Форсуночный модуль малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к устройствам для подготовки перед сжиганием и подачи топливовоздушной смеси в камеры сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) различного назначения.
x
Одной из важнейших проблем при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO), сопутствующих вредных веществ и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном (особенно жидком) топливе. При создании камер сгорания ГТД основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация подачи в камеру гомогенизированных топливовоздушных смесей для формирования низкоэмиссионного горения.
Известно устройство для камер сгорания ГТД (патент США №4155220). Устройство предназначено для тщательного смешения распыленного топлива с закрученным на выходе форсунки потоком воздуха. Устройство имеет отверстия и каналы для распределения воздуха в форсунке. Одну часть воздуха направляют в осевом направлении, а другую часть - касательно к оси на выходе форсунки, чтобы не было дыма и на поверхности форсунки не откладывалась сажа. Топливо подается от оси к периферии, что позволяет максимально утончить пленку жидкости из-за роста диаметра пелены. Это улучшает распыл топлива и увеличивает зону обратных токов на оси форсунки. Однако по оси форсунки нет подвода воздушного потока, что не позволяет гарантировать на режимах запуска и малого газа раскрытие топливной пелены. Это приводит к образованию обогащенных топливом зон, имеющих повышенную выработку веществ, загрязняющих атмосферу.
Известно устройство для вихревого распыла жидкости (патент США №3608831). Изобретение относится к устройствам для распыла топлива в горелках ГТД. Устройство содержит корпус с каналом подвода топлива и цилиндрическим отверстием, втулку с центральным воздушным каналом, ограниченным соплом с торцевой кромкой на выходе и наружной кольцевой канавкой, внутренний лопаточный завихритель воздуха и узел впрыска топлива. Втулка размещена в отверстии корпуса. Внутренний завихритель воздуха расположен по оси в воздушном канале втулки. Между отверстием корпуса и наружной поверхностью втулки образована кольцевая полость, сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива. Узел впрыска топлива выполнен в виде дозирующих отверстий во втулке и топливного сопла с торцевой кромкой на выходе отверстия корпуса. Торцевая кромка воздушного сопла заглублена относительно торцевой кромки топливного сопла. Устройство обеспечивает хороший распыл топлива в широком диапазоне давления топлива и расхода воздуха. Однако лопаточный завихритель воздуха, установленный на выходе центрального воздушного канала, загромождает канал в его узком сечении, что уменьшает степень заполнения канала воздухом. Использование лопаточного завихрителя воздуха не позволяет максимально повысить степень закрутки воздушного потока, что могло бы улучшить смесеобразование топлива с воздухом.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является форсуночный модуль камеры сгорания ГТД (патент РФ №2439430). Модуль содержит внутренний корпус с отверстием и каналом подвода топлива, втулку с наружной кольцевой канавкой и центральным воздушным каналом, ограниченным внутренним завихрителем воздуха на входе по оси канала и соплом с торцевой кромкой на выходе, узел впрыска топлива и лопаточный завихритель воздуха. Лопаточный завихритель воздуха расположен на внутреннем корпусе коаксиально центральному воздушному каналу. Втулка с наружной кольцевой канавкой размещена в отверстии внутреннего корпуса. Внутренний завихритель воздуха образован тангенциальными каналами. Между стенкой отверстия внутреннего корпуса и стенками наружной кольцевой канавки втулки образована топливная полость, сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива.
В основу полезной модели положена техническая проблема достижения малоэмиссионного горения топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов работы ГТД за счет высокого качества ее гомогенизации в модуле.
x
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в снижении эмиссии окислов азота NO.
Техническая проблема решается тем, что модуль содержит внутренний корпус с отверстием и каналом подвода топлива, втулку с наружной кольцевой канавкой и центральным воздушным каналом, ограниченным внутренним завихрителем воздуха на входе по оси канала и соплом с торцевой кромкой на выходе, узел впрыска топлива, лопаточный завихритель воздуха, расположенный на внутреннем корпусе коаксиально центральному воздушному каналу, и выпускное устройство. Втулка размещена в отверстии внутреннего корпуса.
Внутренний завихритель воздуха центрального канала образован тангенциальными каналами. Между стенкой отверстия внутреннего корпуса и стенками наружной кольцевой канавки втулки образована топливная полость, сообщающаяся на входе с каналом подвода топлива, а на выходе - с узлом впрыска топлива, снабженного дозирующими отверстиями во втулке.
Новым в полезной модели является то, что модуль дополнительно содержит кольцевой обтекатель, внешний полый корпус и среднее суживающееся сопло. Обтекатель установлен снаружи на внутреннем корпусе за лопаточным завихрителем в полости среднего сопла и имеет внутреннюю кольцевую полость, сообщающуюся отверстиями с полостью за лопаточным завихрителем. Узел впрыска топлива выполнен в виде дозирующих отверстий во втулке, сообщающих топливную полость с центральным воздушным каналом, и дозирующих отверстий во внутреннем корпусе, сообщающих топливную полость с внутренней кольцевой полостью обтекателя. Выпускное устройство соединено с внешним полым корпусом и снабжено завихрителем воздуха с поперечным оси устройства набором тангенциальных воздушных каналов. Среднее суживающееся сопло размещено после лопаточного завихрителя воздуха между внешним полым корпусом и выпускным устройством так, что его торцевая кромка на выходе расположена в зоне завихрителя воздуха выпускного устройства.
При таком устройстве форсуночного модуля камеры сгорания ГТД:
- добавление в модуль дополнительно внешнего полого корпуса, среднего суживающегося сопла и кольцевого обтекателя обеспечивает равномерное распределение топлива и взаимодействие его с воздухом в заданных точках вне зависимости от режимов работы двигателя (обеспечение гомогенизации смеси на различных режимах работы двигателя);
- выполнение узла впрыска топлива в виде дозирующих отверстий втулки, сообщающих топливную полость с центральным воздушным каналом, и дозирующих отверстий во внутреннем корпусе, сообщающих топливную полость с внутренней кольцевой полостью обтекателя, обеспечивает равномерное наполнение факела топливом для подготовки гомогенизированной топливовоздушной смеси;
- наличие выпускного устройства и завихрителя воздуха на нем с поперечным оси устройства набором тангенциальных воздушных каналов, соединение выпускного устройства с внешним полым корпусом обеспечивает исключение несанкционированного проскока пламени, лучшую закрутку потока и дробление отдельных крупных капель (улучшение качества смесеобразования) на периферии факела;
- размещение среднего суживающего сопла после лопаточного завихрителя воздуха между внешним полым корпусом и выпускным устройством так, что его торцевая кромка на выходе расположена в зоне завихрителя воздуха выпускного устройства, обеспечивает мелкодисперсный распыл топлива, попадающего на поверхность суживающего сопла, и улучшает аэродинамику воздушного потока из завихрителя воздуха выпускного устройства.
Тангенциальные каналы завихрителей воздуха могут быть выполнены цилиндрическими и/или прямоугольными.
Закрутка тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха центрального канала, лопаток внешнего завихрителя воздуха, тангенциальных каналов завихрителя воздуха выпускного устройства и дозирующих отверстий узла впрыска топлива должна быть выполнена в одном направлении.
Выполнение суммарной площади тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха равной 1,2 площади центрального воздушного сопла позволяет достичь наибольшего коэффициента заполнения сопла для данной конструкции при небольших потерях в величине закрутки потока на выходе и таким образом обеспечить максимальный расход воздуха по центральному каналу.
Выполнение тангенциальных каналов завихрителя воздуха цилиндрическими обеспечивает технологичность изготовления форсунки.
Выполнение тангенциальных каналов завихрителя воздуха прямоугольными обеспечивает уменьшение наружных габаритов форсунки.
Выполнение закрутки тангенциальных каналов внутреннего завихрителя воздуха центрального канала, лопаток внешнего завихрителя воздуха, тангенциальных каналов завихрителя воздуха выпускного устройства и дозирующих отверстий узла впрыска топлива в одном направлении обеспечивает равномерное перемешивание топливовоздушной смеси, образование на оси устройства зоны стабилизации пламени для интенсификации испарения и сжигания топливовоздушной смеси.
x
Получаемая за устройством мелкодисперсная, высокогомогенизированная топливовоздушная смесь, мало зависящая по составу от режима работы двигателя, с высоким качеством смеси на периферии факела и зоны стабилизации пламени малого размера на оси устройства для интенсификации испарения и сжигания топливовоздушной смеси обеспечивает низкоэмиссионное горение топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов работы ГТД и снижение эмиссии NO более чем на 45% относительно норм ИКАО 2008 г.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели техническая проблема малоэмиссионного горения топливовоздушной смеси.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции форсуночного модуля камеры сгорания ГТД и способа его работы со ссылкой на чертеж, где изображен продольный разрез форсуночного модуля.
Форсуночный модуль камеры сгорания ГТД содержит внутренний корпус 1 с отверстием 2 и каналом 3 подвода топлива, втулку 4 с наружной кольцевой канавкой 5 и центральным воздушным каналом 6, узел 7 впрыска топлива, лопаточный завихритель 8 воздуха, расположенный снаружи на внутреннем корпусе 1 коаксиально центральному воздушному каналу 6, и выпускное устройство 9. Канал 6 ограничен внутренним завихрителем 10 воздуха на входе по оси канала и соплом 11 с торцевой кромкой 12 на выходе. Втулка 4 размещена в отверстии внутреннего корпуса 1. Внутренний завихритель 10 воздуха центрального канала 6 образован тангенциальными каналами 13. Между стенкой отверстия внутреннего корпуса 1 и стенками наружной кольцевой канавки 5 втулки 4 образована топливная полость 14, сообщающаяся на входе с каналом 3 подвода топлива через отверстие 2, а на выходе - с узлом 7 впрыска топлива, снабженного дозирующими отверстиями во втулке.
Модуль дополнительно содержит кольцевой обтекатель 15, внешний полый корпус 16 и среднее суживающееся сопло 17. Обтекатель 15 установлен снаружи на внутреннем корпусе 1 за лопаточным завихрителем 8 в полости среднего сопла 17 и имеет внутреннюю кольцевую полость 18, сообщающуюся отверстиями 19 с полостью за лопаточным завихрителем 8. Узел 7 впрыска топлива выполнен в виде дозирующих отверстий 20 во втулке 4, сообщающих топливную полость 14 с центральным воздушным каналом 6, и дозирующих отверстий 21 во внутреннем корпусе 1, сообщающих топливную полость 14 с внутренней кольцевой полостью 18 обтекателя 15. Выпускное устройство 9 соединено резьбой с внешним полым корпусом 16 и снабжено завихрителем 22 воздуха с поперечным оси устройства 9 набором тангенциальных воздушных каналов 23. При этом среднее суживающееся сопло 17 размещено после лопаточного завихрителя 8 воздуха между внешним полым корпусом 16 и выпускным устройством 9 так, что его торцевая кромка 24 на выходе расположена в зоне завихрителя 22 воздуха выпускного устройства 9.
Следует отметить, что для эффективного смешения топлива с воздухом суммарная площадь тангенциальных каналов 13 внутреннего завихрителя 10 воздуха выбрана равной 1,2 площади среза центрального воздушного сопла 11 по торцевой кромке 12. Тангенциальные каналы 13 завихрителя 10 воздуха могут быть выполнены цилиндрическими или прямоугольными. Закрутка тангенциальных каналов 13 внутреннего завихрителя 10 воздуха, лопаток внешнего завихрителя 8 воздуха, тангенциальных воздушных каналов 23 завихрителя 22 воздуха и дозирующих отверстий 20, 21 узла 7 впрыска топлива выполнена в одном направлении для увеличения угла раскрытия факела распыливания топливовоздушной смеси.
Кроме того, выпускное устройство 9 на выходе сформировано (как в прототипе) в виде конфузорно-диффузорного участка, а завихритель 22 воздуха расположен перед входом в конфузорный участок выпускного устройства 9.
Работа форсуночного модуля камеры сгорания ГТД осуществляется следующим образом. Воздух от набегающего на модуль потока направляют в тангенциальные каналы 13 внутреннего завихрителя 10 центрального канала 6, лопаточный завихритель 8, расположенный на внутреннем корпусе 1, и тангенциальные каналы 23 завихрителя 22 выпускного устройства 9. Расход воздуха распределяется по каналам в зависимости от заданных проходных сечений. После подачи воздуха подают топливо в кольцевую полость 14 модуля через подводной канал 3. В кольцевой полости 14 топливо равномерно распределяют по окружности. Из полости 14 топливо через узел 7 впрыска топлива направляют в центральный воздушный канал 6 через дозирующие отверстия 20 во втулке 4 и во внутреннюю кольцевую полость 18 обтекателя 15 через дозирующие отверстия 21 во внутреннем корпусе 1. Воздух, закрученный в лопаточном завихрителе 8, приобретает осевую скорость и через отверстия 19 в обтекателе 15 выдувает топливо из полости 18, поступившее в нее через отверстия 21. Основная часть закрученного в лопаточном завихрителе 8 воздуха поступает в среднее суживающееся сопло 17 и затягивает струи топлива, выдутые из полости 18 обтекателя 15, к торцевой кромке 24 сопла 17, дробя их на мелкие капли и образуя гомогенную топливовоздушную смесь. Одновременно в центральном воздушном канале 6 воздух, закрученный в тангенциальных каналах 13, движется в сторону сопла 11, сдувая топливо, поступившее в канал 6 через дозирующие отверстия 20, к торцевой кромке 12 канала 6 на выходе. Закрученные топливовоздушные потоки из сопла 11 центрального воздушного канала 6 и суживающегося сопла 17 формируются в хорошо перемешанную гомогенную смесь с высокой степенью дополнительной закрутки за счет подачи воздуха через завихритель 22 выпускного устройства 9. При этом топливовоздушная смесь равномерно распределяется по сечению факела распыла без образования переохлажденных (топливом) зон и распыливается в камеру сгорания, образуя устойчивый топливовоздушный факел с большим углом раскрытия. В камере сгорания топливовоздушную смесь поджигают воспламенителем (не показано) и осуществляют ее сжигание с пониженным содержанием в продуктах сгорания оксидов азота, сопутствующих вредных веществ и снижением дымления.
Для обеспечения исследований качественного распыливания топливовоздушной смеси, снижения выбросов вредных веществ и дымления была создана экспериментальная установка. Результаты исследования на этой установке подтвердили возможность решения заявленной технической проблемы.