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 газотурбинного двигателя, которая содержит 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 (Патент на полезную модель РФ №202851 от 30.03.2020, МПК F23R 3/14, опубл. 11.03.2021, бюл. №8).
Недостатком данной конструкции является увеличенная площадь проходного сечения кольцевого канала в зоне расположения отверстий на конфузорном насадке внутреннего завихрителя, которая не обеспечивает повышенных скоростей воздушного потока в этой зоне и, соответственно, не обеспечивает качественного перемешивания топлива с воздухом, что ведет к понижению полноты сгорания топлива.
Так же известна топливовоздушная горелка, которая содержит двухъярусный завихритель с установленными на нем наружным и внутренним насадками с отверстиями в последнем, топливную форсунку, установленную на оси, на торце форсунки выполнены выступы, не менее одного, а во внутреннем конфузорном насадке выполнен встречный уступ, образующий сужение канала, перед которым в стенке насадка выполнен пояс отверстий (Патент на изобретение РФ №2157954 от 05.09.1995, опубл. 20.10.2000, МПК F23R 3/00).
Недостатком данной конструкции является то, что топливовоздушная смесь в канале двигается в одном направлении с закрученным потоком воздуха из наружного завихрителя. При этом частицы топлива проходят расстояние в закрученном воздушном потоке недостаточное для эффективного смешения с воздухом, что также может привести к понижению полноты сгорания топлива.
вых
BX
Наиболее близкой является топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая установленные концентрично топливную форсунку и два завихрителя, снабженные насадками, которые образуют между собой кольцевой канал с диффузорным участком, при этом насадок внутреннего завихрителя снабжен отверстиями, соотношение площадей сечения на выходе из канала F и входе в канал F определяется соответствующим условием:
диф.
вх.диф.
где L - длина диффузорного участка; h - высота на входе в диффузорный участка (Патент на полезную модель РФ №100187 от 24.05.2010, МПК F23R 3/14, опубл. 10.12.2010, бюл. №34).
Недостатком данной конструкции является увеличенная площадь проходного сечения диффузорного кольцевого канала в зоне расположения отверстий на насадке внутреннего завихрителя, которая не обеспечивает повышенных скоростей воздушного потока в этой зоне и, соответственно, не обеспечивает качественного перемешивания топлива с воздухом, что ведет к понижению полноты сгорания топлива.
Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение полноты сгорания топлива, за счет эффективности перемешивания топлива с воздухом в кольцевом канале с диффузорным и конфузорным участками.
вых
вх
диф.
вх.диф.
кон.
вых.кон.
вх.кон.
вых.кон.
Технический результат достигается тем, что топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая установленные концентрично топливную форсунку и внешний и внутренний завихрители, снабженные насадками, которые образуют между собой кольцевой канал с диффузорным участком, при этом насадок внутреннего завихрителя снабжен отверстиями, соотношение площадей сечения на выходе из канала F и входе в канал Fопределяется соответствующим условием:  где L - длина диффузорного участка; h - высота на входе в диффузорный участка, в отличие от известной кольцевой канал во входной части имеет конфузорный участок, в выходной части имеет диффузорный участок, при этом соотношение длины конфузорного участка L к высоте на выходе из конфузорного участка h от 1,5 до 3,0; соотношение площади сечения на входе в конфузорный участок F к площади сечения на выходе из конфузорного участка F от 1,1 до 3,0; минимальная площадь сечения в кольцевом канале выполнена в сечении расположения отверстий насадка внутреннего завихрителя в месте перехода конфузорного участка кольцевого канала в диффузорный участок кольцевого канала.
На фигуре показан продольный разрез топливовоздушной горелки камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит установленные концентрично топливную форсунку 1 и два завихрителя: внешний завихритель 2 и внутренний завихритель 3.
Завихрители 2, 3 снабжены насадками 4, 5 соответственно, которые образуют между собой кольцевой канал 6 с диффузорным участком 7. При этом насадок 5 внутреннего завихрителя 3 снабжен отверстиями 8.
Кольцевой канал 6 во входной части имеет конфузорный участок 9, в выходной части имеет диффузорный участок 7.
кон.
вых.кон.
При этом соотношение длины конфузорного участка 9 L к высоте на выходе из конфузорного участка 9 h должно быть от 1,5 до 3,0:
кон.
вых.кон.
При этом, если соотношение длины конфузорного участка 9 L к высоте на выходе из конфузорного участка 9 h будет меньше 1,5, то тогда длина пути потока на конфузорном участке 9 будет недостаточна для формирования стабильного закрученного потока на входе в диффузорный участок, что приведет к неравномерному распределению коэффициента избытка воздуха в сечении расположения отверстий 8 и, следовательно, снизится полнота сгорания топлива.
кон.
вых.кон.
Если соотношение длины конфузорного участка 9 L к высоте на выходе из конфузорного участка 9 h будет больше 3,0, то тогда увеличится длина пути закрученного потока в конфузорном участке 9, что приведет к увеличению потерь полного давления воздуха в конфузорном участке 9 и уменьшению скорости потока в сечении расположения отверстий 8, снизится качество перемешивания топлива с воздухом и, следовательно, снизится полнота сгорания топлива.
вх.кон.
вых.кон.
Соотношение площади сечения на входе в конфузорный участок 9 F к площади сечения на выходе из конфузорного участка 9 Fдолжно составлять от 1,1 до 3,0:
вх.кон.
вых.кон.
При этом, если соотношение площади сечения на входе в конфузорный участок 9 F к площади сечения на выходе из конфузорного участка 9 F будет меньше 1,1, то тогда, увеличение скорости потока в конфузорном участке 9 будет минимальным, снизится качество перемешивания топлива с воздухом и, следовательно, снизится полнота сгорания топлива.
вх.кон.
вых.кон.
Если соотношение площади сечения на входе в конфузорный участок 9 F к площади сечения на выходе из конфузорного участка 9 F будет больше 3,0, то тогда снизится эффект закрутки потока в конфузорном участке 9, снизится качество перемешивания топлива с воздухом и, следовательно, снизится полнота сгорания топлива.
мин.
Минимальная площадь сечения F в кольцевом канале 6 выполнена в сечении расположения отверстий 8 насадка 5 внутреннего завихрителя 3 в месте перехода конфузорного участка 9 кольцевого канала 6 в диффузорный участок 7 кольцевого канала 6.
вых.
Соотношение площадей сечения на выходе из кольцевого канала 6 F и входе в кольцевой канал 6 FBX определяется соответствующим условием:
диф.
где L - длина диффузорного участка 7;
вх.диф.
h - высота на входе в диффузорный участка 7.
Такое соотношение размеров необходимо для перехода безотрывного течения топливовздушной смеси к отрывному течению (Гриценко Е.А. Некоторые вопросы проектирования авиационных газотурбинных двигателей. - Самара: СНЦ РАН, 2002, стр. 128).
Топливовоздушная горелка работает следующим образом.
В процессе работы камеры сгорания топливо из форсунки 1 впрыскивается внутрь насадка 5, перемешивается с закрученным потоком воздуха, поступающим через внутренний завихритель 3, и выходит в центральную зону горения жаровой трубы 10. При этом часть получившейся топливовоздушной смеси через отверстия 8 в насадке 5 попадает в диффузорный участок 7 кольцевого канала 6 в месте перехода конфузорного участка 9 кольцевого канала 6 в диффузорный участок 7 кольцевого канала 6.
В кольцевой канал 6 воздух попадает из внешнего завихрителя 2, который под действием центробежных сил прижимается к насадку 4 по всей длине, то есть в канале 6 у поверхности насадка 4 по всей длине обеспечивается безотрывное течение потока воздуха как в конфузорном участке 9, так и в диффузорном участке 7.
кон.
вых.кон.
вх.кон.
вых.кон.
Выполнение кольцевого канала 6 в начальной части в виде конфузорного участка 9 с соотношением длины конфузорного участка L к высоте на выходе из конфузорного участка h от 1,1 до 3,0 и соотношением площади сечения на входе в конфузорный участок F к площади сечения на выходе из конфузорного участка F от 1,1 до 3,0 обеспечивает постоянное увеличение скорости потока воздуха по длине этого участка 6, а так же безотрывное течение потока воздуха у поверхности насадка 4 на конфузорном участке 9. Максимальная скорость потока воздуха в кольцевом канале 6 достигается в месте перехода конфузорного участка 9 в диффузорный участок 7.
В диффузорном участке 7 кольцевого канала 6 образуется отрыв потока и возникает местный вихрь в виде зоны обратных токов 11 у поверхности насадка 5.
Таким образом, топливовоздушная смесь из отверстий 8 попадает в зону обратных токов 11 диффузорного участка 7 кольцевого канала 6, благодаря которой увеличивается расстояние, проходимое частицами топлива в закрученном потоке воздуха, увеличивается время пребывания топливовоздушной смеси в зоне обратных токов 11.
Выполнение расположения отверстий 8 в месте перехода конфузорного участка 9 в диффузорный участок 7 в зоне максимальных скоростей воздуха обеспечивает повышение качества перемешивания топлива с воздухом в зоне обратных токов 11 кольцевого канала 6.
вых.
вx.
диф.
вх.диф.
кон.
вых.кон.
вх.кон.
вых.кон.
Благодаря тому, что топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая установленные концентрично топливную форсунку и внешний и внутренний завихрители, снабженные насадками, которые образуют между собой кольцевой канал с диффузорным участком, при этом насадок внутреннего завихрителя снабжен отверстиями, соотношение площадей сечения на выходе из канала F и входе в канал F определяется соответствующим условием:  где L - длина диффузорного участка; h - высота на входе в диффузорный участка, в отличие от известной кольцевой канал во входной части имеет конфузорный участок, в выходной части имеет диффузорный участок, при этом соотношение длины конфузорного участка L к высоте на выходе из конфузорного участка h от 1,5 до 3,0; соотношение площади сечения на входе в конфузорный участок F к площади сечения на выходе из конфузорного участка F от 1,1 до 3,0; минимальная площадь сечения в кольцевом канале выполнена в сечении расположения отверстий насадка внутреннего завихрителя в месте перехода конфузорного участка кольцевого канала в диффузорный участок кольцевого канала, достигается увеличение полноты сгорания топлива.