ФОРСУНКА С ДВУХПОТОЧНЫМ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ ВХОДОМ Российский патент 2003 года по МПК F02M61/16 F23D11/36 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к топливным форсункам с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающим низкое выделение NOx, и, в частности, к форсункам, предназначенным для применения в газотурбинных двигателях.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Выделение закисей азота (называемых ниже "NOx") имеет место в результате горения при высоких температурах. NOx является загрязняющим веществом, и поэтому к камерам сгорания, генерирующим NOx, всегда предъявляют более строгие требования в отношении выделений таких загрязняющих веществ. В соответствии с этим было приложено много усилий для уменьшения образования NOx в камерах сгорания.

Одним из решений этой проблемы было предварительное смешение топлива с избытком воздуха для того, чтобы горение проходило с локально большим избытком воздуха, давая в результате относительно низкую температуру горения и, благодаря этому, минимизировалось образование NOx. Топливная форсунка, работающая таким образом, описана в патенте США 5307634, в котором иллюстрируется спиральный завихритель с конической центральной частью. Этот тип топливной форсунки известен как топливная форсунка с тангенциальным входом и содержит два смещенных спиральных элемента с цилиндрическими сводами, соединенных с двумя торцевыми пластинами. Воздух для горения поступает в завихритель через две прямоугольные прорези, образованные смещенными спиральными элементами, а выходит через входное отверстие камеры сгорания в одной из торцевых пластин и входит в камеру сгорания. Линейная матрица отверстий, расположенная на наружном спиральном элементе против внутренней задней кромки, инжектирует топливо в воздушный поток на каждой входной прорези из магистрали для получения равномерной смеси топлива с воздухом перед входом в камеру сгорания.

Предварительно смешивающие топливные форсунки с тангенциальным входом отличались низкими выделениями NOx по сравнению с топливными форсунками предшествующего уровня техники.

Однако топливные форсунки, описанные, например, в вышеупомянутом патенте, имеют недопустимо низкий эксплуатационный ресурс при использовании в газотурбинных двигателях, что обусловлено соединением факела пламени с центральной частью форсунки. В результате этого топливные форсунки с тангенциальным входом не нашли практического применения в газотурбинных двигателях, выпускаемых на промышленной основе.

Таким образом, существует насущная потребность в топливной форсунке с тангенциальным входом, которая при применении в газотурбинных двигателях обладала бы значительно большей эксплуатационной долговечностью, чем топливные форсунки предшествующего уровня техники.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание топливной форсунки с низким выделением NOx, т.е. свободной от основного недостатка, присущего известным форсункам.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в значительном увеличении эксплуатационного ресурса по сравнению с известными топливными форсунками предшествующего уровня техники, за счет существенного уменьшения склонности факела пламени соединяться с центральной частью, обеспечивая одновременно низкие уровни выделения NOx.

В соответствии с этим топливная форсунка с тангенциальным входом воздуха, соответствующая настоящему изобретению, имеет продольную ось и два спиральных элемента с цилиндрическим сводом, причем осевая линия каждого элемента смещена друг относительно друга. Перекрывающиеся концы этих спиральных элементов образуют между собой воздухозаборную прорезь для введения в топливную форсунку смеси топлива с воздухом. Торцевая пластина, смежная камере сгорания, имеет входное отверстие для обеспечения возможности выхода воздуха и топлива из сопла в камеру сгорания. Отверстие содержит конвергентную поверхность, дивергентную поверхность и цилиндрическую поверхность, расположенную между ними. Конвергентная поверхность простирается на первое расстояние вдоль продольной оси форсунки, цилиндрическая поверхность простирается на второе расстояние вдоль оси, причем второе расстояние составляет по меньшей мере 5% первого расстояния. Противоположная торцевая пластина блокирует область потока форсунки, а спиральные элементы закреплены между этими торцевыми пластинами.

Центральная часть, расположенная между спиральными элементами и ориентированная коаксиально продольной оси, имеет наружную в радиальном направлении поверхность, включающую в себя участок усеченной фигуры, ограничивающий наружную поверхность усеченной фигуры, которая ориентирована коаксиально продольной оси, и цилиндрический участок, который также ориентирован коаксиально продольной оси и ограничивает наружную поверхность цилиндра. Центральная часть имеет основание, которое содержит по меньшей мере одно отверстие для подачи воздуха, проходящее через него, и внутренний канал. Участок усеченной фигуры сужается к выходному отверстию внутреннего канала, а цилиндрический участок расположен между участком усеченной фигуры и плоскостью, в которой расположено выходное отверстие. Первый и второй цилиндрические элементы имеют внутренний канал. Трубка для вдувания топлива ориентирована коаксиально продольной оси и проходит через основание и заканчивается во внутреннем канале, обеспечивает подачу топлива в поток воздуха в центральной части.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - разрез топливной форсунки, соответствующей настоящему изобретению, сделанный по линии 1-1, показанной на фиг.2.

Фиг.2 - разрез по линии 2-2, показанной на фиг.1.

Фиг. 3 - разрез топливной форсунки, соответствующей настоящему изобретению, по линии 3-3, показанной на фиг.2.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как следует из фиг.1, топливная форсунка 10 с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающая низкое выделение NOx и соответствующая настоящему изобретению, содержит центральную часть 12, расположенную в спиральном завихрителе 14. Спиральный завихритель 14 содержит первую и вторую торцевые пластины 16, 18. Первая торцевая пластина соединена с центральной частью 12 и отстоит от второй торцевой пластины 18, которая имеет входное отверстие 20 камеры сгорания, проходящее через нее. Множество, а предпочтительно два спиральных элемента 22, 24 с цилиндрическим сводом проходят от первой торцевой пластины 16 ко второй торцевой пластине 18.

Спиральные элементы 22, 24 равномерно разнесены вдоль продольной оси 26 форсунки 10, ограничивая в соответствии с этим между собой зону 28 смешения, как показано на фиг.2. Каждый спиральный элемент 22, 24 имеет внутреннюю радиальную поверхность, которая обращена к продольной оси 26 и ограничивает поверхность частичного вращения вокруг осевой линии 32, 34. Используемое в этой заявке выражение "поверхность частичного вращения" означает поверхность, полученную поворотом линии менее, чем на один полный оборот, вокруг одной из осевых линий 32, 34.

Каждый спиральный элемент 22 отстоит от другого спирального элемента 24, а осевая линия 32, 34 каждого из спиральных элементов 22, 24 расположена в зоне 28 смешения, как показано на фиг.2. Как следует из фиг.2, каждая осевая линия 32, 34 параллельна в разнесенном положении продольной оси 26 и все осевые линии 32, 34 отстоят от продольной оси 26 на одинаковом расстоянии, ограничивая в соответствии с этим входные прорези 36, 38, проходящие параллельно продольной оси 26 между каждой парой смежных спиральных элементов 22, 24 для введения воздуха 40 горения в зону смешения 28. Поддерживающий горение воздух из компрессора (не показан) поступает через входные прорези 36, 38, образованные перекрывающимися концами 44, 50, 48, 46 спиральных элементов 22, 24, имеющих смещенные осевые линии 32, 34.

Каждый спиральный элемент 22, 24 дополнительно содержит топливопровод 52, 54 для введения топлива в воздух 40 горения, когда его вводят в зону 28 смешения через одну из входных прорезей 36, 38. Первый подающий топливопровод (не показан), который может подавать жидкое или газообразное топливо, но предпочтительно газообразное топливо, соединен с каждым из топливопроводов 52, 54. Входное отверстие 20 камеры сгорания ориентировано коаксиально продольной оси 26, непосредственно прилегает к камере сгорания 56 для выпуска топлива и воздуха для горения из устройства, соответствующего настоящему изобретению, в камеру сгорания 56, где имеет место горение смеси топлива и воздуха.

Как следует из фиг.1, центральная часть 12 имеет основание 58, с по меньшей мере одним, а предпочтительно с множеством отверстий 60, 62 для подачи воздуха, проходящих через него, при этом основание 58 ориентировано перпендикулярно продольной оси 26, проходящей через него. Центральная часть 12 предпочтительно имеет внутренний канал 64, ориентированный коаксиально продольной оси 26. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний канал 64 включает в себя первый цилиндрический канал 66, имеющий выходное отверстие 68 и входное отверстие 70, и второй цилиндрический канал 72, большего диаметра, чем диаметр первого цилиндрического канала 66, и аналогичным образом имеющий выходное отверстие 74 и входное отверстие 76. Второй цилиндрический канал 72 сообщается с первым цилиндрическим каналом 66 через сужающийся канал 78, выполненный в форме усеченного конуса, имеющего выходное отверстие 80, диаметр которого равен диаметру первого цилиндрического канала 66, и входное отверстие 82, диаметр которого равен диаметру второго цилиндрического канала 72. Каждый из каналов 66, 72, 78 ориентирован коаксиально продольной оси 26, при этом выходное отверстие 80 сужающегося канала 78 составляет одно целое с входным отверстием 70 первого цилиндрического канала 66, в то время как входное отверстие 82 сужающегося канала 78 составляет одно целое с выходным отверстием 74 второго цилиндрического канала 72. Первый цилиндрический канал 66 имеет выходное отверстие 68, которое является круглым и ориентировано также коаксиально продольной оси 26.

Как следует из фиг.3, наружная в радиальном направлении поверхность 84 центральной части 12 содержит участок 86 усеченной фигуры, который ограничивает наружную поверхность усеченной фигуры, ориентированной коаксиально продольной оси 26 и расширяющейся по направлению к основанию 58, и цилиндрический участок 88, который составляет одно целое с участком 86 усеченной фигуры, ограничивает поверхность цилиндра и также ориентирован коаксиально оси 26. В предпочтительном варианте осуществления цилиндрический участок 88 заканчивается в плоскости, в которой расположено выходное отверстие 68, диаметр участка 86 усеченной фигуры в основании 58 в 2,65 раза больше диаметра участка 86 усеченной фигуры в его вершине, а высота 90 участка 86 усеченной фигуры (расстояние между плоскостью, в которой основание 58 встречается с участком 86 усеченной фигуры, и плоскостью, в которой расположена вершина участка 86 усеченной фигуры) в 1,3 раза больше диаметра участка 86 усеченной фигуры на основании 58. Цилиндрический участок 88 расположен между участком 86 усеченной фигуры и выходным отверстием 68 первого цилиндрического канала. Как показано на фиг.3, внутренний канал 64 расположен в радиальном направлении внутрь от наружной в радиальном направлении поверхности 84 центральной части 12, участок 86 усеченной фигуры ориентирован коаксиально продольной оси 26, а центральная часть 12 соединена с основанием 58 так, чтобы участок 86 усеченной фигуры сужался по направлению к цилиндрическому участку 88 и заканчивался у цилиндрического участка 88. Как показано на фиг.2, основание участка 86 усеченной фигуры соответствует окружности 92, вписанной в зону 28 смешения и имеющей свой центр 94 на продольной оси 26. Как вполне очевидно квалифицированному в этой области техники специалисту, зона 28 смешения не является круглой в поперечном сечении.

Как следует из фиг.1, внутренняя камера 100 расположена в центральной части 12 между основанием 58 и входным отверстием 76 второго цилиндрического канала 72, который заканчивается в камере 100. Воздух 102 подают в камеру 100 через отверстия 60, 62 для подачи воздуха, выполненные в основании 58, которые сообщаются между собой, а камера 100, в свою очередь, обеспечивает подачу воздуха во внутренний канал 64 через входное отверстие 76 второго цилиндрического канала 72. Первая торцевая пластина 16 имеет отверстия 104, 106, которые совмещены с отверстиями 60, 62 для подачи воздуха основания 58 так, чтобы не мешать прохождению потока воздуха 102 для горения от компрессора газотурбинного двигателя. Завихритель 108, предпочтительно известной конструкции с радиальным входом, ориентирован коаксиально продольной оси 26 и расположен в камере 100, непосредственно прилегая ко входному отверстию 76 второго цилиндрического канала 72 так, что весь воздух, поступающий во внутренний канал 64 из камеры 100, должен проходить через завихритель 108.

Трубка 110 для подачи топлива также ориентирована коаксиально продольной оси 26, проходит через основание 58, камеру 100 и завихритель 108 во второй цилиндрический канал 72 внутреннего канала 64. Трубка 110 для подачи топлива имеет диаметр меньше, чем диаметр второго цилиндрического канала 72, и входит во второй цилиндрический канал 72 так, чтобы площадь поперечного сечения потока во втором цилиндрическом канале 72 была по существу равна площади поперечного сечения первого цилиндрического канала 66. Второй подающий топливопровод (не показан), который может подавать жидкое или газообразное топливо, соединен с трубкой 110 для подачи топлива во внутренний канал 112 в трубке 110 для подачи топлива. Топливные жиклеры 114 расположены в трубке 110 для подачи топлива и обеспечивают проход топливу к выходу из трубки 110 во внутренний канал 64.

Как следует из фиг.3, входное отверстие 20 камеры сгорания ориентировано коаксиально продольной оси 26 и имеет конвергентную поверхность 116, дивергентную поверхность 117 и цилиндрическую поверхность 118, которая ограничивает плоскость 120 критического сечения входного отверстия 20. Конвергентная поверхность 116, дивергентная поверхность 117 и цилиндрическая поверхность 118 ориентированы коаксиально продольной оси 26, при этом конвергентная поверхность 116 расположена между первой торцевой пластиной 16 и цилиндрической поверхностью 118. Конвергентная поверхность 116 имеет по существу коническую форму и сужается в направлении цилиндрической поверхности 118, в то время как дивергентная поверхность предпочтительно ограничена вращением части эллипса вокруг продольной оси 26.

Цилиндрическая поверхность 118 расположена между плоскостью 120 критического сечения и дивергентной поверхностью и занимает расстояние, обозначенное позицией 121. Дивергентная поверхность 117 расположена между цилиндрической поверхностью 118 и поверхностью 122 камеры сгорания в плоскости которой расположено входное отверстие 20 камеры сгорания, и которая ориентирована перпендикулярно продольной оси 26 и ограничивает плоскость 124 выходного сечения топливной форсунки 10, которая также ориентирована перпендикулярно продольной оси 26.

Для достижения требуемой аксиальной скорости перемещения смеси топлива с воздухом через входное отверстие 20 камеры сгорания, проходящий через него воздух для горения должен пройти через отверстие с минимальной площадью прохождения потока, называемой площадью критического сечения, совпадающего с входным отверстием 20 камеры сгорания.

Конвергентная поверхность 116 ограничена плоскостью 120 критического сечения, образованной пересечением конвергентной и цилиндрической поверхностей, при этом в этом сечении диаметр конвергентной поверхности 116 равен диаметру цилиндрической поверхности 118. Как показано на фиг.3, плоскость 120 критического сечения расположена между плоскостью 124 выходного сечения и выходным отверстием 68 внутреннего канала 64, а конвергентная поверхность 116 расположена между цилиндрической поверхностью 118 и первой торцевой пластиной 16. Чтобы установить требуемый профиль скорости перемещения смеси топлива с воздухом во входном отверстии 20 камеры сгорания, конвергентная поверхность 116 проходит на заданное расстояние 126 вдоль продольной оси 26, цилиндрическая поверхность 118 проходит на второе расстояние 121 вдоль продольной оси 26, которое составляет по меньшей мере 5% от заданного расстояния 126, а радиус упомянутой цилиндрической поверхности 118 выполняют по меньшей мере на 10% меньше радиуса участка усеченной фигуры в его основании.

В процессе работы поток воздуха для горения из компрессора газотурбинного двигателя поступает через отверстия 104, 106 и отверстия 60, 62 для подачи воздуха в основании 58 в камеру 100 центральной части 12. Воздух для горения выходит из камеры 100 через завихритель 108 с радиальным входом и входит во внутренний канал 64 по существу с тангенциальной скоростью или с завихрением относительно продольной оси 26. Когда этот вихревой поток воздуха для горения проходит трубку 110 для подачи топлива, последнее предпочтительно в газообразном виде, распыляется из трубки 110 для подачи топлива во внутренний канал 64 и смешивается с вихревым потоком воздуха для горения. Затем поток смеси топлива и воздуха для горения проходит от второго цилиндрического канала 72 в первый цилиндрический канал 66 через сужающийся канал 78. После этого смесь продолжает двигаться вдоль первого цилиндрического канала 66, выходя из первого цилиндрического канала 66 вблизи от или в плоскости 120 критического сечения входного отверстия 20 камеры сгорания, обеспечивая центральный поток смеси топлива и воздуха.

Дополнительный воздух для горения из компрессора газотурбинного двигателя входит в зону 28 смешения через каждую из входных прорезей 36, 38. Топливо, предпочтительно газообразное топливо, подаваемое к топливопроводам 52, 54, распыляется в воздухе для горения, проходящем через входные прорези 36, 38, и начинает смешиваться с ним. Благодаря форме выполнения спиральных элементов 22, 24, эта смесь образует вихревой кольцевой поток вокруг центральной части 12, и смесь топлива с воздухом продолжает перемешиваться, когда она образует вихревой поток вокруг центральной части 12, перемещаясь вдоль продольной оси 26 к входному отверстию 20 камеры сгорания.

Вихрь кольцевого потока, образуемый спиральным завихрителем 14, предпочтительно (но без ограничения) вращается в одном направлении с вихрем смеси топлива и воздуха, находящейся в первом цилиндрическом канале 66, и предпочтительно имеет угловую скорость, по меньшей мере равную угловой скорости смеси топлива с воздухом в первом цилиндрическом канале 66. Благодаря форме выполнения центральной части 12, аксиальная скорость перемещения кольцевого потока поддерживается при скоростях, препятствующих пламени камеры сгорания мигрировать в спиральный завихритель 14 и контактировать с наружной поверхностью 84 центральной части 12. При наличии первого цилиндрического канала 66 вихревая смесь топлива с воздухом центрального потока окружена кольцевым потоком спирального завихрителя 14, и эти два потока входят в радиальном направлении внутрь цилиндрической поверхности 118 и затем дивергентной поверхности 117 до тех пор, пока не достигнут плоскости 124 выходного сечения входного отверстия 20 камеры сгорания вниз по технологической цепочке от зоны 28 смешения.

Испытания топливной форсунки 10, изготовленной в соответствии с настоящим изобретением, показали значительное увеличение ее эксплуатационной долговечности по сравнению с форсунками предшествующего уровня техники при применении в газотурбинных двигателях. Кроме того, форсунка, соответствующая настоящему изобретению, значительно уменьшает склонность факела пламени присоединяться к ее центральной части, обеспечивая одновременно поддержание приемлемо низких уровней выделения NOх.

Хотя настоящее изобретение описано и показано на примере его предпочтительного варианта осуществления, квалифицированному в этой области техники специалисту будет очевидно, что без отклонения от сущности и объема заявляемого изобретения могут быть в общем и в частности сделаны различные изменения.

Форсунка предназначена для использования в газотурбинном двигателе. Топливная форсунка с тангенциальным входом воздуха имеет входное отверстие камеры сгорания для обеспечения возможности воздуху и топливу входить в камеру сгорания. Отверстие имеет конвергентную поверхность, дивергентную поверхность и цилиндрическую поверхность, расположенную между ними. Конвергентная поверхность проходит на первое расстояние вдоль продольной оси форсунки, цилиндрическая поверхность проходит на второе расстояние вдоль оси, причем второе расстояние составляет по меньшей мере 5% первого расстояния. Изобретение обеспечивает увеличение эксплуатационного ресурса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Топливная форсунка для применения в газотурбинном двигателе, содержащая центральную часть с продольной осью, имеющую основание центральной части, имеющее, по меньшей мере, одно проходящее через него отверстие для подачи воздуха; наружную в радиальном направлении поверхность, содержащую участок усеченной фигуры, ограничивающий наружную поверхность усеченной фигуры, ориентированную коаксиально продольной оси и расширяющуюся к основанию усеченной фигуры, и цилиндрический участок, составляющий одно целое с участком усеченной фигуры и предпочтительно ограничивающий наружную поверхность цилиндра; внутренний канал, ориентированный коаксиально продольной оси и содержащий первый цилиндрический канал, второй цилиндрический канал и сужающийся канал, причем каждый канал имеет входное отверстие и выходное отверстие, первый конец и второй конец, указанный второй цилиндрический канал имеет диаметр, который больше диаметра указанного первого цилиндрического канала, указанный второй цилиндрический канал сообщается с указанным первым цилиндрическим каналом через указанный сужающийся канал, указанный первый конец указанного сужающегося канала составляет одно целое с указанным вторым концом указанного первого цилиндрического канала, указанный второй конец указанного сужающегося канала составляет одно целое с указанным первым концом указанного второго цилиндрического канала, указанный первый конец указанного сужающегося канала имеет диаметр, равный диаметру указанного первого цилиндрического канала, а указанный второй конец указанного сужающегося канала имеет диаметр, равный диаметру указанного второго цилиндрического канала, каждый из указанных каналов коаксиален продольной оси, указанный первый цилиндрический канал имеет выходное отверстие, которое является круглым, коаксиальным продольной оси и расположенным на первом конце указанного первого цилиндрического канала; внутреннюю камеру, расположенную между упомянутым основанием центральной части и упомянутым входным отверстием упомянутого второго цилиндрического канала, при этом упомянутые отверстия для подачи воздуха сообщаются с упомянутым вторым цилиндрическим каналом через упомянутую камеру; завихритель, ориентированный коаксиально продольной оси и расположенный в камере, непосредственно прилегающей к входному отверстию второго цилиндрического канала; трубку для подачи топлива, ориентированную коаксиально упомянутой продольной оси и проходящую через упомянутые основание центральной части, внутреннюю камеру и завихритель и заканчивающуюся в упомянутом втором цилиндрическом канале; спиральный завихритель, имеющий первую и вторую торцевые пластины, соединенные между собой и разнесенные относительно друг друга, при этом упомянутая вторая торцевая пластина имеет проходящее через нее, входное отверстие камеры сгорания, ориентированное коаксиально упомянутой продольной оси и имеет конвергентную поверхность, дивергентную поверхность и цилиндрическую поверхность, находящуюся между упомянутыми конвергентной и дивергентной поверхностями; по меньшей мере, два спиральных элемента с цилиндрическим сводом, при этом каждый спиральный элемент ограничивает поверхность частичного вращения вокруг своей осевой линии и проходит от упомянутой первой торцевой пластины к упомянутой второй торцевой пластине и равномерно разнесен вокруг своей осевой линии, ограничивая в соответствии с этим между собой зону смешения, каждый упомянутый спиральный элемент разнесен относительно другого спирального элемента, каждая упомянутая осевая линия расположена в упомянутой зоне смешения, каждая из упомянутых осевых линий в разнесенном положении одинаково отстоит от упомянутой продольной оси и параллельна ей, ограничивая в соответствии с этим входные прорези, проходящие параллельно упомянутой продольной оси между каждой парой смежных спиральных элементов для введения воздуха для горения в упомянутую зону смешения, каждый из упомянутых спиральных элементов содержит топливопровод для подачи топлива в воздух для горения, вводимый через одну из упомянутых входных прорезей. 2. Топливная форсунка по п. 1, в которой упомянутая конвергентная поверхность проходит на первое расстояние вдоль упомянутой оси, упомянутая цилиндрическая поверхность проходит на второе расстояние вдоль упомянутой оси, причем упомянутое второе расстояние составляет, по меньшей мере, 5% первого расстояния. 3. Топливная форсунка по п. 2, в которой упомянутая цилиндрическая поверхность имеет радиус, по меньшей мере, на 10% меньше радиуса участка усеченной фигуры в его основании.