Горелка для сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя

Горелка 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. На выходных кромках лопаток завихрителей воздуха расположены упругие стержневые элементы, причем выходная кромка каждой лопатки имеет продольный паз, а отдельный стержневой элемент жестко закреплен одним концом в последнем. Конструкции горелки, работающей на топливах нормальной или повышенной вязкости, обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах для реактивных двигателей. 1 н.з. и 3 з.п.

Полезная модель относится к устройствам с непосредственным впрыскиванием жидкого углеводородного топлива нормальной или повышенной вязкости в капельном состоянии в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) и подготовкой топливовоздушной смеси (ТВС) для сжигания в зоне горения с помощью воздуха. Горелка может быть использована во многих типах теплоэнергетических установок.

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°С от 1,25 до 1,30 мм²/с (сСт). Дизельное топливо по ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное» имеет кинематическую вязкость при плюс 20°С от 3,0 до 6,0 мм²/с (летнее) и от 1,8 до 5,0 мм²/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°С 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 камер сгорания, 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 (СО), 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 топливовоздушной смеси, во второй - бедной гомогенной. Зоны могут располагаться относительно друг друга 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 и горения ТВС в основной зоне, а также обеспечения полноты ее сгорания не удается.

Для камер сгорания наземных ГТУ указанные проблемы со стабилизацией и полнотой сгорания бедной топливовоздушной смеси 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 камеру сгорания. 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 камеры сгорания, 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 двухканальная по топливу горелка с двумя подводами воздуха (Патент США 6715292, F02С 7/22, 06.04.2004). Горелка для сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя 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. Топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки, для топлива повышенной вязкости, энергии воздушных потоков, которые подают в камеру сгорания через горелку недостаточно, чтобы распылить топливо до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива с воздухом в достаточной мере.

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

- разработка конструкции горелки, работающей на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, которая обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах для реактивных двигателей;

- обеспечения 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 реактивных двигателей.

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

Поставленные задачи решаются тем, что горелка для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя 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 каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Это, при уменьшенной длине камеры сгорания, позволяет обеспечить необходимое время контакта для смешения закрученной топливной пелены и сопряженных с ней закрученных воздушных потоков вспомогательного и основного контуров горелки.

Новым в горелке является то, что лопаточные завихрители воздуха содержат, расположенные на выходных кромках лопаток, упругие стержневые элементы. Причем выходная кромка каждой лопатки имеет продольный паз, а отдельный стержневой элемент жестко закреплен одним концом в последнем.

Жесткое закрепление на выходных кромках лопаток завихрителей воздуха упругих стержневых элементов позволяет надежно организовать в воздушных каналах горелки закрученные потоки воздуха с высокой интенсивностью турбулентности. Энергии этих потоков воздуха достаточно, чтобы сформировать в пространстве сгорания камеры мелкодисперсную хорошо перемешанную ТВС из топлива нормальной или повышенной вязкости. Это обеспечивает высокую полноту сгорания приготовленной ТВС и позволяет снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания топлив повышенной вязкости до требуемых современными стандартами уровней.

Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение.

Отдельный упругий стержневой элемент может быть выполнен в виде плоской пластины или проволоки из материала с высоким модулем упругости. При этом упругие стержневые элементы колеблются под действием закрученного в межлопаточных каналах завихрителей воздушного потока и не требуют дополнительного подвода энергии. Характер работы отдельного упругого элемента будет определяться упругими свойствами материала последнего. Высокая интенсивность турбулентности закрученного потока за упругими стержневыми элементами позволяет сформировать мелкодисперсный и хорошо перемешанный аэрозоль в зоне горения камеры сгорания. Завихрители топливных каналов могут быть выполнены в виде шнеков со сквозными винтовыми канавками на наружных поверхностях, что определяется производственными возможностями.

Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:

- разработана конструкции горелки, работающей на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, которая обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах 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 конструкции горелки для сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя и ее работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1-6, где:

на фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания газотурбинного двигателя с горелкой;

на фиг.2 - элемент I на фиг.1;

на фиг.3 - вид А на фиг.2;

на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3 цилиндрической поверхностью, развертываемой в плоскость, по лопаткам завихрителя воздушного внешнего канала;

на фиг.5 - вид В на фиг.4 на лопатку завихрителя воздушного канала, где упругие элементы выполнены в виде плоских пластин;

на фиг.6 - вид В на фиг.4 на лопатку завихрителя воздушного канала, где упругие элементы выполнены в виде проволоки.

Горелка 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 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. Закрутка завихрителей 10 и 19 воздушных каналов 9 и 18 и завихрителей 3 и 15 топливных каналов 1 и 13 направлена в одну сторону. Лопаточные завихрители 10 и 19 воздуха содержит (см. фиг.2, 4, 5 и 6) жестко закрепленные на выходных кромках 21 лопаток 22, упругие стержневые элементы 23.

Выходная кромка 21 каждой лопатки 22 завихрителей 10 и 19 воздуха имеет (см. фиг.4) продольный паз 24. В одном варианте отдельный упругий стержневой элемент 23 (см. фиг.4 и 5) выполнен в виде полосы из материала с высоким модулем упругости, который жестко закреплен в пазу 24. Крепление полос 23 в пазу 24 можно выполнить, например, пайкой или обжимом кромки 21.

В другом варианте (см. фиг.4 и 6) выходная кромка 21 каждой лопатки 22 завихрителей 10 и 19 воздуха тоже имеет продольный паз 24. Однако отдельный упругий стержневой элемент 23 может быть изготовлен в виде проволоки, закрепленной в пазу 24 лопаток 22 завихрителей 10 и 19 например обжимом кромки 21. Проволока также должна быть выполнена из материала с высоким модулем упругости.

Завихрители 3 и 15 топливных каналов 1 и 13 (см. фиг.2) выполнены в виде шнеков со сквозными винтовыми канавками на наружных цилиндрических поверхностях.

Горелка для сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом. При работе используют пневматические способы распыливания жидкого топлива, которые обеспечивают получение однородно перемешанной воздухом и равномерно распределенной 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 горелку (см. фиг.1 и фиг.2) подают небольшой, но достаточный для работы камеры сгорания поток воздуха. В горелке воздух проходит воздушный внутренний канал 9 с завихрителем 10 и внешний канал 18 с завихрителем 19, которые снабжены на выходных кромках 21 лопаток 22 завихрителей 10 и 19 стержневыми упругими элементами 23.

На режиме запуска топливо через магистраль 2 подают только в аксиальный канал 1. В канале 1 топливо закручивают винтовыми канавками шнекового завихрителя 3 и через камеру закручивания 4, а затем суживающуюся часть 5 и сопло 6 подают в зону горения камеры сгорания. На выходе сопла 6 поток топлива раскрывается в коническую пелену, которая распадается на капли под действием высокотурбулизированных потоков воздуха прошедших каналы 9 и 18 со стержневыми упругими элементами 23. Начальный розжиг подготовленной ТВС осуществляют с помощью воспламенителей 25.

При переходе на режимы повышенной мощности топливо дополнительно через магистраль 14 подают в канал 13 с завихрителем 15 внутри. В канале 13 топливо закручивают винтовыми канавками шнекового завихрителя 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 высокотурбулизированных 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 турбулизированных воздушных потоков в воздушных каналах 9 и 18 с упругими стержневыми элементами 23 и закрученных потоков жидкого топлива вспомогательного и основного контуров обеспечивает высокую эффективность распыла и смешения топлива нормальной или повышенной вязкости, например реактивного или дизельного, а вследствие этого и высокую эффективность горения. Выбор в качестве упругих колебательных элементов наборов ленточных полос или проволок определяется многими факторами: вязкостью топлива, скоростями и величиной закрутки потоков воздуха, режимами работы горелки, возможностями производства и т.д.

Горелка гарантирует достижение основных показателей и характеристик камер сгорания не ниже показателей и характеристик камер сгорания работающих на топливах для реактивных двигателей.

Горелка 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 двигателей.

1. Горелка для сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащая 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, отличающаяся тем, что лопаточные завихрители воздуха содержат, расположенные на выходных кромках лопаток, упругие стержневые элементы, причем выходная кромка каждой лопатки имеет продольный паз, а отдельный стержневой элемент жестко закреплен одним концом в последнем.

2. Горелка для сжигания топлива по п.1, отличающаяся тем, что отдельный упругий стержневой элемент выполнен в виде плоской пластины из материала с высоким модулем упругости.

3. Горелка для сжигания топлива по п.1, отличающаяся тем, что отдельный упругий стержневой элемент выполнен в виде проволоки из материала с высоким модулем упругости.

4. Горелка для сжигания топлива по п.1, отличающаяся тем, что завихрители топливных каналов выполнены в виде шнеков со сквозными винтовыми канавками на наружных поверхностях.