кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя и способ ее работы

Формула изобретения

1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, образованный стенками внутреннего и внешнего контуров, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек, снабженных поперечными поясами отверстий подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу фронтовое устройство, включающее фронтовую решетку направляющих и стабилизирующих элементов, основную и дополнительную топливные системы, снабженные пневматическими топливными форсунками, равномерно расположенными по окружности на входе в жаровую трубу, отличающаяся тем, что фронтовая решетка направляющих и стабилизирующих элементов выполнена в виде полого кольцевого стабилизатора пламени -образного сечения в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы, внутренняя полость которого образована наружной и внутренней боковыми стенками стабилизатора и торцом между ними, и размещенных на внешних поверхностях его наружной и внутренней стенок равномерно с зазором радиальных стабилизаторов пламени, направленных в стороны наружной и внутренней обечаек жаровой трубы, выполненных в поперечном сечении в виде клиновидных профилей с затупленными передними кромками и торцевыми участками, обращенными в сторону жаровой трубы и расположенными напротив передних кромок, обращенных в сторону диффузора, где радиальные стабилизаторы пламени, ограниченные по свободным концам наружной и внутренней обечайками жаровой трубы, образуют соответственно два венца чередующихся между собой каналов и радиальных стабилизаторов пламени, разделенных кольцевым стабилизатором пламени, при этом плоскость торца каждого отдельного радиального стабилизатора пламени расположена под углом от 30 до 90° к образующим внешних поверхностей наружной или внутренней боковых стенок кольцевого стабилизатора пламени, кроме того, каждый отдельный радиальный стабилизатор пламени развернут вокруг вертикальной оси, лежащей в плоскости, проходящей через середину его торца и вершину передней кромки, на угол от 45 до 60° относительно продольной оси камеры сгорания, а основная и дополнительная топливные системы включают два кольцевых коллектора подачи основного и дополнительного топлива, размещенных в -образной полости кольцевого стабилизатора пламени и снабженных раздельными пневматическими топливными форсунками, причем коллектор подачи основного топлива своими топливными форсунками выходит на внешние боковые поверхности стенок этого стабилизатора пламени перед фронтовой решеткой, а коллектор подачи дополнительного топлива своими топливными форсунками обращен в сторону выхода жаровой трубы.

2. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что продольный размер профиля каждого отдельного радиального стабилизатора пламени в поперечной плоскости составляет от 2 до 5 величин ширины его торцевой грани.

3. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что первые поперечные пояса отверстий на наружной и внутренней обечайках жаровой трубы расположены на удалении от торца кольцевого стабилизатора фронтовой решетки на расстоянии не более одной максимальной высоты кольцевого канала между ее обечайками в этих поясах.

4. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что угол раскрытия боковых поверхностей стенок кольцевого стабилизатора пламени -образного сечения в плоскости, проходящей через продольную ось камеры сгорания, находится в диапазоне от 45 до 90°.

5. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что полость кольцевого стабилизатора пламени соединена отверстиями, расположенными на передней кромке, с полостью перед фронтовой решеткой, а на выходе топливных форсунок систем подачи основного и дополнительного топлива установлены воздушные патрубки, сообщающиеся входами с полостью кольцевого стабилизатора пламени.

6. Кольцевая камера сгорания по п.5, отличающаяся тем, что каждый патрубок дополнительной топливной системы имеет на выходе неподвижно скрепленный с ним дефлектор, а каждый дефлектор выполнен в виде перегородки, установленной под углом от 45 до 80° к продольной оси патрубка и образует со стенкой последнего щелевое сопло, расположенное тангенциально к продольной оси кольцевого стабилизатора пламени.

7. Кольцевая камера сгорания по п.5, отличающаяся тем, что расстояние между смежными топливными форсунками подачи дополнительного топлива от 2 до 5 раз больше поперечного размера торца кольцевого стабилизатора пламени.

8. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что длина жаровой трубы составляет не более 1,5 величин максимальной высоты кольцевого канала между ее наружной и внутренней обечайками.

9. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что угол раскрытия канала диффузора составляет от 20 до 30°.

10. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что канал кольцевого диффузора снабжен устройством для воздействия на воздушный поток.

11. Кольцевая камера сгорания по п.10, отличающаяся тем, что устройство для воздействия на воздушный поток в диффузоре выполнено в виде разделительных перфорированных стенок, размещенных в нем по всей его длине.

12. Кольцевая камера сгорания по п.10, отличающаяся тем, что устройство для воздействия на воздушный поток в диффузоре выполнено в виде ступенек по наружному и внутреннему контурам стенок диффузора.

13. Способ работы кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек, снабженных поперечными поясами отверстий, расположенное на входе в жаровую трубу фронтовое устройство, включающее фронтовую решетку направляющих и стабилизирующих элементов, имеющих воздушные каналы с завихрителями, основную и дополнительную топливные системы, снабженные пневматическими форсунками, равномерно расположенными по окружности фронтовой решетки, заключающийся в том, что через диффузор в полость перед фронтовым устройством подают поток воздуха, а оттуда направляют и распределяют его между каналами фронтовой решетки и кольцевыми полостями между корпусами камеры сгорания и обечайками жаровой трубы, затем включают дополнительную топливную систему, подают и распыливают дополнительное топливо через пневматические форсунки в завихренный поток воздуха в полости жаровой трубы за фронтовой решеткой, далее полученную топливовоздушную смесь поджигают воспламенителем и выход на установившийся режим пониженной мощности осуществляют при регулируемой подаче топлива, после чего, при необходимости, переводят работу камеры сгорания на режим большей мощности и для этого включают основную топливную систему, основное топливо подают через свои пневматические форсунки, распыливают завихренным потоком воздуха и воспламеняют его завихренными продуктами сгорания дополнительного топлива в полости жаровой трубы, причем через поперечные пояса отверстий обечаек жаровой трубы в продукты сгорания добавляют воздух, отличающийся тем, что на вход диффузора подают закрученный поток воздуха, топливовоздушную смесь, полученную в пневматических форсунках дополнительной топливной системы, при выпуске в жаровую трубу направляют тангенциально к ее продольной оси, топливовоздушную смесь, полученную в пневматических форсунках основной топливной системы, подают в закрученный поток воздуха после диффузора в полость перед фронтовой решеткой, а топливовоздушную смесь на выходе из фронтового устройства формируют в виде единого кольцевого общего для всей жаровой трубы закрученного потока и направляют в сторону выхода из нее, для чего фронтовая решетка направляющих и стабилизирующих элементов выполнена в виде полого кольцевого стабилизатора пламени -образного сечения в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы, внутренняя полость которого образована наружной и внутренней боковыми стенками стабилизатора и торцом между ними и соединена с полостью перед фронтовой решеткой отверстиями, расположенными на передней кромке, и размещенных на внешних поверхностях его наружной и внутренней стенок равномерно с зазором радиальных стабилизаторов пламени, направленных в стороны наружной и внутренней обечаек жаровой трубы, выполненных в поперечном сечении в виде клиновидных профилей с затупленными передними кромками и торцевыми участками, обращенными в сторону жаровой трубы и расположенными напротив передних кромок, обращенных в сторону диффузора, где радиальные стабилизаторы пламени, ограниченные по свободным концам наружной и внутренней обечайками жаровой трубы, образуют соответственно два венца чередующихся между собой каналов и радиальных стабилизаторов пламени, разделенных кольцевым стабилизатором пламени, а основная и дополнительная топливные системы включают два кольцевых коллектора подачи основного и дополнительного топлива, размещенных в -образной полости кольцевого стабилизатора пламени, где коллектор подачи основного топлива своими топливными форсунками выходит на внешние боковые поверхности стенок этого стабилизатора пламени перед фронтовой решеткой, а коллектор подачи дополнительного топлива своими топливными форсунками обращен в сторону выхода жаровой трубы, причем на выходе топливных форсунок систем подачи основного и дополнительного топлива установлены воздушные патрубки, сообщающиеся входами с полостью кольцевого стабилизатора пламени, кроме того, каждый патрубок дополнительной топливной системы имеет на выходе неподвижно скрепленный с ним дефлектор, выполненный в виде перегородки, установленной под углом к продольной оси патрубка и образует со стенкой последнего щелевое сопло, расположенное тангенциально к продольной оси кольцевого стабилизатора пламени.

14. Способ работы кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя по п.13, отличающийся тем, что для создания топливовоздушной смеси в пневматических форсунках воздух направляют внутрь -образной полости кольцевого стабилизатора через отверстия на его передней кромке и далее в воздушные патрубки пневматических топливных форсунок.

15. Способ работы кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя по п.13, отличающийся тем, что воспламенение и стабилизацию горения смеси основного топлива с воздухом, поступающей в полость жаровой трубы за фронтовой решеткой из каналов между радиальными стабилизаторами обоих венцов, осуществляют в отрывных зонах за торцами радиальных стабилизаторов за счет массообмена с продуктами сгорания в отрывной зоне за торцом кольцевого стабилизатора.

16. Способ работы кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя по п.13, отличающийся тем, что при прохождении потока топливовоздушной смеси через фронтовую решетку с радиальными стабилизаторами сохраняют закрутку потока в направлении закрутки его перед диффузором, для чего входные кромки венцов радиальных стабилизаторов пламени обращены навстречу закрученному потоку воздуха, поступающему в полость перед фронтовой решеткой из диффузора.

17. Способ работы кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя по п.13, отличающийся тем, что при работе на максимальных режимах осуществляют перераспределение расходов основного и дополнительного топлив по коллекторам вплоть до отключения коллектора подачи дополнительного топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД) и может быть использовано в камерах сгорания авиационных ГТД и наземных установок.

Известны конструкции кольцевых камер сгорания газотурбинных двигателей, содержащих наружный и внутренний кольцевые корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в полости между корпусами жаровую кольцевую трубу и расположенный на входе в жаровую трубу стабилизатор пламени (см. патент США №6334297 В1, НКИ 60/39.07, Jan. 1, 2002). Однако длина таких камер сгорания достаточно большая.

Известен способ работы кольцевых камер сгорания с организацией ступенчатого горения путем использования двух расположенных параллельно первичных зон горения, пусковой и основной (см. патент США №5285635, НКИ 60/39.36, Feb. 15, 1994). Обе зоны имеют раздельную подачу топлива, причем в условиях запуска топливо подается только в пусковую зону, а при выводе двигателя на максимальный режим топливо подается в обе зоны. Однако из-за необходимости подачи охлаждающего камеру воздуха мимо этих зон горение в них происходит при коэффициентах избытка воздуха, близких к стехиометрическим, что затрудняет снижение уровней эмиссии вредных выбросов на выходе из камеры сгорания.

Снижение уровня эмиссии вредных выбросов является одной из важнейших задач при разработке камер сгорания. Основное внимание уделяется снижению дымления (сажи) и снижению содержания в продуктах сгорания несгоревших углеводородов (CnHm), моноокиси углерода (СО) и оксида азота (NOx). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. Средствами снижения уровня эмиссии вредных выбросов для ГТД могут быть либо устройства и способы их уменьшения в камере сгорания двигателя, либо устройства и способы обработки выхлопных газов двигателя. По массовым характеристикам устройства и способы обработки выхлопных газов предназначены только для наземных газотурбинных установок, а устройства и способы снижения уровня эмиссии вредных выбросов в камере сгорания подходят как для авиационных, так и для наземных газотурбинных двигателей (см. технический перевод №15060 ФГУП «ЦИАМ им. Баранова», «Камеры сгорания ГТД и технология снижения уровня эмиссии: состояние и перспективы», 2000 г., с.2-44).

Наиболее близким аналогом того же назначения по конструкции, как и заявляемое техническое решение, является камера сгорания ГТД фирмы General Electric Company с устройством смешения топлива для уменьшения эмиссии вредных выбросов (патент США №6484489 В1, НКИ 60/39.06, Nov. 26, 2002). Данная камера сгорания выполнена кольцевой, содержит соосно расположенные наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор со стенками внутреннего и внешнего контуров, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек, снабженных поперечными поясами отверстий подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу фронтовое устройство, основную и дополнительную топливные системы, снабженные пневматическими топливными форсунками, равномерно расположенными по окружности на входе в жаровую трубу. Однако впрыск жидкого топлива в жаровую трубу происходит через форсунку большого размера, что не обеспечивает получения хорошо перемешанной смеси топлива с воздухом. Это не позволяет полностью реализовать преимущества камер сгорания с предварительным перемешиванием топлива и воздуха и получить предельно низкую эмиссию вредных веществ.

Наиболее близким аналогом того же назначения по способу работы камеры сгорания, что и заявляемое техническое решение, является работа той же камеры сгорания ГТД фирмы General Electric Company (патент США №6484489 В1, НКИ 60/39.06, Nov. 26, 2002). В соответствии с этим способом через диффузор в полость перед фронтовым устройством камеры сгорания подают поток воздуха, а оттуда направляют и распределяют его между каналами фронтовой решетки и кольцевыми полостями между корпусами камеры сгорания и обечайками жаровой трубы. Затем включают дополнительную топливную систему, подают и распыливают дополнительное топливо через пневматические форсунки в завихренный поток воздуха в полости жаровой трубы за фронтовой решеткой. Эту топливовоздушную смесь поджигают воспламенителем и выход на установившийся режим пониженной мощности осуществляют при регулируемой подаче топлива, после чего, при необходимости, переводят работу камеры сгорания на режим бóльшей мощности. Для этого включают основную топливную систему, топливо подают через свои пневматические форсунки, распыливают завихренным потоком воздуха и воспламеняют его завихренными продуктами сгорания дополнительного топлива в полости жаровой трубы, причем через поперечные пояса отверстий обечаек жаровой трубы в продукты сгорания добавляют воздух.

Этот способ работы может характеризоваться рядом недостатков. Прежде всего, постоянная работа дополнительной топливной системы с достаточно большим расходом топлива, являющейся воспламенителем и стабилизатором горения основного топлива. Кроме того, отсутствует впрыск топлива до фронтового устройства с целью обеднения топливовоздушной смеси, подходящей к зоне горения, а потоки топливовоздушной смеси, выходящие из многих фронтовых устройств кольцевой камеры, хотя и являются закрученными вокруг оси каждого отдельного фронтового устройства, но в целом они образуют общий поток с преобладающим осевым направлением движения к выходу из жаровой трубы. Все это обусловливает удлинение камеры сгорания и затрудняет получение низких уровней эмиссии вредных выбросов.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- создание ультракомпактной основной кольцевой камеры сгорания ГТД;

- получение высокой эффективности горения в ультракомпактной камере сгорания ГТД;

- снижение уровня дымления и эмиссии вредных веществ (CnHm, СО, NOx) в продуктах сгорания ультракомпактной камеры сгорания ГТД ниже перспективных норм Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

Поставленные задачи решаются тем, что предлагаемая кольцевая камера сгорания ГТД содержит расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор со стенками внутреннего и внешнего контуров, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек, снабженных поперечными поясами отверстий подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу фронтовое устройство, включающее фронтовую решетку направляющих и стабилизирующих элементов, основную и дополнительную топливоподающие системы, снабженные пневматическими топливными форсунками, расположенными равномерно по окружности на входе в жаровую трубу.

Согласно изобретению в конструкции камеры сгорания поверхности внутреннего и внешнего контуров стенок канала диффузора выполнены профилированными вдоль продольной оси камеры сгорания, фронтовая решетка направляющих и стабилизирующих элементов выполнена в виде полого кольцевого стабилизатора пламени -образного сечения в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы, внутренняя полость которого образована наружной и внутренней боковыми стенками стабилизатора и торцом между ними, и размещенных на внешних поверхностях его наружной и внутренней боковых стенок равномерно с зазором радиальных стабилизаторов пламени, направленных в стороны наружной и внутренней обечаек жаровой трубы, выполненных в поперечном сечении в виде клиновидных профилей с затупленными передними кромками и торцевыми участками напротив них, передние кромки радиальных стабилизаторов обращены в сторону диффузора, а торцевые участки - в сторону жаровой трубы, радиальные стабилизаторы пламени, ограниченные по свободным концам наружной и внутренней обечайками жаровой трубы, образуют соответственно два венца чередующихся между собой радиальных каналов и стабилизаторов пламени, разделенных кольцевым стабилизатором пламени, при этом плоскость торца каждого отдельного радиального стабилизатора пламени расположена под углом от 30° до 90° к образующим внешних поверхностей соответственно наружной или внутренней боковых стенок кольцевого стабилизатора пламени.

Кольцевой стабилизатор обращен передней затупленной кромкой в сторону диффузора, а торцом - к выходу жаровой трубы. Кроме того, каждый отдельный радиальный стабилизатор пламени развернут вокруг вертикальной оси, лежащей в плоскости, проходящей через середину его торца и вершину передней кромки, на угол от 45° до 60° относительно продольной оси камеры сгорания, а основная и дополнительная топливоподающие системы включают два кольцевых коллектора подачи основного и дополнительного топлива, размещенных в -образной полости кольцевого стабилизатора пламени друг за другом и снабженных раздельными пневматическими топливными форсунками.

Таким образом, радиальные стабилизаторы пламени устанавливаются напротив направления закрученного перед фронтовой решеткой потока воздуха. Их пространственное положение обеспечивает проникновение продуктов сгорания из зоны обратных токов за кольцевым стабилизатором пламени на всю высоту радиальных стабилизаторов по окружности жаровой трубы. Это обеспечивает максимальную поверхность контакта свежей топливной смеси и продуктов сгорания, а также хорошую стабилизацию горения. Большое число радиальных стабилизаторов пламени и топливных форсунок основного топлива обеспечивает малый масштаб зон последующего смешения топлива и воздуха при горении предварительно перемешанной топливовоздушной смеси. Перемешивание в зоне горения жаровой трубы интенсифицируется как за счет малого масштаба зон смешения, так и за счет воздействия центробежных сил, возникающих во вращающемся потоке смеси.

Взаимодействие зон обратных токов за кольцевым стабилизатором и за радиальными стабилизаторами пламени с закрученным потоком топливовоздушной смеси основного топлива, выходящей из каналов фронтовой решетки, обеспечивает хорошее перемешивание топливовоздушной смеси с продуктами сгорания, стабилизацию и высокую эффективность горения, низкое дымление и низкую эмиссию вредных веществ на выходе камеры сгорания из-за малых времен пребывания топлива в зонах активного горения. Малые размеры зон обратных токов, в которых происходит горение, и их большое количество обеспечивают уменьшение длины жаровой трубы, что приводит к сокращению размеров всей камеры сгорания.

При этом подвод воздуха в жаровую трубу через поперечные пояса отверстий в наружной и внутренней обечайках обеспечивает процесс дожигания топлива и высокую эффективность горения. Вследствие этого предлагаемая конструкция камеры сгорания ТРД обеспечивает снижение уровня эмиссии вредных веществ, сокращение длины жаровой трубы и уменьшение потерь полного давления в ней.

Кроме того:

- продольный размер профиля каждого отдельного радиального стабилизатора пламени в поперечной плоскости может составлять от 2 до 5 величин ширины его торца, обращенного в сторону выхода жаровой трубы. Это позволяет обеспечить хорошее обтекание потоком воздуха радиального стабилизатора с малыми потерями полного давления;

- первые поперечные пояса отверстий на наружной и внутренней обечайках жаровой трубы расположены на удалении от торца кольцевого стабилизатора фронтовой решетки на расстоянии не более одной максимальной высоты кольцевого канала между ее обечайками в этих поясах. Это позволяет сформировать необходимое температурное поле газового потока на выходе камеры сгорания и обеспечить широкий диапазон устойчивой работы камеры сгорания по составу топливовоздушной смеси;

- угол раскрытия боковых стенок -образного кольцевого стабилизатора пламени выбирается в диапазоне от 45° до 90°. Это позволяет обеспечить существование устойчивой зоны обратных токов за кольцевым стабилизатором пламени и надежный переброс пламени вдоль фронтовой решетки внутри жаровой трубы;

- коллектор подачи основного топлива необходимо разместить около входной кромки кольцевого стабилизатора пламени, вывести его топливные форсунки перед фронтовой решеткой на внешние поверхности стенок этого стабилизатора пламени, а коллектор подачи дополнительного топлива своими топливными форсунками обратить в сторону выхода жаровой трубы. На выходе топливных форсунок обоих контуров необходимо расположить воздушные патрубки, соединив их входами с полостью кольцевого стабилизатора пламени, которая для подвода воздуха в нее должна соединяться сквозными отверстиями на передней кромке стабилизатора с полостью перед фронтовым устройством. Использование воздуха для распыла топлива уменьшает размер его капель и улучшает перемешивание топлива с воздухом даже при низком давлении подачи топлива, а подача воздуха в полость кольцевого стабилизатора из полости перед фронтовым устройством обеспечивает компактность конструкции и охлаждение кольцевого стабилизатора;

- каждый патрубок дополнительной топливоподающей системы снабжается на выходе неподвижно скрепленным с ним дефлектором, выполненным в виде перегородки, установленной под углом от 45° до 80° к продольной оси патрубка и образующей со стенкой последнего щелевое сопло, расположенное тангенциально к продольной оси кольцевого стабилизатора пламени. Это дает возможность направить безударно топливовоздушную струю из патрубка в закрученный поток воздуха, выходящий из двух венцов каналов фронтовой решетки и попадающий в отрывную зону за кольцевым стабилизатором. Все это обеспечивает широкий диапазон устойчивой работы камеры сгорания при разных составах топливовоздушной смеси, повышает полноту горения топлива и снижает уровень выброса вредных веществ в атмосферу;

- при данной конструкции камеры сгорания длина ее жаровой трубы может составлять до 1.5 величин максимальной высоты кольцевого канала между ее наружной и внутренней обечайками. Этой длины достаточно для завершения всего процесса горения топливовоздушной смеси. При более короткой длине уменьшается полнота сгорания топлива и увеличивается неравномерность температурного поля газа на выходе камеры сгорания, а при более длинной увеличиваются длина и масса камеры сгорания;

- канал кольцевого диффузора выполняется с углом раскрытия стенок в сторону фронтовой решетки от 20° до 30° и для снижения потерь полного давления закрученного потока воздуха в канале диффузора может размещаться устройство для воздействия на воздушный поток, например, в виде разделительных перфорированных стенок, размещенных в канале по всей его длине, или в виде ступенек по наружному и внутреннему контурам стенок диффузора.

Поставленные задачи по способу работы камеры сгорания решаются тем, что через диффузор в полость перед фронтовым устройством подают поток воздуха, а оттуда направляют и распределяют его между каналами фронтовой решетки и кольцевыми полостями между корпусами камеры сгорания и обечайками жаровой трубы, затем включают дополнительную топливную систему, подают и распыливают дополнительное топливо через пневматические форсунки в завихренный поток воздуха в полости жаровой трубы за фронтовой решеткой, далее полученную топливовоздушную смесь поджигают воспламенителем и выход на установившийся режим пониженной мощности осуществляют при регулируемой подаче топлива, после чего, при необходимости, переводят работу камеры сгорания на режим бóльшей мощности и для этого включают основную топливную систему, основное топливо подают через свои пневматические форсунки, распыливают завихренным потоком воздуха и воспламеняют его завихренными продуктами сгорания дополнительного топлива в полости жаровой трубы, причем через поперечные пояса отверстий обечаек жаровой трубы в продукты сгорания добавляют воздух.

Согласно изобретению способ работы камеры сгорания заключается в том, что на вход диффузора подают закрученный поток воздуха, а топливовоздушную смесь на выходе из фронтового устройства формируют в виде единого кольцевого общего для всей жаровой трубы закрученного потока и направляют в сторону выхода из нее. Такая организация рабочего процесса в камере сгорания ГТД с закрученным потоком воздуха на входе и единым кольцевым общим для всей полости жаровой трубы закрученным потоком топливовоздушной смеси позволяет отказаться от использования спрямляющего аппарата за последним рабочим колесом компрессора, что обусловливает уменьшение потерь полного давления на участке тракта двигателя от компрессора до выхода из камеры сгорания, а также уменьшает длину камеры, длину и массу двигателя.

Топливовоздушную смесь, полученную в пневматических форсунках дополнительной топливной системы, при выпуске в жаровую трубу направляют тангенциально к ее продольной оси, что увеличивает время пребывания топлива в отрывной зоне за торцом кольцевого стабилизатора и обеспечивает устойчивую стабилизацию горения при пониженных расходах, вплоть до работы кольцевого стабилизатора с обедненной смесью в этой зоне. Топливовоздушную смесь, полученную в пневматических форсунках основной топливной системы, подают в закрученный поток воздуха после диффузора в полость перед фронтовой решеткой перед венцами радиальных стабилизаторов, что позволяет организовать предварительное перемешивание топлива с воздухом до фронтового устройства и улучшить смешение за счет увеличения времени контакта топлива с воздухом до начала горения. Эти факторы способствуют более полному испарению мелкодисперсной жидкой фракции топлива до воспламенения и способствуют горению обедненной смеси в жаровой трубе за фронтовым устройством с понижением температур на фронтах пламени и уменьшением количества образующихся при горении вредных веществ, т.е. эмиссии вредных выбросов.

Кроме того:

- для создания топливовоздушной смеси в пневматических форсунках воздух направляют внутрь -образной полости кольцевого стабилизатора через отверстия на его передней кромке и далее в воздушные патрубки пневматических топливных форсунок. Такой подвод воздуха к пневматическим форсункам обеспечивает охлаждение стенок кольцевого стабилизатора и повышает эффективность распыла топлива в форсунках обеих низкоперепадных топливных систем;

- воспламенение и стабилизацию горения смеси основного топлива с воздухом, поступающей в полость жаровой трубы за фронтовой решеткой из каналов между радиальными стабилизаторами обоих венцов, осуществляют в отрывных зонах за торцами радиальных стабилизаторов за счет их массообмена с продуктами сгорания в отрывной зоне за торцом кольцевого стабилизатора. Это позволяет при сохранении условий надежной стабилизации горения основного топлива уменьшить размеры отрывных зон за торцами радиальных стабилизаторов с одновременным уменьшением масштаба смешения и сокращением потребных длин смешения непрореагировавшей топливовоздушной смеси с продуктами сгорания, т.е. длины камеры сгорания;

- при прохождении потока топливовоздушной смеси через фронтовую решетку с радиальными стабилизаторами сохраняют закрутку потока в направлении закрутки его перед диффузором, для чего входные кромки венцов радиальных стабилизаторов пламени обращены навстречу закрученному потоку воздуха, поступающему в полость перед фронтовой решеткой из диффузора. Такая организация закрученного потока в жаровой трубе даже при некотором уменьшении угла закрутки к выходу из камеры, обусловленном теплоподводом и диссипативными процессами в жаровой трубе, обусловливает наряду с сокращением потребных длин смешения уменьшение осевой длины камеры сгорания с соответствующим снижением ее габаритно-массовых параметров;

- при работе на максимальных режимах осуществляют перераспределение расходов основного и дополнительного топлив по коллекторам вплоть до отключения коллектора подачи дополнительного топлива. Возможности такого регулирования соотношения расходов топлива через основную и дополнительную топливные системы обусловлены рассмотренными выше принципами организации процесса стабилизации за отрывными зонами радиальных стабилизаторов, т.е. существующим массообменом этих отрывных зон с отрывной зоной за кольцевым стабилизатором. Причем возможность уменьшения расхода дополнительного топлива, выгорающего в отрывной зоне за кольцевым стабилизатором, вплоть до полного отключения дополнительной топливной системы при работе двигателя на максимальных режимах, обусловлена повышением параметров воздуха (температуры и давления) перед камерой сгорания и суммарных расходов топлива с соответствующим улучшением условий стабилизации обедненных топливовоздушных смесей в отрывных зонах за стабилизаторами. При этом уменьшается доля топлива, сгорающего в отрывной зоне за кольцевым стабилизатором, и, как следствие, уменьшается генерация вредных веществах в этой зоне, по сравнению с отсутствием перераспределения расходов топлива между основной и дополнительной топливными системами, т.е. уменьшается эмиссия вредных выбросов и на максимальных режимах работы двигателя.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:

- разработан конструктивный облик ультракомпактной основной кольцевой камеры сгорания ГТД и способ ее работы;

- определена возможность получения высокой эффективности горения жидких углеводородных топлив в камере сгорания такой конструкции;

- конструкция камеры сгорания и способ ее работы предполагают достижение заданного профиля температур газа на выходе из такой камеры сгорания;

- конструкция камеры сгорания и способ ее работы предполагают снижение уровня дымления и эмиссии вредных веществ (CnHm, СО, NOx) в атмосферу ниже перспективных норм ИКАО.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием кольцевой камеры сгорания ГТД и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-4, где:

на фиг.1 изображен продольный разрез кольцевой камеры сгорания ГТД;

на фиг.2 - элемент I фиг.1;

на фиг.3 - вид А фиг.2 на развертку наружного венца радиальных стабилизаторов пламени со стороны их свободных концов;

на фиг.4 - разрез Б-Б по патрубку форсунки дополнительного топлива на фиг.2.

Кольцевая камера сгорания ГТД (см. фиг.1) содержит расположенные соосно наружный 1 и внутренний 2 корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор 3, образованный стенками внутреннего 4 и внешнего 5 контуров, размещенную в кольцевой полости между корпусами 1 и 2 жаровую трубу, выполненную из наружной 6 и внутренней 7 обечаек, снабженных поперечными поясами отверстий 8 подвода воздуха, расположенное на входе в жаровую трубу фронтовое устройство.

Поверхности внутреннего и внешнего контуров стенок 4 и 5 канала диффузора 3 выполнены профилированными вдоль продольной оси камеры сгорания.

Фронтовое устройство состоит из фронтовой решетки направляющих и стабилизирующих элементов, основной и дополнительной топливоподающих систем, снабженных пневматическими топливными форсунками, равномерно расположенными по периметру кольцевого стабилизатора.

Фронтовая решетка направляющих и стабилизирующих элементов выполнена в виде полого кольцевого стабилизатора пламени 9 -образного сечения в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы, и размещенных на внешних поверхностях его наружной 10 и внутренней 11 боковых стенок равномерно с зазором радиальных стабилизаторов пламени 12 (см. фиг.2).

Радиальные стабилизаторы 12 направлены свободными концами в стороны наружной 6 и внутренней 7 обечаек жаровой трубы и выполнены в поперечном сечении в виде клиновидных профилей с прямым участком 13 (см. фиг.3) напротив передней кромки. Радиальные стабилизаторы пламени 12 обращены передними кромками в сторону диффузора 3, а торцами 14, проходящими через прямой участок 13 профиля, - в сторону выхода жаровой трубы. Радиальные стабилизаторы 12, ограниченные по свободным концам наружной 6 и внутренней 7 обечайками жаровой трубы, образуют соответственно два венца чередующихся между собой каналов 15 и радиальных стабилизаторов 12, разделенных кольцевым стабилизатором 9. При этом плоскость, проходящая через торец 14 каждого отдельного радиального стабилизатора 12, расположена под углом величиной от 30° до 90° к образующим внешних поверхностей соответственно наружной 10 или внутренней 11 боковых стенок кольцевого стабилизатора 9.

Каждый радиальный стабилизатор 12 развернут вокруг вертикальной оси, лежащей в плоскости, проходящей через середину его торца и вершину передней кромки, на угол от 45° до 60° относительно продольной оси камеры сгорания.

Основная и дополнительная топливоподающие системы включают два кольцевых коллектора подачи основного 16 и дополнительного 17 топлива, размещенных друг за другом в -образной полости кольцевого стабилизатора пламени 9 и снабженных раздельными пневматическими топливными форсунками 18 и 19 (см. фиг.2).

В конструкции этой кольцевой камеры сгорания:

- продольный размер В профиля каждого отдельного радиального стабилизатора 12 в поперечной плоскости составляет от 2 до 5 величин ширины Г его торца 14 (см. фиг.2, 3);

- первые поперечные пояса отверстий 8 на наружной 6 и внутренней 7 обечайках жаровой трубы расположены на удалении от торца -образного стабилизатора, составляющем не более одной высоты кольцевого канала между обечайками 6 и 7 в этих поясах (см. фиг.1);

- угол раскрытия боковых поверхностей стенок 10 и 11 кольцевого стабилизатора 9 (см. фиг.2) -образного сечении в плоскости, проходящей через продольную ось камеры сгорания, находится в диапазоне от 45° до 90°;

- полость кольцевого стабилизатора 9 соединена (см. фиг.2) сквозными отверстиями 20 на передней кромке с полостью, расположенной за диффузором 3 перед фронтовой решеткой, коллектор 16 подачи основного топлива, размещенный в этой полости около входной кромки, своими топливными форсунками 18 выходит на внешние поверхности боковых стенок 10 и 11 этого стабилизатора перед решетками радиальных стабилизаторов, а коллектор 17 подачи дополнительного топлива своими топливными форсунками 19 обращен в сторону выхода жаровой трубы, причем на выходе топливных форсунок 18 и 19 систем подачи основного и дополнительного топлива расположены воздушные патрубки 21 и 22, сообщающиеся входами с полостью -образного сечения кольцевого стабилизатора 9;

- каждый патрубок 22 дополнительной топливоподающей системы имеет на выходе неподвижно скрепленный с ним дефлектор 23 (см. фиг.4), где каждый дефлектор 23 выполнен в виде перегородки, установленной под углом от 45° до 80° к продольной оси патрубка 22, и образует со стенкой последнего щелевое сопло 24, расположенное тангенциально к продольной оси кольцевого стабилизатора 9;

- расстояние между смежными топливными форсунками 19 подачи дополнительного топлива больше от 2 до 5 раз размера Д торца кольцевого стабилизатора 9;

- длина жаровой трубы составляет не более 1,5 величин максимальной высоты кольцевого канала между ее наружной 6 и внутренней 7 обечайками;

- угол раскрытия канала диффузора 3 в сторону фронтовой решетки (не показан) составляет от 20° до 30°;

- канал диффузора 3 может иметь гладкие стенки внутреннего 4 и внешнего 5 контуров (см. фиг.1) и может быть снабжен устройством для воздействия на воздушный поток с целью исключения потерь на отрыв потока на всех режимах работы, например, в виде разделительных стенок, размещенных в канале (не показано), или в виде ступенек по внутреннему 4 и внешнему 5 контурам стенок диффузора 3 (не показано);

- на наружном корпусе 1 установлен пусковой воспламенитель 25 для обеспечения начала работы камеры сгорания.

Кольцевая камера сгорания работает следующим образом. На вход камеры сгорания подается закрученный поток воздуха, который через диффузор 3 поступает в полость перед фронтовой решеткой, а оттуда в каналы вокруг жаровой трубы и каналы 15 двух венцов фронтовой решетки радиальных стабилизаторов 12. Кроме того, из полости перед фронтовой решеткой часть воздуха через отверстия 20 на передней кромке кольцевого стабилизатора 9 поступает в его -образную полость. Далее включается дополнительная топливоподающая система. При этом топливо поступает в дополнительный коллектор 17, а из него через форсунки 19 распыливается за торцом кольцевого стабилизатора 9. Улучшению распыла дополнительного топлива способствует подача воздуха в зону распыла через патрубки 22, сообщающиеся с наддутой через отверстия 20 полостью кольцевого стабилизатора 9. Смесь распыленного дополнительного топлива с воздухом из патрубков 22 выходит через щелевое сопло 24 в отрывную зону за кольцевым стабилизатором 9 тангенциально к его продольной оси.

Эта топливовоздушная смесь поджигается воспламенителем 25. На режимах пониженной мощности дополнительная топливоподающая система может обеспечить устойчивую работу камеры сгорания. Для выхода на режимы большей мощности подключается основная топливоподающая система. При этом топливо поступает в основной коллектор 16, а из него через форсунки 18 распыливается в полости перед фронтовой решеткой. Улучшению распыла основного топлива способствует подача воздуха в зону распыла через патрубки 21 основной топливоподающей системы. Основное топливо из форсунок 18 вместе с воздухом из патрубков 21 поступает в закрученный поток воздуха, идущий из диффузора 3, смешивается с ним и в виде предварительно перемешанной топливовоздушной смеси направляется в каналы 15 фронтовой решетки. Выходящая из каналов 15 фронтовой решетки в жаровую трубу закрученная топливовоздушная смесь основного топлива поджигается продуктами сгорания дополнительного топлива. Это обеспечивается тем, что из зоны обратных токов за кольцевым стабилизатором 9 продукты сгорания дополнительного топлива за счет массообмена перемещаются на всю высоту отрывных зон за торцами радиальных стабилизаторов 12 обоих венцов и взаимодействуют с закрученным потоком топливовоздушной смеси основного топлива, выходящим из каналов 15 обоих венцов фронтовой решетки радиальных стабилизаторов 12. Это обеспечивает стабильное горение основного топлива. Расход основного топлива определяется режимом работы двигателя.

Наряду с этим при прохождении потока топливовоздушной смеси через фронтовую решетку с радиальными стабилизаторами сохраняют закрутку потока в направлении закрутки его перед диффузором, для чего входные кромки венцов радиальных стабилизаторов пламени обращены навстречу закрученному потоку воздуха, поступающему в полость перед фронтовой решеткой из диффузора. Такой способ формирования закрутки потока в жаровой трубе при неизменном положении радиальных стабилизаторов обоих венцов фронтовой решетки обеспечивает необходимые размеры зон горения основного топлива и короткую длину камеры сгорания.

Для снижения дымления и эмиссии вредных веществ на режиме максимальной мощности возможно перераспределение расходов основного и дополнительного топлив по коллекторам 16 и 17 вплоть до отключения коллектора 17 подачи дополнительного топлива. Эффективность горения топливовоздушных смесей основного и дополнительного топлив в большом количестве зон малых масштабов определяется шагом расположения радиальных стабилизаторов 12 по окружности обоих венцов фронтовой решетки, шагом расположения по окружности топливных форсунок 18 подачи основного топлива и шагом расположения по окружности топливных форсунок 19 подачи дополнительного топлива. Горение топлива завершается в процессе подмешивания в продукты сгорания радиальных струй воздуха, поступающих из кольцевых каналов камеры сгорания в жаровую трубу через отверстия 8 в наружной 6 и внутренней 7 обечайках. Выбор расположения и размеров отверстий 8 определяет поле температур продуктов сгорания на выходе жаровой трубы.

Приведенные конструкция и способ работы кольцевой камеры сгорания ГТД при подаче закрученного потока воздуха на вход в диффузор камеры сгорания, фронтовую решетку и далее в жаровую трубу и при подаче основного топлива перед фронтовой решеткой позволяют сократить время пребывания смеси в области горения и уменьшить дымление и выбросы вредных веществ (СО, CnHm, NOx) за счет более быстрого выгорания основного топлива в закрученном потоке воздуха с высокой турбулентностью, уменьшения масштаба смешения топлива с воздухом при установке двух венцов радиальных стабилизаторов пламени малого размера и большого числа форсунок подачи основного и дополнительного топлив. Одновременно с этим эффективное горение также обеспечивается за счет подачи дополнительного топлива за кольцевой стабилизатор 9, причем эта часть топлива сгорает, а продукты сгорания смешиваются с закрученным потоком топливовоздушной смеси, выходящей из двух венцов каналов 15 фронтовой решетки, что обеспечивает стабилизацию горения топливовоздушной смеси основного топлива.