Устройство для распыла топлива в камере сгорания

 

Полезная модель позволяет повысить надежность камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) и длительность ее работы, а также позволяет улучшить тепловое состояние устройства для распыла топлива (УРТ), предотвратить образования нагара на стенках жаровой трубы, уменьшить угол раскрытия топливовоздушного факела. УРТ в камере сгорания ГТД содержит топливную форсунку и размещенный вокруг форсунки воздушный осесимметричный тракт, разделенный продольно кольцевым элементом на наружный и внутренний каналы. Наружный канал ограничен патрубком, включающим сужающийся и расширяющийся участки, а внутренний канал включает цилиндрический и сужающийся участки, которые ограниченны кольцевым элементом. Наружный канал на входе имеет лопаточный завихритель, а внутренний канал - кольцевой. Кроме того, УРТ включает фланцевую втулку, размещенную над патрубком наружного канала с образованием дополнительного кольцевого канала. Патрубок на выходе дополнительно снабжен цилиндрическим участком и кольцевым козырьком. Длина цилиндрического участка находится в диапазоне от 3 до 5 мм. Козырек снабжен сквозными отверстиями для перепуска воздуха из дополнительного канала воздушного тракта.

Полезная модель относится к авиационной технике в частности к газотурбинным двигателям (ГТД). и может быть использована в камерах сгорания авиационных ГТД и камерах сгорания наземных газотурбинных установок.

Известна камера сгорания ГТД (Патент РФ 2226652, F23R 3/34, 10.04.2004), которая содержит корпус, а в нем кольцевую жаровую трубу, включающую две отстоящие друг от друга оболочки, соединенные между собой в передней части фронтовым устройством, включающим топливные форсунки. Каждая из топливных форсунок выполнена в виде корпуса-стойки, ориентированного в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы или рядом, с двумя горелочными модулями, каждый из которых снабжен осевым и (или) радиальным завихрителем воздуха. Горелочные модули в поперечном сечении жаровой трубы образуют два концентричных ряда на фронтовом устройстве. Горелочные модули в каждой форсунке расположены в разных рядах. Техническое решение позволяет повысить топливную экономичность и ресурс двигателя. Однако камера сгорания с модулями только одной конструктивной схемы не может для всех режимов работы двигателя обеспечить высокую эффективность горения жидких углеводородных топлив при низком уровне дымления и эмиссии вредных веществ продуктов сгорания (CnHm, СО, Nox).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для распыла топлива (УРТ) в камере сгорания ГТД (патент РФ 2349840, МПК F23R 3/50, опубл. 20.03.2009). Кольцевая камера сгорания, содержащая расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха. На входе в жаровую трубу расположено кольцевое фронтовое устройство, имеющее равномерно размещенные по окружности ряд вспомогательных модулей и расположенный под ним концентрично внутренний ряд основных модулей для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Каждый модуль выполнен с отдельной топливной форсункой вдоль своей продольной оси соответственно основной или вспомогательной топливных систем и с размещенным вокруг каждой топливной форсунки воздушным осесимметричным трактом, разделенным продольно кольцевыми элементами на наружный и внутренний каналы. Для вспомогательного модуля наружный канал состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал - из сужающегося участка. На входе наружные каналы для всех модулей и внутренние каналы для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители воздуха, а внутренние каналы вспомогательных модулей кольцевые завихрители воздуха. Наружный кольцевой элемент каждого модуля установлен на фронтовом устройстве через фланцевую втулку и скреплен со своей топливной форсункой через внутренний кольцевой элемент и кольцевые завихрители. Изобретение обеспечивает создание компактной камеры сгорания, получение высокой эффективности ее работы и устойчивости горения, снижение уровня дымления и эмиссии вредных выбросов.

Недостатком данного технического решения является то, что подача воздуха для охлаждения стенок выходного патрубка и выпуск его в камеру сгорания вблизи конца патрубка через сквозные отверстия дополнительного кольцевого канала или другие отверстия приводят (в связи с тем, что через патрубок в камеру сгорания поступает богатая смесь) к локальному горению и прогарам на конце патрубка.

Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии загрязняющих веществ. Основное внимание уделяется снижению дымления (сажи) и снижению в продуктах сгорания несгоревших углеводородов (CnHm), моноокиси углерода (СО) и оксидов азота (NOx). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. Средствами снижения уровня эмиссии вредных выбросов для ГТД могут быть либо устройства и способы их уменьшения в камере сгорания двигателя, либо устройства и способы обработки выхлопных газов двигателя. По массовым характеристикам устройства и способы обработки выхлопных газов годятся только для наземных газотурбинных установок, а устройства и способы снижения уровня эмиссии вредных выбросов в камере сгорания подходят как для авиационных, так и для наземных газотурбинных двигателей, (см. Технический перевод 15060 ФГУП ЦИАМ им. П.И.Баранова, «Камеры сгорания ГТД и технология снижения уровня эмиссии: состояние и перспективы», 2000 г., стр.2-44).

В основу полезной модели положено решение следующих задач:

- повышение надежности и длительности работы компактной камеры сгорания ГТД;

- улучшение теплового состояния УРТ;

- предотвращение попадания воздуха в область течения богатой смеси вблизи конца цилиндрического участка;

- предотвращение образования нагара на стенках жаровой трубы;

- уменьшение угла раскрытия топливовоздушного факела. Поставленные задачи решаются тем, что предлагаемое УРТ в камере сгорания ГТД содержит топливную форсунку и размещенный вокруг форсунки воздушный осесимметричный тракт, разделенный продольно кольцевым элементом на наружный и внутренний каналы. Наружный канал ограничен патрубком, включающим сужающийся и расширяющийся участки, а внутренний канал включает цилиндрический и сужающийся участки, которые ограниченны кольцевым элементом с острой кромкой на выходе. Наружный канал на входе имеет лопаточный завихритель, расположенный между патрубком и кольцевым элементом, а внутренний канал - кольцевой завихритель, расположенный в кольцевом элементе после топливной форсунки. Кроме того, УРТ включает фланцевую втулку, размещенную над патрубком наружного канала с образованием дополнительного кольцевого канала и скрепленную с этим патрубком концевыми частями.

Новым в полезной модели является то, что в УРТ патрубок на выходе дополнительно снабжен цилиндрическим участком и кольцевым козырьком. Внутренняя поверхность цилиндрического участка сопряжена с расширяющейся поверхностью патрубка, а козырек расположен перед цилиндрическим участком патрубка над его расширяющейся частью и сопряжен герметично с фланцевой втулкой. Козырек снабжен сквозными отверстиями для перепуска воздуха из дополнительного канала воздушного тракта.

Новым также является то, что в УРТ длина цилиндрического участка находится в диапазоне от 3 до 5 мм.

Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение:

- так как в конструкции данного УРТ при низком давлении подачи топлива в камеру смешения осуществляется его пневматический распыл, то топливная форсунка выполняет функцию дозатора и может быть выполнена центробежной или струйной;

- кольцевой лопаточный завихритель воздуха наружного канала выполнен осевым, что обеспечивает компактность конструкции УРТ;

- в УРТ расширяющаяся часть патрубка наружного канала на выходе выполнена конусной с углом раскрытия от 90 до 120°;

- кольцевой завихритель воздуха внутреннего канала выполнен с тангенциальными равнорасположенными по окружности отверстиями или в виде радиального лопаточного, что позволяет выполнить УРТ компактным и сделать его технологичным;

- угол наклона отдельной лопатки завихрителя наружного канала воздушного тракта УРТ к его продольной оси составляет от 50 до 75°, что обеспечивает существование за ним протяженной зоны обратных токов продуктов сгорания, позволяющей осуществлять устойчивый запуск и обеспечивать широкий диапазон устойчивой работы двигателя даже на холодном воздухе.

Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции УРТ в камере сгорания и описанием его работы со ссылкой на чертежи и фотографии, представленные на фиг.1-5, где

на фиг.1 схематично изображено УРТ в камере сгорания;

на фиг.2 схематично изображена камера сгорания ГТД, приведенная на фиг.3 патента РФ 2349840 от 20.03.2009 г. (нумерация сохранена);

на фиг.3 показана фотография, где изображено УРТ после испытаний на стенде при высоких давлениях и температурах в камере сгорания. Охлаждающий воздух, вытекающий из отверстий охлаждения в богатую топливовоздушную смесь, приводит к прогарам выходного патрубка (см. поз.16 на фиг.2).

на фиг.4 показана фотография, где изображен топливовоздушный факел УРТ при закрытых отверстиях охлаждения выходного патрубка. Распыливание хорошее, но факел ложится на стенки и не попадает в камеру сгорания;

на фиг.5 показана фотография топливовоздушного факела УРТ при закрытых отверстиях охлаждения выходного патрубка. Патрубок на выходе снабжен цилиндрическим участком длиной 3 мм;

на фиг.6 показана фотография топливовоздушного факела УРТ при закрытых отверстиях охлаждения выходного патрубка. Патрубок на выходе снабжен цилиндрическим участком длиной 5 мм.

Устройство для распыла топлива (см. фиг.1) в камере сгорания содержит топливную форсунку 1 и размещенный вокруг форсунки 1 воздушный осесимметричный тракт 2, разделенный продольно кольцевым элементом 3 на наружный и внутренний каналы 4, 5 соответственно. Форсунка 1 может быть выполнена одно- или двухканальной, в зависимости от режимов работы камеры сгорания. Наружный канал 4 ограничен патрубком 6, включающим сужающийся и расширяющийся участки, а внутренний канал 5 включает цилиндрический и сужающийся участки, которые ограничены кольцевым элементом 3 с острой кромкой на выходе. Наружный канал 4 на входе имеет лопаточный завихритель 7, расположенный между патрубком 6 и кольцевым элементом 3, а внутренний канал 5 - кольцевой завихритель 8, расположенный в кольцевом элементе 3 после топливной форсунки 1. Кроме того, УРТ включает фланцевую втулку 9, размещенную над патрубком 6 наружного канала 4 с образованием дополнительного кольцевого канала 10 и скрепленную с этим патрубком 6 концевыми частями. Патрубок 6 на выходе снабжен цилиндрическим участком 11 и кольцевым козырьком 12. Внутренняя поверхность цилиндрического участка 11 сопряжена с расширяющимся участком патрубка 6, а козырек 12 расположен по потоку перед цилиндрическим участком 11 патрубка 6 над его расширяющейся частью и сопряжен герметично с фланцевой втулкой 9. Козырек 12 снабжен сквозными отверстиями 13 для перепуска воздуха из дополнительного канала 10 воздушного тракта.

В процессе испытаний выявились недостатки УРТ, защищенного патентом РФ 2349840. В частности, оказалось, что подача воздуха для охлаждения стенок выходного патрубка УРТ и выпуск его в камеру сгорания через отверстия 35 (см фиг.2, нумерация на иллюстрации сохранена как в патенте РФ 2349840) вблизи конца патрубка приводят (в связи с тем, что через патрубок поступает в камеру богатая смесь) к локальному горению и прогарам на конце патрубка (см. фиг.2, 3). Изменение положения отверстий для выпуска охлаждающего воздуха на конце патрубка не привело к прекращению прогаров. Пришлось закрыть все отверстия на конце патрубка, выходящие в камеру сгорания.

Охлаждающий воздух стали выпускать между стенок 14, 15 вдоль фронтового экрана 16 (см. фиг.1) жаровой трубы 17 через ряд отверстий 13 и 18. Это решило проблему теплового состояния УРТ.

Однако, при повторных автономных испытаниях УРТ на мелкость распыливания, проведенных после рассмотренных выше испытаний и внесения небольших изменений в конструкцию УРТ обнаружилось, что предложенные мероприятия отрицательно повлияли на форму топливного факела (см. фиг.4). Топливный факел, выходящий из УРТ после модернизации системы охлаждения, разворачивался и практически ложился на фронтовой экран 16, что, в частности, могло послужить причиной некоторого снижения полноты сгорания топлива в камере сгорания и образованию нагара на стенках жаровой трубы 17.

С целью ликвидации указанного недостатка было решено снабдить выходной патрубок 6 цилиндрическим участком 11. Оказалось, что установка цилиндрического участка 11 на выходе из УРТ (шириной от 3 до 5 мм) существенно изменяет угол факела распыливания (см. фиг.5, 6).

Ширина кольца 2 мм Ширина кольца 3 мм Ширина кольца 4 мм Ширина кольца 5 мм Ширина кольца 6 мм
Нет эффекта или неустойчивость Эффект положителен Эффект положителен Эффект положителен Пленка, крупные капли

Угол раскрытия топливовоздушного факела уменьшается по мере роста высоты цилиндрического участка 11 в указанных пределах примерно до 60°. При небольшой ширине участка 11 (около 3 мм) факел остается достаточно широким, что должно положительно сказаться на распределении топлива в камере сгорания.

Модернизированная схема УРТ предполагает ее использование в схеме кольцевой, полноразмерной камеры сгорания. Дальнейшее увеличение ширины кольца до 7 мм привело к очевидному ухудшению распыливания топлива и появлению на кромках выходного патрубка не распавшейся пленки топлива и крупных капель.

Выполнение УРТ в камере сгорания в соответствии с заявленным техническим решением позволяет повысить надежность камеры сгорания и длительность ее работы, а также улучшить тепловое состояние УРТ и предотвратить образования нагара на стенках жаровой трубы 17.

1. Устройство для распыла топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащее топливную форсунку и размещенный вокруг форсунки воздушный осесимметричный тракт, разделенный продольно кольцевым элементом на наружный и внутренний каналы, причем наружный канал ограничен патрубком, включающим сужающийся и расширяющийся участки, а внутренний канал включает цилиндрический и сужающийся участки, ограниченные кольцевым элементом с острой кромкой на выходе, при этом наружный канал на входе имеет лопаточный завихритель, расположенный между патрубком и кольцевым элементом, а внутренний канал - кольцевой завихритель, расположенный в кольцевом элементе после топливной форсунки, кроме того, устройство включает фланцевую втулку, размещенную над патрубком наружного канала с образованием дополнительного кольцевого канала и скрепленную с этим патрубком концевыми частями, отличающееся тем, что патрубок на выходе дополнительно снабжен цилиндрическим участком и кольцевым козырьком, где внутренняя поверхность цилиндрического участка сопряжена с расширяющейся поверхностью патрубка, а козырек расположен перед цилиндрическим участком патрубка над его расширяющейся частью и сопряжен герметично с фланцевой втулкой, причем козырек снабжен сквозными отверстиями для перепуска воздуха из дополнительного канала воздушного тракта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина цилиндрического участка находится в диапазоне от 3 до 5 мм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что топливная форсунка выполнена центробежной или струйной.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевой лопаточный завихритель воздуха наружного канала выполнен осевым.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расширяющаяся часть кольцевого элемента наружного канала на выходе выполнена конусной с углом раскрытия от 90 до 120°.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевой завихритель воздуха внутреннего канала выполнен с тангенциальными равнорасположенными по окружности отверстиями или в виде радиального лопаточного.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол наклона лопатки завихрителя воздуха наружного канала воздушного тракта устройства к его продольной оси составляет от 50 до 75°.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к области производства труб из полимерных композиционных материалов, и касается конструктивного выполнения оправки, предназначенной для изготовления труб способом намотки
Наверх