[1]Изобретение относится к камерам сгорания, газотурбинных двигателей работающим на природном газе и может найти применение в двигателях морского и наземного назначения.
[2]Основным элементом малоэмиссионной камеры сгорания (КС) является горелочное устройство (горелка) во фронтовой части жаровой трубы. В современных КС, в целях понижения вредных выбросов оксида азота (NOX) и оксида углерода (COX), реализуется работа на обеднённой топливной смеси, что может спровоцировать возникновение вибрационного горения, приводящее к выработкам и разрушению элементов двигателя. Для обеспечения работоспособности экологической камеры сгорания во всём диапазоне режимов применяется двухканальная топливная система.
[3]Перспективы развития малоэмиссионных КС ГТД связаны с созданием систем управления, позволяющих, в условиях изменения условий при работе ГТД, воздействовать на регулирующие элементы. В качестве регулирующих элементов могут выступать топливные коллекторы, перепускные трубы и (или) фронтовые устройства изменяемой геометрии (Сиротин Н.Н., Марчуков Е.Ю., Новиков А.С. «Основы конструирования, производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий» Книга 1. - М.: Наука, 2011. стр. 448, 479).
[4]Известно горелочное устройство малоэмиссионной камеры сгорания, установленное на входе в жаровую трубу («Николаевские газотурбинные двигатели и установки. История создания» ГП НПКГ «Зоря-Машпроект» - Николаев, 2005 г., стр.119), и содержащее корпус, включающий штуцера, радиальные завихрители, установленный на выходе из каналов подвода топлива, камеру смешения. Топливный газ (далее - газ) из полостей горелки подаётся в полые лопатки завихрителей и через отверстия в лопатках, поступает в кольцевые камеры смешения. Запуск двигателя и его работа на низких режимах осуществляется подачей газа только в завихритель первого - пускового канала. В дальнейшем происходит подключение второго канала. При этом для устранения вибрационного горения на каждый режим требуется свой алгоритм распределения топлива по двум каналам.
[5]Недостатком такой конструкции является следующее.
[6]Определяющие параметры горелки, такие как площади завихрителей и расход газа обеспечивают необходимые характеристики КС на основном (номинальном) режиме. При этом поступающий в зону горения воздух не регулируется. Поэтому, на запуске и режимах ниже номинального количество воздуха, поступающего в горелку, выше необходимого, что ухудшает запуск и приводит к возникновению виброгорения. Кроме того, здесь из-за «обеднения» топливо-воздушной смеси при низкой температуре в зоне горения, увеличиваются выбросы несгоревших оксида углерода и углеводорода.
[7]Снижение вредных выбросов может достигаться за счёт обеспечения постоянства состава смеси (α=const) в зоне горения во всём диапазоне работы двигателя путём применения элементов, регулирующих распределение воздуха в жаровой трубе. Так, на максимальных режимах значительная часть воздуха должна подаваться в первичную зону для минимизации образования сажи и NO2. При снижении мощности двигателя для обеспечения низких уровней выбросов СО и НС необходимо удерживать высокую температуру в первичной зоне за счёт сокращения доли первичного воздуха, например, уменьшая площадь завихрителей горелки.
[8]Известен способ регулирования расхода воздуха (Международная заявка № WO 94/00718, МПК F23R 3/34, 3/36, F23D 17/00, F23D 14/26, опубл. 06.01.1994), заключающийся в изменении, в зависимости от нагрузки ГТД, количества воздуха поступающего в камеру смешения горелок. Предусмотрен дополнительный подвод сжатого воздуха из компрессора двигателя в каналы горелок. Данный воздух отбирается из кольцевого канала КС через трубопровод, содержащий регулируемый клапан и соединённый с коллектором, от которого этот воздух через трубопроводы подводится к каждой горелке. Регулирование расхода осуществляется изменением проходной площади канала трубопровода в линии отбора закомпрессорного воздуха. В трубопроводе установлен клапан, изменяющий проходное сечение трубопровода. На режиме запуска клапан установлен в позицию минимального открытия и минимальное количество воздуха поступает в горелочное устройство. При увеличении нагрузки необходима подача дополнительного воздуха в первичную зону жаровой трубы, что осуществляется открытием клапана и поступлением воздуха из кольцевого канала КС через коллектор и трубопроводы - к каналам горелок.
[9]Недостатком этого способа является низкая эффективность, так как расход дополнительного воздуха в этом случае определяется не только дозирующими элементами в каналах горелок, но и перепадом давления между полостями кольцевого канала КС и первичной зоны жаровой трубы. При такой схеме, в результате потерь давления воздуха на клапане, в коллекторе и подводящих трубопроводах, вероятно, не будет обеспечено необходимое увеличение расхода воздуха через горелку.
[10]Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является разработка устройства и способа для его осуществления, позволяющие повысить надежность регулирования расхода воздуха поступающего в горелку, во всём диапазоне работы двигателя, за счет регулирования проходной площади горелки, используя для этого давление топливного газа, поступающего в полость горелки.
[11]Технический результат в заявленном устройстве достигается тем, что в горелочном устройстве малоэмиссионной камеры сгорания, установленном на входе в жаровую трубу и содержащем корпус, включающий штуцера, радиальный завихритель, каналы подвода топлива, камеру смешения в отличие от известного, по меньшей мере в один из штуцеров установлен регулируемый клапанный блок, состоящий из опорных элементов, один из которых представлен в виде гильзы с наружной резьбой, пружины, запорного элемента, выполненного в виде поджимного штока с заглушкой, при этом в кольце камеры смешения выполнены отверстия суммарной площадью, обеспечивающей работу горелочного устройства при подаче газа только в первый - пусковой топливный канал при закрытом сечении на входе в завихритель.
[12]Технический результат в заявленном способе достигается тем, что в способе регулирования расхода воздуха, заключающемся в изменении, в зависимости от нагрузки ГТД, количества воздуха поступающего в камеру смешения, в отличие от известного изменение количества воздуха поступающего в камеру смешения осуществляется за счет закрытия отверстия на входе в радиальный завихритель при помощи клапана, при этом, при подаче основного топливного газа во второй канал, шток клапана перемещает соединённое с ним кольцо, которое открывает сечение на входе в завихритель, а с прекращением подачи газа во второй канал, кольцо возвращается в исходное положение и закрывает данное сечение.
[13]При этом, корпус горелки с корпусом камеры сгорания образует резьбовые соединения через гильзы клапанов во втором канале подачи топливного газа в горелку.
[14]На фигурах представлены:
[15]- фиг. 1 - продольный разрез конструкции горелочного устройства;
[16]- фиг. 2 - продольный разрез клапана;
[17]- фиг. 3 - положение клапана в исходном состоянии (клапан закрыт);
[18]- фиг. 4 - положение клапана в рабочем состоянии (клапан открыт);
[19]- фиг. 5 - продольный разрез горелки;
[20]- фиг. 6 - вид горелочного устройства при сборке;
[21]- фиг. 7 - вид клапана, не связанного с фланцем регулировочного кольца (в случае варианта горелки, имеющей несколько клапанов).
[22]На фиг. 1 представлено предлагаемое горелочное устройство.
[23]В состав выносной трубчато-кольцевой КС входят: жаровая труба 1, корпус камеры сгорания, состоящий из нескольких (по числу горелок) крышек 2 с фланцами, состыкованными с общим кольцевым участком 3. На каждой из крышек 2 закреплена горелка 4.
[24]Газ в горелку подводится по двум каналам. В полость 5 первого - пускового канала через штуцер 6, в полость 7 - второго канала через штуцер 8. Каждая полость через отверстия 9, 10 сообщается с полостями полых лопаток первого (пускового) 11 и второго 12 каналов и формируют камеру закручивания (завихритель). В каждой лопатке выполнены отверстия 13, через которые газ поступает в кольцевую камеру смешения 14. Лопатки 11 и 12, для равномерного подвода газа в камеру смешения 14 чередуются.
[25]На входе во второй канал горелки расположен клапан - см. фиг. 2 в составе: гильза 15 с двумя участками наружной резьбы, отличающимися величиной шага, пружина 16, поджимающая шток 17, на который вворачивается поршень 18 с пазами для прохода газа. Положение поршня фиксируется (после регулировки на давление открытия) гайкой 19. Противоположный резьбовой участок штока 17 предназначен для монтажа на него кольца 20 фиг. 3.
[26]Способ осуществляется в камере сгорания, содержащей во фронтовом устройстве одно или несколько горелочных устройств с предварительно подготовленной топливовоздушной смесью.
[27]В исходном состоянии, на запуске и режимах малой мощности, когда газ подаётся только в первый (пусковой) канал горелки, клапан закрыт - см. фиг. 3. Кольцо 20 полностью перекрывает кольцевой канал 21 на входе в завихритель горелки. Воздух из кольцевого канала КС поступает в завихритель через отверстия 22 в кольце 20, размеры и количество которых обеспечивают (для данных режимов) необходимые расход и равномерность потока воздуха на входе в завихритель.
[28]Кроме того, закрытый клапан изолирует трубопровод коллектора основного топлива от возможного попадания в него продуктов сгорания.
[29]При переходе на режим большей мощности подключается второй (основной) канал подачи газа в горелку. Соответственно, расход воздуха, поступающий в горелку необходимо увеличить.
[30]Вытекая из отверстий 23 (фиг. 4), газ перемещает шток 17 до упора в поверхность 24. Далее через отверстия 25, 26 газ попадает в полости лопаток 12, откуда из отверстий 13 - в камеру смешения 14 - см. фиг. 1, 4. При этом кольцо 20, перемещаясь со штоком 17, открывает кольцевой канал на входе в завихритель.
[31]Таким образом, на режимах повышенной мощности задействованы оба канала подвода газа при полностью открытом кольцевом канале на входе в завихритель горелки.
[32]С понижением мощности и отключении подачи газа во второй канал пружина клапана возвращает шток с кольцом в исходное состояние, а кольцевой канал на входе в завихритель закрывается (с сохранением минимально необходимого расхода воздуха через отверстия в кольце 20).
[33]Количество мест стыковки штоков 17 с кольцом 20 - предпочтительно не менее двух для предотвращения перекоса кольца при перемещениях.
[34]Аналогичная конструкция горелочного устройства проверена в составе камеры сгорания, где в результате ее использования состав топливовоздушной смеси в зоне горения был более равномерным.
[35]Особенности конструкции и сборки горелочного устройства.
[36]Горелка - см. фиг. 5 включает лопаточный завихритель 27 и корпус 28 с резьбовыми бобышками первого 29 и второго 30 каналов, соединённые сваркой (пайкой) с формированием полостей первого 5 и второго 7 газовых каналов. На бобышку 30 до упора по резьбе монтируется клапан фиг. 2. На конец штока 17 своим фланцем крепится кольцо 20 с помощью гаек 31.
[37]Сборка горелочного устройства, состоящего из горелки фиг. 5 с крышкой 2 - см. фиг. 6:
[38]- бобышка первого канала 29 «притягивается» гайкой 32 к фланцу 33, который крепится к крышке 2 болтами 34.
[39]- монтаж штуцеров 6, 8 на бобышку 29 и «внешний» участок резьбы гильзы клапана до упора в посадочную поверхность крышки 2 - см. фиг. 1.
[40]В результате, горелка на крышке фиксируется креплением центральной бобышки 29. Конструкция периферийного соединения, когда горелка и крышка скреплены через «промежуточную» гильзу клапана, упрощает сборку, допуская наличие зазоров В, Г, Д (см. вид Б фиг. 6), при этом обеспечивая необходимую надёжность и герметичность по стыкам Е и Ж.
[41]Собранное горелочное устройство монтируется на корпус 3 КС.
[42]Стопорение (фиксация от поворота по резьбе) гильзы клапана 15 обеспечивается тем, что она вкручена в бобышку 30 по резьбе с одним шагом, а в саму гильзу вкручен (и снаружи законтрен) штуцер 8 по резьбе с другим шагом. Таким образом, поворот гильзы (сразу по двум участкам резьбы с разными шагами) невозможен.
[43]Количество мест подвода основного (через клапаны) топлива зависит от габаритов горелки и расхода газа. Предпочтительно иметь их не менее трёх, равномерно расположенных по окружности, т.к. данные стыки являются также и опорами крепления горелки к крышке.
[44]В составе горелки все клапаны вместе с кольцом 20 должны при открытии работать синхронно с обеспечением одновременного упора всех контактных поверхностей штоков с бобышками 24 (фиг. 4), для чего возможен подбор минимальных местных зазоров по стыкам «гайки 31 - фланец кольца 20».
[45] Возможен вариант горелки, имеющей несколько клапанов в канале основного топлива, но с кольцом 20 стыкуются не все из них. Тогда место подвода газа, где шток не соединён с кольцом, может иметь конструкцию фиг. 7. Здесь шток 35 при открытом клапане упирается в дно бобышки 36.
[46]Таким образом, данное техническое решение позволяет регулировать проходную площадь горелки, что в свою очередь приводит к повышению эффективности регулирования расхода воздуха поступающего в горелочное устройство малоэмиссионной камеры сгорания.
