УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2006 года по МПК F23R3/26 

Изобретение относится к камерам сгорания непрерывного действия, использующим жидкое топливо, а именно к средствам стабилизации пламени.

Известно устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе (ГТД), которое содержит корпус с кольцевыми обечайками, неподвижные и подвижные разделители потоков, образующие первичные и вторичные каналы, причем в неподвижных разделителях потоков выполнены каналы для подвода топлива в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, которые установлены на входе в первичные каналы и состоят из неподвижных и подвижных частей, телескопически соединенных между собой и жестко закрепленных соответственно на неподвижных и подвижных разделителях потоков. В неподвижных и подвижных частях коллекторов-стабилизаторов пламени выполнены отверстия - форсунки. [1]

Недостатком такого устройства, принятого за прототип, является невозможность эффективной организации процессов смесеобразования топливо-воздушной смеси (ТВС) в широком диапазоне работы камеры сгорания (КС).

Технической задачей изобретения является расширение диапазона эффективной работы КС за счет усовершенствования устройства для сжигания топлива в ГТД путем создания коллектора-стабилизатора, позволяющего управлять углом распыла.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для сжигания топлива, содержащем корпус, неподвижные и подвижные разделители потоков, где топливо подводится в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, состоящие из неподвижных и подвижных частей с выполненными в них соосными отверстиями, в подвижную часть коллектора-стабилизатора вставлена подвижная гильза, причем в подвижной части коллектора-стабилизатора и гильзе отверстия расположены под прямым углом к оси коллектора-стабилизатора, а в неподвижной его части отверстия имеют сужающееся к выходу сечение, кроме того, между подвижной частью коллектора-стабилизатора и гильзой установлены пружины.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона эффективной работы камеры сгорания, что обеспечивается управлением углом распыла топлива в зависимости от режимных параметров работы двигателя. Влияние скорости воздуха на процесс распыливания в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей существенно потому, что этот процесс не завершается на срезе форсунки, он продолжается в окружающей среде до тех пор, пока размер капли не достигнет минимальной критической величины, ниже которой ее распад становится невозможным. Критический размер капли зависит не от абсолютной, а от относительной величины скорости жидкости в окружающей среде. Если жидкость и газ движутся в одном направлении, то дальнобойность струи увеличивается, а распыливание ухудшается, что выражается в увеличении среднего диаметра капель. Наоборот, при движении жидкости и газа в противоположных направлениях дальнобойность струи уменьшается, конус факела расширяется, а качество распыливания повышается.

Если угол распыла ориентирован по нормали к направлению потока воздуха, то капли большего размера проникают в поток на большее расстояние. При таком распределении аэрозоля воспламенение облегчается, если оно производится в области мелких капель.

Поэтому в заявляемом устройстве на режимах минимальной мощности, для обеспечения устойчивого горения, впрыск топлива осуществляется под прямым углом к оси коллектора-стабилизатора, что позволяет создать локальные зоны, обогащенные топливом. Это способствует эффективному процессу горения и стабилизации пламени при пониженном давлении на входе в КС. При переходе на максимальные режимы угол впрыска топлива изменяется в сторону, обратную направлению потока воздуха. При этом улучшается дисперсность ТВС за счет соударения и дробления капель топлива с набегающим воздухом; предотвращается снос капель вниз по потоку за коллектором-стабилизатором при повышенной скорости потока.

Для определения влияния всех размерных параметров, определяющих процесс распыливания топлива, воспользуемся эмпирическим уравнением объемного спектра распыливания:

где V_s - суммарный относительный объем, т.е. сумма относительных объемов всех капель, с диаметром, меньшим или равным данной капли а_i;

, n - константы размера и распределения соответственно.

Уравнение 1 выражает кривую плотности вероятностей распределения объемов жидкости по различным размерам капель в спектрах распыливания. С учетом влияния изменения угла наклона распыла топлива и набегающего потока спектры распыливания примут следующий вид (фиг.1, 2).

Исходя из соотношения скорости набегающего потока и скорости жидкости, впрыскиваемой в этот поток, оптимальный угол распыла, при котором обеспечивается эффективное распыливание, будет определяться по графику зависимости изменения угла распыла топлива от скорости набегающего потока (фиг.3). [2, 3]

Достижение технического результата изобретения обеспечено наличием существенных отличительных признаков, а именно следующих конструктивных элементов в устройстве:

- подвижной гильзы, установленной в подвижной части коллектора-стабилизатора;

- пружин, установленных между подвижной частью коллектора-стабилизатора и подвижной гильзой;

- отверстий, расположенных в подвижной и неподвижной частях коллектора-стабилизатора и гильзе под прямым углом к оси; в неподвижной части сечение отверстий сужается к выходу,

что позволяет сделать вывод о наличии критерия патентоспособности "новизна".

В известных технических решениях указанные отличительные признаки не выявлены, что соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг.1 - спектр распыливания при изменении угла распыла α; на фиг.2 - спектр распыливания при изменении угла распыла α и скорости набегающего потока ω; на фиг.3 - зависимость изменения угла распыла топлива от скорости набегающего потока; на фиг.4 представлено устройство для сжигания топлива в ГТД, поперечный разрез; на фиг.5 - коллектор-стабилизатор, поперечный разрез.

Устройство (фиг.4) состоит из корпуса 1, неподвижных 2 и подвижных 3 разделителей потока, коллектора-стабилизатора 4.

Коллектор-стабилизатор 4 (фиг.5) представляет собой корпус, состоящий из неподвижной 5 и подвижной 6 частей коллектора-стабилизатора 4 с подвижной гильзой 7, образующие полость А. Между подвижной частью коллектора-стабилизатора 4 и гильзой 7 установлены пружины 8. В подвижной гильзе 7 и корпусе выполнены соосные отверстия 9; в неподвижной части 5 корпуса отверстия сужаются к выходу.

Описание работы устройства

Воздух, подводимый в камеру сгорания, разделяется в реакторной зоне на первичный и вторичный в соотношении, определяемом пропускной способностью первичных и вторичных каналов. Процесс сжигания топлива осуществляется путем его подвода и стабилизации факела пламени посредством коллекторов-стабилизаторов 4.

При работе высокотемпературного ГТД на режимах пониженной мощности подвижная гильза 7 коллектора-стабилизатора 4 удерживается пружиной 8 в положении, при котором впрыск топлива производится под прямым углом к набегающему потоку.

При переходе на режимы повышенной мощности увеличивается давление топлива в полости А коллектора-стабилизатора 4, при этом перемещается подвижная гильза 7, тем самым меняя взаимное расположение отверстий 9, что позволяет обеспечить изменение угла распыла топлива.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность сгорания топлива в широком диапазоне работы ГТД.

Источники информации

1. Патент РФ №2124676, кл. F 23 R 3/26, опубл. 10.01.1999 г., бюл. №1 (прототип).

2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986, с.387...473.

3. Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1964, с.53...173.

Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе содержит корпус, неподвижные и подвижные разделители потоков, где топливо подводится в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, состоящие из неподвижных и подвижных частей, с выполненными в них соосными отверстиями. В подвижную часть коллектора-стабилизатора вставлена подвижная гильза. В подвижной части коллектора-стабилизатора и гильзе отверстия расположены под прямым углом к оси коллектора-стабилизатора, а в неподвижной его части отверстия имеют сужающееся к выходу сечение. Между подвижной частью коллектора-стабилизатора и гильзой установлены пружины. Изобретение позволяет обеспечить эффективную работу камеры сгорания во всем диапазоне работы двигателя. 5 ил.

Устройство для сжигания топлива в газотурбинном двигателе, содержащее корпус, неподвижные и подвижные разделители потоков, где топливо подводится в топливные коллекторы-стабилизаторы пламени, состоящие из неподвижных и подвижных частей, с выполненными в них соосными отверстиями, отличающееся тем, что в подвижную часть коллектора-стабилизатора вставлена подвижная гильза, причем в подвижной части коллектора-стабилизатора и гильзе отверстия расположены под прямым углом к оси коллектора - стабилизатора, а в неподвижной его части отверстия имеют сужающееся к выходу сечение, кроме того, между подвижной частью коллектора-стабилизатора и гильзой установлены пружины.