МНОГОТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК

Полезная модель относится к топливоподающим системам энергетических установок, точнее - касается форсунки для газотурбинных двигателей и установок, работающих как на газообразных топливах, так и на жидких топливах нормальной или повышенной вязкости.
Полезная модель может быть использована в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ) с низконапорными системами подачи топлива.
В настоящее время актуальной задачей является создание камер сгорания газотурбинных двигателей и установок, которые могут работать на топливах с нормальной и повышенной вязкостью при сохранении низкого уровня эмиссии вредных веществ. Это связано с удорожанием нефти и замедлением темпов ее добычи. В качестве альтернативы реактивным топливам могут рассматриваться топлива с повышенной вязкостью такие как, например, автомобильные и судовые дизельные топлива, топлива расширенного фракционного состава.
В тоже время не должна исключаться возможность работы на газообразных топливах, в частности на природном газе. Это требование связано с необходимостью расширения топливной базы ГТД и ГТУ и возможностью реализовывать низкоэмиссионные двух- и многотопливные режимы работы.
Работа ГТД и ГТУ на топливах с нормальной или повышенной вязкостью связана с проблемой коксования элементов камер сгорания. Мягкие смолистые отложения образуются обычно при температурах 150-450°С, твердый нагар образуется при более высоких температурах 450-550°С. Образование отложений обычно связывают со смачиванием поверхностей плохо распыленным топливом.
Кроме того, при разработке камер сгорания, работающих на дизельном топливе или топливах расширенного фракционного состава, важнейшими задачами являются воспламеняемость топливовоздушной смеси и обеспечение заданного ресурса работы камеры сгорания при сохранении уровня эмиссии вредных веществ заданных для реактивных топлив. Основное внимание здесь уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NOx), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (СН) и снижению сажеобразования.
Одним из путей снижения вредных выбросов является использование камер, в которых горение происходит в двух зонах: вспомогательной (пилотной) и основной. В первой организуется горение топливовоздушной смеси богатого или стехиометрического состава, во второй - бедной гомогенной. Зоны могут располагаться относительно друг друга последовательно или параллельно. Причем для снижения выброса токсичных веществ, в качестве пилотного (вспомогательного) топлива используют газообразное топливо.
Другой задачей, требующей решения при создании камер сгорания ГТД и ГТУ, является необходимость предотвращения образования нагара и коксования. Эта задача обычно решается путем обеспечения предварительного смешения топлива и воздуха с образованием гомогенной топливовоздушной смеси, а также созданием направленных воздушных потоков, предотвращающих оседание капель топлива на стенки камеры сгорания.
Известна многотопливная горелка, содержащая корпус, каналы подвода топлива и воздуха в корпус, завихритель воздуха, в которой внутри корпуса установлена сверхзвуковая камера сгорания с каналами автономного подвода воздуха и вспомогательного топлива, последовательно состыкованная с многотопливным смесителем с каналами подвода топлива, жаровой трубой и конусным завихрителем воздуха, при этом к каналу подвода воздуха в корпус пристыкован источник подачи воздуха избыточного давления (Патент РФ на полезную модель №36135, МПК F23C 1/00, приор. 29.10.2003).
Известна также универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка, которая содержит компрессор, турбину, многотопливную камеру сгорания с источником топлива, потребитель мощности, теплообменник с воздушным и газовым трактами, воздухоохладитель и байпасный трубопровод. Причем в качестве источника топлива предлагается использовать газообразное топливо (например, природный газ, попутный газ), жидкое топливо (например, жидкое углеводородное топливо) и продукт-газ реактора-газификатора твердого топлива (Патент РФ №2395703, МПК F02C 7/10, приор. 25.12.2008).
Недостатками указанных технических решений является отсутствие элементов, позволяющих создать гомогенную топливовоздушную смесь, что не обеспечивает снижение выбросов токсичных компонентов.
Известна также топливная форсунка с воздушным распылом для газотурбинного двигателя, содержащая стойку с отверстиями подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри (Патент РФ №2107177, МПК F02C 7/22, приор. 03.10.1995). Форсунка имеет сопло с распыливающей кромкой, причем внутренняя поверхность внешнего завихрителя воздуха выполнены попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла и образованы вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла по распыливающим кромкам под углом, равным углу закрутки топливной пленки. Такая конструкция позволяет повысить эффективность распыливания жидкого топлива. Однако при использовании высоковязких топлив указанная форсунка не дает эффективного распыливания во всем диапазоне, особенно в области малых нагрузок и низких расходов топлива.
Наиболее близким техническим решением является горелка для сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя. (Патент РФ на полезную модель №86281, МПК F23D 11/10, приор. 02.04.2009). Горелка 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. Причем лопаточные завихрители воздуха внутреннего и внешнего каналов содержат, жестко закрепленные на выходных кромках лопаток, упругие стержневые элементы, например набор плоских пружин.
Данная топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту распыления топлива и его смешения с воздухом, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки, для топлива повышенной вязкости, энергии воздушных потоков, которые подают в камеру сгорания через горелку также недостаточно, чтобы распылить все поступающее в камеру топливо до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива в струях с воздухом в достаточной мере. Этот недостаток связан с тем, что аксиальный топливный канал имеет незначительную площадь поверхности распыливания. Увеличение площади возможно только путем увеличения внешнего диаметра топливного канала, что неизбежно приведет к увеличению общих габаритов устройства.
В основу полезной модели положено решение следующих задач для авиационных ГТД и наземных ГТУ:
- разработка малогабаритной конструкции универсальной форсунки, обеспечивающей устойчивую работу камер сгорания ГТД и ГТУ в различных режимах при использовании газообразного топлива (природного или попутного газов, пропан-бутановой смеси и др.) и топлив нормальной, а также повышенной вязкости, например реактивном или дизельном,
- обеспечение заданного ресурса работы камеры сгорания, оборудованной разрабатываемой форсункой, что достигается эффективным распыливанием топлива и созданием определенной формы факела,
- обеспечение эмиссии вредных веществ (NOx, CO, CH, сажи) в продуктах сгорания на уровне не более 25 ppm по каждому из веществ.
Это достигается путем подготовки бедной предварительно перемешенной и частично испаренной топливовоздушной смеси без ущерба для топливной экономичности двигателя и ресурса работы его горячих частей. Основной проблемой здесь остается достижение эффективного распыливания жидкого топлива, интенсивного его перемешивания и формирования необходимых параметров факела на выходе из форсунки вне зависимости от вязкости топлива.
Поставленные задачи решаются тем, что многотопливная форсунка для газотурбинных двигателей и установок, содержащая коаксиально размещенные внутренний и внешний контуры подачи топлива и сопряженные с ними воздушные каналы, где внутренний контур подачи топлива включает топливный канал с магистралью подвода топлива на входе и узлом распиливания топлива на выходе с образованием первой зоны смешения, внешний контур подачи топлива включает кольцевой канал с магистралью подвода топлива и узлом распыливания топлива на выходе, а сопряженный с ним воздушный канал выполнен с суживающимся соплом и охватывает кольцевой канал подачи топлива с образованием второй зоны смешения, дополнительно снабжена контуром подачи газообразного топлива и узлом формирования факела.
Новым в форсунке является также то, что топливный канал внутреннего контура подачи топлива выполнен кольцевым и дополнен размещенным внутри его осевым воздушным каналом, а узел распыливания внутреннего контура подачи топлива дополнительно снабжен генератором акустических колебаний, а контур подачи газообразного топлива выполнен в виде концентрично размещенных элементов подачи газового топлива и воздуха с образованием третьей зоны смешения, причем узел формирования факела установлен по потоку за контуром подачи газообразного топлива.
Формирование трех зон смешения позволяет интенсифицировать процесс смесеобразования. В этом случае энергии потоков воздуха в каналах достаточно, чтобы сформировать в пространстве сгорания камеры мелкодисперсную хорошо перемешанную топливовоздушную смесь. Это обеспечивает высокую полноту сгорания приготовленной топливовоздушной смеси и позволяет снизить эмиссию вредных веществ с продуктами сгорания топлив до требуемых современными стандартами уровней.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение.
Узел формирования факела может быть выполнен в виде концентрично установленных внутреннего и внешнего сопел с образованием кольцевого профилированного канала для подачи воздуха.
Внешнее сопло узла формирования факела может быть установлено с возможностью перемещения относительно внутреннего сопла.
Ведение в конструкцию форсунки узла формирования факела установленного по потоку за контуром подачи топлива обеспечивает выполнение требований по ресурсу работы камеры сгорания, т.к. данный узел, кроме регулирования формы факела в осевом и радиальном направлении, обеспечивает дополнительное перемешивание топливовоздушной смеси.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- разработана малогабаритная конструкция универсальной форсунки, обеспечивающая устойчивую работу камер сгорания ГТД и ГТУ в различных режимах при использовании газообразного топлива (природного или попутного газов, пропан-бутановой смеси и др.) и топлив нормальной, а также повышенной вязкости, например реактивного или дизельного топлив,
- обеспечен заданный ресурс работы камеры сгорания, оборудованной разрабатываемой форсункой, что достигнуто эффективным распыливанием топлива и созданием определенной формы факела,
- обеспечена снижение эмиссии вредных веществ (NOx, CO, CH, сажи) в продуктах сгорания до допустимого уровня (не более 25 ppm по каждому из веществ).
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции многотопливной форсунки и ее работы со ссылкой на иллюстрацию, представленную на фиг.1, где изображен разрез многотопливной форсунки для газотурбинных двигателей и установок.
Многотопливная форсунка для газотурбинных двигателей и установок (см. фиг.1) предназначена для подачи жидкого и газообразного топлив и обеспечивает создание факела требуемой формы. Система топливоподачи состоит из внутреннего и внешнего контуров подачи жидкого топлива, сопряженных с ними воздушных каналов, контура подачи газообразного топлива и дополнена узлом формирования факела.
Внутренний контур топливоподачи состоит из генератора 1 акустических колебаний, осевого воздушного канала 2, кольцевого топливного канала 3 и кольцевого воздушного канала 4. Воздушные каналы 2 и 4, а также топливный канал 3 снабжены суживающимися выходными соплами 5, 6 и 7 соответственно. Для создания топливной пленки и улучшения распыливания сопла 5, 6 и 7 выполнены с острыми кромками. Осевой и кольцевой воздушные каналы 2 и 4, а также топливный канал 3 могут быть снабжены завихрителями (не показаны) для интенсификации смесеобразования.
Внешний контур топливоподачи состоит из кольцевого топливного канала 8 и кольцевого воздушного канала 9 и снабжены суживающимися выходными соплами 10 и 11 соответственно. Для создания топливной пленки и улучшения распыливания сопла 10 и 11 также выполнены с острыми кромками. Воздушный и топливный каналы 8 и 9 могут быть снабжены завихрителями (не показаны) для обеспечения лучшего смесеобразования.
Контур подачи газообразного топлива состоит из газовых форсунок 12 и воздушных форсунок 13 размещенных равномерно в кольцевой полости 14. Для улучшения смесеобразования форсунки 12 и 13 могут быть снабжены завихрителями (не показаны), а полость 14 может быть спрофилирована в виде последовательно расположенных сужающегося и расширяющегося сопел. Форсунки 12 и 13 могут размещаться дискретно по окружности или могут быть выполнены в виде щелевых концентрических сопел (не показано).
Узел формирования факела состоит из уже упомянутых воздушных форсунок 13 и воздушных профилированных сопел 15 и 16, размещенных концентрично. Сопло 16 размещено с зазором относительно сопла 15 с образованием кольцевого профилированного канала 17 для подачи воздуха. Сопло 16 установлено с возможностью перемещения в осевом направлении относительно сопла 15.
Многотопливная форсунка для газотурбинных двигателей и установок работает следующим образом.
Запуск двигателя или установки может происходить на газообразном топливе или на жидком топливе. При запуске в камеру сгорания подается незначительное количество воздуха. Воздух проходит по каналам 2, 4, 9 и 17. При прохождении воздуха по каналу 2 генератором 1 создаются акустические колебания. Частота колебаний воздуха определяется геометрическими размерами полости генератора.
При запуске на жидком топливе его подача осуществляется только в канал 3. Топливо, выходя из канала 3 распадается на мелкие капли под воздействием акустических колебаний, возбуждаемых генератором 1. При малых расходах обычно образуются два конуса распыливания: внутренний мелкодисперсионный и внешний крупнодисперсионный. Конструктивные параметры резонатора генератора 1 акустических колебаний подбираются исходя из условия получения максимально допустимого диаметра капель в мелкодисперсионной части факела.
Крупнодосперсионная часть факела подвергается дополнительному смешению и дроблению в потоке воздуха, поступающего по каналу 4. Суживающееся сопло 6 совместно с соплом 7 и генератором 1 акустических колебаний образуют первую зону смешения топлива с воздухом.
Начальный розжиг подготовленной топливовоздушной смеси осуществляют с помощью воспламенителей разного типа (не показано).
При переходе на режимы повышенной мощности топливо подают по основному каналу 8. На выходе из суживающегося сопла 10 поток топлива раскрывается в коническую пелену. Срываясь с острой кромки сопла, топливная пелена распадается на капли под действием потоков воздуха прошедших через каналы 4 и 9. Суживающееся сопло 11 совместно с соплом 10 образуют вторую зону смешения топлива с воздухом.
Полученную во второй зоне смешения топливовоздушную смесь подают в сопло 15 узла формирования факела. Для предотвращения осаждения капель не испаренного топлива на поверхности сопла 15 топливовоздушную смесь «отжимают» потоком воздуха от стенок сопла 15. Указанный поток воздуха обеспечивает дополнительную гомогенизацию топливовоздушной смеси. Воздух в сопло 15 подается через воздушные форсунки 13.
Подача газообразного топлива осуществляется через форсунки 12. При этом подача газообразного топлива может сопровождаться подачей жидкого топлива или производиться отдельно. При подаче газообразного топлива воздушные форсунки 13 также могут включаться для обеспечения лучшего перемешивания топлива с воздухом.
Далее предварительно подготовленная топливовоздушная смесь поступает из сопла 15 в сопло 16, где смешиваясь с воздухом, проходящим по каналу 17, окончательно перемешивается и подается в зону горения.
Сопло 16 выполнено подвижным и установлено с возможностью осевого перемещения относительно сопла 15. Регулирование потока воздуха, поступающего по кольцевому каналу 17, путем перемещения сопла 16 осуществляется с целью изменения формы факела в осевом и радиальном направлениях.
Такая организация топливоподачи необходима для быстрого переключения камеры сгорания ГТД или ГТУ с одного вида топлива на другой с целью изучения процессов смесеобразования и сгорания топлив с различными физико-химическими свойствами.
Форсунка, при незначительных габаритных размерах, позволяет достичь основных показателей и характеристик камер сгорания не ниже показателей и характеристик камер сгорания, работающих только на топливах для реактивных двигателей.
Форсунка позволяет сохранить эмиссию вредных веществ (NOx, CO, СН, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.
Кроме того, разработанная многотопливная форсунка позволяет варьировать параметры смесеобразования и получать заданные режимы горения вне зависимости от применяемого топлива, без демонтажа деталей двигателя и его остановки, что существенно повышает эффективность проведения эксперимента.