ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F23D11/00 F02C7/22 

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

Известна жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, в которой установлены форсунки с отверстиями подачи и распыла топлива, а также осевые завихрители воздуха в виде осевых каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, при этом корпус каждой форсунки, выполненный в виде консольной стойки, охвачен торцем стенки лобового экрана жаровой трубы [1].

Недостатком известной конструкции является неравномерность раздачи потоков воздуха на входе топливовоздушной горелки и, как следствие этого, снижение стабильности параметров топливовоздушных потоков, образующих зоны горения в жаровых трубах непосредственно в первичной зоне камеры. Это объясняется образованием зон пониженного давления при обтекании потоком воздуха корпуса форсунки, что приводит к снижению диапазона устойчивой работы на бедных смесях, увеличению токсичности продуктов сгорания и ухудшению топливной экономичности газотурбинного двигателя.

Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка трубчатой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, а также осевой завихритель воздуха в виде канала с открытыми торцами и лопатками внутри [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является неравномерность раздачи воздуха на входе в осевой завихритель жаровой трубы вследствие образования зоны пониженного давления вниз по потоку в кильватерной зоне за корпусом топливной форсунки. При работе двигателя на бедных смесях ухудшается топливная экономичность, наблюдается повышенная концентрация окислов азота в отработанных газах турбины, а также снижается диапазон устойчивой работы. Указанные недостатки объясняются наличием области пониженного давления за корпусом топливной форсунки при ее обтекании потоком воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинного двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении топливной экономичности газотурбинного двигателя, расширении диапазона устойчивой работы камеры сгорания при работе на бедных смесях за счет повышения равномерности раздачи воздуха на входе топливовоздушной горелки, повышения стабильности параметров топливовоздушных потоков на входе в жаровые трубы и полноты сгорания топлива.

Сущность технического решения заключается в том, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, а также осевой завихритель воздуха в виде канала с открытыми торцами и лопатками внутри, согласно изобретению дополнительно содержится стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса топливной форсунки и входным торцем осевого завихрителя, при этом внешний контур стабилизатора потока воздуха расположен коаксиально каналу осевого завихрителя, превышает его поперечное сечение и образует щелевой канал с его входным торцем.

Установка в топливновоздушной горелке дополнительного стабилизатора потока воздуха, размещенного между тыльной стороной корпуса топливной форсунки и входным торцем осевого завихрителя таким образом, что внешний контур стабилизатора расположен коаксиально каналу осевого завихрителя, превышает его поперечное сечение и образует щелевой канал с его входным торцем, повышает равномерность раздачи воздуха непосредственно на входе топливо-воздушной горелки, а именно, перед поперечным сечением канала осевого завихрителя. Это объясняется тем, что стабилизатор потока воздуха выравнивает эпюру давления в щелевом канале между открытыми потоку поверхностями канала осевого завихрителя воздуха и закрытыми от потока стойкой корпуса форсунки поверхностями этого же осевого завихрителя.

Превышением внешнего контура стабилизатора потока воздуха поперечного сечения канала осевого завихрителя воздуха, а также его расположением коаксиально каналу осевого завихрителя воздуха, дополнительно уменьшаются различия динамического напора потока воздуха на входе в канал с открытыми торцами, вызываемые неизбежным, консольно расположенным корпусом топливной форсунки, за которой образуется зона пониженного статистического давления, что также выравнивает эпюру давления в щелевом канале перед входным торцем осевого завихрителя воздуха.

На чертеже изображен разрез топливовоздушной горелки вдоль корпуса форсунки и осевого завихрителя воздуха.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с отверстиями 2 подачи топлива 3 и отверстиями 4 распыла топлива 3, а также осевой завихритель 5 воздуха 6 в виде канала 7 с открытым торцем 8 на входе 9, с открытым торцем 10 на входе 11 и лопатками 12 внутри. Топливовоздушная горелка дополнительно содержит стабилизатор 13 потока воздуха 6, размещенный между тыльной стороной 14 корпуса 1 форсунки и входным торцем 8 осевого завихрителя 5 воздуха 6. При этом внешний контур 15 стабилизатора 13 потока воздуха 6 расположен коаксиально каналу 7 завихрителя 5 воздуха 6, превышает поперечное сечение канала 7 завихрителя воздуха 6 и образует щелевой канал 16 с его входным торцем 8. Стабилизатор 13 потока воздуха 6 может быть выполнен в виде тонкостенной оболочки, перфорированной отверстиями 17, предпочтительно в форме дуг окружности, а внешним контуром 15 обращен навстречу потоку воздуха 6, скреплен с экраном 18 форсунки либо с завихрителем 5 потока воздуха 6. Кроме того, на чертеже 1 обозначены: поз.19 - лобовая стенка жаровой трубы, поз.20 - полость горения жаровой трубы, поз.21 - внутренняя полость стабилизатора 13 потока воздуха. При этом топливовоздушная горелка может быть выполнена с радиальным завихрителем 22 воздуха 6, однако заявляемое изобретение относится к усовершенствованию подачи потоков воздуха преимущественно в осевые завихрители.

Топливовоздушная горелка газотурбинного двигателя работает следующим образом. Топливо 3 через отверстия 2 подается к отверстиям 4 распыла, где, закручиваясь в распылителях форсунки 1, поступает в полость горения 20 жаровой трубы 19. Одновременно сжатый компрессором поток воздуха 6, обтекая внешний контур 15 стабилизатора потока воздуха, создает равномерную эпюру давления воздуха вниз по потоку и коаксиально поверхности 7 осевого завихрителя 5 воздуха, выполненного в виде канала 7 с открытыми торцами 8 и 10 на входе 9 и выходе 11. При этом в окружном направлении в щелевом канале 16 эпюра давления воздуха не зависит от режимов обтекания потоков, так как во внутренней полости 21 стабилизатора 13 потока воздуха 6 давление выравнивается за счет определенного расположения отверстий 17 в оболочке стабилизатора и определенной ширины щелевого канала 16. Поток воздуха 6, поступающий в канал 7 осевого завихрителя 5 воздуха, закручивается и распыливает аэрозоль топлива 3, имея равномерную эпюру скоростей и давлений в окружном направлении в воспламеняемом потоке продуктов горения, не зависящую от режимов нагрузки двигателя. Распыливаемый топливный аэрозоль в факеле пламени обеспечивается более равномерным воздействием вихрей воздушных потоков непосредственно в первичной зоне камере сгорания на расчетных режимах работы газотурбинного двигателя, что многократно повышает полноту сгорания топлива, существенно улучшает топливную экономичность и расширяет диапазон устойчивой работы камеры сгорания на бедных смесях.

Источники информации
1. Заявка Франции N 2662784, публ. 06.12.91 г., МКИ: F 23 R 3/00, 3/46.

2. Патент США N 4244178, 13.01.81 г., МКИ: F 02 C 3/00 - прототип.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к конструкциям камер сгорания, и предназначено для повышения топливной экономичности газотурбинного двигателя и полноты сгорания топлива. Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, а также осевой завихритель воздуха в виде канала с открытыми торцами и лопатками внутри, при этом топливовоздушная горелка дополнительно содержит стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса топливной форсунки и входным торцом осевого завихрителя, при этом внешний контур стабилизатора потока воздуха расположен коаксиально каналу осевого завихрителя, превышает его поперечное сечение и образует щелевой канал с его входным торцом. Изобретение улучшает топливную экономичность двигателя, расширяет диапазон устойчивой работы камеры сгорания при работе на бедных смесях. 1 ил.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, а также осевой завихритель воздуха в виде канала с открытыми торцами и лопатками внутри, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса топливной форсунки и входным торцом осевого завихрителя, при этом внешний контур стабилизатора потока воздуха расположен коаксиально каналу осевого завихрителя, превышает его поперечное сечение и образует щелевой канал с его входным торцом.