Устройство сжигания топлива в камере сгорания

Устройство предназначено для сжигания топлива нормальной и повышенной вязкости, например реактивного или дизельного топлива, в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ). Устройство содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур аналогичен вспомогательному и расположен коаксиально относительно него. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Выступ выходной кромки наружной стенки воздушного внутреннего канала относительно выходной кромки стенки аксиального топливного канала и выступ выходной кромки наружной стенки воздушного внешнего канала относительно выходной кромки наружной стенки топливного внешнего канала в прямоугольной системе координат на плоскости определяются уравнением. Устройство, работающее на топливах нормальной или повышенной вязкости, обеспечивает основные показатели и характеристики не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах только для реактивных двигателей. 1 н.з.

Полезная модель относится к устройствам с непосредственным впрыскиванием жидкого углеводородного топлива в капельном состоянии в камеру сгорания (КС) газотурбинного двигателя (ГТД) и подготовкой топливовоздушной смеси (ТВС) для сжигания в зоне горения с помощью воздуха. Устройство может быть использовано в теплоэнергетических установках различных типов, в том числе со сжиганием топлива нормальной или повышенной вязкости, например реактивного или дизельного.

В настоящее время актуальной задачей является создание камер сгорания ГТД и наземных газотурбинных установок (ГТУ), которые могут работать на топливах с повышенной вязкостью при сохранении низкого уровня эмиссии вредных веществ. Это связано с замедлением темпов и удорожанием добычи нефти. В качестве альтернативы реактивным топливам могут рассматриваться топлива с повышенной вязкостью такие как, например, дизельные и судовые топлива, имеющие больший объем и меньшую стоимость производства, чем топлива для реактивных двигателей.

Стандартное авиационное топливо (например, керосин марки ТС-1 по ГОСТ 10227-86 «Топлива для реактивных двигателей») имеет кинематическую вязкость при плюс 20°C от 1,25 до 1,30 мм²/с (сСт). Дизельное топливо по ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное» имеет кинематическую вязкость при плюс 20°C от 3,0 до 6,0 мм²/с (летнее) и от 1,8 до 5,0 мм ²/с (зимнее). В этих стандартах указано повышенное содержание, практически в десять раз, наличия смол в дизельном топливе по сравнению с топливом для реактивных двигателей. Концентрация смол, мг на 100 см³ для топлива ТС-1 составляет от 3 до 5, а для дизельного топлива от 30 до 40. Чтобы топливо легко прокачивалось по системе питания, вязкость его при минус 40°C не должна превышать 16 сСт. В настоящее время также действует постановление Правительства РФ 118 от 27.02.2008 - технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту». Следовательно, необходимо обеспечить беспрепятствованную прокачиваемость топлива с повышенной вязкостью через систему питания двигателя в заданном температурном диапазоне.

В то же время, ухудшение экологического состояния окружающей среды и ужесточение норм на вредные выбросы требуют разработки экологически «чистых» камер сгорания ГТД и ГТУ, что обязывает разработчиков совершенствовать процессы распыла жидкого топлива в камеры сгорания и процессы гомогенизации ТВС.

Кроме того при разработке КС, работающих на дизельном топливе важнейшими задачами являются надежность, воспламеняемость ТВС и обеспечение заданного ресурса при сохранении уровня эмиссии вредных веществ заданных для реактивных топлив. Основное внимание здесь уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO_x), монооксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании низкоэмисионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация устойчивого горения бедных смесей. Например, генерация оксидов азота по основному, термическому механизму Зельдовича, сильно зависит от температуры в зоне горения Т_зг и при ее значении, меньшем 1730К становится практически несущественной. В этом диапазоне температур (Т_зг<1730К) индекс эмиссии оксидов азота очень слабо зависит от времени пребывания газа в камере сгорания.

Одним из путей снижения вредных выбросов, например, авиационными камерами сгорания является использование камер, в которых горение происходит в двух зонах: вспомогательной (пилотной) и основной. В первой организуется горение богатой ТВС, во второй - бедной гомогенной. Зоны могут располагаться последовательно или параллельно.

Однако использование пилотной зоны, в которой горение происходит по диффузионному механизму, существенно увеличивает эмиссию оксидов азота. В камерах сгорания авиационных двигателей, где время пребывания газа мало ( 7 мс), избавится от пилотной, постоянно работающей диффузионной зоны горения, без ущерба для устойчивого воспламенения, горения ТВС и полноты ее сгорания не удается.

Для КС наземных ГТУ указанные проблемы со стабилизацией и полнотой сгорания бедной ТВС можно решить за счет увеличения объема камеры сгорания и увеличения размера зоны стабилизации пламени в ней, уменьшения скорости течения смеси.

Для обеспечения снижения уровня эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания камер авиационных ГТД и наземных ГТУ основной проблемой оказывается достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом перед сгоранием (гомогенизация ТВС).

Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя (Авторское свидетельство СССР 1166568 A, F23R 3/24, 22.03.1984). Горелка содержит центральный воздушный канал с завихрителем воздуха и пусковой топливной форсункой, кольцевой воздушный канал с завихрителем воздуха и рабочую топливную форсунку с выходными отверстиями. Горелка снабжена вторым кольцевым каналом с камерой смешения, завхрителем и выходным соплом. Сопло расположено между центральным и первым кольцевыми каналами, а рабочая форсунка расположена на входе второго канала. Топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки топливо повышенной вязкости, не успевшее смешаться с воздушными потоками в центральном и в кольцевом каналах, оседает на стенках каналов и в виде струй подается в КС. Энергии воздушных потоков в камере сгорания не хватает, чтобы смешать топливо в струях с воздухом в достаточной мере.

Известен способ и устройство перемешивания топлива для уменьшения эмиссии вредных выбросов из камеры сгорания (Патент США 6,484,489 B1, F02C 7/26, Nov. 26.2002) фирмы General Electric Company (US). Камера сгорания устройства выполнена с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией окиси углерода, окиси азота и дымления на всех режимах работы ГТД. Камера сгорания содержит смесительный узел состоящий из вспомогательного и основного смесителей. Вспомогательный смеситель имеет вспомогательную топливную форсунку, по меньшей мере, один завихритель и разделитель воздуха. Основной смеситель расположен вокруг вспомогательного смесителя. Каналы для подачи топлива и завихрители воздуха расположены перед отверстиями для впрыска топлива. При работе на режиме малого газа вспомогательный смеситель аэродинамически изолирован от основного смесителя и через основной смеситель подается только воздух. С увеличением мощности двигателя топливо подается в основной смеситель, а завихритель основного смесителя смешивает топливо с воздухом для обеспечения равномерного распределения по окружности и горения. ТВС равномерно распределяется внутри КС, что способствует полному сгоранию топлива и снижению выброса окиси азота на максимальном режиме работы ГТД. Однако одноступенчатый распыл струй топлива повышенной вязкости через основной смеситель не способствует приготовлению однородной мелкораспыленной ТВС.

Известна форсунка с очищающим коллектором (Патент США 6073436, F02C 7/26, 13.06.2000) фирмы Rolls-Royce plc, London (GB). Форсунка состоит из двух завихрителей, окружающих основное топливное сопло и пилотное топливное сопло. Основное топливо дробится и смешивается с закрученным воздухом на выходе из цилиндрического канала. При этом внешний воздушный завихритель лишь предотвращает вылет полидисперсных капель за границу факела и не участвует в интенсивном перемешивании из-за своей удаленности от кромки распыливания топлива. Пилотное топливо дробится и смешивается с закрученным воздушным потоком внутри цилиндрического канала. Такое расположение точки впрыска пилотного топлива может повысить коэффициент перемешивания смеси, но с другой стороны повышает риск нагарообразования более вязкого топлива на внутренней поверхности цилиндрического канала и создает опасность проскока пламени по оси и поверхностям форсунки.

Наиболее близким аналогом по назначению и конструкции, что и заявляемое техническое решение является двухканальное по топливу устройство с двумя подводами воздуха (Патент США 6715292, F02С 7/22, 06.04.2004). Устройство для сжигания топлива в камере сгорания ГТД содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал с магистралью подвода топлива на входе и завихрителем внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом коаксиально расположен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал снабжен лопаточным завихрителем внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Устройство позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции устройства, для топлива повышенной вязкости, энергии воздушных потоков, которые подают в КС через горелку недостаточно, чтобы распылить топливо до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива в струях с воздухом в достаточной мере.

В основу полезной модели положено решение следующих задач для авиационных ГТД и наземных ГТУ:

- разработка устройства сжигания топлива в камерах сгорания, работающих на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, которое обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих только на топливах для реактивных двигателей;

- обеспечение эмиссии вредных веществ (NO_x, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для ГТД.

Это достигается путем подготовки бедной предварительно перемешенной и частично испаренной ТВС к сжиганию без ущерба для топливной экономичности двигателя и ресурса работы его горячих частей. Основной проблемой остается достижение эффективного предварительного смешения топлива повышенной вязкости с воздухом (гомогенизация ТВС).

Поставленные задачи решаются тем, что устройство сжигания топлива в КС содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал. Топливный внешний канал содержит магистраль подвода топлива на входе и завихритель внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом, коаксиально расположен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал содержит лопаточный завихритель внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных и топливных каналов направлена в одну сторону. Это, при меньшей длине КС, позволяет обеспечить необходимое время контакта для смешения закрученной топливной пелены и сопряженных с ней закрученных воздушных потоков для вспомогательного и основного контуров горелки.

Новым в устройстве является то, что выступ выходной кромки наружной стенки воздушного внутреннего канала относительно выходной кромки стенки аксиального топливного канала в прямоугольной системе координат на плоскости определяются уравнением

где X₁ - выступ выходной кромки наружной стенки отдельного воздушного канала относительно выходной кромки наружной стенки сопряженного топливного канала по оси абсцисс;

Y₁ - расстояние между выходной кромкой наружной стенки отдельного воздушного канала и выходной кромкой наружной стенки сопряженного топливного канала по оси ординат;

₁ - расчетный угол раскрытия топливной пелены.

Выступ выходной кромки наружной стенки воздушного внешнего канала относительно выходной кромки наружной стенки топливного внешнего канала в прямоугольной системе координат на плоскости, определяемые уравнением:

где X₂ - выступ выходной кромки наружной стенки отдельного воздушного канала относительно выходной кромки наружной стенки соответствующего топливного канала по оси абсцисс;

Y₂ - расстояние между выходной кромкой наружной стенки отдельного воздушного канала и выходной кромкой наружной стенки соответствующего топливного канала по оси ординат;

₂ - расчетный угол раскрытия топливной пелены.

Такое расположение кромок обеспечивает раскрытие каждой топливной пелены без касания выходных кромок воздушных каналов. Это создает условия распыла топлива с наименьшим размером капель на выходе устройства и образования гомогенной ТВС, в том числе для топлив с повышенной вязкостью.

Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение.

На торце аксиального топливного канала, вокруг выходной кромки может быть выполнена кольцевая проточка. Наличие кольцевой проточки исключает прилипание топливной пелены к торцу канала.

Выходную кромку сопла аксиального топливного канала предпочтительно выполнять острой. Такое выполнение выходной кромки позволяет сохранять равномерность и стабильность топливной пелены.

Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:

- разработано устройство сжигания топлива в камере сгорания, работающее на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, которое обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах только для реактивных двигателей;

- обеспечена эмиссия вредных веществ (NO_x , CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью, например дизельном, на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.

Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием устройства сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя и его работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1 и фиг.2, где:

на фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания с устройством сжигания топлива;

на фиг.2 - элемент I на фиг.1.

Устройство для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит (см. фиг.1 и 2) систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный внутренний топливный канал 1 с магистралью 2 подвода топлива на входе, завихрителем 3 внутри, камерой 4 закручивания топлива, суживающимся участком 5 и соплом 6 на выходе. Относительно аксиального топливного канала 1, коаксиально размещен связанный с ним через стенку 7 с острой кромкой 8 на выходе воздушный внутренний суживающийся канал 9 с лопаточным завихрителем 10 внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом 9, связанный с ним через стенку 11 с острой кромкой 12 на выходе, топливный внешний суживающийся канал 13 с магистралью 14 подвода топлива на входе и завихрителем 15 внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом 13 коаксиально расположен, связанный с ним через стенку 16 с острой кромкой 17 на выходе, воздушный внешний суживающийся канал 18 с лопаточным завихрителем 19 внутри, ограниченный наружной стенкой 20 с острой кромкой 21 на выходе. Закрутка завихрителей 10 и 19 воздушных каналов 9 и 18 и завихрителей 3 и 15 топливных каналов 1 и 13 направлена в одну сторону. Выступ выходной кромки 12 наружной стенки 11 воздушного внутреннего канала 9 относительно выходной кромки 8 сопла 6 аксиального топливного канала 1 и выступ выходной кромки 21 наружной стенки 20 воздушного внешнего канала 18 относительно выходной кромки 17 наружной стенки 16 топливного внешнего канала 13 в прямоугольной системе координат на плоскости, определяемые уравнениями (1) и (2), обеспечивают раскрытие каждой топливной пелены без касания выходных кромок 12 и/или 21 стенок соответственно воздушных каналов 9 или 18. Такое соотношение выступов кромок 12 или 21 относительно соответственно кромок 8 и 17 создает наименьший размер капель топлива на выходе устройства сжигания топлива в камере сгорания и образует гомогенную ТВС. На торце аксиального топливного канала 1, вокруг выходной кромки 8 выполнена кольцевая проточка 22. Выходная кромка 8 сопла 6 аксиального топливного канала 1 выполнена острой. Воспламенение подготовленной ТВС осуществляют с помощью воспламенителя 23.

Устройство сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки жидкого топлива, которые обеспечивают получение однородно перемешанной воздухом распыленной в зоне сгорания камеры пелены топлива с обеспечением малых размеров жидких капель. Здесь также достигают дополнительный выигрыш в энергетике насосов за счет низких потребных давлений подачи топлива.

В начальный момент времени (на режиме запуска двигателя) через устройство (см. фиг.1 и фиг.2) подают небольшой, но достаточный для работы камеры сгорания поток воздуха. В устройстве воздух проходит воздушный внутренний канал 9 с завихрителем 10 и внешний канал 18 с завихрителем 19. На режиме запуска топливо через магистраль 2 подают только в аксиальный канал 1. В канале 1 топливо закручивают шнековым завихрителем 3 и через камеру закручивания 4, а затем суживающуюся часть 5 сопла 6 подают в зону горения КС. На кромке 8 сопла 6 поток топлива раскрывается в коническую пелену, не прилипающую к торцу канала 1 за счет кольцевой проточки 22. Срываясь с острой кромки 8 сопла 6, равномерная топливная пелена распадается на капли под действием внешних турбулизированных потоков воздуха прошедших каналы 9 и 18. Подготовленную ТВС поджигают воспламенителем 23.

При переходе на режимы повышенной мощности топливо дополнительно через магистраль 14 подают в канал 13 с завихрителем 15 внутри. В канале 13 топливо закручивают шнековым завихрителем 15 и по описанному выше принципу направляют с распыливающей кромки 17 стенки 16 в виде второй пелены в камеру сгорания. Срываясь с острой кромки 17 стенки 16, топливная пленка дробиться на капли между двух закрученных турбулизированных потоков воздуха прошедших каналы 9 и 18. Полученную в основном контуре ТВС подают в зону горения камеры, где она воспламеняется от продуктов сгорания топлива поступившего в камеру из аксиального канала 1 вспомогательного контура. Предварительная подготовка закрученных в одну сторону турбулизированных воздушных потоков в воздушных каналах 9 и 18 и потоков жидкого топлива вспомогательного и основного контуров в каналах 1 и 13 обеспечивает высокую эффективность распыла топлива нормальной и повышенной вязкости, например реактивного или дизельного, увеличивает поверхность контакта топлива и воздуха и сокращает скорость испарения жидких капель.

Устройство гарантирует достижение основных показателей и характеристик КС, работающих на топливах повышенной вязкости на уровне камер сгорания ГТД и ГТУ работающих на реактивных топливах. Высокая эффективность подготовки ТВС в устройстве, перемешивания ее в КС обеспечивает высокую полноту сгорания и обеспечивает низкие уровни эмиссии вредных веществ.

Устройство позволяет сохранить эмиссию вредных веществ (NO_x, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных газотурбинных двигателей.

1. Устройство сжигания топлива в камере сгорания, содержащее систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов, где вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе, и коаксиально размещенный относительно аксиального топливного канала, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри, а основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе топливный внешний суживающийся канал с магистралью подвода топлива на входе и завихрителем внутри, а, кроме того, коаксиально расположенный над топливным внешним каналом, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри, ограниченный наружной стенкой с острой кромкой на выходе, причем закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону, отличающееся тем, что выступ выходной кромки наружной стенки воздушного внутреннего канала относительно выходной кромки стенки аксиального топливного канала и выступ выходной кромки наружной стенки воздушного внешнего канала относительно выходной кромки наружной стенки топливного внешнего канала в прямоугольной системе координат на плоскости определяются уравнением

X=Y·ctg,

где X - выступ выходной кромки наружной стенки отдельного воздушного канала относительно выходной кромки наружной стенки сопряженного топливного канала по оси абсцисс;

Y - расстояние между выходной кромкой наружной стенки отдельного воздушного канала и выходной кромкой наружной стенки сопряженного топливного канала по оси ординат;

- расчетный угол раскрытия топливной пелены.

2. Устройство для сжигания топлива по п.1, отличающееся тем, что на торце аксиального топливного канала, вокруг выходной кромки выполнена кольцевая проточка.

3. Устройство для сжигания топлива по п.1, отличающееся тем, что выходная кромка сопла аксиального топливного канала выполнена острой.