ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА С ВОЗДУШНЫМ РАСПЫЛОМ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК F02C7/22 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям основных камер сгорания.

Известна топливная форсунка с двойным завихрителем, содержащая стойку с отверстием подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри. Тонкая сплошная пелена топлива в форсунке распыливается высокоскоростным потоком воздуха, возникающий аэрозоль подается на границу раздела противоположно вращающимся потокам воздуха [1].

Недостатком известной форсунки является уменьшенный диаметр распыливающей кромки. Наилучшее распыливание и максимальный контакт воздуха и жидкости достигается в том случае, когда они имеют наименьшую и одинаковую толщину. Это означает, что распыливающая кромка должна иметь наибольший возможный диаметр.

Наиболее близкой к заявляемой является топливная форсунка с двойным завихрителем, содержащая стойку с отверстием подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри. Направление распыливающей кромки в форсунке выполнено под углом, совпадающим или близким к углу конуса распыла топливной пленки, причем с наибольшим возможным диаметром распыливающей кромки [2].

Недостатком известной форсунки, принятой за прототип, является неполное использование возможностей снижения толщины топливной пленки за счет увеличения периметра распыливающей кромки, так как нельзя более увеличить диаметр распыливающей кромки в заданных размерах форсунки.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении топливной экономичности двигателя и снижении выбросов вредных веществ за счет улучшения качества распыла топлива путем увеличения периметра распыливающей кромки при неизменных размерах форсунки, обеспечивающих наибольший возможный диаметр.

Сущность технического решения заключается в том, что в топливной форсунке с воздушным распылом для газотурбинного двигателя, содержащей стойку с отверстиями подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, согласно изобретению поверхность сопла с распыливающей кромкой и внутренняя поверхность внешнего завихрителя воздуха выполнены попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла и образованы вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла по распыливающим кромкам под углом, равным углу закрутки топливной пленки.

Выполнение поверхности сопла попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла позволяет увеличить периметр распыливающей кромки при неизменных размерах форсунки, обеспечивающих наибольший возможный диаметр, что улучшает качество распыла топлива за счет снижения толщины топливной пленки. При этом уменьшается средний размер капель и увеличивается контакт воздуха и жидкости в объеме жаровой трубы.

Образование поверхности сопла вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла по распыливающимся кромкам под углом, равным углу закрутки топливной пленки, позволяет уменьшить потери давления и обеспечить безотрывное течение топливной пленки по прямым, т. е. геодезическим, линиям на всей поверхности сопла до границ периметра распыливающей кромки. Профиль поверхности сопла относительно оси сопла при этом получается преимущественно в виде гиперболической кривой как на расширяющихся частях сопла, так и на чередующихся попеременно в окружном направлении сужающихся участках сопла, т.е. расположенных под разными углами к оси сопла.

Выполнение внутренней поверхности внешнего завихрителя воздуха идентично повторяющей изменение углов поверхности сопла относительно его оси позволяет закручивать топливную пленку внешним воздушным потоком, а противоположно вращающимся внутренним воздушным потоком из внутреннего завихрителя генерировать интенсивную турбулентность в сдвиговых слоях, которые в окружном и радиальном направлениях намного легче разрушаются и более интенсивно перемешиваются. Поэтому достигается более высокая однородность топливовоздушной смеси по сечению жаровой трубы, а скорость горения многократно возрастает. Это повышает топливную экономичность двигателя и снижает выбросы вредных веществ за счет улучшения качества распыла топлива путем увеличения периметра распыливающей кромки при неизменных размерах форсунки, обеспечивающих наибольший возможный диаметр.

На фиг.1 изображен разрез вдоль головки и стойки; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 по отверстиям для подачи и закрутки топлива; на фиг.3 - схема векторов перемещения топливной пленки по поверхности сопла для определения угла закрутки; на фиг.4 - вид Б на фиг.1 на выходной торец форсунки.

Топливная форсунка с воздушным распылом для газотурбинного двигателя содержит головку 1, стойку 2 с отверстиями 3, 4 подачи топлива 5 и сопло 6 с поверхностью 7 для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой 8, а также внутренний завихритель 9 воздуха 10 и внешний завихритель 11 воздуха 10 в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами 12 и 13 у внутреннего завихрителя 9 и открытыми торцами 14 и 15 у внешнего завихрителя 11 с лопатками 16 и 17 внутри завихрителей 9 и 11. Внешний завихритель 11 с лопатками 17 и сопло 6 с поверхностью 7 для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой 8 отлиты за одно целое с головкой 1 и стойкой 2. Внутренний распылитель 9 воздуха 10 выполнен отливкой за одно целое с втулкой 18, образующий внутренний поток воздуха 10, и фиксирует внутри головки втулку 19 с отверстиями 20, служащими для закрутки топлива 5 в щелевом канале 21 и образования топливной пленки на поверхности 7. Втулка 18 внутреннего завихрителя 9 герметично скреплена с головкой 1 кольцевым сварным швом 22. Поверхность 7 сопла 6 с распыливающей кромкой 8 и внутренняя поверхность 23 внешнего завихрителя 11 воздуха 10 выполнены попеременно в окружном направлении под разными углами α₁ к оси 24 сопла 6 и α₂ в плоскости выходной кромки поперек оси 24 сопла 6 и образована вращением вокруг оси 24 сопла 6 огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью 24 сопла 6 под углом ϕ. Угол ϕ - это угол закрутки топливной пленки, условно показанный на фиг.3, может быть определен по формуле:

где R_o - вектор текущего перемещения, проходимого топливной пленкой по внутренней поверхности сопла;
R - вектор абсолютного перемещения топливной пленки по внутренней поверхности сопла;
Q - вектор перемещения топливной пленки в направлении распыливающей кромки, образуемый за счет направленного расхода топлива вдоль оси 24.

Кроме того, на фиг.1 условно показана лобовая стенка 24 жаровой трубы, имеющая открытый торец для подвода воздуха 10 и иллюстрирующая установку форсунки в камере сгорания двигателя.

Топливная форсунка с воздушным распылом работает следующим образом.

Топливо 5 через отверстие 3, 4 в стойке 2 подается в кольцевую полость, образованную зафиксированной внутри головки 1 втулкой 19, и через тангенциально расположенные к оси 24 сопла 6 отверстия 20, закручиваясь в щелевом канале, поступает на поверхность 7 сопла 6. Одновременно сжатый компрессором поток воздуха 10 поступает во внутренний завихритель 9 и внешний завихритель 11, где при помощи лопаток 16 во внутреннем завихрителе 9 и лопаток 17 во внешнем завихрителе 11 закручивается и подается во втулку 18 внутреннего распылителя 9 и вытекает концентрично из внешнего завихрителя 11, ограниченного сечением его внутренней поверхности 23, при этом оба потока вращаются в противоположные стороны. Топливная пленка в виде тонкой сплошной пелены закрученного топлива распыливается высокоскоростным потоком закрученного воздуха 10 посредством внутреннего распылителя 9, а возникающий аэрозоль подается по поверхности 7 к распыливающей кромке 8 по геодезическим линиям, скрещивающимся с осью 24 сопла 6 по распыливающимся кромкам 8 попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла. При этом внутренняя поверхность внешнего завихрителя также выполнена попеременно в окружном направлении под разными углами. Поверхность 7, образованная вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла известна, например, как гиперболическая, обладает минимальным сопротивлением вследствие движения частиц аэрозоля по прямым, т.е. геодезическим линиям. Далее аэрозоль подается на границу раздела противоположно вращающимся потоком воздуха из внутреннего 9 и внешнего 11 завихрителей, обеспечивая максимально возможный контакт воздуха и топлива и повышая турбулентность в сдвиговом слое топливовоздушных потоков.

Таким образом, в заявляемой форсунке значительно увеличивается периметр распыливающей кромки 8, а следовательно, увеличивается концентрация распыленного топлива, что повышает скорость горения и топливную экономичность двигателя.

Использование: в конструкциях основных камер сгорания газотурбинных двигателей. Сущность изобретения: топливная форсунка содержит стойку с отверстиями подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри. Поверхность сопла с распыливающей кромкой и внутренняя поверхность внешнего завихрителя воздуха выполнены попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла и образованы вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла по распыливающим кромкам под углом, равным углу закрутки топливной пленки. 4 ил.

Топливная форсунка с воздушным распылом для газотурбинного двигателя, содержащая стойку с отверстиями подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, отличающаяся тем, что поверхность сопла с распыливающей кромкой и внутренняя поверхность внешнего завихрителя воздуха выполнены попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла и образованы вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла по распыливающим кромкам под углом, равным углу закрутки топливной пленки.