ВИХРЕВОЙ ФОРСУНОЧНО-ГОРЕЛОЧНЫЙ МОДУЛЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F23R3/34 

Изобретение предназначено для организации и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей энергетического применения.

Известно горелочное устройство камер сгорания (RU 2170391 С1 10.07.2001 МПК F23R 3/14, д.п. 10.07.2001) которое относится к камерам сгорания газотурбинных установок. Горелочное устройство содержит вспомогательную центральную горелку диффузионного типа, отделанную со стороны горения от основной кольцевым экраном, лопаточный завихритель с полыми лопатками, у которых во внешнем ярусе выполнены щели для раздачи топлива. Лопатки внутреннего яруса лопаточного завихрителя выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Отношение площадей щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным.

Недостатком данного устройства является неравномерное распределение компонентов смеси в области воспламенения, что может свидетельствовать об образовании локальных областей с высокими значениями температуры.

Известно устройство для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине (RU 2324117 С1 10.05.2008 МПК F23R 3/42, F23D 17/00, д.п. 10.05.2008 г.), которое предназначено для эффективного и экологичного сжигания газообразного и/или жидкого топлива и может быть использовано в энергетических установках. Устройство содержит жаровую трубу с коническим входным диффузором, цилиндрической средней частью и сужающейся выходной частью, установленные последовательно перед входом камеры сгорания устройства подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность охлаждения жаровой трубы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является топливовоздушная горелка и форсуночный модуль топливовоздушной горелки (RU 2698621 С1 28.08.2019 СПК F23D 14/02 (2019.05), д. п. 28.08.2019 г.), предназначенные для сжигания газа в тепловырабатывающих устройствах. Устройство содержит завихритель, в полых лопатках которого выполнены отверстия подвода газа в межлопаточные полости, сопло, форсуночный модуль, включающий в себя пустотелый корпус.

Недостатком наиболее близкой конструкции являются высокие потери давления при прохождении потоком топлива завихрителей; низкое качество гомогенизации компонентов топливовоздушной смеси; возможность перемещения пламени вверх по потоку в пограничном слое; низкая равномерность коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла.

Техническим результатом изобретения является снижение потерь давления топлива на выходе из центральной форсунки и в области отверстий подвода газа; повышение качества гомогенизации топливовоздушной смеси; исключение возможности перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое; повышение равномерности коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла.

Технический результат достигается тем, что вихревой форсуночно-горелочный модуль (ВФГМ) предварительного смешения содержащий втулку и центральную форсунку, имеющую систему профилированных топливных каналов; при этом дополнительно содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива, имеющих эллиптический профиль и включающих отверстия подвода газа; отверстия подвода газа в системе полых профилированных пилонов подачи топлива расположены неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси ВФГМ предварительного смешения; вторичную распределенную систему отверстий подачи топлива в поперечном сечении внутренней поверхности диффузорного участка сопла, выполненного профилированным; первичную распределенную систему отверстий подачи топлива.

В целях снижения потерь давления топлива форсуночно-горелочный модуль (ВФГМ) предварительного смешения содержит втулку и центральную форсунку, имеющую систему профилированных топливных каналов; дополнительно содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива, имеющих эллиптический профиль и включающих отверстия подвода газа; повышение качества гомогенизации топливовоздушной смеси обеспечивается тем, что отверстия подвода газа в системе полых профилированных пилонов подачи топлива расположены неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси ВФГМ предварительного смешения; исключение возможности перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое обеспечивается вторичной распределенной системой отверстий подачи топлива в поперечном сечении внутренней поверхности диффузорного участка сопла, выполненного профилированным; повышение равномерности коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла обеспечивается первичной распределенной системой отверстий подачи топлива.

Изобретение поясняется фигурами.

Фиг. 1 - Продольный разрез вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения;

Фиг. 2 - Поперечный разрез А-А на фиг.1;

Фиг.3 - Поперечный разрез Б-Б на фиг.1;

Фиг. 4 - Поперечный разрез В-В на фиг.1;

Фиг. 5 - Вид Г на фиг.1.

Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива 1 с распределенной системой отверстий подвода газа 2, соединенную с профилированным коаксиальным каналом 3 и расположенную в проточной части сопла 4, состоящего из цилиндрического 5, конфузорного 6 и диффузорного 7 участков. Вдоль оси профилированного коаксиального канала 3 расположена втулка 8. В нижней части к втулке 8 крепится центральная форсунка 9, в которой выполнены отверстия форсунки 10. Центральная форсунка 9 сопрягается с ресивером 11, который соединен с завихрителем 12. Завихритель 12 через пустотелый корпус 13 соединяется с осевым каналом подвода топлива 14, который крепится к крышке корпуса камеры сгорания 15. К профилированному коаксиальному каналу 3 осуществляется подача топлива через канал подвода газа 16. Профилированный коаксиальный канал 3 ограничен кольцевой заглушкой 17, в которой выполнены пазы для стержней жесткости 18. Профилированный коаксиальный канал 3, соединяется с жаровой трубой 19 посредством радиальных выступов 20. В критическом сечении профилированного коаксиального канала 3 располагается первичная распределенная система отверстий подачи топлива 21. В диффузорном участке 7 сопла 4 расположена вторичная распределенная система отверстий подачи топлива 22. В области воспламенения 23 находится конический стабилизатор пламени 24, который сформирован из центральной форсунки 9, ресивера 11 и завихрителя 12. Крышка корпуса камеры сгорания 15 соединяется фланцем с корпусом камеры сгорания 25, в котором фиксируется свеча зажигания 26.

Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения работает следующим образом: топливо подается в профилированный коаксиальный канал 3 через канал подвода газа 16, который крепится к крышке корпуса камеры сгорания 15. Из профилированного коаксиального канала 3 топливо равномерно распределяется по системе полых профилированных пилонов подачи топлива 1, откуда через отверстия подвода газа 2, расположенные неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения для повышения гомогенизации топливовоздушной смеси, попадает в сопло 4, состоящее из цилиндрического 5, конфузорного 6 и диффузорного 7 участков, где происходит формирование топливовоздушной смеси. При этом система полых профилированных пилонов подачи топлива 1 имеет эллиптический профиль поперечного сечения для снижения потерь давления и уменьшения вероятности отрыва потока от кромки пилона. Окислитель в зону смешения поступает из канала, расположенного между корпусом камеры сгорания 25 и жаровой трубой 19. Двигаясь вниз по потоку с увеличением скорости на конфузорном участке сопла 4 топливовоздушная смесь обогащается топливом, поступающим через расположенную в критическом сечении сопла 4 первичную распределенную систему отверстий подачи топлива 21, обеспечивающую высокую равномерность коэффициента избытка воздуха. Обогащенный топливом поток смеси, проходя через завихритель 12, приобретает окружную и радиальную компоненты скорости и попадает в диффузорный участок 7 сопла 4, где располагается вторичная распределенная система отверстий подачи топлива 22, позволяющая исключить возможность перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое. Протекая по диффузорному участку поток обтекает конический стабилизатор пламени 24, располагающийся на оси вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения, за которым формируется крупномасштабный тороидальный вихрь с приосевой областью обратных токов. В верхней части вихря, где вектор скорости потока меняет осевое направление на противоположное, находится область воспламенения 23, в которой создаются благоприятные условия для ускорения химической реакции. Воспламенение производится с помощью свечи зажигания 26. Для обеспечения устойчивости горения на оси ВФГМ предварительного смешения располагается пилотная диффузионная горелка, состоящая из центральной форсунки 9, в которой выполнены отверстия форсунки 10 для подвода топлива в область реакции. В отверстия форсунки 10 топливо попадает из ресивера 11, в котором оно находится под давлением. В ресивер 11 топливо попадает из осевого канала подвода топлива 14, через систему топливных каналов, выполненных профилированными для снижения потерь давления. Осевой канал подвода топлива 14 расположен внутри втулки 8.

Изобретение предназначено для организации и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей энергетического применения. Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения содержит сопло, завихритель, втулку, центральную форсунку, отверстия форсунки, пустотелый корпус, канал подвода газа, отверстия подвода газа. Дополнительно содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива, имеющих эллиптический профиль и включающих отверстия подвода газа, и центральная форсунка имеет систему профилированных топливных каналов. Отверстия подвода газа в системе полых профилированных пилонов подачи топлива расположены неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения. Модуль содержит первичную распределенную систему отверстий подачи топлива и вторичную распределенную систему отверстий подачи топлива, выполненную в профилированном диффузоре сопла. Техническим результатом изобретения является снижение потерь давления топлива на выходе из центральной форсунки и в области отверстий подвода газа, повышение качества гомогенизации топливовоздушной смеси, исключение возможности перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое, повышение равномерности коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения, содержащий сопло, завихритель, втулку, центральную форсунку, отверстия форсунки, пустотелый корпус, канал подвода газа, отверстия подвода газа, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива, имеющих эллиптический профиль и включающих отверстия подвода газа, и центральная форсунка имеет систему профилированных топливных каналов.

2. Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения по п. 1, отличающийся тем, что отверстия подвода газа в системе полых профилированных пилонов подачи топлива расположены неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения.

3. Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения по п. 1, отличающийся тем, что содержит вторичную распределенную систему отверстий подачи топлива, выполненную в профилированном диффузоре сопла.

4. Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения по п. 1, отличающийся тем, что содержит первичную распределенную систему отверстий подачи топлива.