Газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания Российский патент 2024 года по МПК F23R3/14 

Газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания предназначена для сжигания газа в камерах сгорания газотурбинных двигателей, где требуется низкая концентрация вредных загрязняющих веществ и организация устойчивого процесса горения.

По патенту на изобретение РФ №2767678, известна топливовоздушная форсунка камеры сгорания двигателя, которая содержит корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель, смесительную втулку, корпус форсунки, содержащий внутренний канал с установленным распылителем, уплотнительные кольца, дросселирующую шайбу, корончатую гайку,

Основными недостатками данного технического решения являются:

- завышение концентрации 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,

- перегрев форсунки из-за высокотемпературных тепловых потоков, формируемых возвратным течением,

- низкая полнота сгорания топлива из-за высокой скорости истечения

По патенту на изобретение РФ №2143642 известно устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки, которое содержит коаксиально размещенные центральную топливную форсунку, воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе, топливовоздушный канал с топливоподводящим устройством в районе его входа и завихрителем и наружный канал с воздушным подводом. Завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе. Наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством. Выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями.

Основными недостатками данного технического решения являются:

- завышение концентрации оксида азота в продуктах сгорания (более 150мг/м³)

- не обеспечивает оптимального теплового состояния, способствует перегреву.

- Не устойчивый процесс горения предварительно подготовкой топливновоздушной смеси.

По патенту на изобретение РФ №2170391 известно горелочное устройство которое 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.

Основными недостатками данного горелочного устройств являются

- нестабильный розжиг,

- перегрев форсунки из-за не равномерных высокотемпературных тепловых потоков

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение (РФ 2493490), совпадающее с заявленным техническим решением как по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно, известна горелка, содержащая 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 к полым лопаткам завихрителя, шлицевую гайку с выполненную в виде полого цилиндра с дополнительной резьбой в передней части, для крепления горелки к газораспределительному устройству.

Основными недостатками данного технического решения указанной одноконтурной горелки является:

Низкая полнота сгорания топлива. Отсутствие диффузионного факела приводит к недожогу топлива и как следствие к снижению полноты сгорания.

Не обеспечение надежности конструкции из-за перегрева сопла и пустотелого конуса в результате воздействия высоких температур.

Не технологичность конструкции, так как шлицы на шлицевой гайке выполнены по эвольвенте.

Не устойчивый процесс горения предварительно подготовкой топливновоздушной смеси. В конструкции не предусмотрены мероприятия по исключению пульсаций пламени.

Не предохраняет от проскока пламени внутрь горелки. Наличие конусного выхода пустотелого корпуса внутри сопла приводит к снижению скорости истечения топливовоздушной смеси, что способствует возникновению проскока пламени внутрь горелки.

Не обеспечение стабильного розжига. Отсутствие диффузионного факела приводит к трудностям при запуске топочных устройств, так как подобные типы горелок работают при коэффициенте избытка воздуха от 1,5-2.

Вследствие приведенных выше недостатков происходит значительное завышение выбросов вредных веществ, по оксиду углерода (более 300мг/м³).

Кроме указанного, известное техническое решение, так же как и предыдущий аналог, не обеспечивает:

- повышения полноты сгорания топлива.

- технологичность конструкции.

- устойчивого процесса горения.

- отсутствие проскока пламени внутрь горелки.

- низкий уровень выбросов вредных загрязняющих веществ на всех режимах работы двигателя.

-надежность работы.

- стабильный розжиг.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно:

- повышение полноты сгорания топлива.

- повышение технологичности конструкции.

- обеспечение устойчивого процесса горения.

- отсутствие проскока пламени внутрь горелки.

- снижение выбросов вредных загрязняющих веществ на всех режимах работы двигателя.

-обеспечение надежности работы.

- обеспечение стабильного розжига.

Сущностью заявленного технического решения является, газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания, содержащая 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 к полым лопаткам завихрителя, шлицевую гайку с выполненную в виде полого цилиндра с дополнительной резьбой в передней части, для крепления горелки к газораспределительному устройству. Предложенная газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания характеризуется некоторыми конструктивными особенностями: шлицы в шлицевой гайке выполнены треугольными, завихритель содержит кольцевой рассекатель с плавным входом, сопло содержит полый трактовый выступ с входным каналом и выходными отверстиями на фаске, в пустотелом корпусе выполнена проточка в которую установлено стопорное кольцо, на выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель имеющий цилиндрическую часть переходящую в расширение с торца которого расположена внутренняя ниша в которой расположены сквозные отверстия, на цилиндрической части керамического распылителя выполнена проточка в которую установлено уплотнительное кольцо, площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель, сменная дроссельная шайба установлена за каналом подвода газа в лопатки завихрителя.

Таким образом, поставленная задача в целом достигается тем, что

Для повышения полноты сгорания на выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель, имеющий цилиндрическую часть, переходящую в расширение, с торца которого расположена внутренняя ниша, в которой расположены сквозные отверстия.

Для повышения технологичности конструкции шлицы в шлицевой гайке выполнены треугольными (традиционно выполняются эвольвентными), в пустотелом корпусе выполнена проточка, в которую установлено стопорное кольцо, на цилиндрической части керамического распылителя выполнена проточка, в которую установлено уплотнительное кольцо.

Для исключения проскока пламени внутрь горелки сопло содержит полый трактовый выступ, что способствует уменьшению площади проходного сечения и увеличению скорости истечения топливовоздушной смеси.

Для снижения выбросов вредных загрязняющих веществ на всех режимах работы двигателя площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель.

Для обеспечения надежности работы завихритель содержит кольцевой рассекатель с плавным входом, сопло содержит полый трактовый выступ с входным каналом и выходными отверстиями на фаске, на выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель.

Для обеспечения стабильного розжига сменная дроссельная шайба установлена за каналом подвода газа в лопатки завихрителя, а площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - общий вид, продольный разрез.

Газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания, содержащая завихритель 1, в полых лопатках 2 которого выполнены отверстия 3 подвода газа в межлопаточные полости завихрителя 1, сопло 4, пустотелый корпус 5, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу 6 для соединения со шлицевой гайкой 7 и отверстия 8 подвода газа к сменной дроссельной шайбе 9, расположенной внутри корпуса 5 и далее к полым лопаткам 2 завихрителя 1, шлицевую гайку 7 выполненную в виде полого цилиндра с дополнительной резьбой 10 в передней части, для крепления горелки к газораспределительному устройству 11

Заявленная газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания, характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, что шлицы 12 в шлицевой гайке 7 выполнены треугольными, завихритель 1 содержит кольцевой рассекатель 13 с плавным входом 14, сопло 4 содержит полый трактовый выступ 15 с входным каналом 16 и выходными отверстиями 17 на фаске 18, в пустотелом корпусе 5 выполнена проточка 19 в которую установлено стопорное кольцо 20, на выходе из пустотелого корпуса 5 установлен керамический распылитель 21 имеющий цилиндрическую часть 22 переходящую в расширение 23 с торца которого расположена внутренняя ниша 24 в которой расположены сквозные отверстия 25, на цилиндрической части 22 керамического распылителя 21 выполнена проточка 26 в которую установлено уплотнительное кольцо 27, площадь проходного сечения отверстия 28 в сменной дроссельной шайбе 9 по отношению к площади проходного сечения в отверстиях 3 на лопатках 2 завихрителя 1 обеспечивает подачу 10% газа в распылитель 21 и 90% газа в завихритель 1, сменная дроссельная шайба 9 установлена за каналом подвода газа 29 в лопатки 2 завихрителя 1.

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

Устройство работает следующим образом.

Сжатый воздух (Фиг.1.) поступает в завихритель 1 и попадая на кольцевой рассекатель 13 с плавным входом 14 разделяется на два потока. Верхний поток закручивается от лопаток 2 попадает в сопло 4 и далее заходит через входной канал 16 во внутрь полого трактового выступа 15 и выходит через выходные отверстия 17 на фаске 18 формируя охлаждение сопла 4. Нижний поток закручивается от лопаток 2

Газ из полости газораспределительного устройства 11 поступает в отверстие 8 подвода газа, затем попадает в канал подвода газа 29 в полых лопатках 2 и выходит через отверстия 3 в межлопаточные полости завихрителя 1 смешиваясь с нижним потоком воздуха. Смешавшийся с воздухом газ движется далее, образуя газовоздушную смесь, которая пройдя сопло 4 поступает в зону горения.

Другая часть газа поступает в отверстия 28 в сменной дроссельной шайбе 9, а затем через сквозные отверстия 25 в керамическом распылителе 21 попадает во внутреннюю нишу 24 где образует диффузионный факел.

Конструкция горелки позволяет обеспечивает подачу 10% газа в распылитель 21 и 90% газа в завихритель 1, что обеспечивает стабильный процесс розжига и устойчивую работу камеры сгорания и на этапе запуска, выхода на режим, и работе газотурбинного двигателя на максимальной мощности.

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

- повышение полноты сгорания топлива достигнуто за счет того, что на выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель, имеющий цилиндрическую часть, переходящую в расширение, с торца которого расположена внутренняя ниша, в которой расположены сквозные отверстия.

- повышение технологичности конструкции достигнуто за счет того, что шлицы в шлицевой гайке выполнены треугольными, а не эвольвентными. В пустотелом корпусе выполнена проточка, в которую установлено стопорное кольцо, на цилиндрической части керамического распылителя выполнена проточка, в которую установлено уплотнительное кольцо.

- исключение проскока пламени внутрь горелки достигнуто за счет того, что сопло содержит полый трактовый выступ, способствующий уменьшению площади проходного сечения и увеличению скорости истечения топливовоздушной смеси.

- снижение выбросов вредных загрязняющих веществ на всех режимах работы двигателя достигается тем, что площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель.

- обеспечение надежности работы достигается тем, что завихритель содержит кольцевой рассекатель с плавным входом, а сопло содержит полый трактовый выступ с входным каналом и выходными отверстиями на фаске, выходя из которых воздух создает защитную пленку. На выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель, который выдерживает воздействие высоких температур.

- обеспечение стабильного розжига достигается тем, что сменная дроссельная шайба установлена за каналом подвода газа в лопатки завихрителя, а площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель.

Газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания предназначена для сжигания газа в камерах сгорания газотурбинных двигателей. В устройстве шлицы в шлицевой гайке выполнены треугольными, завихритель содержит кольцевой рассекатель с плавным входом, сопло содержит полый трактовый выступ с входным каналом и выходными отверстиями на фаске, в пустотелом корпусе выполнена проточка, в которую установлено стопорное кольцо, на выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель, имеющий цилиндрическую часть, переходящую в расширение, с торца которого расположена внутренняя ниша, в которой расположены сквозные отверстия, на цилиндрической части керамического распылителя выполнена проточка, в которую установлено уплотнительное кольцо, площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель, сменная дроссельная шайба установлена за каналом подвода газа в лопатки завихрителя. Технический результат - обеспечивается повышение полноты сгорания топлива; повышение технологичности конструкции; устойчивый процесс горения; отсутствие проскока пламени внутрь горелки; снижение выбросов вредных загрязняющих веществ на всех режимах работы двигателя; надежность работы; стабильный розжиг. 1 ил.

Газовоздушная горелка кольцевой камеры сгорания, содержащая 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 к полым лопаткам завихрителя, шлицевую гайку, выполненную в виде полого цилиндра с дополнительной резьбой в передней части, для крепления горелки к газораспределительному устройству, отличающаяся тем, что шлицы в шлицевой гайке выполнены треугольными, завихритель содержит кольцевой рассекатель с плавным входом, сопло содержит полый трактовый выступ с входным каналом и выходными отверстиями на фаске, в пустотелом корпусе выполнена проточка, в которую установлено стопорное кольцо, на выходе из пустотелого корпуса установлен керамический распылитель, имеющий цилиндрическую часть, переходящую в расширение, с торца которого расположена внутренняя ниша, в которой расположены сквозные отверстия, на цилиндрической части керамического распылителя выполнена проточка, в которую установлено уплотнительное кольцо, площадь проходного сечения отверстия в сменной дроссельной шайбе по отношению к площади проходного сечения в отверстиях на лопатках завихрителя обеспечивает подачу 10% газа в распылитель и 90% газа в завихритель, сменная дроссельная шайба установлена за каналом подвода газа в лопатки завихрителя.