ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F23R3/28 

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

Известна горелка камеры сгорания газовой турбины, содержащая форсунку для распыливания топлива в сжатом воздухе, первичный и вторичный проходные каналы, разделенные первой деталью, концентричной оси горелки и имеющей цилиндрическую или коническую сужающуюся распылительную гильзу, причем наружный вторичный проходной канал снаружи радиально ограничен расположенной концентрично второй кольцевой деталью со сходяще-расходящейся внутренней поверхностью, образующей участок с суженным проходным сечением, и к ней в направлении против потока примыкает распылительная гильза. Поверхность сужающе-расширяющейся кольцевой детали выполнена пересекающей образующую конуса топлива форсунки выше по потоку от места изменения ее кривизны (DE, заявка №19627760, F 23 D 11/24, 1996 г.).

Недостатком известной конструкции является возможность возникновения неустойчивой зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки, вблизи стенки жаровой трубы, ухудшение топливной экономичности при работе на бедных топливом смесях, снижение диапазона устойчивой работы, а также повышенное нагарообразование. Это объясняется отсутствием выходной распыливающей кромки канала, отрывом потока воздуха и нарушением установившегося течения в непосредственно контактирующем с каналом воздухе. Также недостатком является выполнение сужающе-расширяющейся кольцевой детали с распылительной гильзой, пересекающей образующую конуса распыленного топлива форсунки выше по потоку от места изменения критического сечения канала, что способствует повышенному нагарообразованию.

Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыливания топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом (RU, патент №2134839, F 23 D 11/00, 1997 г.).

Недостатком известной горелки, принятой за прототип, является неполное использование возможностей улучшения топливной экономичности горелки, увеличения диапазона устойчивой работы, снижения нагарообразования и повышения надежности запуска двигателя. Указанные недостатки объясняются недостаточной оптимизацией соотношений проходных сечений конфузорно-диффузорных сопел осевого и тангенциального завихрителей, геометрических параметров и взаимного расположения выходных распыливающих сопел, которые не обеспечивают одинаковую однородность топливовоздушной смеси в зоне рециркуляции во всем диапазоне работы камеры сгорания.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении эмиссии вредных веществ в выхлопных газах, в улучшении пусковых характеристик и топливной экономичности двигателя, в повышении надежности камеры сгорания за счет улучшения однородности топливовоздушной смеси и уменьшения объема высокотемпературных зон рециркуляции путем интенсификации взаимодействия между воздушным потоком за осевым завихрителем и топливом, распыленным форсункой, более полного использования энергии воздушного потока.

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, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем осевой и тангенциальный завихрители снабжены каждый конфузорно-диффузорным соплом с внутренними и внешними трактовыми стенками, согласно изобретению внешняя трактовая стенка конфузорной части сопла осевого завихрителя выполнена с обратной кривизной относительно внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя, при этом диффузорная часть сопла осевого завихрителя выполнена в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла, а угол от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°, причем критическое сечение конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя расположено выше по потоку от места пересечения внешней трактовой стенки с образующей распыливаемого конуса топлива.

Выполнение внешней трактовой стенки конфузорной части сопла осевого завихрителя с обратной кривизной относительно внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя формирует плавный с минимальными потерями поворот и перпендикулярное направление воздушного потока на образующую топливного конуса, что обеспечивает максимальное использование энергии закрученного потока воздуха на распыливание топлива, устраняет возникновение переобогащенной зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки при работе камеры сгорания на пониженных режимах, повышает мелкость дробления топлива, увеличивает степень перемешивания топливовоздушной смеси, уменьшает объем высокотемпературной зоны рециркуляции в первичной зоне камеры сгорания за счет повышения интенсивности воздействия воздушного потока за осевым завихрителем на топливный конус, распыливаемый форсункой.

Выполнение диффузорной части сопла осевого завихрителя в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла, а угол от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°, укорачивает длину высокотемпературной зоны рециркуляции в полости горения жаровой трубы за счет принудительного расширения потока топливовоздушной смеси в расширяющемся канале, определяемом углом образующей конуса. Это объясняется тем, что увеличивается доля энергии воздушного потока за осевым завихрителем, затрачиваемая на распыливание топлива, и уменьшается доля энергии воздушного потока, затрачиваемая на образование зоны рециркуляции.

При α<30° ухудшаются пусковые характеристики камеры сгорания вследствие чрезмерного уменьшения диаметрального размера потока топливовоздушной смеси.

При α>90° ухудшаются качество распыливания топлива и эмиссионные характеристики вследствие значительного изменения кривизны внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя и ухудшения взаимодействия между потоками за тангенциальным и осевым завихрителями.

Расположение критического сечения конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя выше по потоку от места пересечения внешней трактовой стенки с образующей распыливаемого конуса топлива исключает попадание капель топлива на внешнюю трактовую стенку конфузорной части сопла осевого завихрителя, чем обеспечивает отсутствие проскоков пламени к форсунке на переменных режимах.

На фиг.1 изображен продольный разрез вдоль оси горелки с углом α=30°.

На фиг.2 изображен продольный разрез вдоль оси горелки с углом α=90°.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с каналами 2 подачи и распыла топлива 3, осевой завихритель воздуха 4 и тангенциальный завихритель воздуха 5 в виде каналов 6, 7 с открытыми торцами 8, 9 и лопатками 10, 11 внутри. Стабилизатор 12 потока 13 воздуха, размещенный между тыльной стороной 14 корпуса 1 форсунки и входным торцом 8 осевого завихрителя 4, образует щелевой канал 15 с его входным торцом 8. Осевой завихритель 4 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 16 с внешней трактовой стенкой 17, а тангенциальный завихритель 5 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 18 с внутренней 19 и внешней 20 трактовыми стенками. Внешняя трактовая стенка 17 конфузорной части 21 сопла 16 осевого завихрителя 4 выполнена с обратной кривизной относительно внутренней 19 трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя, а внешняя трактовая стенка 17 диффузорной части 22 выполнена в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла 16, при этом угол α от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°. Критическое сечение сопла 17-23 конфузорно-диффузорного сопла 16 осевого завихрителя 4 расположено выше по потоку от места пересечения образующей 24 распыливаемого конуса топлива 3 с внешней трактовой стенкой 17. Кроме того, на фиг.1 изображено: поз.25 - фронтовая стенка жаровой трубы, поз.26 - полость горения жаровой трубы, поз.27 - распыливающий пакет форсунки.

Работает топливовоздушная горелка следующим образом. Топливо 3 через каналы 2 подается к распылительному пакету 27 форсунки 1, и далее - в полость горения 26 жаровой трубы. Одновременно сжатый компрессором поток 13 воздуха, обтекая внешний контур стабилизатора 12, поступает через щелевой канал 15 в осевой завихритель 4. Поток 13 воздуха, поступающий в канал 6 осевого завихрителя 4, закручивается и, направляясь внешней трактовой стенкой 17 в конфузорной части 21 сопла 16 осевого завихрителя 4, распыливает аэрозоль топлива 3. В диффузорной части 22 сопла 16 осевого завихрителя 4, образованной внешней трактовой стенкой 17, распыленная аэрозоль топлива предварительно перемешивается в закрученном потоке 13 осевого завихрителя 4 и далее до требуемой концентрации в диффузорной части сопла 18 тангенциального завихрителя, формируя в полости горения 26 вблизи фронтовой стенки 25 жаровой трубы устойчивую, однородную по составу топливовоздушной смеси зону рециркуляции, и тем самым снижает эмиссию вредных веществ в выхлопных газах, улучшает пусковые характеристики и топливную экономичность двигателя, повышает надежность камеры сгорания.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом. Осевой и тангенциальный завихрители воздуха выполнены в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри и снабжены каждый конфузорно-диффузорным соплом с внутренними и внешними трактовыми стенками. Внешняя трактовая стенка конфузорной части сопла осевого завихрителя выполнена с обратной кривизной относительно внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя. Диффузорная часть осевого завихрителя выполнена в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла. Угол от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°. Критическое сечение конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя расположено выше по потоку от места пересечения внешней трактовой стенки с образующей распыливаемого конуса топлива. Изобретение позволяет снизить эмиссию вредных веществ в выхлопных газах, улучшить пусковые характеристики и топливную экономичность двигателя, повысить надежность камеры сгорания. 2 ил.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем осевой и тангенциальный завихрители снабжены каждый конфузорно-диффузорным соплом с внутренними и внешними трактовыми стенками, отличающаяся тем, что внешняя трактовая стенка конфузорной части сопла осевого завихрителя выполнена с обратной кривизной относительно внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя, при этом диффузорная часть осевого завихрителя выполнена в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла, а угол от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°, причем критическое сечение конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя расположено выше по потоку от места пересечения внешней трактовой стенки с образующей распилываемого конуса топлива.