УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F23R3/28 

Изобретение относится к устройствам для подготовки топливовоздушных смесей (ТВС) жидких и газообразных углеводородных топлив и подачи их в различные зоны камер сгорания ГТД и ГТУ. Устройство может быть использовано во многих типах теплоэнергетических установок.

В настоящее время актуальной задачей является создание камер сгорания ГТД и ГТУ, которые попеременно могут работать на различных видах топлив, включая жидкое и газообразное. Это связано с исчерпанием запасов нефти, удорожанием ее добычи и необходимостью использования в одной конструкции камеры сгорания имеющихся в наличии разных видов топлив.

Кроме того, ухудшение экологического состояния окружающей среды и ужесточение норм на вредные выбросы требуют разработки экологически «чистых» камер сгорания ГТД и ГТУ, что обязывает разработчиков совершенствовать процессы распыла жидкого или вдува газообразного топлив в заданные зоны камеры сгорания и процессы гомогенизации ТВС.

Известна разработанная фирмой CHEKMA MOTOPC (FR) система многорежимной подачи ТВС в камеру сгорания ГТД (Патент РФ №2303199 С2, F23R 3/28, 05.03.2003). Система содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми и вторыми средствами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости Вентури, которая образована ближней осевой и дальней радиальной по направлению потока стенками. Топливоподающие средства содержат первый контур, снабженный, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров. Вторые топливоподающие контуры независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива для обеспечения возможности реализации нескольких независимых режимов подачи ТВС в соответствии с определенными режимами работы двигателя. Отверстие впрыска топлива первого контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури в направлении, перпендикулярном направлению воздушного потока. Отверстия впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней стенке устройства Вентури в направлении, перпендикулярном направлению воздушного потока. Изобретение позволяет обеспечить подвод ТВС в разные зоны камеры сгорания, несколько снизить вредные выбросы в продуктах сгорания топлива, уменьшить риск коксования и устранить обратные токи топлива. Однако локальный впрыск жидкого топлива в воздушные потоки характеризуется наличием близкорасположенных зон «богатых» и «бедных» ТВС, что не обеспечивает достаточную гомогенизацию ТВС. Это приводит к повышенному выбросу окислов азота или требует увеличения длины воздушных каналов системы. Кроме того, такая система подачи не предусматривает возможности попеременной работы одной камеры сгорания на жидком или газообразном топливах.

Известно устройство для сжигания топлива (Патент РФ №2270402, МПК F23R 3/00, 06.08.2004). Устройство снабжено первым и вторым коллекторами подачи жидкого топлива, соединенными с первыми и вторыми форсунками подачи жидкого топлива, трубками подачи газообразного топлива, соединенными с первым коллектором, оси которых параллельны оси камеры смешения и расположены на расстоянии от оси камеры смешения, равном 0,7-0,9 радиуса входа подачи воздуха в камеру смешения, конусообразным стабилизатором пламени, передней крышкой камеры смешения, внутри которой расположен первый коллектор газообразного топлива, дополнительным диффузорным участком, который соединен последовательно с диффузорым участком камеры смешения. Выход дополнительного диффузорного участка соединен с входом камеры сгорания. Выход центральной трубы расположен у входа дополнительного дифузорного участка. Конусообразный стабилизатор соединен с выходом центральной трубы, образуя кольцевой канал в дополнительном диффузорном участке камеры смешения. Первые форсунки подачи жидкого топлива расположены на центральной трубе у входа диффузорного участка камеры смешения и перпендикулярны ее оси. Завихритель расположен у выхода диффузорного участка камеры смешения. Вторые форсунки газообразного топлива расположены у выхода стабилизатора и соединены с трубками подачи газообразного топлива, коаксиально расположенными в центральной трубе. Вторые форсунки подачи жидкого топлива расположены на оси камеры смешения у выхода стабилизатора.

Работа устройства на газообразном топливе обеспечивается за счет вдува газа на вход в камеру смешения, создания ТВС в камере смешения и сжигания ее в камере сгорания. Работа устройства на жидком топливе обеспечивается за счет распыла и испарения топлива в камере смешения, создания ТВС в камере смешения и сжигания ее в камере сгорания. Недостатком данного устройства при работе на газообразном топливе является то, что подача газа в камеру смешения и подготовка ТВС осуществляется в незакрученном воздушном потоке, что снижает гомогенизацию ТВС. Недостатком данного устройства при работе на жидком топливе является то, что впрыск топлива из первых форсунок осуществляется в камеру смешения локально в незакрученный воздушный поток, что снижает гомогенизацию ТВС и мало влияет на снижение уровня дымления и эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания. Кроме того, впрыск жидкого топлива из вторых форсунок в зону рециркуляционного течения камеры сгорания за стабилизатором осуществляется без предварительной подготовки ТВС, что не способствует повышению ее гомогенизации и полноты сгорания.

Наиболее близким аналогом по назначению и конструкции, что и заявляемое техническое решение, является устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания (Полезная модель №38218, 7 F23R 3/34, 23.12.2003). Устройство содержит коаксиально размещенные в корпусе центральную форсунку с магистралью подвода жидкого пускового топлива, сопряженный с ней через стенку внутренний воздушный канал, сужающийся на выходе, снабженный завихрителем на входе. Над внутренним воздушным каналом расположен средний воздушный канал, ограниченный наружной стенкой, состоящий из сужающегося и расширяющегося участков с завихрителем на входе и кольцевым стабилизатором пламени V-образной формы на выходе. Над средним воздушным каналом расположен радиально-осевой наружный воздушный канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками в виде дисков и изнутри наружной стенкой среднего воздушного канала, которая скреплена с передним диском. На входе между дисками установлен лопаточный завихритель, а снаружи на переднем диске размещен кольцевой топливный коллектор жидкого основного топлива с равнорасположенными по окружности осевыми струйными форсунками подачи топлива в наружный воздушный канал, где на выходе форсунок выполнен воздушный кольцевой коллектор, имеющий в переднем диске систему отверстий, соосных каждой форсунке, причем воздушный коллектор также соединен отверстиями со средним воздушным каналом. Устройство обеспечивает подготовку ТВС, подачу ее в различные зоны камеры сгорания и необходимое снижение уровня дымления и эмиссии вредных веществ (CnHm, CO, NOx) в продуктах сгорания топлив на основных режимах работы камеры сгорания. Однако отмечается оседание части жидкого топлива на стенках воздушных каналов и его повторное менее эффективное смешение с воздухом. Это при высоких температурах и давлениях в каналах может приводить к самовоспламенению ТВС. При этом в компактном устройстве локальный впрыск жидкого основного топлива в воздушный поток не обеспечивает достаточную гомогенизацию ТВС. Это приводит к повышению содержания окислов азота в продуктах сгорания топлива. Кроме того, такая система подачи не предусматривает в готовой конструкции возможности работы камеры сгорания попеременно на разных видах топлива, например жидком или газообразном.

Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания ГТД и ГТУ является снижение уровня эмиссии загрязняющих веществ. Основное внимание уделяется снижению дымления (сажи) и снижению в продуктах сгорания несгоревших углеводородов (CnHm), моноокиси углерода (CO) и оксида азота (NOx). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. Средствами снижения уровня эмиссии вредных выбросов для ГТД могут быть либо устройства и способы их уменьшения в камере сгорания двигателя, либо устройства и способы обработки выхлопных газов двигателя. По массовым характеристикам устройства и способы обработки выхлопных газов годятся только для наземных ГТУ, а устройства и способы снижения уровня эмиссии вредных выбросов в камере сгорания подходят как для авиационных ГТД, так и для наземных ГТУ (см. Технический перевод №15060 ФГУП ЦИАМ им. Баранова. «Камеры сгорания ГТД и технология снижения уровня эмиссии: состояние и перспективы» 2000 г., стр.2-44).

В основу изобретения положено решение следующих задач для ГТД и ГТУ:

- снижение уровня дымления и эмиссии вредных веществ (CnHm, CO, NOx) в продуктах сгорания топлив ниже заданных норм за счет совершенствования процессов распыла жидкого топлива или вдува газообразного топлива, улучшения процессов смешивания ТВС для повышения ее гомогенизации и подачи смеси в заданные зоны камеры сгорания;

- использование элементов конструкции одного устройства для подготовки и попеременной подачи ТВС в заданные зоны камеры сгорания топлив разных видов, например жидкого или газообразного.

Поставленные задачи решаются тем, что устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с нею воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенный относительно форсунки, связанный с ней через стенку воздушный внутренний сужающийся канал с острой кромкой на выходе и тангенциальным завихрителем на входе. Над воздушным внутренним каналом расположен коаксиально воздушный средний канал, ограниченный наружной стенкой, состоящий из сужающегося и расширяющегося участков, с лопаточным завихрителем на входе перед сужающимся участком и кольцевым стабилизатором пламени V-образной формы на выходе канала.

Основной контур включает расположенный коаксиально над воздушным средним каналом наружный радиально-воздушный осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками в виде дисков и изнутри наружной стенкой среднего воздушного канала, которая скреплена с передним диском. На входе в наружный канал между дисками установлен завихритель воздуха с лопатками и каналами между ними. Снаружи на переднем диске закреплен кольцевой коллектор основного контура системы подачи жидкого топлива с магистралью подвода топлива и равнорасположенными по окружности осевыми струйными форсунками, которые обращены в сторону воздушного наружного канала. Вокруг струйных форсунок в переднем диске выполнен воздушный кольцевой коллектор, сообщающийся сквозными отверстиями, соосными каждой форсунке, с наружным воздушным каналом. Воздушный коллектор также соединен с полостью среднего воздушного канала сквозными отверстиями в наружной стенке канала.

Новым в изобретении является то, что аксиальная форсунка вспомогательного контура жидкого топлива выполнена полой по оси и имеет кольцевой коллектор с радиальными наклонными отверстиями в ее стенке, сопряженной с воздушным внутренним каналом. Это позволяет сохранить эффективность дробления пелены топлива на стенке внутреннего канала, как в прототипе, и освободить внутреннюю полость аксиальной форсунки для других элементов конструкции. Подготовленная в сужающемся участке воздушного среднего канала смесь поступает в расширяющийся участок, где поджигается и сгорает.

Расположение выхода воздушного внутреннего канала в зоне сужающегося участка среднего воздушного канала позволяет повысить эффективность дробления пелены топлива для образования гомогенной ТВС за счет увеличения пути и времени пребывания пелены топлива в зоне воздушного закрученного с максимальной скоростью потока.

Закрепление внутри наружного воздушного канала в месте стыка переднего диска с наружной стенкой среднего воздушного канала конического экрана, который снабжен острой кромкой на выходе, выполнение в наружной стенке среднего канала под экраном ряда равнорасположенных по окружности сквозных отверстий подвода воздуха, а также размещение сопел форсунок основного контура системы подачи жидкого топлива напротив наружной поверхности экрана позволяет достичь ряд технических эффектов. Эти эффекты заключаются в том, что удалось повысить площадь распыла пелены топлива на экране, увеличить перемешивание и испарение топливо на нем, повысить эффективность дробления пелены топлива на острой кромке экрана воздушным закрученным потоком и таким образом улучшить гомогенность ТВС. Горение такой ТВС обеспечивает высокую полноту сгорания жидкого топлива и малые выбросы токсичных веществ.

Устройство дополнительно содержит систему подачи газообразного топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров. Это позволяет использовать воздушные внутренний, средний и наружный каналы, сопряженные с системой подачи жидкого топлива для системы отдельной подготовки ТВС газообразного топлива и подачи ее в ранее заданные для жидкого топлива, зоны камеры сгорания. Таким образом, в зависимости от поставленных задач обеспечена возможность попеременного использования разного вида топлива в одном устройстве подготовки ТВС без ухудшения экологических характеристик камеры сгорания.

Вспомогательный контур системы подачи газообразного топлива включает размещенную в полости по оси аксиальной форсунки жидкого топлива центральную форсунку газообразного топлива с магистралью его подвода, что позволяет создать упрощенную конструкцию устройства для разных видов топлив, не ухудшающую его экологические характеристики.

Центральная форсунка вспомогательного контура подачи газообразного топлива снабжена полым наконечником с наружной полусферической поверхностью на свободном конце и равнорасположенными на полусфере сквозными радиальными отверстиями.

Свободный конец наконечника центральной форсунки газообразного топлива размещен в зоне расширяющегося участка среднего воздушного канала. Это позволяет оптимально направлять струи топлива в разные области расширяющегося участка среднего канала, смешивать турбулентно закрученный поток воздуха среднего канала и равномерно распределенное газообразное топливо вспомогательного контура в зоне обратных токов продуктов сгорания, что позволяет поддерживать непрерывный процесс горения и диапазон устойчивой работы камеры сгорания. Это обеспечивает снижение эмиссии окислов азота на режиме малого газа.

Основной контур системы подачи газообразного топлива необходим для подготовки ТВС и подачи ее в камеру сгорания на основных режимах работы. Набор межлопаточных каналов завихрителя воздушного наружного канала является началом этого канала. Межлопаточные каналы делят воздушный наружный канал на входе на равные части.

Основной контур включает кольцевой коллектор, закрепленный дополнительно на переднем диске наружного воздушного канала. Коллектор снабжен магистралью подачи газообразного топлива и соосно равнорасположенными по окружности газораздаточными трубками с сопловыми отверстиями. Каждая газораздаточная трубка размещена в начале отдельного межлопаточного канала по его оси между смежными лопатками завихрителя. Такая схема расположения газораздаточных трубок уменьшает масштаб зон смешения газообразного топлива с закрученным потоком воздуха и увеличивает число зон смешения, что приводит к созданию однородной гомогенной ТВС и позволяет существенно снизить выбросы окислов азота из камеры сгорания.

Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и уточнение.

Сопловые отверстия необходимо выполнять в стенке трубки радиальными, расположенными с постоянным шагом по оси трубки вдоль ее нижней части, обращенной в сторону выхода межлопаточного канала. При этом смежные сопловые отверстия должны быть смещены в шахматном порядке на постоянный угол от 30 до 60 градусов относительно поперечной оси трубки, совпадающей с осью межлопаточного канала. При угле меньше 30 градусов топливо из сопловых отверстий попадает в след за газораздаточной трубкой и сливается струей в воздушный поток, слабо смешиваясь с ним на большой длине. При угле больше 60 градусов топливо из сопловых отверстий на небольшой длине попадает на стенки лопаток завихрителя и также плохо смешивается с воздушным потоком.

Для газораздаточных трубок небольшого размера (меньше 4 мм) на основных режимах работы будет реализована высокая скорость газа. Это ведет к значительному положительному градиенту давления газа вдоль трубки и, соответственно, к неравномерному распределению топлива по соплам одинаковой площади. Для компенсации положительного перепада давления по длине трубки площади сопловых отверстий должны уменьшаться по мере удаления от входа в трубку.

Длина наружного воздушного канала L-образной формы вдоль его оси должна составлять от 10 до 15 величин шага между смежными сопловыми отверстиями отдельной газораздаточной трубки. Это позволяет существенно снизить выбросы окислов азота из камеры сгорания при приемлемых габаритах канала устройства.

Лопатки завихрителей среднего и наружного воздушных каналов должны быть направлены в одну сторону. Это при работе увеличивает турбулентность и максимальную поверхность контакта взаимодействующих между собой свежей ТВС и продуктов сгорания, что повышает эффективность горения в компактной камере сгорания и обеспечивает хорошую стабилизацию горения.

На заднем диске наружного воздушного канала по периферии может быть выполнена наружная коническая обечайка, обращенная наружной кромкой в сторону переднего диска. Коническая обечайка помогает сформировать направленный поток воздуха на входе в лопаточный завихритель воздушного наружного канала.

Кольцевой коллектор основного контура системы подачи газообразного топлива может быть выполнен из двух полостей, соединенных между собой равномерно по окружности трубопроводами. Это обеспечивает равномерное распределение подачи топлива в газораздаточные трубки, облегчает сборку топливных коллекторов и магистралей подвода топлив разных видов на устройстве.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием устройства для подготовки и попеременной подачи топливовоздушных смесей разных видов в различные зоны камеры сгорания ГТД или ГТУ и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-5, где:

На фиг.1 изображен продольный разрез устройства для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;

На фиг.2 - элемент I на фиг.1;

На фиг.3 - продольный разрез А-А на фиг.2;

На фиг.4 - вид Б на фиг.3 на газораздаточную трубку по оси межлопаточного канала завихрителя со стороны его выхода;

На фиг.5 - сечение В-В на фиг.4.

Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания 1 содержит (см. фиг.1) систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с нею трех воздушных каналов.

Вспомогательный контур подачи жидкого топлива включает аксиальную форсунку 2 с магистралью 3 подвода топлива. Относительно форсунки 2 коаксиально размещен связанный с ней через стенку 4 воздушный внутренний сужающийся канал 5 с острой кромкой 6 на выходе и тангенциальным завихрителем 7 на входе. Над воздушным внутренним каналом 5 расположен коаксиально воздушный средний канал 8, ограниченный наружной стенкой 9, состоящий из сужающегося 10 и расширяющегося 11 участков, лопаточного завихрителя 12 на входе перед сужающимся участком 10 и кольцевого стабилизатора 13 пламени V-образной формы на выходе канала 8.

Основной контур системы подачи жидкого топлива включает расположенный коаксиально над воздушным средним каналом 8 воздушный наружный радиально-осевой канал 14 L-образной формы. Наружный канал 14 ограничен передней 15 и задней 16 торцевыми стенками в виде дисков и изнутри наружной стенкой 9 воздушного среднего канала 8. Наружная стенка 9 среднего канала 8 скреплена с передним диском 15 канала 14. На входе 17 в наружный канал 14 между дисками 15 и 16 установлен завихритель воздуха 18 с лопатками 19 и каналами 20 между ними. Снаружи на переднем диске 15 закреплен кольцевой коллектор 21 основного контура системы подачи жидкого топлива. Коллектор 21 снабжен магистралью 22 подвода топлива и равнорасположенными по окружности осевыми струйными форсунками 23. Форсунки 23 обращены в сторону воздушного наружного канала 14. При этом вокруг струйных форсунок 23 в переднем диске 15 выполнен воздушный кольцевой коллектор 24, сообщающийся сквозными отверстиями 25, соосными каждой форсунке 23, с воздушным наружным каналом 14. Воздушный коллектор 24 также соединен с полостью воздушного среднего канала 8 сквозными отверстиями 26 в наружной стенке 9.

Аксиальная форсунка 2 вспомогательного контура жидкого топлива выполнена полой по оси и имеет кольцевой коллектор 27 с радиальными наклонными отверстиями 28 в ее стенке, сопряженной с воздушным внутренним каналом 5, выход 6 которого расположен в зоне сужающегося участка 10 воздушного среднего канала 8.

Внутри воздушного наружного канала 14 в месте стыка переднего диска 15 с наружной стенкой 9 воздушного среднего канала 8 закреплен конический экран 29 с острой кромкой 30 на выходе. Наружная стенка 9 воздушного среднего канала 8 под экраном 29 имеет ряд равнорасположенных по окружности сквозных отверстий 31. Сопла форсунок 23 основного контура системы подачи жидкого топлива размещены напротив наружной поверхности экрана 29.

Кроме того, устройство содержит систему подачи газообразного топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров.

Вспомогательный контур системы подачи газообразного топлива включает размещенную в аксиальной форсунке 2 жидкого топлива центральную форсунку 32 газообразного топлива с магистралью 33 его подвода.

Центральная форсунка 32 вспомогательного контура подачи газообразного топлива снабжена полым наконечником 34 с наружной полусферической поверхностью на свободном конце и равнорасположенными на полусфере сквозными радиальными отверстиями 35. Причем свободный конец наконечника 34 размещен в зоне расширяющегося участка 11 воздушного среднего канала 8.

Набор межлопаточных каналов 20 завихрителя 18 воздушного наружного канала 14 (см. фиг.2, 3) является началом этого канала. Межлопаточные каналы 20 делят воздушный наружный канал 14 на входе 17 на равные части.

Основной контур системы подачи газообразного топлива включает кольцевой коллектор 36, дополнительно закрепленный на переднем диске 15 воздушного наружного канала 14, который снабжен магистралью 37 подачи газообразного топлива и соосно равнорасположенными по окружности (см. фиг.4, 5) газораздаточными трубками 38 с сопловыми отверстиями 39. Каждая трубка 38 размещена в начале отдельного межлопаточного канала 20 по его оси.

Сопловые отверстия 39 (см. фиг.4, 5) выполнены в стенке отдельной газораздаточной трубки 38 радиальными, расположены с постоянным шагом Г по оси трубки 38 вдоль ее нижней части, обращенной в сторону выхода каждого межлопаточного канала 20. При этом смежные сопловые отверстия 39 смещены в шахматном порядке на постоянный угол α от 30 до 60 градусов относительно поперечной оси трубки 38, совпадающей с осью межлопаточного канала 20. Площади сопловых отверстий 39 уменьшаются по мере удаления от входа в трубку 38.

Длина воздушного наружного канала 14 L-образной формы вдоль его оси составляет от 10 до 15 величин шага между смежными сопловыми отверстиями 39 отдельной газораздаточной трубки 38.

Лопатки завихрителей 12 и 18 воздушных среднего 8 и наружного 14 каналов направлены в одну сторону.

На заднем диске 16 (см. фиг.1, 2) воздушного наружного канала 14 по периферии выполнена наружная коническая обечайка 40, обращенная наружной кромкой 41 в сторону переднего диска 15.

Кольцевой коллектор 36 основного контура системы подачи газообразного топлива может быть выполнен из двух полостей, соединенных между собой равномерно по окружности трубопроводами 42.

Устройство с системой подготовки и подачи ТВС на жидком топливе в различные зоны камеры сгорания работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки жидкого топлива, которые обеспечивают предварительное перемешивание и последующее распыливание топлива воздухом с обеспечением малых размеров жидких капель. Здесь также достигают дополнительный выигрыш в энергетике насосов за счет низких потребных давлений подачи топлива.

В начальный момент времени (на запуске двигателя) через устройство (см. фиг.1) подают небольшой, но достаточный для пуска камеры сгорания поток воздуха. Воздух направляют в воздушный средний канал 8 и разделяют на два потока. Один поток подают в лопаточный завихритель 12 и далее в сужающийся участок 10. Другой поток подают в завихритель 7 и далее через воздушный внутренний сужающийся канал 5 также направляют в сужающийся участок 10 канала 8. Закрученные в завихрителях 7 и 12 потоки воздуха смешивают друг с другом на острой кромке 6 стенки 4 перед выходом сужающегося участка 10 канала 8. Далее объединенный закрученный поток воздуха подают в расширяющийся участок 11 канала 8, который расположен в центральной зоне камеры сгорания 1.

Одновременно наружной конической обечайкой 40 на заднем диске 16 направляют воздух с входа 17 в каналы 20 между лопатками 19 завихрителя 18. Из каналов 20 закрученный поток воздуха направляют в общий канал 14, потом на конический экран 29 и далее на выход канала 14 в кольцевую зону камеры сгорания 1. Следует отметить, что воздухом из канала 8 через отверстия 26, коллектор 24 и отверстия 25 обдувают наружную поверхность экрана 29, а через отверстия 31 - внутреннюю поверхность экрана 29.

При включении вспомогательного контура жидкое топливо через магистраль 3, кольцевой коллектор 27 и отверстия 28 в стенке аксиальной форсунки 2 подают на стенку 4 внутреннего канала 5 и образуют на ее внутренней поверхности жидкую пелену, которая стекает с острой кромки 6, дробится закрученными потоками воздуха из каналов 5 и 8. В процессе дробления и внедрения капель в закрученный поток воздуха сужающегося участка 10 образуют гомогенную ТВС, которую далее подают в расширяющийся участок 11 канала 8, где поджигают воспламенителем (не показано) и сжигают. Кольцевой стабилизатор пламени 13 обеспечивает устойчивое горение ТВС вспомогательного контура жидкого топлива в центральной зоне расширяющегося участка 11 канала 8, расположенного в камере сгорания 1. Когда воспламенитель удален от устройства, возможно временное включение основного контура жидкого топлива.

Для перехода на режимы полной мощности при работающем вспомогательном контуре включают основной контур подачи жидкого топлива. Через магистраль 22, кольцевой коллектор 21 и струйные форсунки 23 топливо подают в воздушный канал 14 на наружную поверхность конического экрана 29, где оно растекается на поверхности в виде жидкой пелены. На выходе из форсунок 23 струи топлива первоначально распыливают потоком воздуха, который направляют из среднего канала 8 в наружный канал 14 через отверстия 26, полость воздушного коллектора 24 и отверстия 25. Пелену топлива на наружной поверхности экрана 29 сливают с острой кромки 30, испаряют и дробят закрученным потоком воздуха из завихрителя 18 и потоком воздуха из канала 8 через отверстия 31 стенки 9. В процессе дробления и внедрения капель в закрученный поток воздуха на выходе канала 14 образуют частично перемешанную и испаренную «бедную» ТВС (коэффициент избытка воздуха такой смеси составляет от 1,6 до 2,0), которую далее направляют с внешней стороны на кольцевой стабилизатор пламени 13, где смесь поджигают обратными токами продуктов сгорания топлива вспомогательного контура и сжигают. Кольцевой стабилизатор пламени 13 обеспечивает устойчивое непрерывное горение ТВС как при подаче жидкого топлива вспомогательного контура, так и при совместной подаче жидкого топлива вспомогательного и основного контуров в кольцевую зону камеры сгорания 1. Предварительная поэтапная подготовка однородной ТВС жидкого топлива основного контура в воздушном наружном канале 14 обеспечивает высокую эффективность горения (низкие выбросы СО) и низкие выбросы NO_x. Соотношение расходов жидкого топлива вспомогательного и основного контуров является предметом экспериментальных исследований.

При работе устройства на газообразном топливе пневматическое распыливание не может быть использовано для подготовки ТВС, поэтому на входе в наружный воздушный канал используется большое количество малых по масштабу топливовоздушных зон в межлопаточных каналах 20, которые на небольшой длине обеспечивают турбулентное перемешивание газа и воздуха.

Устройство с системой подготовки и подачи ТВС на газообразном топливе в различные зоны камеры сгорания работает следующим образом.

При подводе топлива вспомогательного контура в устройство через магистраль 33 газ далее подают в центральную форсунку 32 с полым наконечником 34, снабженным полусферической поверхностью на свободном конце. Через равнорасположенные на полусферической поверхности наконечника 34 сквозные радиальные отверстия 35 газ направляют в разные области расширяющегося участка 11 канала 8, где турбулентно смешивают струи газа с воздухом, который предварительно подают в участок 11 канала 8 через завихрители 7 и 12. Кольцевой стабилизатор пламени 13 обеспечивает устойчивое горение ТВС вспомогательного контура в центральной зоне камеры сгорания 1, создавая очаг воспламенения для газообразного топлива основного контура. Когда воспламенитель удален от устройства, временно включают основной контур газообразного топлива.

Для перехода на режимы полной мощности при работающем вспомогательном контуре включают основной контур подачи газообразного топлива. Через магистраль 37, кольцевой коллектор 36 и радиальные сопловые отверстия 39 каждой газораздаточной трубки 38 газ направляют равномерно в канал 20 по его оси между смежными лопатками 19 завихрителя 18. Каналы 20 являются составными частями канала 14. Одновременно с входа 17 в каналы 20 направляют воздух, который смешивают с газом. Из каналов 20 лопаточного завихрителя 18 отдельные закрученные потоки смеси воздуха и газа подают в объединенный канал 14, где в нем обеспечивают общую закрутку ТВС в единый поток, направляют этот закрученный поток на конический экран 29 и далее на выход канала 14 устройства в кольцевую зону камеры сгорания 1.

Это техническое решение увеличивает число зон смешения ТВС и уменьшает их масштаб в завихрителе 18, добавляет следующую зону смешения ТВС за завихрителем 18 и еще одну зону смешения на экране 29, что уменьшает общую потребную длину канала 14. Следует отметить, что расположение радиальных сопловых отверстий 39 с постоянным шагом по оси газораздаточной трубки 38 вдоль ее нижней части, обращенной в сторону выхода межлопаточного канала 20, и смещение смежных сопловых отверстий 39 в шахматном порядке на постоянный угол α относительно поперечной оси трубки, совпадающей с осью межлопаточного канала 20, исключает слияние струй газа в зону обратных токов за трубкой 38 и позволяет получить близкое к однородному распределение потока ТВС на выходе канала 14. Последнее позволяет обеспечить создание гомогенной ТВС на выходе канала 14, которую далее направляют с внешней стороны на кольцевой стабилизатор пламени 13, где смесь поджигают обратными токами продуктов сгорания топлива вспомогательного контура и сжигают. Кольцевой стабилизатор пламени 13 обеспечивает устойчивое непрерывное горение ТВС как при автономной подаче газообразного топлива вспомогательного контура, так и при совместной подаче газообразного топлива вспомогательного и основного контуров в кольцевую зону камеры сгорания 1. Подготовка однородной ТВС газообразного топлива основного контура в межлопаточных каналах 20 и далее в объединенном канале 14 обеспечивает высокую эффективность горения и низкие выбросы NO_x в камере сгорания.

Предлагаемое устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в различные зоны камеры сгорания на жидких и газообразных углеводородных топливах уменьшает содержание вредных выбросов в продуктах сгорания без увеличения содержания в них окиси углерода, что не вызывает ухудшения экологического состояния окружающей среды и расширяет номенклатуру используемых видов топлив.

Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с нею воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенные относительно форсунки, связанный с ней через стенку воздушный внутренний сужающийся канал с острой кромкой на выходе и тангенциальным завихрителем на входе. Над воздушным внутренним каналом расположен воздушный средний канал, ограниченный наружной стенкой, состоящий из сужающегося и расширяющегося участков. На входе перед сужающимся участком расположен лопаточный завихритель, а на выходе - кольцевой стабилизатор пламени V-образной формы. Основной контур включает расположенный коаксиально над воздушным средним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы. На входе в наружный канал установлен завихритель воздуха с лопатками и каналами между ними. Снаружи на переднем диске закреплен кольцевой коллектор основного контура системы подачи жидкого топлива с магистралью подвода топлива и равнорасположенными по окружности осевыми струйными форсунками, вокруг которых в переднем диске выполнен воздушный кольцевой коллектор, сообщающийся сквозными отверстиями, соосными каждой форсунке, с воздушным наружным каналом. Воздушный коллектор также соединен с полостью воздушного среднего канала сквозными отверстиями в наружной стенке канала. Аксиальная форсунка вспомогательного контура жидкого топлива выполнена полой по оси и имеет кольцевой коллектор с радиальными наклонными отверстиями в ее стенке, сопряженной с воздушным внутренним каналом, выход которого расположен в зоне сужающегося участка воздушного среднего канала. Внутри воздушного наружного канала закреплен конический экран с острой кромкой на выходе. Наружная стенка воздушного среднего канала под экраном имеет ряд равнорасположенных по окружности сквозных отверстий, а сопла форсунок основного контура системы подачи жидкого топлива размещены напротив наружной поверхности экрана. Устройство также содержит систему подачи газообразного топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров. Вспомогательный контур включает размещенную в аксиальной форсунке жидкого топлива центральную форсунку газообразного топлива с магистралью его подвода, которая снабжена полым наконечником с наружной полусферической поверхностью на свободном конце и равнорасположенными на полусфере сквозными радиальными отверстиями. Свободный конец наконечника размещен в зоне расширяющегося участка воздушного среднего канала. Межлопаточные каналы делят воздушный наружный канал на входе на равные части. Основной контур системы подачи газообразного топлива включает кольцевой коллектор, который снабжен магистралью подачи газообразного топлива и соосно равнорасположенными по окружности газораздаточными трубками с сопловыми отверстиями. Каждая трубка размещена в начале отдельного межлопаточного канала по его оси. Изобретение обеспечивает эффективное использование одного устройства для подготовки и подачи в заданные зоны камеры сгорания топлив разных видов, а также снижение эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, содержащее систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с нею воздушных каналов, где вспомогательный контур включает аксиальную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенные относительно форсунки, связанный с ней через стенку воздушный внутренний сужающийся канал с острой кромкой на выходе и тангенциальным завихрителем на входе, расположенный над воздушным внутренним каналом воздушный средний канал, ограниченный наружной стенкой, состоящий из сужающегося и расширяющегося участков, с лопаточным завихрителем на входе перед сужающимся участком и кольцевым стабилизатором пламени V-образной формы на выходе, а основной контур включает расположенный коаксиально над воздушным средним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками в виде дисков и изнутри наружной стенкой воздушного среднего канала, которая скреплена с передним диском, притом на входе в наружный канал между дисками установлен завихритель воздуха с лопатками и каналами между ними, снаружи на переднем диске закреплен кольцевой коллектор основного контура системы подачи жидкого топлива с магистралью подвода топлива и равнорасположенными по окружности осевыми струйными форсунками, которые обращены в сторону воздушного наружного канала, при этом вокруг струйных форсунок в переднем диске выполнен воздушный кольцевой коллектор, сообщающийся сквозными отверстиями, соосными каждой форсунке с воздушным наружным каналом, причем воздушный коллектор также соединен с полостью воздушного среднего канала сквозными отверстиями в наружной стенке канала, отличающееся тем, что аксиальная форсунка вспомогательного контура жидкого топлива выполнена полой по оси и имеет кольцевой коллектор с радиальными наклонными отверстиями в ее стенке, сопряженной с воздушным внутренним каналом, выход которого расположен в зоне сужающегося участка воздушного среднего канала, внутри воздушного наружного канала в месте стыка переднего диска с наружной стенкой воздушного среднего канала закреплен конический экран с острой кромкой на выходе, причем наружная стенка воздушного среднего канала под экраном имеет ряд равнорасположенных по окружности сквозных отверстий, а сопла форсунок основного контура системы подачи жидкого топлива размещены напротив наружной поверхности экрана, кроме того, устройство содержит систему подачи газообразного топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, где вспомогательный контур включает размещенную в аксиальной форсунке жидкого топлива центральную форсунку газообразного топлива с магистралью его подвода, которая снабжена полым наконечником с наружной полусферической поверхностью на свободном конце и равнорасположенными на полусфере сквозными радиальными отверстиями, причем свободный конец наконечника размещен в зоне расширяющегося участка воздушного среднего канала, набор межлопаточных каналов завихрителя воздушного наружного канала является началом этого канала, причем межлопаточные каналы делят воздушный наружный канал на входе на равные части, а основной контур системы подачи газообразного топлива включает кольцевой коллектор, дополнительно закрепленный на переднем диске воздушного наружного канала, который снабжен магистралью подачи газообразного топлива и соосно равнорасположенными по окружности газораздаточными трубками с сопловыми отверстиями, где каждая трубка размещена в начале отдельного межлопаточного канала по его оси.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сопловые отверстия выполнены в стенке отдельной газораздаточной трубки радиальными, расположены с постоянным шагом по оси трубки вдоль ее нижней части, обращенной в сторону выхода отдельного межлопаточного канала, при этом смежные сопловые отверстия смещены в шахматном порядке на постоянный угол α от 30 до 60° относительно поперечной оси трубки, совпадающей с осью межлопаточного канала, причем площади сопловых отверстий уменьшаются по мере удаления от входа в трубку.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что длина воздушного наружного канала L-образной формы вдоль его оси составляет от 10 до 15 величин шага между смежными сопловыми отверстиями отдельной газораздаточной трубки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лопатки завихрителей воздушных среднего и наружного каналов направлены в одну сторону.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на заднем диске воздушного наружного канала по периферии выполнена наружная коническая обечайка, обращенная наружной кромкой в сторону переднего диска.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевой коллектор основного контура системы подачи газообразного топлива выполнен из двух полостей, соединенных между собой равномерно по окружности трубопроводами.