камера сгорания

Формула изобретения

1. Камера сгорания преимущественно газотурбинного двигателя, содержащая наружный корпус, пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее торцевую стенку с размещенными на ней центральной и периферийными горелками с индивидуальными завихрителями и кольцевой завихритель воздуха с межлопаточными каналами, отличающаяся тем, что камера снабжена соплами дополнительного подвода первичного воздуха, размещенными на торцевой стенке между кольцевым завихрителем и двумя соседними завихрителями периферийных горелок и на пламенной трубе, дефлекторами, установленными на выходе из части межлопаточных каналов кольцевого завихрителя воздуха и отклоняющими выходящий из последних поток воздуха к центру камеры сгорания, причем продольная ось каждого дефлектора направлена в сторону зоны горения ближайшей периферийной горелки.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными дефлекторами, размещенными на выходе из части межлопаточных каналов кольцевого завихрителя и имеющими продольные оси, направленные между завихрителями периферийных горелок.

3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что с целью подвода воздуха в высокотемпературные области зоны горения, сопла, размещенные на торцевой стенке, установлены под углом 30 45^o к продольной оси камеры сгорания.

4. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что, с целью подвода воздуха в хвостовую часть зоны горения, сопла, размещенные на пламенной трубе, установлены под углом 45 50 ^o к продольной оси камеры сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится преимущественно к транспортному, энергетическому и химическому машиностроению, в частности к камерам сгорания газотурбинных двигателей.

Известны камеры сгорания, содержащие наружный корпус, пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее торцевую стенку, на которой установлены горелки с индивидуальными завихрителями воздушного потока и кольцевой завихритель воздуха (см. напр. Сударев А.В. Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Л. Недра, 1990, 274 с.). Фронтовое устройство таких камер сгорания может содержать различное число горелок и их различное взаиморасположение в зависимости от компоновки камеры и назначения двигателя.

Известны камеры сгорания, фронтовые устройства которых содержат центральную горелку с завихрителем воздуха, вокруг которой размещены периферийные горелки с индивидуальными завихрителями и кольцевым завихрителем воздуха.

Примером конструкции такой камеры сгорания является камера сгорания по авторскому свидетельству СССР N 228379 от 22.06.66 г. (БИ N 31, 1968 г.) - прототип.

Недостатком таких камер сгорания является наличие высокого уровня эмиссии оксидов азота, особенно если эти камеры работают в газотурбинных установках с рекуперацией тепла уходящих газов. Высокий уровень эмиссии оксидов азота обуславливается низкими избытками первичного воздуха и, как следствие, высокой температурой в зоне горения.

Целью предлагаемого изобретения является значительное снижение уровня эмиссии оксидов азота NOх при сохранении всех остальных характеристик в пределах норм, допускаемых стандартами.

Поставленная цель достигается установкой на выходе из некоторой части межлопаточных каналов кольцевого завихрителя дефлекторов, отклоняющих выходящий из них воздушный поток к центру камеры сгорания, а также установкой на торцевой стенке и на пламенной трубе сопел для дополнительного подвода воздуха в различные области зоны горения для снижения в них уровня максимальных температур и интенсификации процессов первичного смесеобразования.

Существенным отличием предлагаемого изобретения от прототипа является наличие дефлекторов на выходе из кольцевого завихрителя, причем дефлекторы устанавливаются таким образом, что продольная ось каждого из них направлена в сторону ближайшей периферийной горелки. Благодаря этому осуществляется подача необходимого дополнительного количества первичного воздуха в наиболее высокотемпературные области зоны горения без существенного нарушения аэродинамической структуры, обуславливающей эффективную организацию процессов сжигания топлива и охлаждения огневых элементов камеры сгорания. Существенным отличием от прототипа является также наличие систем сопел, устанавливаемых в сочетании с дефлекторами, позволяющих осуществлять дополнительный подвод первичного воздуха и в другие области зоны горения с высокой температурой, в которых также генерируются оксиды азота NOх.

Указанные выше существенные отличия предлагаемого изобретения от прототипа позволяют установить его соответствие критерию "новизна".

Кроме того, предлагаемое решение обладает признаками, не совпадающими с признаками известных решений аналогичной задачи. Поэтому оно отвечает критерию "существенные отличия".

Суть предлагаемого решения поясняется фиг. 1 4. На фиг. 1 представлена камера, где показано размещение дефлекторов на кольцевом завихрителе фронтового устройства, на фиг. 2 представлен один из вариантов взаимного расположения дефлектора и лопаток кольцевого завихрителя, на фиг. 3 представлена камера сгорания, где показано размещение сопл дополнительного подвода воздуха на торцевой стенке фронтового устройства и на пламенной трубе, на фиг. 4 представлен вид камеры сгорания на фиг. 1 по стрелке В, где показано взаимное расположение дефлекторов и сопел дополнительного подвода воздуха.

Предлагаемая камера сгорания содержит (см. фиг. 1) наружный корпус 1, пламенную трубу 2 и фронтовое устройство 3, на торцевой стенке 4 которого размещены центральная 5 и периферийные 6 горелки с индивидуальными завихрителями 7 и 8 соответственно и кольцевой завихритель 9 с установленными на нем дефлекторами 10. С целью снижения гидравлического сопротивления фронтового устройства и улучшения структуры воздушного потока на выходе из завихрителей 7, 8 и 9 последние снабжены входными цилиндрическими обечайками 11 и 12.

На торцевой стенке 4 (см. фиг. 3) между кольцевым завихрителем 9 и двумя соседними завихрителями 7 периферийных горелок размещены сопла 13 дополнительного подвода воздуха. Вторая система сопел 14 размещена на пламенной трубе 2, в данном случае на ее диффузорной части.

При работе часть воздушного потока "а" (фиг. 1 и 2), проходя через межлопаточные каналы кольцевого завихрителя 9, попадает в полости установленных на его выходе дефлекторов 10 и отклоняется к центру камеры сгорания. При этом, с одной стороны, возрастает избыток воздуха в зоне горения "б", а с другой стороны, образующиеся воздушные струи увеличивают поперечную турбулизацию зоны горения и соответственно перемешивание реагентов, переводя горение из чисто диффузионной области в диффузионно-кинетическую. Гомогенизированная таким образом смесь сгорает в объеме при более низких температурах, уменьшая тем самым образование термических оксидов азота, которые, как правило, составляют наиболее значительную часть образующихся в камере оксидов азота NОх.

Необходимо отметить, что воздушные струи дефлекторов 10 (фиг. 4), продольные оси 15 которых направлены в сторону зон горения ближайших периферийных горелок 6, существенно увеличивают избыток воздуха в наиболее высокотемпературных зонах камеры сгорания, что приводит к более значительному снижению NОх в общем объеме продуктов сгорания.

Камера сгорания может быть снабжена дополнительными дефлекторами, продольные оси которых направлены между завихрителями 7 периферийных горелок 6. При этом существенно улучшаются эмиссионные характеристики центральной горелки.

Воздушные потоки "в" (фиг. 3), проходя через сопла 13, дополнительно интенсифицируют горение за счет добавочной турбулизации факела и, увеличивая при этом избыток воздуха в центральной зоне, еще больше снижают ее температурный уровень и соответственно эмиссию NОх.

Продольные оси сопл 13 направлены к оси камеры сгорания, под углом, равным 30.60^o (в зависимости от геометрии элементов фронтового устройства, влияющей на аэродинамическую структуру потока, например от углов установки лопаток в завихрителях 7 и 8), обеспечивающим проникновение струй в высокотемпературные области зоны горения и их дополнительную турбулизацию для дальнейшего снижения эмиссии NОх.

Сопла 14 (фиг. 3) устанавливаются на пламенной трубе так, что выходящие из них под углом 45.90^o к оси камеры сгорания струи воздуха "г" направляются в хвостовую часть зоны горения, охлаждая и турбулизируя ее и тем самым дополнительно снижая эмиссию NОх. Выбор величины угла в данном интервале (45. 90^o) связан с влиянием геометрических характеристик элементов фронтового устройства на аэродинамическую структуру камеры сгорания, в частности с влиянием на аэродинамическую структуру углов установки лопаток завихрителей 7, 8 и 9.

При этом необходимо отметить, что использование данной системы сопел с углом их установки более 90 град, для воздействия на индивидуальные зоны горения периферийных горелок 6 нецелесообразно из-за существенного искажения аэродинамической структуры потоков (двух разнонаправленных закрученных и одного осевого потоков) внутри огневого пространства и, что более важно, из-за сильной деформации этих зон (вплоть до запирания их), которая может привести к перегреву торцевой стенки 4 (т.е. к значительному снижению надежности камеры сгорания, что недопустимо в конструкторской практике).

Экономический эффект от применения предлагаемого изобретения, например, для газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, выражается в существенном уменьшении ущерба, наносимого окружающей среде, за счет снижения эмиссии оксидов азота в 3 5 раз по сравнению с прототипом.

Кроме того, повышается надежность работы камеры сгорания за счет снижения уровня максимальной температуры в факеле и, следовательно, уменьшения лучистых потоков на ее стенки.

В настоящее время предлагаемое изобретение прошло испытания в условиях эксплуатации и находится в стадии внедрения.