні частини кожухів жарової труби виконані між згаданими зустрічними кільцевими щілинами в стовщеннях кожухів жарової труби. 5. Жарова труба за пп. 1, 2, 3, 4, яка відрізняється тим, що згадані окремі проміжні частини кожухів жарової труби своєю передньою крайкою закріплені на лобовому кільці в місцях розміщення згаданих кільцевих стовщень із зустрічними кільцевими щілинами, поєднаними зі згаданими наскрізними отворами. 6. Жарова труба за пп. 1, 2, 3, 4, 5, яка відрізняється тим, що згадані наскрізні отвори трапецієподібних поясів в їх поперечних перерізах виконані багатогранними. 4 UA 68685 U 5 UA 68685 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6