Фронтовий пристрій камери згоряння газотурбінного двигуна

Заявлене технічне рішення відноситься до газотурбінної енергетики, а саме до газотурбінних двигунів, особливо до їх камер згоряння з використанням двох або більше видів палива і, особливо, до фронтових пристроїв, які в собі мають засоби для уприскування палива. З описів до патентів-аналогів фірми Роллс Ройс (США - N4193260, кл. МПК F02C 7/22, Великобританії - N 1575410, кл. МПК F23R 3/34, Франції N2353700, кл. МПК F02C 7/00, ФРГ N2739677, кл. МПК F23R 3/34, конвенційний пріоритет 04.09.76, відомо фронтовий пристрій камери згоряння. Він містить розташовані послідовно, за каналом подавання повітря з компресору форсунки, жарову трубу, в отворі обтічної лобової стінки якої встановлено вхідну частину змішувача, просунутого усередину жарової труби. Форсунка і змішувач здійснюють послідовно подавання палива, сумішеутворення і підведення паливоповітряної суміші в порожнину жарової труби. Шток форсунки та її головка виконані, принаймні, з двома каналами подавання палива. Один з них має в головці форсунки радіальний вихід для направлення палива в отвір в лобовій обтічній стінці жарової труби, в порожнині якої організовано першу зону горіння. Отвір ізольовано екраном від кільцевої порожнини змішувача. Змішувач має центральне тіло, оточене кільцевою порожниною з закручуючими лопатками в цій кільцевій порожнині для подавання повітря в жарову трубу. Другий канал сполучено з поздовжнім отвором на кінці головки форсунки, а його сполучено з отвором центрального тіла змішувача. Тут відбувається відокремлене сумішеутворення для другої зони горіння, що також заважає утворенню та викиду окислів азоту. Зсередини центральне тіло закінчується стінкою, через радіальні отвори якої паливоповітряна суміш прямує в кільцеву порожнину змішувача, звідки вона потоком повітря за закручувальними лопатками видувається в другу зону горіння. На його вихідному перерізі змішувач має плавне звуження, а його центральне тіло – конусоподібний стікач. Незважаючи на вказаний позитивний факт ізоляції сумішеутворення від зони горіння, відомий фронтовий пристрій камери згоряння газотурбінного двигуна за патентом США №4193260 може бути удосконаленим. Так, кільцева порожнина, сполучена безпосередньо із потоком повітря за компресором з усіма його нерівномірностями, відривними течіями і затіненням штоками форсунок. Це позначається на стабільності горіння в жаровій трубі та, в свою чергу, на якості горіння та складі продуктів згоряння. З рівня техніки відомі технічні рішення, в яких попереду лобової стінки жарової труби, куди введені головки форсунок з концентричними їм змішувачами, встановлено захисні обтічники для пом'якшення впливу нерівномірностей потоку повітря за компресором (див., зокрема, описи до патентів Німеччини №3813370, кл. F23R 3/58, Швейцарії № 682002, кл. F02С 7/22). Але це фронтові пристрої, в яких змішувач є частиною форсунки. Тим самим, по своїй суті та спільності задачі, що вирішується, використано як прототип нашого технічного рішення відомий фронтовий пристрій камери згоряння газотурбінного двигуна за патентом США №4193260 . В основу цього технічного рішення поставлено задачу так удосконалити відомий фронтовий пристрій камери згоряння газотурбінного двигуна, щоб досягти комплексного технічного результату - забезпечення стійкого та економічного горіння із зниженням викидів шкідливих окислів азоту NОх, вуглецю CO, часток сажі на стаціонарному та перехідних режимах. Цей технічний результат може бути досягнутим при одночасному досягненні декількох логічно взаємопов'язаних, але підкорених основному, технічних результатів, а саме: 1. Забезпечення однорідної паливоповітряної суміші з високим ступенем гомогенізації. 2. Ізоляція процесу сумішеутворення від високих температур зони горіння при сполученні з нею тільки для негайного здійснення процесу горіння. 3. Зменшення часу перебування продуктів згоряння у високотемпературній зоні горіння після підпалювання, щоб не встигли утворитися окисли азоту. 4. Стабілізація полум'я в жаровій трубі шляхом рівномірного його втікання в зони сумішеутворення та горіння за рахунок зменшення впливу неоднорідності потоку повітря із компресора на усі процеси, що відбуваються в ній, та виключення впливу штоків форсунок на повітряний потік. 5. Організація та підтримування в зонах горіння зворотних течій. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому фронтовому пристрої камери згоряння газотурбінного двигуна, який містить у собі розміщену за компресором форсунку з першими та другими каналами, за якою закріплено до лобової стінки жарової труби, з'єднаної з обтічником, змішувач із закручувальними лопатками в кільцевій порожнині навкруги центрального тіла, поздовжній отвір якого, через отвір у форсунці, сполучено з першими каналами подавання палива та з порожниною жарової труби, здійснено вдосконалення, які логічно поєднані з досягненням описаних вище основного та підкорених йому технічних результатів. Удосконалення полягає в тому, що зазначений змішувач розміщено перед лобовою стінкою, на якій його закріплено вихідною частиною. При цьому, отвір форсунки здійснено наскрізним, а порожнина жарової труби сполучена з компресором крізь згаданий отвір форсунки та отвір центрального тіла. Щоб далі зменшити вплив неоднорідності потоку повітря із компресора на усі процеси в жаровій трубі, змішувач оточено обтічником. В передній його частині виконано отвір, закритий введеною в нього згаданою форсункою, а сполучення порожнини обтічника з компресором відбувається через отвори в бокових частинах обтічника . Щоб краще ізолювати процес сумішеутворення від високих температур зони горіння при сполученні з нею тільки для негайного здійснення процесу горіння, порожнина жарової труби сполучена з порожниною, обмеженою обтічником та лобовою стінкою, крізь згадану кільцеву порожнину змішувача, а вона сполучена з другими каналами форсунки. Щоб надійно забезпечити однорідність паливоповітряної суміші з високим ступенем гомогенізації, згадана кільцева порожнина змішувача за закручувальними лопатками навкруги центрального тіла має звуження на вході в порожнину жарової труби. Для цього також отвір центрального тіла змішувача на вході в порожнину жарової труби здійснено із конічним розширенням. Далі показані конструктивні кроки, які наближають пристрій, що заявляється, до реального (з досягненням вказаних технічних ефектів). Для цього поздовжній отвір центрального тіла змішувача перед конічним розширенням додатково сполучено з порожниною жарової труби крізь кільцевий концентричний йому канал з розміщеними в ньому закручувальними лопатками, які додатково перемішують суміш. Згаданий кільцевий канал може мати конічну частину. Основа її конуса розміщена на вході в ще додаткові закручувальні лопатки, що підтримує в зонах горіння зворотні течії в жаровій трубі. Розвитку цього технічного результату сприяє те, що згадану конічну частину утворено додатковим конічним розширенням отвору центрального тіла, куди додатково введена відповідна конічна вставка з отвором, співвісним поздовжньому отвору центрального тіла. Забезпеченню однорідної паливоповітряної суміші з високим ступенем гомогенізації також сприяє те, що на вході в згадану кільцеву порожнину змішувача, а також поперед входу других каналів для подавання палива в цю кільцеву порожнину, розміщені турбулізатори. Дальший аналіз демонструє, як кожна з нових ознак, які заявлюються зараз, разом з відомими сприяє досягненню згаданого технічного результату. У заявленому фронтовому пристрої змішувач розміщено у порожнині вказаного обтічника попереду лобової стінки жарової труби та закріплено в цій стінці на виході з нього. Це означає, що змішувач розміщено поза жаровою трубою та до її зони горіння. Сумішеутворення у змішувачі ізольовано від зони горіння, тобто від впливу високих температур. З високою температурою суміш взаємодіє тільки на виході із змішувача. Завдяки цьому виникає менше передумов до раннього, перед зоною горіння, запалення та окислення суміші. Це дає можливість скоротити довжину жарової труби, що означає скорочення перебування продуктів згоряння у високотемпературній зоні горіння від підпалення до їх виходу. При цьому окиси азоту не встигають утворитися. Обтічник огорожує кільцеву порожнину змішувача від дискретного потоку повітря із компресора, до того ж, ударяючого об штоки форсунок. При цьому повітря із компресора в обтічник затікає крізь отвори в його бокових стінках. Утворюється повітряна порожнина з порівняно спокійною динамікою. Штоки форсунок розміщено перед обтічником, і вони не впливають на динаміку повітряного середовища у його порожнині. Оптимально, якщо отвір для входження форсунки в передній стінці обтічника цією ж форсункою й закрито. Порожнина жарової труби сполучена з порожниною, обмеженою обтічником, лобовою стінкою та змішувачем крізь кільцеву порожнину змішувача з закручувальними лопатками. Кільцева порожнина змішувача, в свою чергу, сполучена з другими каналами форсунки для подавання палива. Це дає рівномірне втікання повітря із спокійної порожнини усередині обтічника до зони сумішеутворення в кільцевій порожнині змішувача. Утворюється однорідна паливоповітряна суміш з високим ступенем гомогенізації. Паливоповітряній суміші, яка проходить крізь кільцеву порожнину, а потім крізь закручувальні лопатки і входить у жарову трубу, притаманна рівномірна, безвідривна та стабільна течія, і, як наслідок, коли суміш підпалюється на виході з кільцевої порожнини змішувача, в порожнині жарової труби забезпечується стабільне полум'я. Поєднання закручуючих лопаток з конічним звуженням на виході з кільцевої порожнини змішувача надає закручений об’ємний рух суміші в основній зоні горіння, просунутій усередину жарової труби. Все це розглядалося у відношенні до основної зони горіння, але в тій же мірі відноситься до утворення та горіння пускової суміші. Для утворення паливоповітряної пускової суміші призначені, послідовно продовжуючі один одного, поздовжні отвори, як форсунки, так і центрального тіла. Процес сумішеутворення також ізольований від впливу високих температур. Це запобігає утворенню окислів азоту до початку горіння суміші. Отвір форсунки сполучений з першими каналами подавання пускового палива, далі одним кінцем він сполучений з подаванням повітря із компресора, а іншим кінцем - з отвором у центральному тілі з виходом у порожнину жарової труби. Прохідний переріз цих отворів відносно невеликий, і немає необхідності розвивати поперечні розміри жарової труби. У пристрої-прототипі за патентом фірми Rolls Royce США №4193260 поздовжній отвір центрального тіла охоплює форсунку із значним кільцевим зазором, куди прямує нестабільний та неоднорідний потік повітря із компресора. Він частково стабілізується поворотом та виводом його в кільцеву порожнину змішувача. В технічному рішенні, що заявляється, технічний результат стабілізації потоку, який входить в порожнину жарової труби, а значить, і полум'я в ній, відтворюється також за рахунок введення з зазором завихрювача у вигляді конічної вставки на виході із поздовжнього отвору центрального тіла змішувача. Поздовжній отвір центрального тіла змішувача розділяється на два концентричні канали. Лопатки завихрювача, які надають суміші при її згорянні закручуючий рух у внутрішній зоні горіння порожнини жарової труби, разміщуються в зовнішньому кільцевому концентричному каналі. Завихрювач має отвір, що продовжує отвір центрального тіла. Необхідну траєкторію руху закрученому гарячому робочому тілу можно надати як за допомогою конуса передньої частини завихрювача перед закручуючими лопатками, так і за допомогою конічного розширення на виході поздовжнього отвору центрального тіла. Взаємодіючи між собою, ці зони відтворюють зворотні течії, що забезпечують якісне горіння при мінімальному утворенні шкідливих окислів NOx, CO та часток сажі. Цьому ж з успіхом сприяє дроблення палива в паливоповітряній суміші на мікрочастки турбулізаторами перед входом в кільцеву порожнину змішувача та на виході з других каналів для подавання палива в ту ж порожнину змішувача . Заявлене технічне рішення ілюструють креслення, де на : - Фіг.1 показано поздовжній переріз заявленого фронтового пристрою камери згоряння газотурбінного двигуна; - Фіг.2 дано поздовжній переріз змішувача як частини заявленого пристрою; - Фіг.3 показана головка багатоканальної форсунки; - Фіг.4 показано поздовжній переріз фронтового пристрою з турбулізаторами навкруги форсунки в отворі обтічника, а також при вході в змішувач; - Фіг.5 дано збільшений вид турбулізатора як частини пристрою; - Фіг.6 показано взаємодію зон горіння в порожнині жарової труби. Фронтовий пристрій камери згоряння газотурбінного двигуна за технічним рішенням, що пропонується, має в собі (див.фіг.1) розміщений за дифузором 1 компресора подавання повітря (не показано) обтічник 2, відокремлюючий порожнину 3 фронтового пристрою від повітряної порожнини 4 за дифузором 1. В передній частині 5 обтічника 2 виконано отвір 6, а в його бокових частинах 7 - отвори 8, що сполучають між собою порожнину З, охоплену обтічником 2, з порожниною 4 за дифузором 1 подавання повітря. В отвір 6 обтічника своєю зовнішньою циліндричною поверхнею 9 введена головка 10 багатоканальної паливної форсунки 11. Головка 10 закриває отвір 6 обтічника 2, маючи такий же діаметр, що й отвір 6. Циліндрична поверхня 9 головки 10 та отвір 6 обтічника 2 мають спільну вісь 12. Головка 10 має циліндричний отвір 13 навколо осі 12. В цей отвір введена зовнішньою циліндричною поверхнею 14 розподільна втулка 15 (фіг.З). У втулці 15 у спільній осі 12 створено крізний отвір 16, сполучений з повітряною порожниною 4 за дифузором 1. На зовнішній циліндричній частині 17 розподільної втулки 15 встановлено змішувач 18 за допомогою циліндричного виточення 19 його центрального тіла 20 (див.фіг.2). Центральне тіло 20 оточене корпусом 21 змішувача 18, а між ними утворена кільцева порожнина 22. Корпус 21 і центральне тіло 20 об'єднані між собою закручувальними лопатками 23, які забезпечують, наприклад, конфузорне протікання. Центральне тіло 20 має крізний поздовжній отвір 24. Його виконано навколо осі 12, і він є продовженням отвору 16 у розподільній втулці 15 форсунки 11. Форсунка 11 має, в основному, радіальний шток 25 з каналами для підведення палива від відповідних колекторів або колектора (не показано). Даний фронтовий пристрій з багатоканальними форсунками у варіанті з двоканальною форсункою 11 має два контури подавання паливоповітряної суміші. Уздовж штока 25 розміщені перший 26 та другий 27 паливні канали. Перший канал 26 сполучено із кільцевою порожниною 28, утвореною в циліндричних поверхнях 13 та 14. Порожнина 28 сполучена отворами 29 з отвором 16 розподільної втулки 15 і далі - з поздовжнім отвором 24 центрального тіла 20 змішувача 18. Паливний канал 27 сполучено з іншою, розміщеною вдовж осі 12, кільцевою порожниною 30, утвореною в циліндричних поверхнях 13 та 14 розподільної втулки 15. Порожнина 30 сполучена отворами 31 з кільцевою порожниною 22 змішувача 18 крізь порожнину 3 усередині обтікача 2. На виході з отвору 24 центрального тіла 20 створено конічне розширення 32, в яке своїм зустрічним конусом 33 встановлена конічна вставка - завихрювач 34 (див.фіг.2). Між ними (див. також фіг.2) в кільцевому зазорі розміщені лопатки 35. Завихрювач 34 має вихідний отвір 36, який виходить в різке конічне розширення 37, розташоване за лопатками 35. Вихідний отвір 36 завихрювача 34 з конічним розширенням 37 за лопатками 35 та канал 22 із звуженням 38 за лопатками 23 виходять у порожнину жарової труби 39. При цьому змішувач 18 своїм корпусом 21 на виході з нього закріплений на лобовій стінці 40 жарової труби, як і обтічник 2 (див. фіг.1). Таким чином, змішувач 18 розміщений поза зоною горіння в порожнині З обтічника 2. Порожнина 3 відокремлена від порожнини жарової труби 39, тобто від зони горіння, стінкою 40, але при цьому обидві порожнини сполучені між собою кільцевою порожниною 22 змішувача 18. Вище наводився приклад з двоканальною форсункою з використанням як єдиного палива, так і двох різних. У варіанті форсунка може мати більш ніж два канали подавання різних видів палива, рідкого та газоподібного, води або пари в залежності від можливостей та вимог експлуатації. На фіг.З показаний можливий варіант чотириканальної форсунки, у штоку 25 якої розміщені два перші паливні канали 26', сполучені з кільцевими порожнинами 28', які, в свою чергу, сполучені отворами 29' з отворами 16 розподільної втулки 15 і , далі, з поздовжнім отвором 24 центрального тіла 20 змішувача 18. Інші паливні канали 27' сполучено з другими кільцевими порожнинами 30' в циліндричних поверхнях 13 и 14 головки 10 і втулки 15. Отвори 31' з порожнини 30' спрямовані на кільцеву порожнину 22 змішувача 18. Між отвором 6 обтічника 2 та головкою 10 форсунки 11, перед виходом паливних отворів 31, можуть бути розміщені турбулізатори 42 відомого типу (фіг.4 та 5). Перед входом в кільцеву порожнину 22 можуть бути встановлені направляючі лопатки 43 (фіг. 2 ) та (або) турбулізатори 44 будь-якого відомого типу (фіг.4 ). Фронтовий пристрій працює в сукупності з іншими частинами камери згоряння газотурбінного двигуна таким чином. За паливним регулятором (не показано), згідно з обумовленим законом, паливо надходить у канали 26 та 27 штоку 25 паливної форсунки 11. З каналу 26 паливо надходить до кільцевої порожнини 28 між головкою 10 та розподільною втулкою 15 форсунки 11. Ця частина палива крізь отвори 29 прямує у крізний отвір 16 розподільної втулки 15 і потім у поздовжній отвір 24 центрального тіла 20 змішувача 18. Протікаючи крізь отвори 16 та 24, паливо змішується з повітрям, яке також надходить до входу в крізний отвір 16 за дифузором 1. Утворена паливоповітряна суміш протікає крізь поздовжній отвір 24 центрального тіла 20 змішувача 18 до виходу у порожнину жарової труби 39. На виході із поздовжнього отвору 24 частина утвореної суміші попадає у вихідний отвір 36 завихрювача 34 і далі - у порожнину жарової труби 39. Там вона взаємодіє із зустрічним струменем паливоповітряної суміші, що протікає крізь зазор між конічним розширенням 32 отвору 24 та конусом 33 завихрювача 34. За рахунок лопаток 35 останнього суміш закручується і надходить в зону А зворотних течій (див. фіг.6) у порожнині 39 жарової труби. При розпалюванні камери згоряння полум'я спрямовується у зону А порожнини 39 жарової труби. Це сприяє стабілізації полум'я у зоні А як при розпаленні камери згоряння, так і при підтриманні горіння. Далі горіння та стабілізація полум'я підтримується за рахунок надходження нових порцій паливоповітряної суміші. У відповідності з програмою, паливо подається каналом 27 крізь порожнину 30 та отвори 31 крізь лопатки 43 на вхід у кільцеву порожнину 22, обмежену корпусом 21 та центральним подовженим тілом 20 змішувача 18. У цю ж порожнину 22 надходить повітря із порожнини 3, обмеженої обтічником 2 та лобовою стінкою 40. У свою чергу, воно перетікає з порожнини 4 за дифузором 1 крізь отвір 8 в обтічнику 2. Порожнина 3 виконує роль ресивера для вирівнювання тиску повітря із компресора, отже для безвідривного та рівномірного втікання повітря, яке тягне паливо із отвора 31 в порожнину 22 . Цим забезпечується максимально можлива гомогенність та оптимальність концентрації паливоповітряної суміші при змішуванні її у порожнині 22 палива з повітрям. Як було вказано, порожнина 22, як і увесь змішувач, знаходяться поза зоною горіння перед лобовою стінкою 40, яка огороджує порожнину жарової труби. Отже, на паливоповітряну суміш, яка утворюється, не впливають високі температури, а це запобігає ранньому утворенню в ній окислів азоту. Утворена у порожнині 22 паливоповітряна суміш активно перемішується за рахунок лопаток 23. Цьому ж допомагає і наявність передніх лопаток 43. Дальшому диспергуванню палива сприяють турбулізатори (фіг.4 та 5). Так у конструкції з їх використанням паливо з отворів 31 турбулізаторами 42 перетворюється в дрібнодисперсну паливоповітряну суміш. Суміш підхоплюється потоком повітря у порожнині 3 у напрямі до турбулізаторів 44 на вході в кільцеву порожнину 22 змішувача 18. Це обмежує до мінімуму викиди окислів азоту при згорянні суміші у порожнині 39 жарової труби Паливоповітряна суміш на виході із порожнини 22 підпалюється високотемпературними продуктами згоряння, утвореними у зоні А. Під час горіння суміші, що подається із порожнини 22 крізь закручувальні лопатки 23, у порожнині 39 забезпечується високотемпературна зона стабілізації у вигляді зони зворотних течій Б. Щоб зменшити викиди окислів азоту за рахунок зниження часу перебування у порожнині жарової труби високотемпературних продуктів згоряння, після підпалювання паливоповітряної суміші, яка виходить з порожнини 22, подавання палива крізь канал 26 (канали 26') форсунки 11 можна відключати. У цьому випадку стабілізація полум'я здійснюється зоною зворотних течій Б. На форму та розташування зони Б (фіг.4) можно вплинути, обираючи звуження 38 на виході з порожнини 22 за закручувальними лопатками 23 та кутами їх установки. Якщо у фронтовому пристрої, що заявляється, використано варіант багатоканальної форсунки, як на фіг.3, то принцип роботи у сукупності з рештою частин фронтового пристрою залишається тим же, що й в указаному випадку з двоканальною форсункою. У цьому випадку регулятор відомого типу (не показано) подає регламентоване паливо, пару або воду у відповідний канал згідно з заданим законом. Якщо фронтовий пристрій вказаного типу має кілька форсунок, то подавання палива крізь канал 26 (канали 26' у форсунках за вказаним варіантом) може бути відключене, наприклад на деяких з них. Якщо необхідна підвищена стійкість горіння камери згоряння, особливо при роботі на "бідних" паливоповітряних сумішах (наприклад при різкому зниженні потужності двигуна), можливе повне відключення подавання палива крізь канал 27 (канали 27' форсунки за вказаним варіантом). При цьому паливо подається тільки крізь канал 26 (канали 26'). Залежно від режимів роботи камери згоряння з пристроєм, що пропонується, відношення витрати палива через його перші канали до сумарної витрати через перші та другі канали використовується в межах від 100% до 0%. Водночас, відношення витрати палива через його другі канали до сумарної витрати палива через перші та другі канали використовується в межах від 0% до 100%. І при цьому, анонсований технічний результат отримано в усьому діапазоні роботи камери згоряння від розпалення до максимального режиму. Технічне рішення, що пропонується, дозволяє при використанні різноманітних палив (газоподібного, рідкого, а також води та пари та їх різних розрахованих поєднань) забезпечити різке зниження утворення шкідливих окислів, оксидів азоту NОх, окису вуглецю СО та сажі. Завдяки цьому газотурбінні двигуни із заявленим пристроєм є великою мірою екологічно безпечними та можуть бути використані, зокрема для одержання електроенергії, як у зонах насиченого проживання людей, так і в інших місцях з високими вимогами до чистоти навколишнього середовища. Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 Фіг. 5 Фіг. 6 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03