ЦЕНТРОБЕЖНО-ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2024 года по МПК F23D11/00 

Изобретение относится к устройствам для непосредственного впрыска жидкого углеродного топлива в капельном состоянии в камеры сгорания наземных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявленное техническое решение, является центробежно-пневматическая форсунка [см. патент RU 2781796 C1, F23D 11/105 от 31.01.2022 г. ], содержащая систему подачи жидкого топлива, состоящую из пневматической части и соосно сопряженного с ней воздушного канала с лопаточным завихрителем, коаксиально которому установлен корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены лопатки закручивания воздушного потока, а также последовательно упругий элемент, поршень и стержни, при этом поршень состоит из двух поясов, соединенных между собой штоком, и имеет в поясе, расположенном со стороны камеры сгорания кольцевую проточку, в которую установлен стержень, со стороны компрессора в области межпоясного пространства поршня на внутреннем корпусе кольцевой полости выполнены три ряда отверстий, направленных под углом в сторону, противоположную набегающему потоку.

Недостатком центробежно-пневматической форсунки, представленной в прототипе, является низкое значение коэффициента полноты сгорания топливо-воздушной смеси, обусловленное недостаточной эффективностью распыления топлива, а также смешения его с воздухом во всем диапазоне режимов работы двигателя.

Техническим результатом является повышение коэффициента полноты сгорания топливо-воздушной смеси, образуемой форсункой во всем диапазоне режимов работы двигателя, за счет повышения эффективности распыления топлива, а также смешения его с воздухом.

Указанный технический результат достигается тем, что в центробежно-пневматической форсунке, содержащей систему подачи жидкого топлива, состоящую из пневматической части и соосно сопряженного с ней воздушного канала с лопаточным завихрителем, коаксиально которому установлен корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены лопатки закручивания воздушного потока, а также последовательно упругий элемент, поршень и стержни, при этом поршень состоит из двух поясов, соединенных между собой штоком, и имеет в поясе, расположенном со стороны камеры сгорания кольцевую проточку, в которую установлен стержень, со стороны компрессора в области межпоясного пространства поршня на внутреннем корпусе кольцевой полости выполнены три ряда отверстий, направленных под углом в сторону, противоположную набегающему потоку, согласно изобретению, лопатки закручивания воздушного потока установлены неподвижно под заданным углом относительно набегающего потока, равным 30…50 градусам, поверхность корпуса пневматической части форсунки выполнена в форме однополостного гиперболоида, в горловом сечении корпуса пневматической части установлен регулятор расхода воздуха, выполненный в виде полусферы с диаметром, равным диаметру горла, взаимодействующий со стержнем, установленным в кольцевой проточке поршня, при этом поверхность полусферы направлена к выходу из камеры сгорания.

Сущность изобретения заключается в том, что лопатки закручивания воздушного потока установлены неподвижно под заданным углом относительно набегающего потока, равным 30…50 градусам. Поверхность корпуса пневматической части форсунки выполнена в форме однополостного гиперболоида. В горловом сечении корпуса пневматической части установлен регулятор расхода воздуха, выполненный в виде полусферы с диаметром, равным диаметру горла, взаимодействующий со стержнем, установленным в кольцевой проточке поршня. При этом поверхность полусферы направлена к выходу камеры сгорания.

В известной форсунке расход воздуха, подаваемого через ее пневматическую часть, а также интенсивность его закрутки, регулируются путем изменения угла установки лопаток завихрителя (лопаток закручивания воздушного потока - по прототипу), который изменяется в диапазоне 60…70 градусов на минимальном режиме работы двигателя, и 20…30 градусов - на максимальном.

Однако, как показывают исследования, оптимальными углами установки лопаток завихрителя являются углы в интервале 30…50 градусов. Дальнейшее увеличение углов установки приводит к резкому повышению потерь давления воздуха без существенного увеличения турбулентности [см. Руководящий технический материал РТМ.24.022.11-74 «Расчет и проектирование камер сгорания для газотурбинных и парогазовых установок», МИНИСТЕРСТВО ТЯЖЕЛОГО, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ, Москва, с. 32].

Поэтому, согласно изобретению, лопатки закручивания воздушного потока установлены неподвижно под заданным углом относительно набегающего потока, равным 30…50 градусов. Поверхность корпуса пневматической части форсунки выполнена в форме однополостного гиперболоида. В горловом сечении корпуса пневматической части установлен регулятор расхода воздуха, выполненный в виде полусферы с диаметром, равным диаметру горла, взаимодействующий со стержнем, установленным в кольцевой проточке поршня. При этом поверхность полусферы направлена к выходу из камеры сгорания. Это обеспечивает необходимую закрутку потока поступающего воздуха и, как следствие, максимальную турбулентность потока, что позволит увеличить эффективность распыления топлива, а также смешения его с воздухом, повысив тем самым полноту сгорания.

Известно, что средний размер капель распыленного топлива обратно-пропорционален скорости обдувающего их воздуха. Кроме того, при приближении распыленного топлива к фронту пламени, капли меньшего размера имеют достаточно времени для того, чтобы полностью испариться еще до фронта пламени, что способствует снижению образования сажи [см. Лефевр А. «Процессы в камерах сгорания ГТД»:Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., с. 463, 493].

Исходя из этого, с целью повышения скорости потока подаваемого воздуха, поверхность корпуса пневматической части форсунки выполнена в форме однополостного гиперболоида, т.е., сужающейся в направлении горлового сечения корпуса.

Благодаря выбранной форме, помимо разгона потока воздуха, также происходит увеличение кинетической энергии капель топлива, попадающих в пневматическую часть форсунки в результате последовательного открытия ряда отверстий, вызванного перемещением поршня. Это происходит в результате возникновения на внутренней стенке корпуса зоны обратных токов, приводящее к увеличению турбулентности потока воздуха, в который и попадают капли топлива, что способствует не только лучшему перемешиванию его с воздухом, но и увеличивает дальнобойность капель аэрозоля [см. Лефевр А. «Процессы в камерах сгорания ГТД»:Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., с .498].

Для формирования «богатой» ТВС при запуске двигателя на земле и в воздухе, а также на режиме малого газа, позволяющей обеспечить быстрое и устойчивое сгорание топлива, и потребное количество воздуха, подаваемого в первичную зону на максимальном режиме работы двигателя, способствующего предотвращению возникновения локальных областей в пламени, богатых топлив, и, как следствие, устранению дымности отработавших газов [см. Лефевр А. «Процессы в камерах сгорания ГТД»:Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., с. 501], в горловом сечении корпуса пневматической части установлен регулятор расхода воздуха, выполненный в виде полусферы с диаметром, равным диаметру горла, взаимодействующий со стержнем, установленным в кольцевой проточке поршня. При этом поверхность полусферы направлена к выходу из камеры сгорания. В результате изменения расхода подаваемого топлива, регулятор расхода воздуха осуществляет возвратно-поступательные движения в горизонтальной плоскости в горловом сечении корпуса пневматической части, изменяя тем самым площадь проходного сечения поступающего воздуха, и, как следствие, его расход, от полного перекрытия при запуске двигателя на земле и в воздухе, а также на режиме малого газа, до полного открытия на максимальном режиме работы двигателя.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлено положение регулирующего устройства в пневматической части форсунки при минимальном количестве подаваемого топлива, а на фиг. 2 - при максимальном. На фиг. 1 и фиг. 2 обозначено: 1 - механическая часть форсунки; 2 - лопаточный завихритель; 3 - пневматическая часть форсунки; 4 - регулятор расхода воздуха; 5 - лопатки закручивания воздушного потока; 6 - прорези в кольцевой полости пневматической части; 7 - ряд отверстий; 8 - кольцевая полость; 9 - поршень; 10 - вспомогательный канал центробежной форсунки; 11 - основной канал центробежной форсунки; 12 - упругий элемент.

Лопатки закручивания воздушного потока 5 пневматической части форсунки 3 предназначены для интенсификации процессов образования топливовоздушной смеси. Выбранный угол установки лопаток равный 30... 50 градусам позволяет добиться максимальной интенсивности турбулизации потока, что позволит увеличить эффективность распыления топлива, а также смешения его с воздухом, повысив тем самым полноту сгорания.

Регулятор расхода воздуха 4 предназначен для управления расходом воздуха, поступающего через пневматическую часть форсунки 3, что позволяет поддерживать необходимое значения коэффициента избытка воздуха в зоне горения (α_зг) в диапазоне, соответствующем максимальной полноте его сгорания [см. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M., Котовский В.Н., Полев А.С. «Теория авиационных двигателей» ч. 1, М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005 г., 366 с, с. 325, рис. 9.8].

Поршень 9 предназначен для совершения возвратно-поступательного движения за счет преобразования давления топлива в механическую работу для перемещения регулятора расхода воздуха 4 пневматической части 3 форсунки и открытия рядов отверстий 7 подвода топлива.

Упругий элемент 12 предназначен для реализации заданного закона изменения продольной координаты положения поршня 9 и возвращения системы «поршень 9-регулятор расхода воздуха 4-ряды отверстий для подвода топлива 7 в пневматическую часть 3» в исходное положение при снижении режима работы двигателя. Жесткость упругого элемента 12 может быть переменной при его деформации, что позволяет реализовать нелинейные законы изменения продольной координаты поршня 9. Это может быть реализовано, например, использованием двух пружин с разными коэффициентами упругости.

Устройство работает следующим образом. Его работа аналогична работе устройства, описанного в прототипе с некоторыми отличиями. Отличия заключаются в следующем. Одновременно, с началом подачи топлива через вспомогательный канал 10 механической части форсунки 1 начинается подача топлива с тем же давлением в кольцевую полость 8 пневматической части форсунки 3. При этом, поршень под действием упругого элемента находится в крайнем левом «исходном» положении (фиг. 1), а регулятор расхода воздуха 4 перекрывает горловое сечение пневматической части форсунки 3, обеспечивая формирование «богатой» ТВС.

При увеличении режима работы двигателя давление вспомогательного топлива начинает возрастать, расход топлива через вспомогательный канал 10 механической части форсунки 1 увеличивается, а поршень 9 пневматической части форсунки 3, преодолевая усилия упругого элемента 12 начинает перемещаться в сторону упругого элемента 12. При этом, одновременно осуществляется открытие рядов отверстий 7 подвода топлива в пневматическую часть форсунки 3 и перемещение регулятора расхода воздуха 4. Тем самым, расход топлива начинает постепенно перераспределяться в пользу топлива, подаваемого в пневматическую часть форсунки 3, с одновременным увеличением расхода воздуха через нее, благодаря открытые горлового сечения корпуса пневматической части форсунки 3 регулятором расхода воздуха 4. Скорость воздушного потока увеличивается, благодаря форме канала, как до горлового сечения, так и после обтекания потоком регулятора расхода воздуха 4, который образует с внешней стенкой корпуса пневматической части форсунки 3 канал, сужаюшийся в направлении камеры сгорания. Кроме того, проходя через лопатки закручивания воздушного потока 5, происходит увеличение интенсивности его закручивания.

Топливо в пневматическую часть форсунки 3 через открытые поршнем 9 ряды отверстий 7 подается под углом к сносящему воздушному потоку. На максимальном режиме работы двигателя поршень 9 устанавливается в крайнее правое «конечное» положение (фиг. 2). При этом расход топлива максимально (до 50% от расхода топлива, подаваемого через вспомогательный канал 10 механической части форсунки 1) перераспределяется в пользу топлива, подаваемого через пневматическую часть форсунки 3 за счет открытия поршнем 9 рядов отверстий 7 для подвода топлива, а регулятор расхода воздуха 4 занимает крайнее правое положение, полностью открывая канал пневматической части форсунки 3, обеспечивая тем самым максимальный расход воздуха через нее.

Лопатки закручивания воздушного потока 5 в пневматической части форсунки 3 обеспечивают закрутку потока в направлении противоположном направлению закрутки основного воздушного потока, подаваемого через лопаточный завихритель 2.

При уменьшении режима работы двигателя давление топлива во вспомогательном канале 10 механической части форсунки 1 снижается и все элементы пневматической части форсунки 3 под действием упругого элемента 12 возвращаются в исходное положение.

При данном способе подготовки топливовоздушной смеси обеспечивается более высокая скорость обдува капель топлива в пневматической части форсунки 3, их лучшее дробление, смешение с воздухом, а также увеличение времени пребывания топливовоздушной смеси в пневматической части форсунки 2 за счет повышения дальнобойности капель топлива, все это приводит к указанному в изобретении техническому результату.

Изобретение относится к устройствам для непосредственного впрыска жидкого углеродного топлива в капельном состоянии в камеры сгорания наземных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных турбореактивных двигателей (ТРД). Центробежно-пневматическая форсунка содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из пневматической части и соосно сопряженного с ней воздушного канала с лопаточным завихрителем, коаксиально которому установлен корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены лопатки закручивания воздушного потока. Лопатки закручивания воздушного потока установлены неподвижно под заданным углом относительно набегающего потока, равным 30…50 градусам. Поверхность корпуса пневматической части форсунки выполнена в форме однополостного гиперболоида второго порядка. В горловом сечении корпуса пневматической части установлен регулятор расхода воздуха, выполненный в виде полусферы с диаметром, равным диаметру горла, взаимодействующий со стержнем, установленным в кольцевой проточке поршня. При этом поверхность полусферы направлена к выходу из камеры сгорания. При использовании изобретения обеспечивается повышение коэффициента полноты сгорания топливо-воздушной смеси, образуемой форсункой во всем диапазоне режимов работы двигателя, за счет повышения эффективности распыления топлива, а также смешения его с воздухом. 2 ил.

Центробежно-пневматическая форсунка, содержащая систему подачи жидкого топлива, состоящую из пневматической части и соосно сопряженного с ней воздушного канала с лопаточным завихрителем, коаксиально которому установлен корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены лопатки закручивания воздушного потока, а также последовательно упругий элемент, поршень и стержни, при этом поршень состоит из двух поясов, соединенных между собой штоком, и имеет в поясе, расположенном со стороны камеры сгорания, кольцевую проточку, в которую установлен стержень, со стороны компрессора в области межпоясного пространства поршня на внутреннем корпусе кольцевой полости выполнены три ряда отверстий, направленных под углом в сторону, противоположную набегающему потоку, отличающаяся тем, что лопатки закручивания воздушного потока установлены неподвижно под заданным углом относительно набегающего потока, равным 30…50 градусам, поверхность корпуса пневматической части форсунки выполнена в форме однополостного гиперболоида, в горловом сечении корпуса пневматической части установлен регулятор расхода воздуха, выполненный в виде полусферы с диаметром, равным диаметру горла, взаимодействующий со стержнем, установленным в кольцевой проточке поршня, при этом поверхность полусферы направлена к выходу из камеры сгорания.