Противоточный горелочный модуль Российский патент 2024 года по МПК F23D14/02 

Изобретение предназначено для формирования и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Известен вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения RU 2775105 C1 МПК F23R 3/34 (2006.01), F23R (2022.02), опубл. 28.06.2022г., предназначенный для организации и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей энергетического применения. Изобретение содержит сопло, завихритель, втулку, центральную форсунку, отверстия форсунки, пустотелый корпус, канал подвода газа, отверстия подвода газа.

Недостатком вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения является узкий диапазон рабочих режимов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является противоточный горелочный модуль предварительного смешения RU 2750176 C1 МПК F23D 14/62 (2021.02), опубл. 23.06.2021 г. который относится к устройствам, предназначенным для формирования и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Изобретение содержит первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную полуограниченную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку.

Недостатками наиболее близкой по технической сущности конструкции являются низкая полнота сгорания топлива, неравномерность температурного поля в зоне горения, высокая концентрация монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения, низкая массовая скорость горения, высокая вероятность развития термоакустической неустойчивости и работа камеры на режимах виброгорения.

Техническим результатом изобретения является повышение полноты сгорания топлива, повышение равномерности температурного поля в зоне горения, снижение концентрации монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения, повышение массовой скорости горения, снижение вероятности развития термоакустической неустойчивости и исключение виброгорения в противоточном горелочном модуле.

Технический результат достигается тем, что противоточном горелочном модуле, содержащем первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку, при этом в топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива, в приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения установлен усеченный конус-обтекатель с веерной системой топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающей подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешенной топливоздушной смеси; соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем.

В целях повышения полноты сгорания топлива соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем; повышение равномерности температурного поля в зоне горения и снижение концентрации монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения достигается тем, что в топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива; повышение массовой скорости горения достигается тем, что противоточный горелочный модуль содержит конус-обтекатель; снижение вероятности развития термоакустической неустойчивости и исключение виброгорения в противоточном горелочном модуле обеспечивается тем, что в конусе-обтекателе выполнена веерная система топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающим подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешанной топливовоздушной смеси.

Изобретение поясняется фигурами.

Фиг. 1 - Продольный разрез противоточного горелочного модуля;

Фиг. 2 - Разрез А-А с продольного разреза фиг.1, на котором представлено тангенциальное закручивающее устройство;

Фиг. 3 - Разрез Б-Б - поперечное сечение с фиг.1, выполненное в области конуса-обтекателя;

Противоточный горелочный модуль содержит топливную форсунку 1, расположенную в торцевой части первичной ограниченной камеры смешения 2. Соосно с топливной форсункой 1 в первичной ограниченной камере сгорания 2, выполнен кольцевой канал подвода воздуха 3 с осевым лопаточным завихрителем 4. Первичная ограниченная камера смешения 2 спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала образованного диффузорным 5 и конфузорным 6 участками. В начале диффузорного участка 5 первичной ограниченной камеры смешения 2 выполнено тангенциальное закручивающее устройство 7 имеющее межлопаточные каналы 8 для подачи воздуха. С противоположной стороны, тангенциальное закручивающее устройство 7 крепится к вторичной прямоточной камере смешения 9. Вторичная прямоточная камера смешения 9, имеет внешнюю 10 и внутреннюю 11 стенки, образующие профилированный полый расширяющийся канал 12 с распределенной системой подачи топлива 13. В торцевой части профилированного полого расширяющегося канала 12 выполнено аксиальное закручивающее устройство 14. Аксиальное закручивающее устройство 14 ограничено коническим участком 15 профилированного соплового насадка 16 и профилированным полым расширяющимся каналом 12, образуя канал подвода третичного воздуха 17. Топливная форсунка 1 содержит распределенную по окружности систему отверстий впрыска топлива 18. Выходной участок 19 профилированного соплового насадка 16 имеет форму сферического сегмента. В приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения 9 выполнен усеченный конус-обтекатель 20 с веерной системой топливных каналов 21.

Противоточный горелочный модуль работает следующим образом. Сжатый воздух из компрессора проходя через межлопаточные каналы 8, образованные тангенциальным закручивающим устройством 7, с высокой окружной скоростью попадает в диффузорный участок 5 первичной ограниченной камеры сгорания 2, после чего движется по периферии в сторону конфузорного участка 6 первичной ограниченной камеры сгорания 2, где образует тороидальную вихревую структуру и взаимодействует с потоком топлива, подающимся из распределенной по окружности систему отверстий впрыска топлива 18 топливной форсунки 1. Распределение подачи топлива через систему отверстий впрыска топлива 18 обеспечивает повышение равномерности температурного поля в зоне горения и снижение концентрации монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения. Образуется топливовоздушная смесь, которая имеет состав по коэффициенту избытка воздуха вне границ концентрационных пределов воспламенения. Воздух, из кольцевого канала подвода воздуха 3, поступает в конфузорный участок 6 первичной ограниченной камеры смешения 2 с высоким значением окружной составляющей скорости, которая сообщается потоку в осевом лопаточном завихрителе 4. В конфузорном участке 6 первичной ограниченной камеры смешения 2 поток воздуха смешивается с топливовоздушной смесью, тем самым обедняя ее. Далее поток обедненной топливовоздушной смеси, движется в приосевом вихре в сторону вторичной прямоточной камеры смешения 9. Попадая во вторичную прямоточную камеру смешения 9, поток компонентов движется между внутренней стенкой 11 профилированного полого расширяющегося канала 12 и усеченным конусом-обтекателем 20 в область выходного участка 19 профилированного соплового насадка 16. Установка усеченного конуса-обтекателя 20 обеспечивает направленное движение потока обедненной топливовоздушной смеси в зону горения, за счет чего достигается повышение массовой скорости горения. С целью снижения вероятности развития термоакустической неустойчивости и исключения виброгорения в усеченном конусе-обтекателе 20 выполнена веерная система топливных каналов 21, расположенных под углом к его оси, обеспечивающим подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешанной топливовоздушной смеси. Из профилированного полого расширяющегося канала 12 через распределенную систему подачи топлива 13 поступает одно- или многокомпонентное топливо в канал подвода третичного воздуха 17, где частично смешивается с воздухом. Таким образом, через канал подвода третичного воздуха 17 с высокой степенью закрутки, которая сообщается потоку в аксиальном закручивающем устройстве 14, в область выходного участка 19 профилированного соплового насадка 16 поступает поток бедной топливом смеси. На выходе формируется зона горения обедненной топливом, частично перемешанной топливовоздушной смеси.

Организация равномерной по коэффициенту избытка воздуха топливовоздушной смеси в первичной ограниченной камере сгорания обеспечивается установкой осевого лопаточного завихрителя в кольцевой канал подвода воздуха. В результате в зоне горения образуется фронт пламени большой площади, что обеспечивает полноту сгорания топлива.

Изобретение предназначено для формирования и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Противоточный горелочный модуль содержит первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку. В топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива, в приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения установлен усеченный конус-обтекатель с веерной системой топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающей подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешенной топливоздушной смеси. Соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем. Изобретение позволяет повысить массовую скорость горения, полноту сгорания топлива, снизить концентрацию монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Противоточный горелочный модуль, содержащий первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку, отличающийся тем, что в топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива, в приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения установлен усеченный конус-обтекатель с веерной системой топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающей подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешенной топливоздушной смеси.

2. Противоточный горелочный модуль по п.1, отличающийся тем, что соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем.