ФОРСУНОЧНЫЙ МОДУЛЬ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД Российский патент 2012 года по МПК F23D11/10 F23R3/38 

Изобретение относится к устройствам для подготовки перед сжиганием и подачи топливовоздушной смеси в камеры сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) различного назначения.

Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO_x), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании низкоэмиссионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация подачи в камеру топливовоздушных смесей с достижением устойчивого горения.

Серьезной проблемой у газотурбинных двигателей также является незапуск камеры сгорания в земных и высотных условиях. Так как на режимах запуска давление подачи топлива оказывается сравнительно низким (0,5-1,5 атм), то обеспечить хороший распыл топлива и соответственно запуск камеры сложно. Кроме того, повышение давления и температуры воздуха за компрессором в современных ГТД приводит к уменьшению размеров камер сгорания, в частности размеров форсунок, что уменьшает расход воздуха через форсунку.

Известна топливная форсунка фирмы J.Lucas (патент ФРГ №2026883, F23D 11/10, 16.12.1971), устанавливаемая в воздушном потоке на пилоне. Топливо в форсунку подается по каналам в установочном пилоне и каналу между оболочками корпуса форсунки к лопаткам завихрителя воздуха. Далее топливо по каналам в задних кромках лопаток подается в воздушный поток перпендикулярно поверхности лопаток. Воздух проходит внутрь форсунки и при обтекании лопаток завихрителя смешивается с топливом в вихревой зоне за завихрителем. Такая конструкция форсунки позволяет распылять топливо при низких давлениях подачи топлива и малых расходах воздуха. Однако для эффективного распыла струи топлива требуется большая длина зоны смешения топлива с воздухом.

Известно устройство для камер сгорания ГТД (патент США №4155220, F02C 7/22, 22.05.1979). Устройство предназначено для тщательного смешения распыленного топлива с закрученным на выходе форсунки потоком воздуха. Устройство имеет отверстия и каналы для пуска воздуха в форсунке. Одну часть воздуха направляют в осевом направлении, а другую часть - касательно к оси на выходе форсунки, чтобы не было дыма и на поверхности форсунки не откладывалась сажа. Топливо подается от оси к периферии, что позволяет максимально утончить пленку жидкости из-за роста диаметра пелены. Это улучшает распыл топлива и увеличивает зону обратных токов на оси форсунки. Однако по оси форсунки нет подвода воздушного потока, что не позволяет гарантировать на режимах запуска и малого газа раскрытие топливной пелены. Это приводит к образованию обогащенных топливом зон, имеющих повышенную выработку веществ, загрязняющих атмосферу.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является устройство для вихревого распыла жидкости (патент США №3608831, B05b 7/10, 28.09.1971, фиг.5, 6). Изобретение относится, например, к устройствам для распыла топлива в горелках ГТД. Устройство содержит корпус с каналом подвода топлива и цилиндрическим отверстием, втулку с центральным воздушным каналом, ограниченным соплом с торцевой кромкой на выходе и наружной кольцевой канавкой, внутренний лопаточный завихритель воздуха и узел впрыска топлива. Втулка размещена в отверстии корпуса. Внутренний завихритель воздуха расположен по оси в воздушном канале втулки. Между отверстием корпуса и наружной поверхностью втулки образована кольцевая полость, сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива. Узел впрыска топлива выполнен в виде дозирующих отверстий во втулке и топливного сопла с торцевой кромкой на выходе отверстия корпуса. Торцевая кромка воздушного сопла заглублена относительно торцевой кромки топливного сопла.

Устройство обеспечивает хороший распыл топлива в широком диапазоне давления топлива и расхода воздуха. Однако лопаточный завихритель воздуха, установленный на выходе центрального воздушного канала, загромождает канал в его узком сечении, что уменьшает степень заполнения канала воздухом. Использование лопаточного завихрителя воздуха не позволяет максимально повысить степень закрутки воздушного потока, что могло бы улучшить смесеобразование топлива с воздухом, улучшить стабилизацию пламени и пусковые характеристики устройства, исключить проскок пламени в модуль и стабилизацию пламени в следах за лопатками.

В основу изобретения положены задачи достижения высокого качества распыливания жидкого топлива для обеспечения повышения степени гомогенизации топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов работы двигателя при запуске камеры сгорания в земных и высотных условиях, а также исключение проскока пламени в центральный воздушный канал и стабилизацию пламени за лопатками завихрителя.

Поставленные задачи для форсуночного модуля камеры сгорания ГТД решаются тем, что модуль содержит корпус, втулку, внутренний завихритель воздуха и узел впрыска топлива. Корпус выполнен с каналом подвода топлива и отверстием. Втулка выполнена с центральным воздушным каналом, ограниченным соплом с торцевой кромкой на выходе и наружной кольцевой канавкой. Втулка размещена в отверстии корпуса. Внутренний завихритель воздуха расположен по оси в воздушном канале втулки. Между отверстием корпуса и наружной поверхностью втулки образована кольцевая полость, сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива. Узел впрыска топлива выполнен в виде дозирующих отверстий во втулке и топливного сопла с торцевой кромкой на выходе отверстия корпуса, при этом торцевая кромка воздушного сопла заглублена относительно торцевой кромки топливного сопла.

Новым в изобретении является то, что модуль дополнительно содержит внешний лопаточный завихритель воздуха, расположенный на корпусе коаксиально центральному воздушному каналу. Торец центрального воздушного канала на входе заглушен. Внутренний завихритель воздуха размещен в начале центрального воздушного канала втулки и образован тангенциальными каналами. Корпус и втулка соединены между собой резьбой, а в зоне узла впрыска топлива сопряжены между собой по конусным суживающимся поверхностям. Дозирующие топливные отверстия выполнены на конической поверхности втулки в виде спиральных канавок. Заглубление кромки воздушного сопла относительно кромки топливного сопла в прямоугольной системе координат на плоскости определяют из соотношения:

Х=Yctgφ,

где Х - углубление выходной кромки воздушного сопла относительно выходной кромки топливного сопла по оси абсцисс;

Y - расстояние между выходной кромкой воздушного сопла и выходной кромкой топливного сопла по оси ординат;

φ - расчетный угол раскрытия центрального воздушного потока на выходе из канала.

При таком устройстве форсуночного модуля камеры сгорания ГТД:

- добавление в модуль дополнительного внешнего лопаточного завихрителя воздуха, расположенного на корпусе коаксиально центральному воздушному каналу, обеспечивает ограничение разлета капель топлива, отбрасываемых воздухом из центрального канала на периферию факела;

- глушение на входе торца центрального воздушного канала и размещение в начале канала внутреннего завихрителя воздуха, образованного тангенциальными каналами, позволяет увеличить степень закрутки потока, исключить проскок и стабилизацию пламени в следах за лопатками модуля, увеличить на оси форсунки зону обратных токов продуктов сгорания и расширить тем самым область запуска камеры сгорания в земных и высотных условиях;

- соединение корпуса и втулки между собой резьбой, а в зоне узла впрыска топлива сопряжение их между собой по конусным суживающимся поверхностям обеспечивает исключение несанкционированного подтекания топлива, лучшую закрутку и равномерность распределения топлива;

- выполнение дозирующих топливных отверстий на конической поверхности втулки в виде спиральных канавок обеспечивает закрутку потока жидкого топлива;

- определение заглубления на выходе кромки воздушного сопла относительно кромки топливного сопла в прямоугольной системе координат на плоскости по соотношению:

Х=Yctgφ,

где Х - углубление выходной кромки воздушного сопла относительно выходной кромки топливного сопла по оси абсцисс;

Y - расстояние между выходной кромкой воздушного сопла и выходной кромкой топливного сопла по оси ординат;

φ - расчетный угол раскрытия центрального воздушного потока на выходе из канала,

позволяет сформировать сплошную топливную пелену, обеспечить ее доставку в зону дробления между двумя закрученными потоками воздуха и повысить степень перемешивания, т.е. гомогенизацию смеси.

Развитие и уточнение совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев выполнения форсуночного модуля дано далее.

Суммарная площадь тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха должна составлять 1,2 площади центрального воздушного сопла.

Тангенциальные каналы завихрителя воздуха могут быть выполнены цилиндрическими.

Тангенциальные каналы завихрителя воздуха могут быть выполнены прямоугольными.

Закрутка тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха, лопаток внешнего завихрителя воздуха и спиральных канавок топливного завихрителя должна быть выполнена в одном направлении.

Выполнение суммарной площади тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха, составляющей 1,2 площади центрального воздушного сопла, позволяет достичь наибольшего коэффициента заполнения сопла для данной конструкции при небольших потерях в величине закрутки потока на выходе и таким образом обеспечить максимальный расход воздуха по центральному каналу.

Выполнение тангенциальных каналов завихрителя воздуха цилиндрическими обеспечивает большую технологичность изготовления форсунки.

Выполнение тангенциальных каналов завихрителя воздуха прямоугольными обеспечивает уменьшение поперечных габаритов форсунки.

Выполнение закрутки тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха, лопаток внешнего завихрителя воздуха и спиральных канавок топливного завихрителя в одном направлении обеспечивает наилучшее дробление пленки топлива и перемешивание топливовоздушной смеси.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи.

Получено высокое качество распыливания жидкого топлива для обеспечения повышения степени гомогенизации топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов работы двигателя при запуске камеры сгорания в земных и высотных условиях. Исключен проскок пламени в центральный воздушный канал и стабилизация пламени за лопатками завихрителя.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции форсуночного модуля камеры сгорания ГТД и способа его работы со ссылкой на чертеж, где изображен продольный разрез модуля.

Форсуночный модуль камеры сгорания 1 ГТД содержит корпус 2, втулку 3, внутренний завихритель 4 воздуха и узел впрыска топлива. Корпус 2 имеет канал 5 подвода топлива и цилиндрическое отверстие 6. Втулка 3 имеет центральный воздушный канал 7, ограниченный соплом 8 с торцевой кромкой 9 на выходе и наружной кольцевой канавкой 10. Втулка 3 размещена в отверстии 6 корпуса 2. Внутренний завихритель 4 воздуха расположен по оси в начале воздушного канала 7 втулки 3 и образован тангенциальными каналами. Причем между отверстием 6 корпуса 2 и наружной поверхностью втулки 3 образована кольцевая полость 11, сообщающаяся на входе с каналом 5 подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива. Узел впрыска топлива модуля в камеру сгорания 1 выполнен в виде дозирующих отверстий 12 во втулке 3 и топливного сопла 13 с торцевой кромкой 14 на выходе отверстия 6 корпуса 1. При этом торцевая кромка 9 воздушного сопла 8 заглублена относительно торцевой кромки 14 топливного сопла 13. Модуль дополнительно содержит внешний лопаточный завихритель 15 воздуха, расположенный на корпусе 2 коаксиально центральному воздушному каналу 7. Торец 16 центрального воздушного канала 7 на входе заглушен. Внутренний завихритель 4 воздуха размещен в начале центрального воздушного канала 7 втулки 3 и образован тангенциальными каналами 17. Корпус 2 и втулка 3 соединены между собой резьбой 18, а в зоне узла впрыска топлива сопряжены между собой по конусным суживающимся поверхностям 19 и 20 соответственно. Дозирующие топливные отверстия 12 выполнены на конической поверхности 20 втулки 3 в виде спиральных канавок. Заглубление кромки 9 воздушного сопла 8 относительно кромки 14 топливного сопла 13 в прямоугольной системе координат на плоскости определяют из соотношения, рассмотренного на странице 4.

Следует отметить, что суммарная площадь тангенциальных каналов 17 внутреннего завихрителя воздуха составляет 1,2 площади центрального воздушного сопла 8. Тангенциальные каналы 17 завихрителя 4 воздуха могут быть выполнены цилиндрическими или прямоугольными. Закрутка тангенциальных каналов 17 внутреннего завихрителя 4 воздуха, лопаток внешнего завихрителя 15 воздуха и спиральных канавок 12 топливного завихрителя выполнена в одном направлении.

Работа форсуночного модуля камеры сгорания ГТД осуществляется следующим образом. Топливо подают в форсунку через подводной канал 5. В кольцевой полости 11 топливо равномерно распределяют по окружности. Из полости 11 через спиральные канавки 12 во втулке 3 топливо подают в коническое сопло 13. Одновременно воздух от набегающего потока вводят в тангенциальные каналы 17 завихрителя 4. Закрученный в тангенциальных каналах 17 воздух подают в канал 7 и далее на выход из втулки 3 через сопло 8. Срываясь с кромки 9 сопла 8, воздух расширяется и прижимает закрученный поток топлива к кромке 14 сопла 13. Это обеспечивает наилучший распыл топлива. Причем внешний поток воздуха из завихрителя 15 ограничивает разлет капель топливовоздушной смеси за границу факела и улучшает перемешивание топлива с воздухом (повышает степень гомогенизации) за счет подвода большого объема воздуха. Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляют от источника зажигания, установленного в камере сгорания 1 (не показано).

Форсуночный модуль камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус с каналом подвода топлива с отверстием, втулку с центральным воздушным каналом и наружной кольцевой канавкой, внутренний завихритель воздуха и узел впрыска топлива. Воздушный канал ограничен соплом с торцевой кромкой на выходе втулки. Втулка размещена в отверстии корпуса. Внутренний завихритель воздуха размещен в начале центрального воздушного канала втулки и образован тангенциальными каналами. Между отверстием корпуса и наружной поверхностью втулки образована кольцевая полость, сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива. Узел впрыска топлива выполнен в виде дозирующих отверстий во втулке и топливного сопла с торцевой кромкой на выходе отверстия корпуса. Форсуночный модуль дополнительно содержит внешний лопаточный завихритель воздуха, расположенный на корпусе коаксиально центральному воздушному каналу. Торец центрального воздушного канала на входе заглушен. Корпус и втулка соединены между собой резьбой, а в зоне узла впрыска топлива сопряжены между собой по конусным суживающимся поверхностям. Дозирующие топливные отверстия выполнены на конической поверхности втулки в виде спиральных канавок. Торцевая кромка воздушного сопла заглублена относительно торцевой кромки топливного сопла. Изобретение позволяет достигнуть высокого качества распыливания топлива для обеспечения повышения степени гомогенизации топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов работы двигателя. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Форсуночный модуль камеры сгорания ГТД, содержащий корпус с каналом подвода топлива и отверстием, втулку с центральным воздушным каналом, ограниченным соплом с торцевой кромкой на выходе и наружной кольцевой канавкой, внутренний завихритель воздуха и узел впрыска топлива, где втулка размещена в отверстии корпуса, внутренний завихритель воздуха расположен по оси в воздушном канале втулки, причем между отверстием корпуса и наружной поверхностью втулки образована кольцевая полость сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива, выполненным в виде дозирующих отверстий во втулке и топливного сопла с торцевой кромкой на выходе отверстия корпуса, при этом торцевая кромка воздушного сопла заглублена относительно торцевой кромки топливного сопла, отличающийся тем, что модуль дополнительно содержит внешний лопаточный завихритель воздуха, расположенный на корпусе коаксиально центральному воздушному каналу, торец центрального воздушного канала на входе заглушен, внутренний завихритель воздуха размещен в начале центрального воздушного канала втулки и образован тангенциальными каналами, корпус и втулка соединены между собой резьбой, а в зоне узла впрыска топлива сопряжены между собой по конусным суживающимся поверхностям, дозирующие топливные отверстия выполнены на конической поверхности втулки в виде спиральных канавок, причем заглубление кромки воздушного сопла относительно кромки топливного сопла в прямоугольной системе координат на плоскости определяют из соотношения:
X=Yctgφ,
где Х - углубление выходной кромки воздушного сопла относительно выходной кромки топливного сопла по оси абсцисс;
Y - расстояние между выходной кромкой воздушного сопла и выходной кромкой топливного сопла по оси ординат;
φ - расчетный угол раскрытия центрального воздушного потока на выходе из канала.

2. Форсуночный модуль по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха составляет 1, 2 площади центрального воздушного сопла.

3. Форсуночный модуль по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные каналы завихрителя воздуха выполнены цилиндрическими.

4. Форсуночный модуль по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные каналы завихрителя воздуха выполнены прямоугольными.

5. Форсуночный модуль по п.1, отличающийся тем, что закрутка тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха, лопаток внешнего завихрителя воздуха и спиральных канавок топливного завихрителя выполнена в одном направлении.