Способ впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя и система впрыска для его осуществления



Способ впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя и система впрыска для его осуществления
Способ впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя и система впрыска для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2598502:

ТУРБОМЕКА (FR)

Способ впрыска топлива осуществляют посредством системы воздушно-топливного смешения, имеющей геометрическую ось центральной симметрии (X′X), в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Впрыск топлива осуществляют в системе смешения по оси (C′C), параллельной оси симметрии (X′X) этой системы и отличной от этой оси (X′X). Камера сгорания, размещенная в корпусе, имеет угловое смещение относительно корпуса. Впрыск топлива осуществляют посредством форсунки, жестко соединенной с корпусом, и системы смешения, жестко соединенной с камерой сгорания. Изобретение направлено на уменьшение и даже устранение явлений неустойчивости процесса сгорания в газотурбинном двигателе за счет впрыска топлива по оси, децентрированной относительно системы воздушно-топливного смешения, приводящего к течению топлива, которое более не является идеально осесимметричным. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя - турбинного двигателя, турбореактивного двигателя или вспомогательной силовой установки (GAP) - для устранения или, по меньшей мере, ограничения явлений неустойчивости процесса сгорания. Изобретение также относится к системе впрыска для его осуществления.

В камере сгорания газотурбинного двигателя, такого как турбинный двигатель, установленные на корпусе форсунки обеспечивают подачу топлива, которое смешивается с воздухом внутри воздушно-топливных смесителей, обычно называемых завихрителями, распределенными на дне камеры сгорания. Воздух поступает с последней ступени компрессора газотурбинного двигателя, часть которого подается в камеру сгорания посредством этого завихрителя. Топливо поступает в форсунку через отверстие, выполненное на конце патрубка. Воздух и топливо смешиваются в завихрителях, затем сгорают в камере для образования газов. Тепловая энергия этих газов преобразуется в механическую работу турбин и (или) в реактивную тягу посредством реактивного сопла, позволяя, таким образом, обеспечивать тягу летательного аппарата или обеспечивать механическую мощность для наземной или морской установок.

Во время разработки турбинного двигателя, в частности его камеры сгорания, значительной опасностью, которая не может быть устранена перед первым вращением двигателя, является наличие неустойчивости процесса сгорания внутри камеры в рабочем диапазоне двигателя. Данные явления неустойчивости образуются, когда колебания горения в камере начинают резонировать с обнаруживаемыми в ней физическими явлениями (собственная мода акустической вибрации, механической вибрации, неустойчивости снабжения топливом и т.д.). Данные явления неустойчивости создают, таким образом, так называемые асинхронные вибрации, поскольку они не связаны непосредственно со скоростью вращения двигателя. Когда существует резонанс между собственной акустической модой и колебаниями выделения тепла, связанного с горением, обычно говорят о термоакустическом взаимодействии, приводящем к явлениям неустойчивостям процесса сгорания.

В более широком смысле явления неустойчивости процесса сгорания могут повлечь за собой вибрации, потенциально разрушительные для конструкции камеры и даже двигателя, препятствующие сертификации двигателя.

Описание известного уровня техники

Когда подтверждено присутствие неустойчивости процесса сгорания, классическое решение заключается в повторном моделировании камеры сгорания и (или) систем впрыска в зависимости от влияния. Такое решение является дорогостоящим и приводит к существенным задержкам практического осуществления и, таким образом, сертификации.

Из патента US 4831700 известны средства борьбы с неустойчивостью сгорания в турбине, содержащей кольцевой клапан, установленный на заплечике форсунки. Таким образом, образована внутренняя воздушная камера. Клапан содержит выступающую головку для контроля потока топлива от отверстия, выполненного в заплечике форсунки, рядом с местом выхода топлива. Такая конструкция является сложной и основывается на изменении открытия данного клапана, что позволяет устранить прерывания или толчкообразные движения потока топлива. Однако, если такие средства снижают неустойчивость сгорания, связанную с неравномерностью потока топлива, то они не позволяют решить данную проблему неустойчивости процесса сгорания.

Кроме того, из патента EP 1413830 известна конструкция, основанная на делителе воздуха с коническим концом, который размещен между топливной форсункой и завихрителем воздуха. Делитель делит поток воздуха на два концентрических потока для создания в камере зоны двунаправленной рециркуляции. По причинам, аналогичным указанным выше, данное решение не устраняет неустойчивости процесса сгорания.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на уменьшение и даже устранение явлений неустойчивости процесса сгорания путем впрыска топлива по отдельной оси, вводя поток топлива в завихритель, который более не обладает идеальной циклической симметрией.

Если быть более точным, то задачей настоящего изобретения является способ впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя посредством системы воздушно-топливного смешения, имеющей геометрическую ось циклической симметрии. Согласно данному способу, впрыск топлива осуществляют в системе смешения по оси, строго параллельной центральной оси этой системы, т.е. отличной от этой оси. В таком случае говорят, что ось впрыска децентрирована относительно оси смесителя. В этих условиях, при отсутствии осесимметричного разбрызгивания топлива, пламя горения более не начинает резонировать, устраняя или уменьшая явления неустойчивости процесса сгорания до допустимого уровня.

Согласно частным вариантам реализации:

камера сгорания, размещенная в корпусе, имеет угловое смещение относительно корпуса, впрыск топлива осуществляют посредством форсунки, жестко соединенной с корпусом, и системы смешения, жестко соединенной с камерой сгорания, и (или)

впрыск децентрирован в системе смешения: данный вариант применяется, в частности, когда система смешения обладает одним или несколькими степенями свободы относительно камеры сгорания.

Изобретение также относится к системе воздушно-топливного смешения камеры сгорания газотурбинного двигателя, оборудованного защитным корпусом камеры, причем данная система выполнена с возможностью осуществления вышеупомянутого способа. Данная система содержит, по меньшей мере, один входной завихритель сжатого воздуха; причем завихритель имеет ось центральной симметрии, и топливную форсунку, оборудованную головкой впрыска, имеющей собственную ось симметрии. Каждая форсунка установлена в соответствующем завихрителе при помощи направляющих средств, в частности обечайки с буртиком, установленной в стопорном кольце, которое жестко соединено с завихрителем, таким образом, что ось симметрии головки впрыска децентрирована относительно оси центральной симметрии завихрителя.

Согласно частным вариантам реализации:

средства обеспечивают жесткое соединение завихрителей с камерой и жесткое соединение форсунок с корпусом, а средства крепления с эксцентриситетом камеры на корпусе выполнены с возможностью углового смещения камеры относительно корпуса таким образом, что форсунки имеют осевое смещение относительно соответствующих завихрителей;

каждая форсунка содержит основную ось симметрии и головку впрыска с центральным каналом циркуляции топлива с осью, децентрированной относительно основной оси завихрителя;

головка впрыска, имеющая, предпочтительно, форму усеченного конуса, может быть установлена децентрированной относительно основного корпуса форсунки; причем ось канала головки является осью симметрии головки впрыска.

Краткое описание фигур чертежа

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут видны в процессе чтения нижеследующего детального примера реализации со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых, соответственно:

- фиг.1 представляет собой вид в разрезе первого примера системы смешения, согласно изобретению, содержащей форсунку с осью, параллельной и смещенной относительно оси соответствующего завихрителя;

- фиг.2 представляет собой схематический вид камеры сгорания, защищенной корпусом и содержащей эксцентриковые средства крепления на корпусе, выполненные с возможностью углового смещения камеры корпуса для получения осевого смещения, согласно фиг.1, и

фиг.3a и 3b представляют собой виды в разрезе и в перспективе другого примера топливной форсунки, выполненной с эксцентриситетом, соответственно, в завихрителе и вне данной системы.

Подробное описание изобретения

Термины ″выше по потоку″ и ″ниже по потоку″ или эквивалентные им обозначают части элементов согласно течению топлива в форсунке по оси C'C.

Как это представлено на виде в разрезе (фиг.1), пример смесителя 2, согласно изобретению, обычно называемого завихрителем, снабжен углублениями подвода воздуха 21 и стопорным кольцом 22. Данное кольцо позволяет размещать направляющую обечайку 23 с буртиком 23a для топливной форсунки 3. Завихритель 2 выполнен жестко соединенным с камерой сгорания 4 посредством жаровой трубы 5. Форсунка 3 закреплена на корпусе 6, который окружает камеру сгорания 4.

Углубления подвода воздуха 21 выполнены в кольцевой детали 2a, которая вставляется коаксиально, по оси X'X завихрителя 2 и системы смешения 1, во вторую кольцевую деталь 2b. Первая деталь 2a образует внутри завихрителя 2 стенку трубки Вентури 20a, а вторая деталь 2b - другую стенку трубки Вентури 20b. Первая стенка трубки Вентури 20a охватывает вторую 20b таким образом, чтобы создать пространство Е1 между трубками Вентури, в котором циркулирует поток воздуха F1, поступающий из углублений 21. Данный поток на выходе формирует воздушный конус С1, окружающий конус воздушно-топливной смеси C2, образуемый посредством внутреннего пространства E2 трубки Вентури, которое ограничено первой стенкой трубки Вентури 20a.

В данном пространстве E2 внутренний поток воздуха F2, поступающий из углублений 21, смешивается с топливом, подаваемым через форсунку 3. Если быть более точным, то турбулентные потоки воздуха образуют во внутренней трубке Вентури E2 воздушные струи, которые накладываются друг на друга на входе в камеру сгорания 4. В каждой струе частицы воздуха плавно и равномерно смешиваются с частицами топлива, впрыскиваемого форсункой 3, что образует эффективную воздушно-топливную смесь.

Потоки внутреннего воздуха F1 и F2 могут, предпочтительно, представлять собой, независимо друг от друга, турбулентное течение или нет, в одном и том же или в противоположных направлениях для достижения наиболее эффективного распыления горючей смеси или воздушно-топливной смеси в соответствии с требованиями, предъявляемыми к производительности камеры сгорания.

В изображенном примере топливная форсунка 3 содержит основной цилиндрический корпус 30, содержащий головку впрыска 31, имеющую форму усеченного конуса. Канал 32 подвода топлива с осью C'C, совпадающей с осью симметрии форсунки, проходит сквозь цилиндрический корпус 30 и головку впрыска 31. В данном примере осуществления, головка впрыска 31 содержит канал впрыска 36, являющийся продолжением канала 32 корпуса форсунки 30.

Установка форсунки в завихрителе 2 осуществляется посредством направляющей обечайки 23, буртик 23a которой вставляется в радиальный паз 24, образованный между стопорным кольцом 22 и расположенной ниже по потоку стенкой P2 первой кольцевой детали 2a. Кольцо 22 жестко соединено, например путем припаивания, со стенкой Р2 для образования дна 4а паза 24.

Буртик 23a размещен не осесимметричным образом в пазу 24 таким образом, что при способе применения в горячем состоянии незанятые части паза 24a и 24b не имеют одинаковой глубины, вследствие чего форсунка 3 размещена не осесимметричным образом относительно завихрителя 2. Течение топлива более не является идеально осесимметричным, поскольку, если оси C'C и X'X, соответственно форсунки 3 и завихрителя 2, остаются параллельными, то они не совпадают. Таким образом, они имеют отклонение ΔС, составляющее около 1 мм в изображенном примере. Данное отклонение зависит от размеров двигателя.

В этих условиях, при отсутствии осесимметричного разбрызгивания топлива, пламя горения более не начинает резонировать: явления неустойчивости процесса сгорания устранены или уменьшены до допустимого уровня.

В том случае, когда завихритель жестко соединен с дном камеры, не осесимметричная установка может быть осуществлена путем смещения, выполненного с эксцентриситетом, креплений камеры 4 на корпусе 6 относительно базового положения при номинальном выравнивании. В примере установки, схематически представленной видом в перспективе, изображенным на фиг.2, для крепления камеры 4 на корпусе 6 использованы эксцентриковые фланцы 10. Данные эксцентриковые фланцы 10 позволяют угловое смещение камеры на величину смещения ΔА, составляющее приблизительно несколько десятых градуса, причем точная величина зависит от размеров двигателя относительно номинального базового положения.

Такое смещение приводит к эквивалентному смещению завихрителей 2, жестко соединенных с камерой 4, и форсунок 3, жестко соединенных с корпусом 6. Из этого следует, что ось течения топлива C'C из форсунок 3 имеет отклонение AC относительно оси X'X завихрителей 2, как это показано на фиг.1.

Согласно другим примерам, изображенным на фиг.3a и 3b, не осесимметричная установка форсунки 3 в завихрителе 2 (фиг.1) также может быть осуществлена путем децентрированного положения головки впрыска 31 относительно основного корпуса 30 форсунки 3.

Данное решение особенно хорошо применимо, когда завихритель не имеет жесткого соединения непосредственно с камерой сгорания. В частности, в случае, когда направляющая обечайка 23, обеспечивающая степени свободы между завихрителем и форсункой, смещена к поверхности сопряжения между завихрителем 2 и камерой 4, относительное положение оси C'C топливной форсунки 3 и X'X завихрителя 2 определено положением оси направляющей обечайки 23, жестко соединенной с завихрителем 2.

На фиг.3a изображен другой пример реализации с децентрированным положением головки впрыска 31 относительно корпуса 30 и монтажной гайка 35. Таким образом, видно, что ось C'C канала 36 течения топлива, который проходит сквозь головку 31, параллельна и смещена относительно оси канала 32 корпуса форсунки 30, совпадающей с осью X'X завихрителя 2.

Таким образом, смещение оси достигается за счет положения головки впрыска 31 относительно корпуса форсунки 30, в то время как направляющий буртик 23a центрирован в радиальном пазу 24.

Вид в перспективе, представленный на фиг.3b, демонстрирует осуществление асимметричного жесткого соединения головки впрыска 31 на монтажной гайке 35 головки на корпусе 30. Корпус 30 заканчивается круглым фланцем 37, на котором путем внутреннего винтового соединения установлена гайка 35. На фиг.3b также видно смещение ΔС оси Т'Т канала 36 головки впрыска 31 и оси C'C канала 32.

Изобретение не ограничивается примерами, описание и изображение которых было приведено. Представляется возможным, например, использовать различные типы завихрителей, например, завихрители с множеством венчиков углублений с противоположным вращением или форсунки с пирамидальной головкой или головкой, имеющей вогнутый профиль. Изобретение, безусловно, применимо к завихрителям с одной трубкой Вентури, т.е. они не содержат вторую трубку Вентури 20b, связанную с потоком воздуха F1.

Можно также совмещать неосесимметричное расположение направляющей обечайки и децентрированную головку впрыска, например, комбинируя практические осуществления, представленные на фиг.2 и 3a, 3b. Кроме того, согласно другому примеру практической реализации, представляется возможным закреплять с эксцентриситетом путем пайки кольцо 22 для того, чтобы в процессе использования обечайка 23 центрировалась в кольце, причем, таким образом, неосесимметричным образом относительно оси завихрителя. Кроме того, завихритель может крепиться не на стенке камеры сгорания, а, например, на корпусе. Кроме того, средства направления форсунки в завихрителе могут быть представлены любыми известными специалистам средствами, например, регулируемыми площадками, втулками, распорными болтами и т.д.

1. Способ впрыска топлива посредством системы воздушно-топливного смешения (1), имеющей геометрическую ось центральной симметрии (X′X), в камеру сгорания (4) газотурбинного двигателя, причем впрыск топлива осуществляют в системе смешения (1) по оси (C′C), параллельной оси симметрии (X′X) этой системы (1) и отличной от этой оси (X′X), отличающийся тем, что камера сгорания (4), размещенная в корпусе (6), имеет угловое смещение (ΔА) относительно корпуса (6), причем впрыск топлива осуществляют посредством форсунки (3), жестко соединенной с корпусом (6), и системы смешения (1), жестко соединенной с камерой сгорания (4).

2. Способ впрыска по п.1, согласно которому впрыск децентрируют (ΔC) в системе смешения (1), в частности, когда система смешения обладает, по меньшей мере, степенью свободы относительно камеры сгорания.

3. Система воздушно-топливного смешения камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащего защитный корпус камеры, выполненная с возможностью осуществления способа впрыска по п.1, содержащая по меньшей мере один входной завихритель сжатого воздуха (2), причем завихритель (2) имеет ось центральной симметрии (X′X), и топливную форсунку (3), оснащенную головкой впрыска (31), имеющей собственную ось симметрии (T′T), и в которой каждая форсунка (3) установлена в соответствующем завихрителе (2) при помощи направляющих средств (23, 22) таким образом, что ось симметрии (T′T) головки впрыска (31) децентрирована относительно оси центральной симметрии (X′X) завихрителя (2), отличающаяся тем, что средства крепления с эксцентриситетом (10) камеры (4) на корпусе (6) выполнены с возможностью углового смещения (∆А) камеры (4) относительно корпуса (6) таким образом, что форсунки (3) имеют осевое смещение (ΔC) относительно соответствующих завихрителей (2).

4. Система смешения по предшествующему пункту, в которой направляющие средства содержат обечайку (23) с буртиком (23a), установленную в стопорном кольце (22), жестко соединенном с завихрителем (2).

5. Система смешения по п.3, в которой средства (5, 39) обеспечивают жесткое соединение завихрителей (2) с камерой (4) и жесткое соединение форсунок (3) с корпусом (6).

6. Система смешения по п.3, в которой каждая форсунка (3) имеет основную ось симметрии, а головка впрыска (31) содержит центральный канал (36) циркуляции топлива с осью (T′T), децентрированной относительно основной оси (X′X) системы впрыска (1).

7. Система смешения по предшествующему пункту, в которой головка впрыска (31) установлена децентрированной относительно основного корпуса форсунки (30), причем ось (T′T) канала (36) головки является осью симметрии головки впрыска (31).



 

Похожие патенты:

Дано описание управляющего блока устройства сгорания и устройства сгорания, например, газовой турбины, который на основе по меньшей мере одного рабочего параметра определяет, находится ли устройство сгорания в заданной рабочей фазе.

Инжектор камеры сгорания газовой турбины содержит двойную цепь впрыска топлива и воздушный контур. Цепи впрыска топлива состоят из топливной системы запуска и главной цепи питания топливом, предназначенной для работы во всех режимах полета после воспламенения.

Устройство впрыска топлива для кольцевой камеры сгорания турбомашины содержит управляющую цепь, постоянно питающую инжектор, выходящий в первую трубку Вентури, и многоточечную цепь.

Способ зажигания для камеры сгорания газотурбинного двигателя, питаемой топливом через форсунки и имеющей свечу зажигания, содержит первоначальную фазу, во время которой в камеру впрыскивают топливо с постоянным расходом одновременно с активизацией свечи зажигания, и, - при отсутствии воспламенения в камере в конце первоначальной фазы, - вторую фазу.

Система сгорания содержит корпус, камеру сгорания, расположенную внутри корпуса, разделительную стенку и клапан, расположенный на корпусе, для обеспечения прохождения выходного потока текучей среды из внутреннего объема корпуса наружу корпуса, в зависимости от рабочего положения клапана.

Камера сгорания, в частности для газотурбинного двигателя, имеет кольцевую форму вокруг оси и содержит внутреннюю кольцевую стенку, наружную кольцевую стенку и кольцевую торцевую стенку камеры, продолжающиеся вокруг указанной оси.

Способ сжигания предварительно подготовленной “бедной” топливовоздушной смеси в двухконтурной малоэмиссионной горелке с регулировкой расхода пилотного топлива заключается в регулировании расхода пилотного топлива независимо от расхода основного топлива из условия получения минимальной эмиссии оксидов азота при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне, в уменьшении относительного расхода пилотного топлива с увеличением температуры воздуха и температуры “бедной” топливовоздушной смеси при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне.

Способ сжигания предварительно подготовленной “бедной” топливовоздушной смеси в малоэмиссионной горелке заключается в регулировании относительного расхода пилотного топлива на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива с учетом температуры воздуха и температуры “бедной” топливовоздушной смеси из условия получения минимальной концентрации оксидов азота при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне.

Горелка // 2562900
Горелка выполнена с топливораспределительным кольцом, некоторым количеством топливных форсунок, смонтированных в направлении потока на топливораспределительном кольце, имеющем в направлении потока кольцеобразную поверхность.

Горелка предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины содержит множество кожухов, расположенных вокруг центральной оси горелки и являющихся частями виртуального аксиально продолжающегося общего конуса , открытого в направлении вниз по потоку.

Изобретение относится к энергетике. Камера сгорания для газовой турбины, содержащая предкамеру, имеющую центральную ось, и завихритель, который установлен на предкамере.

Изобретение относится к энергетике. Система впрыска топлива для турбореактивного двигателя, включающая в себя неподвижную часть и скользящую траверсу, дополнительно содержащую центрирующий конус, предназначенный для центрирования инжектора топлива относительно системы впрыска, причем неподвижная часть и скользящая траверса проходят по оси отсчета, причем неподвижная часть содержит полость, ограниченную в осевом направлении дном и закрывающим желобом, при этом скользящая траверса имеет реборду, содержащуюся в полости.

Изобретение относится к энергетике. Осевой завихритель для камеры сгорания газовой турбины содержит кольцо лопаток с множеством лопаток завихрителя, распределенных по окружности вокруг оси завихрителя, при этом каждая из упомянутых лопаток завихрителя содержит заднюю кромку.

Трубчатая камера сгорания для газотурбинного двигателя, работающая на газообразном топливе, содержит цилиндрический кожух, имеющий внутреннюю полость, ось и закрытый осевой конец, цилиндрический вкладыш камеры сгорания, смесительное устройство, рукав ударного охлаждения и каналирующее устройство.

Завихритель для перемешивания топлива и воздуха, расположенный в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержит множество лопаток, расположенных в радиальном направлении вокруг центральной оси завихрителя, множество смесительных каналов для перемешивания топлива и воздуха.

Изобретение относится к энергетике. Завихритель (31, 131, 231) содержит центральный топливораспределительный элемент (37), наружную стенку (39), окружающую центральный топливораспределительный элемент (37) и ограничивающую осевой проточный канал (41) для воздуха, предназначенного для горения, завихряющие лопатки (47), проходящие в радиальном направлении до наружной стенки (39) и придающие протекающему воздуху для горения тангенциальную составляющую течения, а также окружающую центральный топливораспределительный элемент (37) и расположенную радиально внутри наружной стенки (39) перегородку (42, 142), разделяющую проточный канал (41) на радиально внутренний участок (43) и радиально внешний участок (45), радиально внутренний участок (43) канала обеспечивает протекание воздуха для горения без придания тангенциальной составляющей течения, причем через радиально внутренний участок (43) канала к завихряющим лопаткам (47) на радиально внешнем участке (45) канала проходят топливопроводы (49).

Завихритель для смешивания топлива и воздуха содержит множество лопастей, расположенных радиально вокруг центральной оси завихрителя, множество смешивающих каналов для смешивания топлива и воздуха.

Завихритель для смешивания топлива и воздуха, содержащий множество лопаток, расположенных на делительной окружности, которые, вместе с первой стенкой, расположенной на первой продольной торцевой поверхности лопаток, и второй стенкой, расположенной на противоположной второй продольной торцевой поверхности лопаток, образуют канал потока.

Завихряющее устройство для впрыска среды в турбину имеет центральную ось, центральный канал, проходящий в осевом направлении вдоль центральной оси, и наружный периметр.

Изобретение может быть использовано при изготовлении котлов для сжигания низкосортных видов топлива с повышенной влажностью. Топливо подается в камеру горения, первичный воздух поступает из камеры предварительного розжига, а вторичный воздух поступает в камеру дожигания.
Наверх