Для чего служит жаровая пламенная труба в камере сгорания гту
Обновлено: 16.07.2024
Элементы газотурбинного двигателя. Камера сгорания.
Камеры сгорания ГТД предназначаются для подвода теплоты к рабочему телу в двигателе за счет преобразования химической энергии топлива, запасенного на борту летательного аппарата, в тепловую при его сгорании с участием кислорода, содержащегося в воздухе. Двигатей ли для сверхзвуковых самолетов имеют обычно две камеры сгорания:
основную (перед турбиной) и форсажную (перед соплом), включаемую для увеличения тяги Топливом для современных авиационных ГТД служит керосин.
Существует много марок авиационных керосинов, но все они, являясь продуктами переработки нефти, представляют собой смесь углеводородов, в которой содержится 84…86 % (по массе) углерода (С), 14…16 % водорода (Н) и некоторое (очень малое) количество других веществ.
Но поскольку разведанных запасов нефти хватит, по ориентировочным оценкам только на 40…80 лет‚ в настоящее время ведутся интенсивные исследования по применению в качестве топлива для авиации так называемых криогенных (сжиженных при низких температурах) топлив — жидкого метана (СН4), сжиженного природного газа (СПГ), состоящего примерно на 90 % (80.95% в разных месторождениях) из метана и жидкого водорода (Н2).
По оценкам специалистов запасов природного газа и соответственно метана хватит еще более чем на 100 лет‚ а запасы сырья для получения водорода в природе (из воды) практически не ограничены,
Криогенные топлива имеют еще одно преимущество — значительно больший, чем у керосина, хладоресурс, т‚е‚ возможность эффективного охлаждения (с их использованием) элементов конструкции двигателя и летательного аппарата на больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полёта. При этом, благодаря очень быстрой испаряемоети при случайном попадании из баков в окружаюшую среду, их пожароопасность по некоторым оценкам может быть ниже, чем у керосина.
Типы основных камер сгорания и организация процесса горения в них
Основные камеры сгорания авиационных ГТД могут иметь разнообразные формы проточной части И различное конструктивное выполнение. Применяются практически камеры сгорания трех основных типов (рис. 9.3):
а — трубчатые (индивидуальные),
Трубчатая камера сгорания состоит из жаровой трубы, внутри которой организуется процесс горения, и корпуса (кожуха) 2. На двигателях обычно устанавливалось несколько таких камер. В современных авиационных ГТД трубчатые камеры сгорания практически не используются.
В трубчато-кольцевой камере все жаровые трубы заключены в общий корпус, имеющий внутреннюю и наружную поверхности, охватывающие вал двигателя. В кольцевой камере сгорания жаровая труба имеет в сечении форму кольца, также охватывающего вал двигателя.
Важная особенность этих камер состоит в том, что скорость потока воздуха или топливо-воздушной смеси в них (выбираемая с учетом требований К габаритным размерам двигателя) существенно превышает скорость распространения пламени при турбулентном диффузионном гореНИИ. И, если не принять специальных мер, пламя будет унесено потоком за пределы камеры сгорания
Поэтому организация процесса горения топлива в основных камерах ГТД основывается на следующих двух принципах, позволяющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших значениях ос И высоких скоростях движения потока в них:
1. Разделение всего потока воздуха на две части , из которых только одна часть (обычно меньшая) подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устойчивого горения состав смеси). А другая часть направляется в обход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) в так называемую зону смешения (перед турбиной), где смешивается с продуктами сгорания, понижая в нужной мере их температуру;
2. Стабилизация пламени в зоне горения путем создания в ней зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджигающими свежую горючую смесь.
Конкретные формы реализации этих мероприятий могут быть различными. На рис. 9.4 показана схема одного из вариантов трубчато-кольцевой камеры сгорания. Камера состоит из жаровой трубы 1 и корпуса 2. В передней части жаровой трубы, которую называют фронтовым устройством, размещаются форсунка 3 для подачи топлива и лопаточный завихритель 5. Для уменьшения скорости воздуха в камере на входе в нее (за компрессором) выполняется диффузор 4, благодаря которому скорость воздуха перед фронтовым устройством обычно не превышает 50 м/с.
Подвод первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу должен быть организован так, чтобы в зоне горения создавалась нужная структура потока. Эта структура должна обеспечить хорошее смешение топлива с воздухом, создание нужных полей концентраций топлива и наличие мощных обратных токов, обеспечивающих надежное воспламенение свежей смеси на всех режимах работы камеры.
Структура потока в передней части жаровой трубы камеры сгорания с так называемым лопаточным завихрителем показана схематично на рис. 9.5. Воздух поступает сюда через завихритель лопатки которого закручивают поток (подобно лопаткам входного направляющего аппарата компрессора). Далее воздух движется вдоль поверхности жаровой трубы в виде конической вихревой струи
Вихревое движения воздуха приводит к понижению давления в области за завихрителем, вследствие чего в эту область устремляемтся газ из расположенных дальше от фронтового устройства участков жаровой трубы.
В результате здесь возникает зона обратных токов, граница которой показана на рисунке линией 5. Там же показаны эпюры распределения осевых составляющих скорости воздуха (газа) Са.
Топливо-воздушная смесь, образовавшаяся за фронтовым устройством, при запуске двигателя поджигается огненной струей, создаваемой пусковым воспламенителем 6 (см. рис. 9.4). Но в последующем горячие продукты сгорания вовлекаются в зону обратных токов и обеспечивают непрерывное поджигание свежей смеси. Кроме того, горячие газы, циркулирующие в этой зоне, являются источником теплоты, необходимой для быстрого испарения топлива.
Наряду с рассмотренной схемой камеры сгорания с завихрителем и с одной форсункой в каждой жаровой трубе (или с одним рядом форсунок в кольцевой камере) могут использоваться и другие схемы основных камер сгорания — с несколькими форсунками (несколькими рядами форсунок), с другими способами создания зоны обратных токов и т.д. Но общие принципы организации рабочего процесса в них остаются такими же.
Топливо для ГТУ и его характеристики
В газотурбинных установках используют жидкие и газообразные органические топлива.
Жидкие топлива являются продуктами перегонки нефти. В нашей стране наибольшие запасы нефти расположены в Южно-Каспийском, Волго-Уральском, Краснодарском, Тймене-Печерском, Мангышлакском, Западно-Сибирском и Сахалинском месторождениях. После переработки нефти получают топлива разных составов. В газотурбинных установках используют легкое и тяжелое дистиллятное, а также остаточное топливо.
Легкое дистиллятное топливо, представляющее собой низкокипящую фракцию прямой перегонки, крекинга или реформинга - нефти, подразделяют на топливо для карбюраторных, реактивных и дизельных двигателей. Некоторые виды дизельного топлива, непригодные для использования в дизельных двигателях, могут использоваться в ГТУ.
Тяжелое дистиллятное газотурбинное топливо, являющееся дистиллятом нефти, сланца или остаточных нефтепродуктов, служит основным жидким топливом для стационарных и транспортных ГТУ.
К остаточным относят моторные топлива, флотские и топочные мазуты, являющиеся тяжелыми вязкими остатками прямой перегонки и крекинга нефти, или их смеси с более легкими топливами. При использовании в ГТУ этих топлив необходимы их промывка и ввод присадок.
Газообразные топлива — это природный и искусственный газы.
Природный газ добывают на газовых месторождениях. Крупнейшими месторождениями являются Тюменское и Уренгойское, а также на Северном Кавказе, Украине, Северном Урале, Волге и в Средней Азии. Кроме того, на нефтяных месторождениях добывают разновидность природного газа — попутный газ.
Искусственный газ является побочным продуктом доменного, коксового и других производств. Кроме того, его получают в специальных газогенераторных установках или в результате подземной газификации угля.
Основными характеристиками жидкого и газообразного топлива являются его состав, теплота сгорания, зольность, вязкость, температура вспышки и застывания, стабильность, совместимость с другими видами топлива, характер взаимодействия с водой.
Органическое топливо в основном состоит из сложных углеводородов. В относительно небольших количествах в нем содержатся азот, сера, кислород, щелочные металлы и другие элементы. Состав топлива принято представлять в виде процентного массового содержания углерода С, водорода Н, азота N, кислорода О, серы S, минеральной негорючей части (золы) А и влаги W. Различают рабочую, сухую (без влаги), горючую (без влаги и золы) и органическую массы топлива.
Массу топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называют рабочей. По составу топлива рассчитывают тепловой и материальный балансы процесса горения. Рабочая и сухая массы некоторых видов топлива могут заметно отличаться друг от друга.
Топливо содержит горючие и негорючие части. Горючей частью топлива являются углерод, водород и частично сера. Азот и кислород — негорючие составляющие. Сера, входящая в состав топлива, подразделяется на органическую, колчеданную и сульфатную, из которых горючими являются органическая и колчеданная. В жидких топливах содержатся органические соединения серы. Наличие серы в топливе нежелательно. Продукты окисления серы — сернистый ангидрид SO2 и особенно серный ангидрид SO3 — вызывают интенсивную коррозию металлических поверхностей и загрязняют атмосферу.
Наличие влаги в топливе требует дополнительных затрат теплоты на ее нагрев, испарение и снижает температуру горения. При повышенной влажности усиливается коррозия деталей оборудования, а также из-за налипания топлива забиваются фильтры. В воде, кроме того, растворено основное количество соединений коррозионно-агрессивных щелочных металлов.
Одной из важных характеристик топлива является теплота сгорания. При горении в результате экзотермических реакций окисления происходит выделение теплоты, количество которой зависит прежде всего от состава топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При охлаждении продуктов горения до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров выделяется теплота конденсации. Количество теплоты, выделяющейся при сжигании единицы массы или объема топлива с учетом этой теплоты, называют высшей теплотой сгорания топлива. Низшей теплотой сгорания называют количество теплоты, в котором не учитывается возврат теплоты от конденсации водяных паров.
Температура газов после камеры сгорания ГТУ высока, и конденсации водяных паров в проточной части газовой турбины и выхлопном тракте не происходит. Поэтому при расчете ГТУ используют низшую теплоту сгорания топлива.
После завершения процесса горения топлива образуется зола — твердый негорючий остаток. При сгорании жидких топлив образуется зола, в которую входят соли, оксиды металлов и кремний, содержащиеся в топливе в свободном состоянии или в виде химических соединений. Соединения некоторых металлов (Na, Ca, Pb) попадают в топливо в процессе производства, перевозки и хранения. Кроме того, при сжигании жидких топлив могут образовываться легкоплавкие соединения ванадия, натрия, калия и свинца, которые при высоких температурах вызывают коррозию металлов. Соединения кальция образуют прочные отложения на металлических поверхностях. Золовые отложения оседают на внутренней поверхности жаровых труб, сопловых и рабочих лопатках. Содержание (мг/кг) отдельных элементов в жидком топливе не должно превышать: натрия и калия — 0,5-1 (суммарное); ванадия — 0,5; свинца — 1-2; кальция — 1-5. При большем их содержании необходима предварительная очистка топлива. При сжигании газообразного топлива зола образуется в основном из содержащихся в нем твердых частиц.
Вязкость топлива характеризует возникающее в нем при движении внутреннее трение. Вязкость газообразных топлив крайне мала. Различные сорта жидких топлив имеют разную вязкость. Чем легче топливо, тем меньше его вязкость. Для количественной оценки вязкости используют градусы условной вязкости (°ВУ), выражающие отношение времени вытекания через калиброванное отверстие 2 -10
4 м3 рассматриваемой жидкости к времени вытекания такого же объема воды при 20°С. Для качественного распыливания форсунками и надежной транспортировки по трубопроводам вязкость жидкого топлива не должна превышать 2—3°ВУ. При нагревании до определенной температуры вязкость топлива сначала быстро уменьшается, а затем остается практически постоянной.
Температуру, при которой топливо теряет подвижность и не может перекачиваться по трубопроводам, называют температурой застывания.
Различные жидкие топлива воспламеняются при разных температурах. От постороннего источника пламени воспламеняется не само топливо, а смесь его паров и воздуха возле поверхности. Температурой вспышки называют наименьшую температуру топлива, при которой смесь его паров с воздухом у поверхности способна воспламениться от постороннего источника пламени.
При соприкосновении с воздухом жидкое топливо окисляется и со временем уплотняется. При этом образуются осадки, которые загрязняют оборудование и нарушают его нормальную работу. Чем меньше скорость окисления топлива, тем выше его стабильность. Осадки могут образовываться также при смешивании различных видов жидкого топлива. Если при смешивании нескольких видов топлива выпадает большое количество осадков, такие топлива называют несовместимыми.
Стабильность и совместимость жидких топлив повышают введением специальных присадок.
Вода отделяется от различных видов жидких топлив по-разному. В легких топливах она быстро отстаивается, а с тяжелыми может образовывать устойчивые эмульсии и выпадает в осадок через очень длительное время. Чтобы предупредить образование эмульсий и ускорить отделение воды от топлива, также применяют специальные присадки — деэмульгаторы.
Общие сведения о процессе горения топлива для ГТУ
Горение топлива в камере сгорания ГТУ происходит в смеси с воздухом. При этом протекает химическая реакция окисления горючих компонентов топлива. Окислителем служит кислород, которого в воздухе при нормальных условиях содержится примерно 21% по объему. При соединении кислорода с углеродом, водородом и серой топлива образуются соответственно углекислый газ, водяной пар и диоксид серы:
С + О2 = СО2;
2Н2 + Оа = 2Н2О;
S + О2 = SO2.
Чтобы эти реакции прошли полностью, необходимо определенное количество кислорода. Так как топливо в камере сгорания ГТУ смешивается не с чистым кислородом, следует определить количество воздуха, в котором содержится требуемое количество кислорода. Необходимое для полного сжигания 1 кг топлива количество воздуха (кг/кг), называемое стехиометрическим количеством.
При полном окислении всех компонентов и отсутствии потерь горение происходит при наибольшей для данного топлива температуре. Обычно действительная температура горения ниже максимальной, так как воздух в зону горения подается с небольшим избытком, не до конца сгорают отдельные компоненты и из-за процессов диссоциации небольшая часть теплоты не выделяется. С ростом температуры топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, температура горения увеличивается.
Если топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии и тщательно перемешаны, такую смесь называют гомогенной.
Если топливо и окислитель находятся в разных фазах (например, жидкость и газ), такую смесь называют гетерогенной. Горение гомогенной и гетерогенной смесей происходит по-разному. Все процессы горения, присущие гомогенной смеси, являются частью процессов, происходящих в гетерогенной. Химическая реакция горения идет с вполне определенной скоростью. Скоростью гомогенной реакции называют количество вещества, реагирующего в единице объема в единицу времени. Так как обеспечить самопроизвольное горение смеси одновременно во всем объеме невозможно, то в камерах сгорания применяют воспламенение от постороннего источника.
Слой определенной толщины, в котором происходят процессы, предшествующие химической реакции горения и собственно химическая реакция горения, называют фронтом пламени. В неподвижной гомогенной смеси фронт пламени распространяется с определенной скоростью, которая, в основном, зависит от скорости химической реакции.
Сжигание топлива в камере сгорания газотурбинной установки
Материалы, из которых изготавливают камеры сгорания стационарных ГТУ, должны быть дешевыми. Кроме того, камеры сгорания должны обеспечивать возможность работы на разных топливах (газообразном и жидком, легком и тяжелом) и полной автоматизации ГТУ, а также быть экономичными и надежными. Экономичность камер сгорания оценивается коэффициентом полезного действия, который зависит от гидравлических потерь и полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива характеризуется термическим коэффициентом полезного действия камеры сгорания, а гидравлические потери — гидравлическим кпд.
Потери теплоты в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством процесса сгорания топлива. Для уменьшения первых потерь камеры сгорания изолируют. Как правило, эти потери невелики. Вторые потери возникают из-за недожога и они складываются из потерь на физический и химический нёдожог.
Любое топливо горит в газообразном состоянии (жидкое — после так называемой газификации, предшествующей собственно реакции горения). Одной из причин физического недожога жидкого топлива является неправильно организованный процесс горения, при котором оно не успевает газифицироваться, перемешаться с окислителем и уносится из зоны горения. Другой причиной физического недожога является термическое разложение топлива при недостатке кислорода. В этом случае топливо разлагается на летучие фракции и углерод, образующий вместе с золой твердые частицы.
Физический недожог не только снижает экономичность камер сгорания, но и влияет на их надежность. Наличие твердых несгоревших частиц вызывает эрозию проточной части турбины. При этом липкая зола нарастает на лопатках турбины, в результате чего снижаются ее мощность и кпд, а также появляется небаланс ротора Возникающие иногда отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их короблению и растрескиванию, а отрывы наростов могут повредить проточную часть турбины.
Химический недожог связан с недостаточным временем пребывания газа в зоне горения, т. е. при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении ее отдельных участков, а также при низкой температуре горения и др. Полнота сгорания топлива зависит от температуры в зоне горения и давления в камере сгорания.
При определенной температуре термический кпд достигает максимального значения. Повышение температуры в камере сгорания увеличивает скорости испарения и горения топлива и сокращает период его воспламенения. До определенной температуры термический кпд растет. Дальнейшее повышение температуры снижает его, так как усиливаются процессы диссоциации СО2 и Н2О, при которых теплота поглощается. При увеличении давления в камере сгорания термический кпд растет, так как увеличивается скорость горения.
Гидравлический кпд камер сгорания оценивают по потерям полного давления.
Гидравлические потери обусловлены: трением потока о стен¬ки камеры сгорания; турбулентными потерями; потерями на смешение потоков; потерями давления вследствие подвода теплоты. В среднем для современных камер сгорания полный кпд камер сгорания колеблется в пределах 0,92-0,98.
Элементы, из которых собирают камеры сгорания, должны иметь достаточный срок службы. Наиболее слабым элементом камер сгорания являются пламенные трубы. Правильная организация процесса горения, выбор материалов и конструкции камер сгорания должны обеспечивать их надежность.
Для надежной работы лопаток газовых турбин распределение температур газа за камерой сгорания должно быть достаточно равномерным. Допускается относительная неравномерность
Допускаемые значения зависят от компоновки камер сгорания и газовых турбин. Так, при наличии длинных и изогнутых газоходов, выравнивающих поток между камерой сгорания и турбиной, неравномерность температур может быть достаточно большой. При непосредственном соединении газовой турбины с камерой сгорания неравномерность температур должна быть малой.
Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камеры сгорания были небольших размеров. Габариты камер сгорания зависят от теплонапряженности ее рабочего объема.
Процесс горения топлива можно разделить на несколько стадий. При сжигании газообразного топлива это образование смеси, разогрев ее и горение, получение рабочих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходят пирогенное разложение (без доступа кислорода) и испарение капель, а затем процесс горения идет так же, как при использовании газообразного топлива.
До подачи в камеру сгорания топливо соответствующим образом обрабатывают (очищают, подогревают и повышают его давление до необходимого). Затем жидкое топливо через форсунки, а газообразное через горелки подается в камеру сгорания. Время горения топлива определяется временем испарения, смешения, разогрева и протекания химической реакции.
Для эффективной работы камер сгорания необходимо: разделение пространства внутри пламенной трубы на зоны горения и смешения; оптимальное распределение топлива по ее сечению; турбулизация потока в зоне горения; стабилизация фронта пламени; организация охлаждения основных элементов. Температура рабочих газов, попадающих в турбину стационарных ГТУ гораздо ниже температуры горения топлива. Ни одно топливо не будет качественно гореть при низкой температуре из-за неустойчивости процесса горения. Для хорошего горения необходимо, чтобы температура в зоне горения была 1600—1800°С. Поэтому рабочий объем камер сгорания условно делят на две зоны — зону горения, куда подаются первичный воздух и топливо, и зону смешения, куда подаются продукты сгорания и вторичный воздух.
Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха больше, чем его стехиометрическое количество.
Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его необходимо перемешивать с первичным воздухом. Для этого поток первичного воздуха делают турбулентным. Турбулизацию, позволяющую интенсифицировать процессы массо- и теплообмена, улучшить смесеобразование и увеличить скорость горения за счет перехода от ламинарного к турбулентному горению, осуществляют с помощью регистров, плохо обтекаемых тел (конусов), перфорированных пластин и др.
Так как в камере сгорания скорость движения потока значительно выше, чем скорости распространения пламени, то для удержания пламени в устойчивом положении необходимо иметь источник постоянного зажигания — стабилизатор фронта пламени. В камере сгорания его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки.
Рис.1. Схемы образования вторичных токов в зоне горения:
а - с помощью конуса, б - с помощью лопаточного завихрителя (регистра);
1 - корпус, 2 - пламенная труба, 3 - регистр
Две схемы образования обратных токов показаны на рис.1,а,б. За конусом (рис.1,а) создается зона разрежения, в которую из зоны горения подсасываются горячие продукты сгорания. Лопаточный завихритель (рис.1,б) закручивает поток первичного воздуха вокруг оси камеры сгорания. Воздух при этом оттесняется к стенкам пламенной трубы, а вокруг оси камеры сгорания создается зона разрежения, в которую устремляются горячие продукты сгорания.
Топливо подается к внешней границе зоны обратных токов, так как вследствие высокой турбулентности воздушного потока здесь происходит наиболее быстрое перемешивание топлива с первичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и испаряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающегося кольцевого канала. Конец обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки и имеющими каждая наклонную торцевую стенку с отверстием преимущественно овальной формы. Суммарная площадь окон и отверстий не менее чем в 1,2 раза превышает площадь выходного сечения канала. Отношение высоты канала к его длине равно 1/3-1/6. Изобретение интенсифицирует процесс охлаждения обечаек жаровой трубы, исключая их коробление на всех режимах работы камеры сгорания. 3 ил.
Предложение относится к машиностроению, в частности к авиационному двигателестроению, и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.
Камера сгорания является ответственным элементом газотурбинного двигателя (далее ГТД). Устойчивость ее работы определяет надежность работы двигателя, а эффективность - экономичность ГТД. Конструкция камеры сгорания работает в очень тяжелых условиях высокотемпературной среды химически активных газов. На нее воздействует высокое пульсирующее давление, а материал конструкции подвергается эрозии в результате взаимодействия с газовым потоком.
Работа камеры сгорания обязана удовлетворять ряду требований. Камера сгорания должна устойчиво и эффективно работать в широком диапазоне эксплуатационных режимов ГТД. Она должна быстро, надежно и безопасно выходить на рабочий режим (запускаться) в любых условиях эксплуатации, на земле и в воздухе, в том числе на больших высотах. Поэтому для увеличения срока службы камеры сгорания ряд элементов делают из жаропрочных материалов и принимают меры к охлаждении стенок камеры и ее деталей.
Жаровая труба - это один из основных элементов камеры сгорания газотурбинного авиационного двигателя, в которой происходит горение топлива.
В камерах сгорания стенки жаровых труб, как правило, защищают от нагрева слоем менее нагретого газа или защитной пристеночной пеленой охлаждающего воздуха. Выравнивание температуры стенок жаровой трубы, которые имеют неравномерный нагрев, даже на установившихся режимах работы, не говоря уже о переменных, является актуальной задачей при конструировании камер сгорания, так как неравномерное охлаждение стенки может быть причиной ее коробления, прогара и появления трещин.
Высокие значения температуры воздуха и его скорости на входе в камеру сгорания предъявляют очень жесткие требования к конструкции при разработке новых камер сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок и требуют новых подходов к их проектированию.
Известна жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981, стр.394, рис.9.13а).
В данном устройстве стенки жаровой трубы охлаждаются с наружной стороны воздухом, движущимся по кольцевому пространству между жаровой трубой и наружным кожухом. Для лучшего охлаждения жаровой трубы снаружи путем увеличения внешней поверхности охлаждения на внешней поверхности жаровой трубы выполнены ребра.
Недостатком известного устройства является то, что внешнего охлаждения бывает недостаточно, вследствие чего могут возникнуть местные перегревы, что вызовет прогары стенок или резкое возрастание температурных напряжений, приводящих к образованию короблений и трещин.
Известна также жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая соединенные внахлест обечайки (Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984, стр.78, рис.306).
В данном устройстве обечайки жаровой трубы охлаждаются омывающим их снаружи воздухом и воздухом, поступающим внутрь жаровой трубы через ряды мелких отверстий и кольцевые щели, расположенные несколькими поясами по длине жаровой трубы.
Сплошные кольцевые щели между обечайками достаточно эффективно защищают заградительной пеленой воздуха их внутреннюю поверхность, однако расход воздуха через них очень большой, что снижает экономичность ГТД.
Известна также жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая соединенные внахлест обечайки, образующие кольцевой канал с возможностью подачи воздуха через радиальные и осевые отверстия в наружной обечайке (Патент GB №1060097, F23R 3/08, F23R 3/04, 1967).
Недостатком такой конструкции является низкая скорость воздуха в выходном сечении канала, при этом энергии воздуха не достаточно для отбрасывания неиспарившегося топлива от обечаек и оно сгорает непосредственно у стенки, вызывая ее перегрев и коробление. Повышение скорости воздуха в выходном сечении, например за счет увеличения количества отверстий, подводящих воздух, или путем уменьшения высоты выходного сечения, влечет увеличение длины козырька, его коробление и перекрытие канала.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающего кольцевого канала и соединены между собой с помощью гофрированной проставки (Патент GB №1060096, F23R 3/08, F23R 3/04, 1967).
Недостатком известного устройства является наличие гофрированной проставки, что приводит к образованию в канале застойных зон и снижает эффективность охлаждения обечаек.
Технический результат заявляемого решения заключается в интенсификации охлаждения стенок жаровой трубы за счет создания условий для истечения высокоскоростной пелены охлаждающего воздуха, однородной в окружном направлении.
Для достижения указанного технического результата в жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя, включающей, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающегося кольцевого канала, согласно предложению конец обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки и имеющими каждая наклонную торцевую стенку с отверстием преимущественно овальной формы.
Также согласно предложению окна и отверстия имеют суммарную площадь, не менее чем в 1,2 раза превышающую площадь выходного сечения канала, а отношение высоты последнего к его длине равно 1/3-1/6.
Наличие отличительных признаков, а именно выполнение конца обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны с равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки, выполнение каждой выштамповки с наклонной торцевой стенкой с отверстием преимущественно овальной формы, причем суммарная площадь окон и отверстий составляет величину, не менее чем в 1,2 раза превышающую площадь выходного сечения канала, а отношение высоты последнего к его длине равно 1/3-1/6 свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Из патентной и научно-технической литературы известно, что в камерах сгорания для высокотемпературных двигателей, в связи с обогащением топливом топливно-воздушной смеси, ростом температуры воздуха и газа, основной проблемой охлаждения оказалось горение у стенок жаровой трубы.
Из анализа вышеуказанных источников информации видно, что из-за технологических, геометрических, прочностных ограничений не удается достичь максимальную скорость пелены воздуха именно в выходном сечении охлаждающей щели, добиваясь при этом, чтобы выходящая пелена была однородной в окружном направлении. Площадь выходного сечения щели в известных конструкциях в несколько раз больше площади подводящих воздух отверстий, а скорость воздуха в ней в несколько раз меньше максимально возможной, что не позволяет создать высокоскоростную равномерную пелену. Кроме того, выполнение обечаек из тонких листовых материалов, что имеет место в подавляющем большинстве выполняемых конструкций, заставляет увеличить шаг между отверстиями из соображений прочности, что также снижает скорость воздуха в выходном сечении.
Следует отметить, что низкоскоростная, даже равномерная пелена или высокоскоростная, но неравномерная пелена воздуха не может отбросить топливо от щели и исключить его горение у стенок жаровой трубы и за щелью.
Заявляемое предложение позволяет получить эффективную площадь подводящих к щели воздух каналов больше ее выходного сечения, вследствие чего возможно создание в выходном сечении щели равномерной воздушной пелены, имеющей максимальную, для данного перепада давлений на жаровой трубе, скорость.
Также при таком техническом решении достигается минимальные затенение потока и аэродинамическое сопротивление внутри щели, так как при выполнении отверстий в выштамповках их задняя часть может быть почти полностью срезана, без ухудшения прочностных свойств. При этом исключено коробление козырька охлаждающей щели, так как его можно сделать очень коротким без ухудшения равномерности пелены охлаждающего воздуха.
Заявляемое предложение позволяет получить высокую прочность охлаждающей щели, так как силовая связь обечаек проходит через боковые стенки выштамповок в наружной обечайке, которые могут быть сделаны достаточно длинными.
Из вышесказанного следует, что технический результат предложения достигается новой совокупностью существенных признаков, как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображена камера сгорания с жаровой трубой; на фиг.2 представлен узел I соединения концов обечаек; на фиг.3 показан вид по стрелке А на фиг.2.
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, на чертежах не представлены.
Заявляемое устройство содержит, по меньшей мере, две обечайки 1 и 2, концы которых расположены коаксиально и образуют сужающийся кольцевой канал 3. Конец обечайки 2, ограничивающей канал 3 снаружи, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон 4 выштамповками 5, контактирующими с концом обечайки I и имеющими наклонную торцовую стенку с отверстием 6 овальной формы. На конце обечайки 1 могут быть выполнены прорези 7 для компенсации температурных расширений. Суммарная площадь окон 4 и отверстий 6 не менее чем в 1,2 раза превышает площадь выходного сечения канала 3, а отношение высоты h канала 3 к его длине L равно 1/3-1/6.
Устройство работает следующим образом.
При работе камеры сгорания воздух через окна 4 и отверстия 6 поступает в канал 3, в котором происходит повышение скорости воздуха. Выходя из канала 3, воздух образует сплошную равномерную по скорости пелену, охлаждающую обечайку 2 и конец обечайки 1.
Неиспарившиеся частицы топлива, попадая на внутреннюю поверхность обечайки 1, стекают с нее и отбрасываются пеленой воздуха. Выбранные соотношения проходных площадей окон 4, отверстий 6 и канала 3, а также отношение высоты h выходного сечения канала 3 к его длине L обеспечивают высокую скорость истечения охлаждающего воздуха и эффективное охлаждение элементов конструкции.
Предлагаемое изобретение позволит исключить коробление обечаек жаровой трубы на всех режимах работы камеры сгорания.
Устройство было разработано и изготовлено на заводе имени В.Я.Климова и успешно использовано на предприятии заказчика.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, включающая, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающегося кольцевого канала, отличающаяся тем, что конец обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки и имеющими каждая наклонную торцевую стенку с отверстием преимущественно овальной формы, при этом окна и отверстия имеют суммарную площадь не менее чем 1,2 раза превышающую площадь выходного сечения канала, а отношение высоты последнего к его длине равно 1/3-1/6.
Жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя
Жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит фронтовую плиту с окнами, наружный и внутренний газосборники с установленными в окнах топливовоздушными горелками. Фронтовая плита выполнена с разъемом по окружности, проходящей по окнам. Изобретение повышает надежность, технологичность изготовления и ремонта жаровых труб. 7 ил.
Предлагаемое изобретение относится к газотурбинному двигателестроению и, в частности, к камерам сгорания.
Известны жаровые трубы кольцевых камер сгорания, содержащие наружный и внутренний газосборники, фронтовое устройство с одним или несколькими рядами топливовоздушных горелок (камеры сгорания газотурбинных двигателей RB - 211, F - 101, CF - 6 - 50. А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГДТ", Москва, "Мир", 1986 г., стр. 37 - 38). В таких жаровых трубах соединение фронтового устройства с газосборниками осуществляется, как правило, при помощи заклепок. Топливовоздушные горелки закрепляются на фронтовом устройстве преимущественно сваркой, реже заклепками или болтами. Подобные жаровые трубы имеют существенные недостатки, а именно, сложность сборки, разборки, ремонта отдельных элементом из-за наличия неразборных соединений (клепаных и сварных). Кроме того, по мере увеличения ресурса работы двигателя (у стационарных двигателей до десятка тысяч часов) наличие заклепочных соединений на жаровых трубах является элементом ненадежности, так как их разрушение приводит к поломке всего двигателя.
Известно устройство кольцевой жаровой трубы (камера сгорания двигателя HK - 16CT. "Руководство по технической эксплуатации", книга 2, стр. 97, НПО "Труд", 1984 г. и чертеж 16.330.010 СБ - рис. 8, 9 - прототип), в которой топливовоздушные горелки закреплены гайками на кольцевой фронтовой плите, а секции газосборников между собой и плитой - заклепками для обеспечения возможности сборки жаровой трубы. Такое соединение ограничивает ресурс камеры сгорания, усложняет ее изготовление, сборку и разработку при ремонте.
Целью изобретения является повышение надежности, технологичности изготовления и ремонта жаровых труб кольцевых камер сгорания. Эта цель достигается тем, что фронтовая плита выполнена из двух (или более) концентрично расположенных частей, а наружная и внутренняя части выполняются за одно целое соответственно с наружным и внутренним газосборником. Поверхность сопряжения этих частей фронтовой плиты проходит через окна, в которые устанавливаются горелки. От взаимных перемещений в осевом направлении наружная и внутренняя части фронтовой плиты фиксируются установленными в окна горелки и наворачивающимися на них гайками.
Сущность изобретения поясняется примерами конструктивного выполнения, приведенными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
На фиг. 1 приведен продольный разрез кольцевой жаровой трубы; на фиг. 2 - вид на жаровую трубу со стороны фронтовой плиты; на фиг. 3, 4, 5 - разрез по А-А; на фиг. 6 - разрез по Б-Б; на фиг. 7 - вид по Г.
Кольцевая жаровая труба состоит из наружного 1 и внутреннего 2 газосборников, их передние части образуют наружную 3 и внутреннюю 4 половины фронтовой плиты. Во фронтовой плите 3, 4 выполнены окна 5, через перемычки между которыми проходит поверхность соприкосновения половин плиты. В окна 5 установлены топливовоздушные горелки 6, имеющие каждая со стороны выхода упорный бурт 7 с лыской 8, а со стороны входа резьбовую часть, на которую навернута гайка 9. Для предотвращения отворачивания гайки 9 в процессе работы под ней расположена контровка 10, а для ее заворачивания и отворачивания на ней выполнены шлицы 11 под ключ. Лыска 8 предотвращает проворачивание горелки 6 при заворачивании и отворачивании гайки 9. По оси горелки 6 размещена топливная форсунка 12.
В каждой из половин плиты 3, 4 могут быть выполнены дополнительные окна для установки в них горелки.
Для исключения радиальных перемещений газосборников 1, 2 относительно друг друга (из-за температурных расширений) линия раздела половин плиты может иметь Г-образную форму 13 (фиг. 4).
При изготовлении фронтовой плиты из тонкого листового материала поверхность соприкосновения ее половин может быть расположена перпендикулярно оси горелок, при этом окна 5 под установку горелок 6 выполнены на обеих половинах плиты (фиг. 5).
В процессе сборки жаровой трубы в одну из половин фронтовой плиты 3 (или 4) устанавливают горелки 6, а затем устанавливают другую половину 4 (или 3). На резьбовую часть горелки 6 устанавливают контровки 10 и гайки 9, заворачивают их. В результате этого образуется цельная конструкция жаровой трубы. При изготовлении предлагаемой жаровой трубы не требуется применение трудоемких операций, таких как клепка или сварка, что упрощает ее изготовление, повышает качество, надежность, ресурс.
При ремонте жаровой трубы не требуется применение сложной операции по снятию заклепок или разрезки газосборников с последующей постановкой заклепок или сварки.
На нашем предприятии выпущены чертежи (36.330.000, 36.331.000), изготовлены опытные образцы таких жаровых труб, испытаны на газотурбинных двигателях (наработка более 3000 ч) с положительными результатами и начато изготовление в серийном производстве.
Таким образом, применение предлагаемой конструкции жаровой трубы кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя позволит увеличить надежность, ресурс, повысить технологичность изготовления и ремонта камеры сгорания.
Жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая фронтовую плиту с окнами, наружный и внутренний газосборники с установленными в окнах топливовоздушными горелками, отличающаяся тем, что фронтовая плита выполнена с разъемом по окружности, проходящей по окнам.
Пламеперепускные патрубки камеры сгорания
Патрубки соединяют между собой жаровые трубы в трубчато-кольцевой камере сгорания, образую единый замкнутый контур. Таким образом, пламеперепускные патрубки могут быть использованы и для подключения соседних жаровых труб при розжиге камеры сгорания. Следовательно, при использовании такой конструкции пропадает необходимость установки запальника в каждой жаровой трубе.
Также, пламеперепускные патрубки позволяют выравнивать давление между соседними жаровыми трубами.
Как правило, патрубки размещены выше по потоку от установленных горелочных устройств. Поэтому, их наличие может создавать возмущение потока. Такая особенность может вызывать дополнительные зоны рециркуляции и приводить к проскоку пламени. В настоящее время разработаны модификации, которые позволяют успешно решать данную проблему и повышать эффективность работы и срок службы компонентов.
Пламеперепускные патрубки работают в условиях высоких температур и материал значительно подвержен газовой коррозии. Для увеличения срока службы, пламеперепускные патрубки имеют точно такое же термобарьерное покрытие, как и все компоненты горячего тракта ГТУ.
Читайте также: