Топливовоздушная форсунка Российский патент 2022 года по МПК F23D14/02 F23R3/14 

Предлагаемое изобретение предназначено для сжигания газа в тепло вырабатывающих устройствах относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей.

По патенту на изобретение известно горелочное устройство (патент RU №2370702, МПК F23D 14/02), в котором тепловая мощность горелочного устройства регулируется подбором сопел с различными диаметрами отверстий.

Основным недостатком указанного устройства является отсутствие возможности регулировки расхода воздуха проходящего через горелочное устройство.

По патенту на изобретение РФ №2493490 известна одноконтурная горелка, которая содержит завихритель, в полых лопатках которого выполнены отверстия подвода газа в межлопаточные полости завихрителя, сопло, пустотелый корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа к сменной дроссельной шайбе, расположенной внутри корпуса, и далее к полым лопаткам завихрителя.

Характерными недостатками данного устройства являются узкие области запуска и устойчивого горения.

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением, как по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно, известна также газовоздушная форсунка (горелка) камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ, содержащая корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель с установленными под углом 45 градусов лопатками, смесительную в виде конуса втулку, пустотелый корпус форсунки содержащий внутренний канал с установленным шнеком и дроссельной шайбой, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой, шлицевую гайку с ушютнительными кольцами, для крепления горелки к газораспределительному устройству, дросселирующую шайбу (см. Двигатель НК-16-18СТ. Серия 2. «Руководство по технической эксплуатации». Стр. 126). Основными недостатками данного технического решения указанной форсунки (горелки):

Не надежность запуска и устойчивого горения камеры сгорания из-за малой длины смесительной втулки.

Низкая полнота сгорания топлива в следствие формирования приосевой закрученной шнеком струи топлива.

Низкое качество смешения топлива с воздухом из-за формирования приосевой закрученной шнеком струи газа и малой длины смесительной втулки.

Не обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из смесительной втулки.

Отсутствие возможности регулировки расхода воздуха через завихритель, так как предусмотрена дросселирующая шайба одного диаметра.

Завышение концентрации выбросов оксида азота в продуктах сгорания (более 150 мг/м³) из-за высокой температуры на выходе из форсунки, так как по соотношению воздуха и топлива формируется «богатая» топливовоздушная смесь.

Низкая надежность работы форсунки, так как высокотемпературные тепловые потоки взаимодействуют с форсункой и газораспределительным устройством в которое она устанавливается что приводит к его перегреву и оплавлению кромок смесительных втулок.

Указанные выше недостатки в совокупности не позволяют реализовать цели, поставленные в заявленном решении, т.е.;

- не обеспечивает надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания,

- не обеспечивает высокой полноты сгорания топлива,

- не обеспечивается качество смешения топлива с воздухом,

- не обеспечивается возможности регулировки расхода воздуха через завихритель

- не исключают высокую неравномерность температуры на выходе из смесительной втулки,

- не обеспечивают снижение концентрации выбросов вредных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота,

- не обеспечивают высокой надежности работы форсунки.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно;

- обеспечение надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания.

- повышение полноты сгорания топлива,

- обеспечение возможности регулировки расхода воздуха через завихритель

- обеспечение высокого качества смешения топлива с воздухом,

- обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из форсунки,

- снижение выбросов вредных загрязняющих веществ,

- обеспечение высокой надежности работы форсунки.

Сущностью заявленного технического решения является, что, топливовоздушная форсунка, содержащая корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель, смесительную втулку, корпус форсунки содержащий внутренний канал, уплотнительные кольца, дросселирующую шайбу, корончатую гайку.

Предложенная форсунка характеризуется некоторыми конструктивными особенностями: смесительная втулка имеет конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе, во внутренний канал корпуса форсунки установлен распылитель с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки, в полости распылителя расположен жиклер, предусмотрена возможность подбора шайбы дросселирующей необходимого наружного диаметра.

Таким образом, поставленная задача в целом достигается тем, что

Для обеспечения надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания исполнением смесительной втулки имеющей конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе, что позволяет перемешать топливо с воздухом и увеличить объем зоны обратных токов за форсункой.

Для повышения полноты сгорания в корпус завихрителя установлен распылитель с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки для выхода струй топлива в закрученную завихрителем струю воздуха, что позволяет заполнить топливом все пространство конуса смесительной втулки, вследствие чего обеспечивается высокая полнота сгорания топлива.

Обеспечение высокого качества смешения топлива с воздухом достигается за счет смесительной втулки имеющей конус с переходом на удлиненный цилиндр (Lсм.вт./D см.вт.=1…1.3) с фаской на выходе и установкой распылителя с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки, длина втулки и подаваемые под углом струи газа позволяют обеспечить на выходе из форсунки хорошо подготовленную топливновоздушную смесь.

Обеспечение возможности регулировки расхода воздуха через завихритель, за счет подбора шайбы дросселирующей необходимого наружного диаметра Dш.

Обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из смесительной втулки, достигается за счет обеспечения оптимального соотношения воздуха и топлива, что обеспечивается возможностью подбора шайбы дросселирующей необходимого наружного диаметра для соблюдения условия, что площадь завихрителя с установленной шайбой равна площади выходного отверстия смесительной втулки Fзав=Fсм.вт.

Снижение выбросов вредных загрязняющих веществ (оксидов азота) осуществляется за счет совокупности технических решений по установке распылителя с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки и того, что лопатки завихрителя выполнены с возможностью установки под углом 30, 45, 60 градусов, в результате чего снижается температура в зоне горения, снижается время пребывания газов в зоне горения и уменьшается концентрация оксидов азота.

Обеспечение высокой надежности работы форсунки осуществляется исполнением смесительной втулки имеющей конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе, что позволяет отодвинуть фронт пламени от места установки форсунки в газораспределительном устройстве и избежать его перегрева и перегрева смесительной втулки.

Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из исследованного заявителем уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизны» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом:

Фиг. 1 - общий вид форсунки, продольный разрез.

Топливовоздушная форсунка (фиг. 1), содержащая корпус завихрителя (1) включающего лопаточный завихритель (3), смесительную втулку (4), корпус форсунки (2) содержащий внутренний канал, уплотнительные кольца (11), дросселирующую шайбу (7), корончатую гайку (10).

Заявленная газовоздушная характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, смесительная втулка (4) имеет конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе (9), в корпусе завихрителя (1) установлен распылитель (5) в полости распылителя расположен жиклер (6) с отверстиями (8) расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки, лопатки завихрителя выполнены с возможностью установки под углом 30, 45, 60 градусов, шайба дросселирующая (7) подборная с различными наружными диаметрами.

Основываясь на изложенном выше представляется возможным сделать выводы о достижении заявленных целей, а именно:

Для обеспечения надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания исполнением смесительной втулки имеющей конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе, что позволяет перемешать топливо с воздухом и увеличить объем зоны обратных токов за форсункой.

Для повышения полноты сгорания в корпус завихрителя установлен распылитель с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки для выхода струй топлива в закрученную завихрителем струю воздуха, что позволяет заполнить топливом все пространство конуса смесительной втулки, вследствие чего обеспечивается высокая полнота сгорания топлива.

Обеспечение высокого качества смешения топлива с воздухом достигается за счет смесительной втулки имеющей конус с переходом на удлиненный цилиндр (Lсм.вт./Dсм.вт.=1…1.3) с фаской на выходе и установкой распылителя с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки, длина втулки и подаваемые под углом струи газа позволяют обеспечить на выходе из форсунки хорошо подготовленную топливновоздушную смесь.

Обеспечение возможности регулировки расхода воздуха через завихритель, за счет подбора шайбы дросселирующей необходимого наружного диаметра Dш.

Обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из смесительной втулки, достигается за счет обеспечения оптимального соотношения воздуха и топлива, что обеспечивается возможностью подбора шайбы дросселирующей необходимого наружного диаметра для соблюдения условия, что площадь завихрителя с установленной шайбой равна площади выходного отверстия смесительной втулки Fзав=Fсм.вт. Снижение выбросов вредных загрязняющих веществ (оксидов азота) осуществляется за счет совокупности технических решений по установке распылителя с отверстиями расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки и того, что лопатки завихрителя выполнены с возможностью установки под углом 30, 45, 60 градусов, в результате чего снижается температура в зоне горения, снижается время пребывания газов в зоне горения и уменьшается концентрация оксидов азота.

Обеспечение высокой надежности работы форсунки осуществляется исполнением смесительной втулки имеющей конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе, что позволяет отодвинуть фронт пламени от места установки форсунки в газораспределительном устройстве и избежать его перегрева и перегрева смесительной втулки.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение обеспечивает в целом более эффективное использование по назначению, то есть заявленное техническое решение обеспечивает за счет внесения конструктивных изменений в конструкцию газовоздушной форсунки их более эффективное использование в качестве приспособления для сжигания газа в тепло вырабатывающих устройствах относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, а именно: надежного запуска и устойчивого горения камеры сгорания, повышения полноты сгорания, обеспечения высокого качества смешения топлива с воздухом, обеспечения минимальной неравномерности температуры на выходе из форсунки, снижения выбросов вредных загрязняющих веществ и высокой надежности работы.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости на стандартном оборудовании в АО «КМПО» с применением современных материалов и технологий.

Поток воздуха (Фиг. 1.) движется через лопатки завихрителя (3), топливный газ поступает в отверстие корпуса форсунки и попадает во внутренний канал корпуса форсунки (2), затем пройдя через жиклер (6) выходит в отверстия распылителя (8). Топливо прошедшее через отверстия (8) в распылителе (5) смешивается с воздухом подаваемым через лопатки завихрителя (3). Полученная топливновоздушная смесь попадает во внутреннюю полость смесительной втулки (4) имеющей удлиненную цилиндрическую форму с фаской (9) на выходе и выходит из нее с увеличенной скоростью.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для сжигания газа в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Предложена топливовоздушная форсунка, содержащая корпус 1 завихрителя включающего лопаточный завихритель 3, смесительную втулку 4, корпус форсунки 2, содержащий внутренний канал, уплотнительные кольца 11, дросселирующую шайбу 7, корончатую гайку 10. Смесительная втулка 4 имеет конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе 9, во внутренний канал корпуса форсунки 2 установлен распылитель 5 с отверстиями 8, расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки, в полости распылителя 5 расположен жиклер 6, предусмотрена возможность подбора шайбы дросселирующей 7 необходимого наружного диаметра для регулировки расхода воздуха через завихритель 3. Лопатки завихрителя 3 выполнены с возможностью установки под углом 30, 45, 60 градусов. Техническое решение позволяет обеспечить надежный запуск и устойчивое горение в камере сгорания, повысить качество смешивания топлива с воздухом и полноту сгорания топлива, снизить выбросы вредных веществ и повысить надежность работы устройства. 1 ил.

Топливовоздушная форсунка, содержащая корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель, смесительную втулку, корпус форсунки, содержащий внутренний канал, уплотнительные кольца, дросселирующую шайбу, корончатую гайку, отличающаяся тем, что смесительная втулка имеет конус с переходом на удлиненный цилиндр с фаской на выходе, во внутренний канал корпуса форсунки установлен распылитель с отверстиями, расположенными под углом 45 градусов от оси форсунки, в полости распылителя расположен жиклер, предусмотрена возможность подбора шайбы дросселирующей необходимого наружного диаметра для регулировки расхода воздуха через завихритель, лопатки завихрителя выполнены с возможностью установки под углом 30, 45, 60 градусов.