УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к устройствам для распыливания топлива в камерах сгорания, в жаровой трубе которых установлена вращающаяся форсунка.
Наиболее близким является устройство для распыливания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащее установленную на валу двигателя вращающуюся топливную форсунку в виде коробчатого обода с сопловыми отверстиями и неподвижную топливоподводящую втулку с радиальными выходными отверстиями, сообщающимися с полостью форсунки, (описание изобретения РФ к патенту №2117874, МПК F23R 3/38, опубл. 20.08.1998).
Оси сопловых отверстий вращающейся топливной форсунки расположены в радиальном направлении в одной, поперечной, плоскости, перпендикулярной оси вращения форсунки. Истечение топлива происходит под действием центробежных сил. Осевая составляющая скорости истечения топлива, направленная вдоль оси вращения форсунки, равна нулю. При отсутствии осевой составляющей скорости топлива на выходе из сопловых отверстий вращающейся форсунки топливо концентрируется в плоскости расположения их осей и близлежащих областях, которые определяются толщиной зоны турбулентного смешения струй топлива с воздухом (газом) в жаровой трубе
Это ограничивает использование объема жаровой трубы для смешения топлива с воздухом, снижает полноту сгорания топлива ввиду уменьшения объема смешения топлива с воздухом, снижения интегральной скорости испарения, локального переобогащения топливовоздушной смеси.
Таким образом, характерным недостатком данного устройства является высокая концентрация топлива в плоскости вращения выходных отверстий и ее окрестности, неполное использование объема жаровой трубы для образования и сжигания топливовоздушной смеси, что снижает полноту сгорания топлива в камере сгорания. Кроме того, локальное переобогащение топливовоздушной смеси вызывает повышенную склонность к сажеобразованию, увеличение лучистых тепловых потоков от газа к стенкам жаровой трубы, высокую неравномерность температур газа, ухудшение эмиссионных характеристик.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении полноты сгорания топлива за счет увеличения угла распыла топлива относительно плоскости вращения сопловых отверстий форсунки и более полного использования объема жаровой трубы.
в отличие от известного
Технический результат достигается тем, что в устройстве для распыливания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащем установленную на валу двигателя вращающуюся топливную форсунку в виде коробчатого обода с сопловыми отверстиями и неподвижную топливоподводящую втулку с выходными отверстиями, сообщающимися с полостью форсунки, , оси сопловых отверстий выполнены под острым углом наклона α к оси вращения форсунки, при этом направление наклона выбирается в зависимости от направления подачи топлива, а величина угла α выбирается из условия
где d - диаметр соплового отверстия форсунки;
В - толщина коробчатого обода в месте расположения соплового отверстия;
α - угол наклона оси соплового отверстия к оси вращения форсунки;
β - угол наклона обода в месте расположения соплового отверстия к оси вращения форсунки, β≠α.
Предлагаемая конструкция устройства для распыливания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - устройство для распыливания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя;
фиг. 2 - сопловые отверстия вращающейся форсунки, область I фиг. 1.
Устройство для распыливания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя (фиг. 1) содержит вращающуюся топливную форсунку 1 в виде коробчатого обода с сопловыми 2 отверстиями, установленную на валу 3 двигателя. Оси сопловых 2 отверстий выполнены под острым углом α к оси вращения форсунки 1 (фиг. 2).
Величина угла α выбирается из соотношения
где d - диаметр соплового отверстия форсунки;
В - толщина коробчатого обода в месте расположения соплового отверстия;
α - угол наклона оси соплового отверстия к оси вращения форсунки,
β - угол наклона обода в месте расположения соплового отверстия к оси вращения форсунки.
Конфигурация обода вращающейся форсунки (диаметр, толщина В, угол наклона β, диаметр центрального отверстия обода, диаметр ступицы и т.д.) определяется исходя из условий компоновки в составе двигателя, условий прочности, а также исключения разбрызгивания топлива за пределы полости обода после натекания струй из отверстий топливоподводящей втулки на поверхность вращающейся форсунки.
Место расположения сопловых отверстий вращающейся форсунки выбирается в зависимости от расположения (в осевом направлении) выходных отверстий топливоподводящей втулки относительно форсунки, а также расположения вращающейся форсунки относительно стенок и основных отверстий жаровой трубы, предполагаемого уровня наполнения полости форсунки (наличия топливной пелены на боковой стенке (стенках) обода).
Угол наклона α оси соплового отверстия 2 к оси вращения форсунки определяется конструктивно, с учетом соотношения (1), направление наклона выбирается в зависимости от требуемого направления подачи топлива в полость жаровой трубы (определяется конструкцией).
Угол наклона соплового отверстия является острым от 0 до 90°С. Для возможности истечения топлива через сопловые отверстия, расположенные под нулевым углом наклона α оси отверстия к оси вращения форсунки, требуются специальные мероприятия по организации наполнения полости обода форсунки на достаточную толщину слоя и вращения слоя топлива по всей его толщине. При расположении соплового отверстия вращающейся форсунки под прямым углом к оси вращения ни при каких условиях не достигается отсутствия просвета проекций в радиальном направлении кромок на входе и на выходе соплового отверстия.
При выполнении отверстия вдоль стенки обода, когда угол наклона отверстия равен углу наклона стенки, α=β, отверстие не соединяет полость обода форсунки с объемом жаровой трубы, поэтому принято дополнительное условие отсутствия равенства данных углов, α≠β. Угол β наклона обода вращающейся форсунки к оси вращения может принимать в общем случае, независимо от направления отсчета угла, т.е. как для β≤90°С, так и для β≥90°С, значения от 0 до 180°С включительно.
Количество сопловых 2 отверстий и их размеры выбираются в зависимости от расхода топлива и частоты вращения форсунки. Число сопловых отверстий может составлять от 9 до 18, а их диаметр - от 2,0 до 3,2 мм (А. Лефевр Процессы в камерах сгорания ГТД. пер. с англ., М, 1985). Сопловые 2 отверстия могут выполняться в один и более рядов (фиг. 2).
Устройство (фиг. 1) также содержит неподвижную топливоподводящую втулку 4 с радиальными выходными 5 отверстиями, сообщающимися с внутренней полостью 6 форсунки 1, образованной коробчатым ободом.
Устройство для распыливания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом.
При работе камеры сгорания топливо через топливоподводящую втулку 4 подается во внутреннюю полость 6 вращающейся форсунки 1 через выходные 5 отверстия. Затем под действием центробежных сил топливо через сопловые 2 отверстия вращающейся форсунки 1 истекает в полость жаровой трубы, где смешивается с воздухом с образованием топливовоздушной смеси.
Благодаря углу наклона α осей сопловых 2 отверстий относительно оси вращения форсунки 1 струя топлива кроме радиальной и тангенциальной (переносной) приобретает осевую составляющую скорости и на выходе из сопловых 2 отверстий распространяется под углом к плоскости расположения отверстий, увеличивая тем самым область распространения топлива в объеме жаровой трубы.
Соотношение (1) обеспечивает отсутствие просвета в проекциях входных и выходных кромок соплового 2 отверстия и отсутствие истечения топлива непосредственно с входных кромок под действием центробежных сил без взаимодействия со стенкой отверстия.
Направление струй топлива в сторону от плоскости вращения сопловых отверстий форсунки увеличивает угол распыливания топлива, полноту его сгорания и фактический объем зоны горения жаровой трубы.