ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и может найти применение в турбомашиностроении, в частности в авиадвигателестроении.
Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания (патент РФ №2157954 F23R 3/00, заявл. 05.09.1995, опубл. 20.10.2000), которая содержит установленные концентрично топливную форсунку, внутренний завихритель и наружный завихритель. В жаровой трубе воздушные потоки, проходящие через завихрители, образуют две зоны обратных токов. Первая зона обратных токов центральная, образованная закрученным потоком воздуха из внутреннего завихрителя. Вторая зона обратных токов периферийная, образованная закрученным потоком воздуха из наружного завихрителя. Завихрители снабжены насадками, которые образуют кольцевой канал. Насадок внутреннего завихрителя выполнен конфузорным и снабжен отверстиями. Топливо из форсунки попадает внутрь конфузорного насадка, перемешивается с закрученным потоком воздуха, поступающим через внутренний завихритель, и выходит в центральную зону обратных токов. При этом часть топлива через отверстия в конфузорном насадке попадает в кольцевой канал, образованный насадками. Из кольцевого канала, под действием закрученного потока воздуха из наружного завихрителя, топливо попадает в периферийную зону обратных токов. Недостатком такой конструкции является отсутствие промежуточной зоны обратных токов, расположенной между центральной и периферийной зоной, что сужает область устойчивой работы камеры сгорания.
Наиболее близкой к данному техническому решению является конструкция топливовоздушной горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя (патент РФ №100187 F23R 3/14, заявл. 25.05.2010, опубл. 10.12.2010), содержащая установленные концентрично топливную форсунку, наружный и внутренний завихрители, снабженные насадками, образующие между собой кольцевой канал с диффузорным участком на выходе, при этом насадок внутреннего завихрителя выполнен конфузорным и снабжен рядами отверстий. В жаровой трубе образуются три зоны обратных токов. Первая зона обратных токов центральная, образованная закрученным потоком воздуха из внутреннего завихрителя. Вторая зона обратных токов периферийная, образованная закрученным потоком воздуха из наружного завихрителя. В процессе работы камеры сгорания топливо из форсунки попадает внутрь конфузорного насадка, перемешивается с закрученным потоком воздуха, поступающим через внутренний завихритель, и выходит в центральную зону обратных токов жаровой трубы. При этом часть топлива через отверстия в конфузорном насадке попадает в кольцевой канал с диффузорным участком на выходе, образованный насадками. В кольцевом канале с диффузорным участком на выходе между насадками образуется отрыв потока и возникает местный вихрь в виде третьей промежуточной зоны обратных токов между центральной и периферийной зонами. Размеры промежуточной зоны обратных токов незначительны, т.к. большая часть закрученного потока воздуха, выходящая из наружного завихрителя, попадает в периферийную зону. Недостатком такой конструкции является отсутствие промежуточной зоны увеличенных размеров, расположенной между центральной и периферийной зоной, что сужает область устойчивой работы камеры сгорания.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является расширение области устойчивой работы за счет увеличения размеров промежуточной зоны обратных токов между центральной и периферийной зоной.
нap.зав
пром.зав
нap.зав
пром
вых
вн.зав
вых.вн.нас
вн.зав
1
1
1
1
2
1
2
3
2
4
1
Технический результат достигается тем, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей установленные концентрично топливную форсунку, наружный и внутренний завихрители, снабженные насадками, образующими между собой кольцевой канал с диффузорным участком на выходе, при этом насадок внутреннего завихрителя выполнен конфузорным и снабжен рядами отверстий, в отличие от известной, между внутренним и наружным завихрителями установлен промежуточный завихритель с насадком, причем, отношение площадей проходных сечений наружного F и промежуточного F завихрителей соответствует значению: F/F.зав=1,2…1,6, отношение площадей выходного сечения внутреннего насадка F.вн.нас и внутреннего завихрителя F соответствует значению: F/F=0,4…0,9, при этом первый ряд отверстий на насадке внутреннего завихрителя расположен от выходного сечения насадка внутреннего завихрителя на расстоянии L=(0,2…0,5)⋅D, где L расстояние от оси первого ряда отверстий до выходного сечения насадка внутреннего завихрителя, D - выходной диаметр насадка внутреннего завихрителя, последний ряд отверстий на насадке внутреннего завихрителя расположен от выходного сечения насадка внутреннего завихрителя на расстоянии L=(1,6…4,2)⋅L, где L - расстояние от оси последнего ряда отверстий до выходного сечения насадка внутреннего завихрителя, выходное сечение насадка промежуточного завихрителя расположено от выходного сечения насадка внутреннего завихрителя на расстоянии L=(1,1…1,5)⋅L, а выходное сечение насадка наружного завихрителя расположено от выходного сечения насадка внутреннего завихрителя на расстоянии L=(-0,1…0,1)⋅D.
На фигуре представлен продольный разрез топливовоздушной горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Топливовоздушная горелка состоит из установленных концентрично форсунки 1 и трех завихрителей: внутреннего 2, промежуточного 3 и наружного 4. Внутренний завихритель 2 снабжен конфузорным насадком 5 с отверстиями 6. Наружный завихритель 4 снабжен насадком 7. Насадки 5 и 7 образуют кольцевой канал с диффузорным участком на выходе 8. Промежуточный завихритель 3 снабжен насадком 9. Насадки 5 и 9 образуют кольцевой канал 10.
Топливовоздушная горелка камеры сгорания работает следующим образом. В процессе работы камеры сгорания топливо из форсунки 1 впрыскивается во внутреннюю полость конфузорного насадка 5, перемешивается с закрученным потоком воздуха, поступающим через внутренний завихритель 2, и выходит в жаровую трубу 11 с образованием центральной зоны обратных токов горения 12.
Закрученный поток воздуха из промежуточного завихрителя 3 захватывает часть топлива, поступающего из отверстий 6 в кольцевой канал с диффузорным участком на выходе 8, и выходит в жаровую трубу 11 с образованием промежуточной зоны обратных токов горения 13, расположенной над центральной зоной обратных токов горения 12.
Закрученный поток воздуха из наружного завихрителя 4 захватывает оставшуюся часть топлива, поступающего из отверстий 6 в кольцевой канал с диффузорным участком на выходе 8, и выходит в жаровую трубу 11 с образованием периферийной зоны обратных токов горения 14, расположенной над промежуточной зоной обратных токов горения 13.
нap.зав
пром.зав
Увеличение объема промежуточной зоны обеспечивается за счет увеличения расхода воздуха в этой зоне, которое реализуется выполнением дополнительного промежуточного завихрителя с соотношением площадей проходных сечений F/F от 1,2 до 1,6.
вых.вн.нас
вн.зав
1
1
2
1
Повышенное количество топлива в промежуточной и периферийной зонах обеспечивается за счет увеличения перепада давления воздуха на отверстиях на насадке внутреннего завихрителя при выполнении соотношения F/F от 0,4 до 0,9; выполнением размеров L=(0,2…0,5)⋅D и L=(1,6…4,2)⋅L.
3
2
4
1
Для обеспечения попадания топлива в периферийную зону и формирования отдельной промежуточной зоны и периферийной зоны насадок промежуточного завихрителя выполняется укороченным с соблюдением соотношений L=(1,1…1,5)⋅L и L=(-0,1…0,1)⋅D.
Таким образом, в данной конструкции реализуется три зоны обратных токов горения с различными соотношениями топливо/воздух (коэффициентами избытка воздуха), что обеспечивает условия для расширения области устойчивой работы камеры сгорания. Аналогичная конструкция топливовоздушной горелки проверена в составе камеры сгорания, где было получено расширение области устойчивой работы. В результате, данное техническое решение позволяет расширить область устойчивой работы камеры сгорания.