ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F23R3/04 

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к авиадвигателестроению.

Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания [1], содержащая топливную форсунку и лопаточный завихритель. На лопатках завихрителя установлена обечайка, которая разделяет закрученный поток на два потока, идущих по кольцевым каналам. По внутреннему каналу впускается воздух под углом к конусу струи распыленного топлива, обеспечивая предварительное смешение с ним. Другая часть воздуха проходит через наружный канал и используется для формирования факела и закручивания топливовоздушной смеси, что создает зону рециркуляции продуктов сгорания с возможностью получения высокой полноты сгорания топлива на всех режимах и низких выбросов вредных веществ. Характерными недостатками данного устройства из-за относительно больших расходов воздуха, принятых для топливовоздушных горелок с завихрителями, и небольших углов раскрытия топливовоздушного факела на выходе из завихрителя являются узкие области запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

Известна другая топливовоздушная горелка камеры сгорания [2], содержащая топливную форсунку и двухъярусный осерадиальный завихритель с внутренним ярусом, состоящим из осевого лопаточного завихрителя с открытым входным и выходным торцом и радиального завихрителя. При этом между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом расположен стабилизатор потока воздуха, закрепленный на головке форсунки. Внешний контур стабилизатора превышает поперечное сечение осевого завихрителя и образует щелевой канал с его входным торцом. Подобная конструкция топливовоздушной горелки позволяет обеспечить равномерный вход воздуха в осевой завихритель благодаря стабилизатору, устраняющему затенение, вызванное стволом форсунки. Это соответственно обеспечивает более равномерную по составу и скоростям топливовоздушную смесь в передней части жаровой трубы, что увеличивает полноту сгорания топлива и позволяет снизить выбросы вредных веществ. Недостатком данного устройства являются повышенные потери полного давления, вызванные втеканием воздуха через щель, образованную стабилизатором и входным торцом завихрителя с последующим разворотом потока. Кроме того, общим недостатком известных топливовоздушных горелок с завихрителем являются узкие области запуска и устойчивой работы.

Целью предлагаемого решения является расширение области запуска и устойчивой работы камеры сгорания за счет увеличения угла распыла топливовоздушной смеси на выходе из завихрителя и формирования широкой области зоны рециркуляции в первичной зоне жаровой трубы, а также повышение полноты сгорания и снижение выбросов вредных веществ за счет интенсификации смесеобразования и получения однородной топливовоздушной смеси.

Сущность технического решения заключается в том, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания на входном торце осевого лопаточного завихрителя расположена перегородка, перекрывающая часть входного торца, выполненная, например, в виде кольца.

Вышеуказанные отличительные признаки придают всей совокупности отличительных признаков новое свойство. Новые свойства заключаются в следующем.

1. За перегородкой при прохождении воздуха через осевой завихритель внутреннего яруса образуется зона обратных токов с пониженным давлением, которая изменяет направление течения и увеличивает угол распыла воздуха на выходе из осевого завихрителя и топливовоздушной смеси на выходе из двухъярусного завихрителя для формирования широкой зоны рециркуляции в первичной зоне с богатой топливом периферией для увеличения области розжига камеры сгорания.

2. Перегородка выполняет роль турбулизатора воздушного потока, что интенсифицирует смесеобразование и ведет к повышению полноты сгорания топлива за счет ускорения подготовки топливовоздушной смеси.

Как показали патентные исследования, подобного свойства нет ни у прототипа, ни у других известных решений.

На чертеже схематически показан вариант предлагаемого решения.

Топливовоздушная горелка содержит двухъярусный завихритель 1 с внутренним ярусом, состоящим из осевого лопаточного завихрителя 2 с открытым выходным торцом 3. На входном торце 4 лопаточного завихрителя 2 внутреннего яруса расположена перегородка 5, например, в виде кольца. Перегородка 5 перекрывает часть сечения входного торца 4. Перегородка 5 также может быть выполнена в виде отличной от кольца формы замкнутого контура. Кроме этого, на чертеже указаны наружный ярус завихрителя 6, топливная форсунка 7 и первичная зона 8 жаровой трубы.

Работа устройства осуществляется следующим образом. На выходе из осевого завихрителя 2 вытекает воздух под углом к конусу струи распыленного топлива, поступающего из топливной форсунки 7, обеспечивая предварительное смешение с ним. Другая часть воздуха проходит через наружный ярус завихрителя 6 и используется для формирования факела и закручивания топливовоздушной смеси, что создает зону рециркуляции в первичной зоне 8 жаровой трубы. При прохождении воздуха через осевой завихритель 2 непосредственно за перегородкой 5 образуется зона обратных токов с пониженным давлением. В результате изменяется направление течения и увеличивается угол распыла воздуха на выходе из осевого завихрителя 2 и топливовоздушной смеси из двухъярусного завихрителя 1. Это позволяет получить богатую топливом зону на периферии первичной зоны 8 с относительно малыми скоростями, что благоприятно для условий розжига даже при значительном обеднении топливовоздушной смеси в первичной зоне в целом. На основных режимах работы при значительных уменьшениях расхода топлива наличие богатых топливом зон с малыми скоростями также позволяет расширить область устойчивой работы камеры сгорания. Кроме того, перегородка 5 выполняет роль турбулизатора, что интенсифицирует смесеобразование топливовоздушной смеси и ведет к повышению полноты сгорания, а более однородный состав топливовоздушной смеси - к снижению выбросов вредных веществ при сжигании топлива. Подобное устройство в настоящее время проходит испытания, результаты которых подтверждают заявленные свойства.

По сравнению с прототипом предложенное решение имеет ряд преимуществ выраженных:
1) в увеличении области розжига камеры сгорания;
2) в увеличении области устойчивого горения камеры сгорания;
3) в увеличении полноты сгорания топлива;
4) в снижении выбросов вредных веществ.

Источники информации
1. Патент США 3901446, НКИ 239-132.5 (F 02 С 7/22), опубл. 26.08.75 г. (аналог).

2. Патент России 2134839 (F 02 С 7/22), опубл. 20.08.1999 г. (прототип).

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит двухъярусный завихритель, во внутреннем ярусе которого установлен лопаточный завихритель с открытым выходным торцом. На входном торце осевого лопаточного завихрителя расположена перегородка, перекрывающая часть входного торца, выполненная, например, в виде кольца. Изобретение позволяет расширить область запуска и устойчивой работы камеры сгорания за счет увеличения угла распыла топливовоздушной смеси на выходе завихрителя и повысить полноту сгорания за счет интенсификации процесса смесеобразования. 1 ил.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая двухъярусный завихритель, во внутреннем ярусе которого установлен лопаточный завихритель с открытым выходным торцом, отличающаяся тем, что на входном торце осевого лопаточного завихрителя расположена перегородка, перекрывающая часть входного торца, выполненная, например, в виде кольца.