Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка

Авторы патента:

Полезная модель позволяет снизить уровень дымления и эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания топлива наземных газотурбинных установок и турбореактивных двигателей, получить высокую эффективность и устойчивость горения в камере сгорания, исключит проскок пламени из камеры сгорания в воздушный канал и исключить непроизводительный перепуск топлива из форсунки в бак. Указанный технический результат достигается тем, что форсунка содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Каждый топливный канал включает коллектор подвода топлива, шнековый завихритель, вихревую камеру и сопло. Стенки вихревых камер со стороны сопл выполнены конусными и имеют равномерно расположенные по окружности отверстия. Вихревая камера вспомогательного контура через равномерно расположенные по окружности сквозные наклонные к оси отверстия перепуска топлива в шнеке, магистраль и перепускной клапан соединена с коллектором подвода топлива основного контура. При запуске в форсунку подают воздух и топливо, которое мелкодисперсно распыливают в зонах закрученного воздушного потока с получением однородной топливовоздушной смеси. Полученная смесь поступает в камеру сгорания и поджигается воспламенителем. 1 н.п. и 3 з.п. ф-лы.

Полезная модель относится к устройствам для непосредственного впрыскивания жидкого углеводородного топлива в капельном состоянии в камеры сгорания наземных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).

Камеры сгорания ГТУ и ТРД работают в широком диапазоне изменения расхода топлива. Так, например, у воздушно-реактивного двигателя при переходе с режима максимальной тяги у земли на режим сильного дросселирования на большой высоте расход топлива уменьшается от 20 до 30 раз. В простой центробежной форсунке расход топлива приблизительно равен корню квадратному из перепада давления на форсунке, так что для увеличения расхода топлива в 30 раз требуется увеличить перепад давления в 900 раз. Применяемые в настоящее время топливные насосы обеспечивают максимальное давление перед форсунками, примерно равное (7,5-8)×10⁶ Па. Это давление не может быть существенно повышено без усложнения и утяжеления топливной аппаратуры и уменьшения ее надежности. Если максимальное давление подачи составляет (7,5-8)10⁶ Па, то для уменьшения расхода в 30 раз необходимо снизить давление до (8-9)10³ Па. Но при столь низком давлении топливная струя, вытекающая из форсунки, уже практически не распадается на капли, образуя пузырь. Очевидно, что простые струйные и центробежные форсунки в интервале давления от (0,3-0,4) до (7,5-8,0)×10⁶ Па не могут обеспечить требуемого диапазона изменения расхода топлива.

Следовательно, возникает потребность в создании форсунок у которых расход с увеличением давления подачи возрастает быстрее, чем у известных. То есть, требуемый диапазон изменения расхода топлива должен достигаться в сравнительно узком интервале давлений подачи при заданном качестве распыла.

Известна регулируемая центробежная форсунка с перепуском топлива (Ю.Ф.Дитякин, Л.А.Клячко, Б.В.Новиков, В.И.Ягодкин «Распыливание жидкостей», М., Машиностроение, 1977, стр.96-101, рис.48, 49), которая содержит цилиндрическую камеру закручивания с тангенциальными каналами топлива в нее, центральным соплом на одной торцевой стенке и центральным каналом перепуска топлива на другой торцевой стенке. Канал перепуска топлива снабжен подпружиненным клапаном. Перепускной клапан устроен таким образом, что его проходное сечение начинает уменьшаться с возрастанием давления подачи топлива до некоторой величины, при котором сечение равно нулю (клапан закрыт). На режимах, при которых клапан открыт, только часть топлива, поступающего в форсунку, впрыскивается через сопло в окружающую среду. Остальная часть по каналу перепуска подается во всасывающую линию насоса. Чем больше перепускается топлива (при данном давлении перед форсункой), тем меньше его расход через сопло и тем больше корневой угол факела. При небольших давлениях подачи, пока проходное сечение клапана неизменно, коэффициент расхода сопла имеет малое постоянное значение. С ростом давления подачи топлива проходное сечение клапана и количество перепускаемого топлива уменьшается. При этом коэффициент расхода возрастает и достигает максимального значения при закрытом клапане перепуска. Чем больше расход перепускаемого топлива, тем больше момент количества движения на входе в камеру закручивания и, следовательно, тем меньше коэффициент расхода сопла. Центробежная форсунка с перепуском обладает достаточно большим диапазоном расходов. Так, в интервале давлений подачи топлива (0,3-5)10⁶ Па расход через сопло меняется от 1,1 до 95 г/с, т.е. изменяется в 86,5 раза. Для нерегулируемых форсунок в указанном интервале давлений расход возрастает всего в 4,1 раза. Недостатком такой форсунки является то, что нагретое в ней топливо частично перепускается обратно в топливный бак. Это увеличивает непроизводительные потери топливоподающей системы и усложняет ее конструкцию.

Известна центробежно-пневматическая форсунка для подготовки смеси воздуха с топливом и ее сжигания в камерах сгорания теплоэнергоустановок (Патент РФ 2374561, МПК F23R 3/28, 22.04.2008). Эта центробежно-пневматическая форсунка содержит полый корпус воздушного канала с участком сужения. Корпус снабжен лопаточным завихрителем на входе и, установленным по его оси до минимального поперечного сечения, распылителем топлива. Распылитель топлива включает канал подачи топлива на вход в центробежную форсунку, которая имеет вихревую камеру с завихрителями на входе и соплом на выходе. Лопатки завихрителя воздуха выполнены полыми, а их выходные кромки по радиусу канала имеют сквозные отверстия. Завихрители топлива на входе в вихревую камеру выполнены в виде шнека со сквозными винтовыми канавками на его наружной поверхности. Причем вихревая камера через равномерно расположенные по окружности сквозные наклонные к оси отверстия перепуска топлива в шнеке и магистраль, в которой установлен перепускной клапан с корпусом, соединена с полостями лопаток завихрителя воздуха. Стенка вихревой камеры со стороны сопла выполнена типа конусной или сферической и снабжена равномерно расположенными по окружности наклонными к оси сквозными отверстиями. Кроме того, входы в отверстия перепуска топлива в шнеке аксиального топливного канала расположены на середине радиуса вихревой камеры.

При такой конструкции центробежно-пневматической форсунки:

- обеспечивается мелкодисперсный распыл топлива в одном или двух поясах при пониженном давлении его подачи в камеру сгорания и расширенное изменение расхода топлива, что увеличивает поверхности контакта топлива и воздуха в смеси и обеспечивает получение высокой эффективности горения и рост полноты сгорания топлива;

- ускоряется выгорание закрученной в воздушном канале топливовоздушной смеси, что сокращает время ее пребывания в зоне горения и снижает уровень дымления и эмиссии в продукты сгорания вредных веществ;

- обеспечивается получение высокой эффективности и устойчивости горения в камере сгорания топливовоздушной смеси;

- исключается возможность проскока пламени из камеры сгорания внутрь воздушного канала;

- исключается возможность оседания топлива на элементах конструкции форсунки на режимах запуска и останова двигателя;

- исключается непроизводительный перепуск части топлива обратно в бак.

Однако данная центробежно-пневматическая форсунка выполнена одноконтурной, что снижает зону контакта топлива и воздуха в смеси, получение высокой эффективности горения и рост полноты сгорания топлива.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является двухканальная по топливу форсунка с двумя подводами воздуха (Патент США 6715292, F02С 7/22, 06.04.2004). Форсунка 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 форсунка позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции форсунки, чтобы распылить топливо, поступающее в камеру сгорания до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива в струях с воздухом в достаточной мере необходимо наличие двух независимых систем нагнетания топлива с разным уровнем давления подачи.

Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания и форсунок или горелок для них является снижение уровня дымления и эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания топлива. Основное внимание уделяется снижению дымления (сажи) и снижению в продуктах сгорания несгоревших углеводородов (C_nH_m), моноокиси углерода (СО) и оксида азота (NO_x). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе.

В основу полезной модели положено решение следующих задач:

- разработка форсунок с мелкодисперсным распылом топлива и пониженным давлением его подачи в камеру сгорания при расширенном диапазоне изменения расхода;

- снижение уровня дымления и эмиссии вредных веществ (C_nH_m, СО, NO_x) в продуктах сгорания;

- получение высокой эффктивности и устойчивости горения в камерах сгорания ТРД и ГТУ.

Поставленные задачи решаются тем, что предлагаемая двухконтурная центробежно-пневматической форсунка содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с коллектором подвода топлива на входе, шнековым завихрителем топлива с винтовыми канавками на его наружной поверхности на входе в вихревую камеру внутри канала и соплом на выходе. Стенка вихревой камеры со стороны сопла выполнена конусной. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, сопряженный с ним через стенку с коническим соплом на выходе, воздушный внутренний канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, сопряженный с ним через стенку топливный внешний канал с коллектором подвода топлива на входе, шнековым завихрителем, вихревой камерой внутри и соплом с конической стенкой на выходе. Над топливным внешним каналом коаксиально расположен, сопряженный с ним через стенку с коническим соплом на выходе, воздушный внешний канал с лопаточным завихрителем внутри, ограниченный наружной стенкой с конической суживающимся соплом на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону.

Согласно полезной модели вихревая камера аксиального топливного канала через равномерно расположенные по окружности сквозные наклонные к оси отверстия перепуска топлива в шнеке и магистраль, в которой установлен перепускной клапан с корпусом, соединена с коллектором подвода топлива канала основного контура. Конусные стенки вихревых камер аксиального и внешнего топливных каналов со стороны сопл имеют соответственно, равномерно расположенные по окружности наклонные к осям форсунок сквозные отверстия.

При такой конструкции двухконтурной центробежно-пневматической форсунки:

- обеспечивается мелкодисперсный распыл топлива в одной или двух кольцевых зонах при пониженном давлении его подачи в камеру сгорания и расширенное изменение расхода топлива, что увеличивает поверхности контакта топлива и воздуха в смеси и обеспечивает получение высокой эффективности горения и рост полноты сгорания топлива;

- ускоряется выгорание закрученной в воздушном канале топливовоздушной смеси, что сокращает время ее пребывания в зоне горения и снижает уровень дымления и эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания;

- обеспечивается получение высокой эффективности и устойчивости горения топливовоздушной смеси в камере сгорания;

- исключается возможность проскока пламени из камеры сгорания внутрь воздушного канала;

- исключается непроизводительный перепуск топлива обратно в бак.

Центробежно-пневматические форсунки такого типа могут устанавливаться в трубчатых, трубчато-кольцевых или кольцевых камерах сгорания ГТУ и ТРД.

Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение:

- перепускной клапан может содержать полый плунжер со сквозными отверстиями в боковой стенке, установленный внутри корпуса, где плунжер поджат пружиной до упора в торцевую кромку корпуса. Эта конструкция обеспечивает длительную надежную работу клапана в условиях многократного срабатывания и вибрации;

- входы в отверстия перепуска топлива в шнеке аксиального топливного канала могут быть расположены на середине радиуса вихревой камеры. Это обеспечивает минимальные потери на перепуск топлива из аксиальной вихревой камеры в полость клапана и коллектор подвода топлива основного контура;

- пружина в корпусе поджата резьбовой пробкой. Это обеспечивает заданный уровень давления перепуска топлива в основной контур.

Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием двухконтурной центробежно-пневматической форсунки и ее работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1-2, где:

На фиг.1 изображен продольный разрез центробежно-пневматической форсунки;

На фиг.2 - элемент А фиг.1.

Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка для сжигания топлива в камере сгорания (не показано) содержит (см. фиг.1) систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал 1 с коллектором 2 подвода топлива на входе, шнековым завихрителем 3 топлива с винтовыми канавками 4 на его наружной поверхности на входе в вихревую камеру 5 внутри канала 1 и соплом 6 на выходе. Стенка 7 вихревой камеры 5 со стороны сопла 6 выполнена конусной. Относительно аксиального топливного канала 1 коаксиально размещен, сопряженный с ним через стенку 8 с коническим соплом 9 на выходе, воздушный внутренний канал 10 с лопаточным завихрителем 11 внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом 10, сопряженный с ним через стенку 12 топливный внешний канал 13 с коллектором 14 подвода топлива на входе, шнековым завихрителем 15, вихревой камерой 16 внутри и соплом 17 с конической стенкой 18 на выходе. Над топливным внешним каналом 13 коаксиально расположен, сопряженный с ним через стенку 19 с коническим соплом 20 на выходе, воздушный внешний канал 21 с лопаточным завихрителем 22 внутри. Канал 21 ограничен наружной стенкой 23 с конической суживающейся стенкой 24 на выходе. Закрутка завихрителей 11, 22 воздушных каналов 10, 21 и завихрителей 3, 15 топливных каналов 1, 13 направлена в одну сторону. Вихревая камера 5 аксиального топливного канала 1 через равномерно расположенные по окружности сквозные наклонные к оси отверстия 25 перепуска топлива в шнеке 3 и магистраль 26, в которой установлен перепускной клапан 27 с корпусом 28, соединена с коллектором 14 подвода топлива канала 13 основного контура. Конусные стенки 7, 18 вихревых камер 5, 16 аксиального и внешнего топливных каналов 1, 13 со стороны сопл 6, 17 имеют соответственно, равномерно расположенные по окружности наклонные к осям форсунок сквозные отверстия 29, 30.

Перепускной клапан 27 содержит полый плунжер 31 (см. фиг.2) со сквозными отверстиями 32 в боковой стенке 33, установленный внутри корпуса 28, который поджат пружиной 34 до упора в торцевую кромку 35 корпуса 28.

Входы 36 в отверстия 25 перепуска топлива в шнеке 3 аксиального топливного канала 1 расположены на середине радиуса вихревой камеры 5.

Пружина 34 в корпусе 28 поджата резьбовой пробкой 37.

Центробежно-пневматическая форсунка работает следующим образом. В нерабочем положении перепускной клапан 27 закрыт усилием пружины 34. На режиме запуска камеры сгорания воздух поступает в каналы 10, 21 и на входах закручивается радиальными лопатками завихрителей воздуха 11, 22 соответственно, а затем пройдя сопла 9, 20 выходит в камеру сгорания (не показано). При последующей подаче топлива через коллектор 2 в канал 1, оно проходит сквозные винтовые канавки 4 шнека 3 и заполняет вихревую камеру 5. Из вихревой камеры 5 закрученное топливо через сопло 6 в виде конусной пелены поступает далее в камеру сгорания. Одновременно, из вихревой камеры 5 часть топлива в виде струй через отверстия 29 на стенке 7 равномерно по окружности поступает в камеру сгорания и испаряется или соударяется с экранами в камере сгорания в зависимости от конструкции камеры (не показано). При повышении давления топлива в канале 1, вихревой камере 5 и магистрали 26 до заданного уровня перепускной клапан 27 открывается и перепускает часть топлива через отверстия 25 в шнеке 3, магистраль 26, коллектор 14 в канал 13 основного контура. Из канала 13 топливо через шнековый завихритель 15 вихревую камеру 16 и сопло 17 в виде конусной пелены поступает далее в камеру сгорания. Одновременно, из вихревой камеры 16 часть топлива в виде струй через отверстия 30 на стенке 18 равномерно по окружности поступает в камеру сгорания и испаряется или соударяется с экранами в камере сгорания в зависимости от конструкции камеры (не показано. При этом перепускной клапан 17 остается открытым. Совместная работа центробежной и струйных форсунок основного контура позволяет увеличить угол раскрытия конусной пелены топлива, уменьшить толщину пелены и размеры капель в центре факела, а также увеличить его дальнобойность, что облегчает воспламенение топливовоздушной смеси от продуктов сгорания вспомогательного контура форсунки. Дальнейшее повышение давления топлива увеличивает его расход через все расходные отверстия форсунки и увеличивает число оборотов двигателя. Увеличение числа оборотов двигателя увеличивает перепад давления воздуха в каналах 10, 21 форсунки и качество распыливания топлива (мелкодисперсность и однородность смеси), что снижает уровень эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания на взлетном и крейсерском режимах. При остановке двигателя, путем выключения подачи топлива в коллектор 2, клапан перепуска топлива 27 закрывается, а остатки топлива потоком воздуха в каналах 1, 13 выдуваются в камеру сгорания.

Предложенная конструкция центробежно-пневматической форсунки для ТРД и ГТУ позволяет снизить уровень дымления и эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания топлива, расширить диапазон изменения расхода топлива при заданном уровне давлений подачи, получить высокую эффективность и устойчивость горения в камере сгорания, исключить возможность проскока пламени из камеры сгорания внутрь воздушного канала, исключить возможность оседания капель топлива на элементах конструкции форсунки и исключить непроизводительный перепуск топлива из форсунки обратно в бак.

1. Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка, 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 коллектором подвода топлива на входе, шнековым завихрителем топлива с винтовыми канавками на его наружной поверхности на входе в вихревую камеру внутри канала и соплом на выходе, при этом стенка вихревой камеры со стороны сопла выполнена конусной, а относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен сопряженный с ним через стенку с коническим соплом на выходе воздушный внутренний канал с лопаточным завихрителем внутри, причем основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, сопряженный с ним через стенку топливный внешний канал с коллектором подвода топлива на входе, шнековым завихрителем, вихревой камерой внутри и соплом с конической стенкой на выходе, кроме того, над топливным внешним каналом коаксиально расположен сопряженный с ним через стенку с коническим соплом на выходе воздушный внешний канал с лопаточным завихрителем внутри, ограниченный наружной стенкой с конической суживающимся соплом на выходе, причем закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону, отличающаяся тем, что вихревая камера аксиального топливного канала через равномерно расположенные по окружности сквозные наклонные к оси отверстия перепуска топлива в шнеке и магистраль, в которой установлен перепускной клапан с корпусом, соединена с коллектором подвода топлива канала основного контура, а конусные стенки вихревых камер аксиального и внешнего топливных каналов со стороны сопл имеют соответственно равномерно расположенные по окружности наклонные к осям форсунок сквозные отверстия.

2. Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка по п.1, отличающаяся тем, что перепускной клапан содержит полый плунжер со сквозными отверстиями в боковой стенке, установленный внутри корпуса, который поджат пружиной до упора в торцевую кромку корпуса.

3. Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка по п.1, отличающаяся тем, что входы в отверстия перепуска топлива в шнеке аксиального топливного канала расположены на середине радиуса вихревой камеры.

4. Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка по п.1, отличающаяся тем, что пружина в корпусе поджата резьбовой пробкой.