ГАЗОВОЗДУШНАЯ ФОРСУНКА
GAS-AIR NOZZLE

Изобретение предназначено для сжигания газа в тепловырабатывающих устройствах относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей и обеспечивает снижение токсичности продуктов сгорания с одновременным повышением надежности работы.
Известно изобретение (Патент РФ №2103611, МКИ F 23 R 3/46, опубл. 27.01.98 г. Бюл. №3) «Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя» которая включает в себе одноконтурную горелку, содержащую лопаточный завихритель, конусное сопло, пустотелый корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода топлива к распылителю, шлицевую гайку с уплотнительными кольцами, для крепления горелки к газораспределительному устройству, в частности к головке кольцевой камеры сгорания.
Недостатками являются нагрев топлива и коксование форсунок, вызванное большими тепловыми потоками от горячих зон камеры сгорания к топливным коллекторам, которые близко расположены к наиболее горячей зоне камеры. Причина этому в том, что на выходе из горелки по соотношению воздуха и топлива формируется «богатая» топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=0.4, что формирует в зоне горения высокую температуру.
По патенту на изобретение (Патент РФ 2 155 910, F02M 27/00, F02M 51/00, F23D 11/00), известна форсунка, которая содержит корпус с двумя отверстиями для подвода топлива, выполненный за одно целое с лопатками завихрителя и смесительной втулкой, центробежныйраспылитель, топливный сетчатый фильтр, две равноудаленные от центров отверстий для подвода топлива, соосные иглы, обеспечивающие оптимальную работу электрического ветра в непрерывном режиме от запуска до останова энергетической установки.
Недостатком является наличие топливного фильтра, который при использовании газообразного топлива будет являться источником гидравлического сопротивления и не обеспечит равномерность подачи топлива на выходе из форсунки. Следующим недостатком является наличие двух равноудаленных от центров отверстий для подвода топлива соосных игл, размещение которых приводит к усложнению конструкции форсунки и не обеспечивают технологичность ее изготовления, что ограничивает ресурс форсунки.
Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением, как по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно, известна также одноконтурная форсунка (горелка) камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ, содержащая корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель, смесительную в виде конуса втулку, пустотелый корпус форсунки, содержащий внутренний канал с установленным шнеком и дроссельной шайбой, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой, шлицевую гайку с уплотнительными кольцами, для крепления горелки к газораспределительному устройству, дросселирующую шайбу (см. Двигатель НК-16-18СТ. Серия 2. «Руководство по технической эксплуатации». Стр. 125-126).
Основными недостатками данного технического решения указанной форсунки (горелки):
- низкая полнота сгорания топлива, вследствие формирования слабо закрученной струи газа из-за наличия шнека;
- недостаточное качество распыла газа форсункой по причине загромождения канала прохода газа шнеком;
- неравномерность температуры на выходе из форсунки вследствие сочетания шнека и дросселирующей шайбы, что приводит к уменьшению пропускной способности топлива, увеличению гидравлического сопротивления, что затрудняет продвижение газа на выходе из форсунки и приводит к возникновению большой неравномерности температур в зоне горения;
3
- высокая температура на выходе из форсунки, так как по соотношению воздуха и топлива формируется «богатая» топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α-0,6, что вызывает значительное завышение выбросов оксида азота (более 150 мг/м);
- низкая надежность работы форсунки, так как большие тепловые потоки от высокотемпературной зоны горения взаимодействуют с форсункой и фронтовым устройством, в которое она устанавливается, что приводит к перегреву фронтового устройства и оплавлению смесительных втулок.
Указанные выше недостатки можно интерпретировать следующим образом:
- не обеспечивает возможность повышения полноты сгорания топлива, -не обеспечивается качество смешения топлива с воздухом,
- не исключают высокую неравномерность температуры на выходе из форсунки,
- не обеспечивают снижение выбросов вредных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота,
- не обеспечивают высокой надежности работы форсунки.
Технической задачей заявленного изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков прототипа.
Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что бы повысить полноту сгорания топлива, обеспечить высокое качество смешения топлива с воздухом, обеспечить минимальную неравномерность температуры на выходе из форсунки, снизить выбросы вредных загрязняющих веществ, обеспечить высокую надежность работы форсунки.
Технический результат достигается тем, что смесительная втулка имеет удлиненную коническую форму с переходом на цилиндр с отверстиями на конусе и фаской в выходном сечении цилиндра, во внутренний канал корпуса форсунки установлен распылитель, содержащий перфорированные трубки, расположенные на выходе из завихрителя, оси отверстий перфорированных трубок выполнены и расположены перпендикулярно поверхностям (осям) лопаток завихрителя.
Суть устройство поясняется чертежом:
Чертеж - общий вид форсунки, продольный разрез.
Газовоздушная форсунка (Чертеж), содержит корпус завихрителя 1, включающий лопаточный завихритель 3, смесительную втулку 4, корпус форсунки 2 содержащий внутренний канал с установленным шнеком и дроссельной шайбой 5, уплотнительные кольца 7, корончатую гайку 8, распылитель 10 и перфорированные трубки 11.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Поток воздуха (Чертеж) движется через лопатки завихрителя 3. Топливный газ поступает в отверстия корпуса форсунки 2 и через дроссельную шайбу 5 попадает в канал распылителя 10, затем выходит через отверстия в перфорированных трубках 11. Топливо, прошедшее через отверстия в перфорированных трубках 11, смешивается с воздухом, подаваемый через лопатки завихрителя 3, и поступает во внутреннюю полость смесительной втулки 4, где происходит перемешивание топлива с воздухом. Затем, часть топливовоздушной смеси выходит из отверстий на конусе 6, а другая часть движется через выходное сечении цилиндрической части смесителя 4, пройдя через фаску 9 расширяется, и выходит в зону горения.
Заявленная газовоздушная форсунка характеризуется наличием существенных конструктивных особенностей и изменений по сравнению с известными аналогами, в частности прототипа, обеспечивающие возможность реализовать поставленные цели. Смесительная втулка (4) удлиненная конической формы с переходом на цилиндр с отверстиями (6) на конусе и фаской (9) в выходном сечении цилиндра, во внутренний канал корпуса форсунки установлен распылитель (10) содержащий перфорированные трубки (11) расположенные на выходе из завихрителя (3). Ось отверстий перфорированных трубок выполнены и расположены перпендикулярно поверхностям лопаток завихрителя.
Способ достижения технического результата в следующем:
- для повышения полноты сгорания за завихрителем установлен распылитель содержащий перфорированные трубки, расположенные на выходе из завихрителя, что позволяет организовать равномерную струйную подачу топлива по высоте завихрителя, вследствие чего обеспечивается полнота сгорания топлива;
- обеспечение высокого качества смешения топлива с воздухом достигается за счет формы смесительной втулки: удлиненная конусная часть с переходом в цилиндрическую форму с фаской на конце, а так же установкой перфорированных трубок на выходе из завихрителя;
- форма втулки и поперечно подаваемые струи газа позволяют обеспечить на выходе из форсунки хорошо подготовленную газовоздушную смесь;
- обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из форсунки, достигается за счет обеспечения соотношения воздуха и топлива формируемого «бедной» топливовоздушной смесью с коэффициентом избытка воздуха в диапазоне α=(1.3…2), что обеспечивается исключением дроссельной шайбы из конструкции форсунки;
- снижение выбросов вредных загрязняющих веществ (оксидов азота) осуществляется за счет совокупности технических решений по установке распылителя с перфорированными трубками, в результате чего снижается температура в зоне горения, снижается время пребывания газов в зоне горения и уменьшается концентрация оксидов азота;
- обеспечение высокой надежности работы форсунки осуществляется конструкцией смесительной трубки, ее удлиненной конической формы с переходом на цилиндр с отверстиями на конусе и фаской в выходном сечении цилиндра, что позволяет отодвинуть фронт пламени от места установки форсунки в фронтовом устройстве, а также от выходной части смесительной втулки за счет имеющихся на ней отверстий и избежать перегрева фронтового устройства и перегрева смесительной втулки.
Преимущества заявляемого устройства следующие:
- повышена полнота сгорания топлива,
- обеспечена высокое качество смешения топлива с воздухом, -обеспечена минимальная допустимая неравномерность температуры на выходе из форсунки,
- снижены выбросы вредных загрязняющих веществ,
- увеличена надежность работы форсунки.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости на стандартном оборудовании в КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ с применением современных материалов и технологий.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из исследованного заявителем уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизны» и «изобретательский уровень».