Форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя Российский патент 2018 года по МПК F02K3/10 F23D11/00 F23R3/20 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к турбореактивным двигателям (ТРДФ) с форсажной камерой сгорания.

Широко известна форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя, которая содержит корпус, подключенный к турбине, сопло, топливные или топливно-воздушные коллекторы, к которым подключены форсунки с распылителями («Основы конструирования авиационных двигателей, том 2. А.А. Иноземцев и другие. Стр. 131, рис. 7.3. 7 - система коллекторов и форсунок, стр. 133, рис. 7.4. 8 - топливные коллекторы с форсунками, стр. 139, рис. 7.11. 6 - топливные коллекторы). Известная камера принята за прототип.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) форсажных камер сгорания (к.с.) ТРДФ или ТРДДФ, как находящихся в эксплуатации, так и вновь выпускаемых в производстве, а также повышение экологичности путем снижения вредных выбросов СО, СН, NOx и твердых частиц (сажи) со сгоревшими газами турбореактивных двигателей. Повышение КПД форсажной к.с. позволит снизить расход топлива и вредные выбросы находящихся в эксплуатации ТРДФ и повысить тягу во вновь разрабатываемых ТРДФ.

Технический результат - повышение эффективности горения.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя содержит корпус, подключенный к турбине, сопло, топливные или топливно-воздушные коллекторы, к которым подключены форсунки с распылителями. В отличие от прототипа форсунки с распылителями снабжены микрозавихрителями, каждый микрозавихритель представляет собой конусообразный корпус форсунки с закруглениями небольшого радиуса R у основания конуса, расположенного вблизи распылителя, при этом форсунки с микрозавихрителем подключены за коллекторами по потоку воздуха так, что впрыснутое топливо или топливовоздушная смесь совпадает по направлению движения с потоком воздуха и продуктов сгорания за турбиной в форсажной к.с.

Направление впрыснутого топлива или топливно-воздушной смеси навстречу или поперек потока у прототипов вызывает неполное сгорание заряда (смеси топлива, воздуха и продуктов сгорания) при маневрировании самолета, т.к. разница в удельной массе по объему топлива и воздуха с продуктами сгорания вызывает смещение топлива от оси форсажной к.с., большая разница коэффициентов избытка воздуха в поперечном сечении форсажной к.с. вызывает появление сажи в реактивном потоке за самолетом. Повышение скорости сгорания заряда при генерировании микровихрей в потоке исключает неполноту сгорания заряда и выброс сажи из самолета. Кроме того, снижается гидравлическое сопротивление потоку в форсажной камере. В отдельных случаях у основания конуса корпуса форсунки выполнен цилиндрический поясок распылителя для удаления зоны распыла топлива от зоны генерирования микровихрей и улучшения распыла топлива.

Технический результат достигается следующим образом.

Форсунка с распылителем снабжена микрозавихрителем для генерирования микровихрей путем срыва потока за турбиной с закругленных кромок основания конуса корпуса форсунки. Наличие микровихрей в потоке за турбиной обеспечивает при впрыске топлива скоростное тепловыделение (сгорание), вследствие чего температура и давление продуктов горения в форсажной к.с. повышаются больше, чем в крупномасштабном турбулентном потоке без микровихрей. Это приводит к повышению эффективности горения и, как следствие, к повышению КПД и тяги.

Сущность изобретения поясняют чертежи.

На фиг. 1 - топливные или топливовоздушные коллекторы форсажной камеры сгорания с подключенными форсунками.

На фиг. 2 изображено сечение А-А на фиг. 1 с форсункой, у основания которой расположен распылитель с пояском.

На фиг. 3 изображено сечение А-А на фиг. 1 с форсункой, у основания которой расположен распылитель без пояска.

Форсажная к.с. состоит из корпуса и сопла (не изображены), топливного или топливовоздушного коллектора 1 с форсунками 2, имеющими распылители 3 и конусные микрозавихрители 4, которые устанавливаются перед распылителем 3. Микрозавихритель 4 имеет коническую часть 5 и радиус закругления R конической части у основания конуса 6 (фиг. 1 и фиг. 3). В отдельных случаях у основания конуса корпуса форсунки выполнен цилиндрический поясок 7 распылителя.

Форсажная к.с. работает следующим образом.

После включения режима форсажа давление в топливном или топливовоздушном коллекторе 1 повышается и топливо или топливовоздушная смесь впрыскивается в форсажную к.с. через распылитель 3 форсунки 2. Скоростной поток воздуха и продуктов горения за турбиной огибает конусообразный корпус форсунки 2, происходит срыв потока с закругленных кромок радиусом R у основания конуса 6 микрозавихрителей 4. У основания конуса 6 генерируются микровихри, имеющие вращательное и поступательное движение и образующие конус распыла. В зоне конуса распыла смеси воздуха и продуктов горения топливо, впрыснутое через распылители 3 форсунки 2, интенсивно смешивается со смесью воздуха и продуктов горения.

Происходит скоростной подвод кислорода, находящегося в смеси воздуха и продуктов горения, к частицам распыленного топлива. Наличие микровихрей в потоке за турбиной обеспечивает при впрыске топлива скоростное тепловыделение (сгорание), вследствие чего температура и давление продуктов горения в форсажной к.с. повышаются больше, чем в крупномасштабном турбулентном потоке без микровихрей (доказано испытателями в дизелях, в которых горение происходит при постоянном давлении, как и в основной, и форсажной камерах сгорания ТРДФ, что наличие скоростных микровихрей во вращающемся потоке заряда в к.с. дизеля настолько повышает скорость тепловыделения, что расход топлива на минимальных оборотах холостого хода понижается в 1,5 раза по сравнению с крупномасштабным вращающимся потоком воздуха без микровихрей. При повышении оборотов дизеля эффект повышения кпд снижается. Также доказано испытаниями одноцилиндрового бензинового двигателя УМ3-341А на ПАО «УМПО»).

Таким образом, генерирование микровихрей форсажной к.с. повышает кпд форсажной к.с. Повышение кпд в форсажной к.с. может быть использовано для повышения тяги во вновь разрабатываемых ТРДФ или для снижения расхода топлива и выброса СО, СН, NOx и сажи в модернизируемых форсажных к.с., находящихся в ремонте или в эксплуатации ТРДФ. У находящихся в ремонте ТРДФ форсажная к.с. модернизируется за счет установки топливных или топливовоздушных коллекторов с корпусом форсунок, выполненных в форме конусообразных микрозавихрителей, а регулировка топливной аппаратуры форсажа производится для получения тяги, установленной для данного типа ТРДФ.

Во вновь разрабатываемых форсажных к.с. повышение тяги может быть достигнуто экранированием корпуса в зоне максимальной температуры из более термостойкого материала или изготовлением сопел ТРДФ и внутреннего корпуса форсажной камеры сгорания из более термостойкой стали, а также более эффективным охлаждением внутреннего корпуса форсажной камеры сгорания. Во всех случаях модернизации форсажных к.с. направление впрыска топлива должно совпадать с направлением потока воздуха и горячих газов в форсажной к.с.

Предложенное изобретение позволяет при незначительном изменении технологии изготовления форсунок добиться дешевой модернизации форсажных к.с. ТРДФ для повышения их кпд и существенного снижения выбросов в атмосферу дыма, СО, СН, NOx. Кроме того, возникает возможность уменьшить длину форсажной к.с., т.е. снизить массу и затраты на изготовление ТРДФ.

Форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя содержит корпус, подключенный к турбине, сопло, топливные или топливно-воздушные коллекторы, к которым подключены форсунки с распылителями. Форсунки с распылителями снабжены микрозавихрителями. Каждый из микрозавихрителей представляет собой конусообразный корпус форсунки с закруглениями небольшого радиуса R у основания конуса, расположенного вблизи распылителя. Форсунки с микрозавихрителем подключены за коллекторами по потоку воздуха так, что впрыснутое топливо или топливовоздушная смесь совпадает по направлению движения с потоком воздуха и продуктов сгорания за турбиной в форсажной камере сгорания. У основания конуса корпуса форсунки выполнен цилиндрический поясок распылителя. Изобретение позволяет снизить выбросы вредных веществ в атмосферу и уменьшить длину форсажной камеры сгорания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Форсажная камера сгорания турбореактивного двигателя, содержащая корпус, подключенный к турбине, сопло, топливные или топливно-воздушные коллекторы, к которым подключены форсунки с распылителями, отличающаяся тем, что форсунки с распылителями снабжены микрозавихрителями, каждый микрозавихритель представляет собой конусообразный корпус форсунки с закруглениями небольшого радиуса R у основания конуса, расположенного вблизи распылителя, при этом форсунки с микрозавихрителем подключены за коллекторами по потоку воздуха так, что впрыснутое топливо или топливовоздушная смесь совпадает по направлению движения с потоком воздуха и продуктов сгорания за турбиной в форсажной камере сгорания.

2. Форсажная камера сгорания ТРДФ по п. 1, отличающаяся тем, что у основания конуса корпуса форсунки выполнен цилиндрический поясок распылителя.