ВИХРЕВОЙ ФОРСУНОЧНО-ГОРЕЛОЧНЫЙ МОДУЛЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ
VORTEX NOZZLE AND BURNER PRE-MIXING MODULE

Изобретение предназначено для организации и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей энергетического применения.
Известно горелочное устройство камер сгорания (RU 2170391 С1 10.07.2001 МПК F23R 3/14, д.п. 10.07.2001) которое относится к камерам сгорания газотурбинных установок. Горелочное устройство содержит вспомогательную центральную горелку диффузионного типа, отделанную со стороны горения от основной кольцевым экраном, лопаточный завихритель с полыми лопатками, у которых во внешнем ярусе выполнены щели для раздачи топлива. Лопатки внутреннего яруса лопаточного завихрителя выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Отношение площадей щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным.
Недостатком данного устройства является неравномерное распределение компонентов смеси в области воспламенения, что может свидетельствовать об образовании локальных областей с высокими значениями температуры.
Известно устройство для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине (RU 2324117 С1 10.05.2008 МПК F23R 3/42, F23D 17/00, д.п. 10.05.2008 г.), которое предназначено для эффективного и экологичного сжигания газообразного и/или жидкого топлива и может быть использовано в энергетических установках. Устройство содержит жаровую трубу с коническим входным диффузором, цилиндрической средней частью и сужающейся выходной частью, установленные последовательно перед входом камеры сгорания устройства подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность охлаждения жаровой трубы.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является топливовоздушная горелка и форсуночный модуль топливовоздушной горелки (RU 2698621 С1 28.08.2019 СПК F23D 14/02 (2019.05), д. п. 28.08.2019 г.), предназначенные для сжигания газа в тепловырабатывающих устройствах. Устройство содержит завихритель, в полых лопатках которого выполнены отверстия подвода газа в межлопаточные полости, сопло, форсуночный модуль, включающий в себя пустотелый корпус.
Недостатком наиболее близкой конструкции являются высокие потери давления при прохождении потоком топлива завихрителей; низкое качество гомогенизации компонентов топливовоздушной смеси; возможность перемещения пламени вверх по потоку в пограничном слое; низкая равномерность коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла.
Техническим результатом изобретения является снижение потерь давления топлива на выходе из центральной форсунки и в области отверстий подвода газа; повышение качества гомогенизации топливовоздушной смеси; исключение возможности перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое; повышение равномерности коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла.
Технический результат достигается тем, что вихревой форсуночно-горелочный модуль (ВФГМ) предварительного смешения содержащий втулку и центральную форсунку, имеющую систему профилированных топливных каналов; при этом дополнительно содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива, имеющих эллиптический профиль и включающих отверстия подвода газа; отверстия подвода газа в системе полых профилированных пилонов подачи топлива расположены неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси ВФГМ предварительного смешения; вторичную распределенную систему отверстий подачи топлива в поперечном сечении внутренней поверхности диффузорного участка сопла, выполненного профилированным; первичную распределенную систему отверстий подачи топлива.
В целях снижения потерь давления топлива форсуночно-горелочный модуль (ВФГМ) предварительного смешения содержит втулку и центральную форсунку, имеющую систему профилированных топливных каналов; дополнительно содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива, имеющих эллиптический профиль и включающих отверстия подвода газа; повышение качества гомогенизации топливовоздушной смеси обеспечивается тем, что отверстия подвода газа в системе полых профилированных пилонов подачи топлива расположены неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси ВФГМ предварительного смешения; исключение возможности перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое обеспечивается вторичной распределенной системой отверстий подачи топлива в поперечном сечении внутренней поверхности диффузорного участка сопла, выполненного профилированным; повышение равномерности коэффициента избытка воздуха на выходе из сопла обеспечивается первичной распределенной системой отверстий подачи топлива.
Изобретение поясняется фигурами.
Фиг. 1 - Продольный разрез вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения;
Фиг. 2 - Поперечный разрез А-А на фиг.1;
Фиг.3 - Поперечный разрез Б-Б на фиг.1;
Фиг. 4 - Поперечный разрез В-В на фиг.1;
Фиг. 5 - Вид Г на фиг.1.
Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения содержит систему полых профилированных пилонов подачи топлива 1 с распределенной системой отверстий подвода газа 2, соединенную с профилированным коаксиальным каналом 3 и расположенную в проточной части сопла 4, состоящего из цилиндрического 5, конфузорного 6 и диффузорного 7 участков. Вдоль оси профилированного коаксиального канала 3 расположена втулка 8. В нижней части к втулке 8 крепится центральная форсунка 9, в которой выполнены отверстия форсунки 10. Центральная форсунка 9 сопрягается с ресивером 11, который соединен с завихрителем 12. Завихритель 12 через пустотелый корпус 13 соединяется с осевым каналом подвода топлива 14, который крепится к крышке корпуса камеры сгорания 15. К профилированному коаксиальному каналу 3 осуществляется подача топлива через канал подвода газа 16. Профилированный коаксиальный канал 3 ограничен кольцевой заглушкой 17, в которой выполнены пазы для стержней жесткости 18. Профилированный коаксиальный канал 3, соединяется с жаровой трубой 19 посредством радиальных выступов 20. В критическом сечении профилированного коаксиального канала 3 располагается первичная распределенная система отверстий подачи топлива 21. В диффузорном участке 7 сопла 4 расположена вторичная распределенная система отверстий подачи топлива 22. В области воспламенения 23 находится конический стабилизатор пламени 24, который сформирован из центральной форсунки 9, ресивера 11 и завихрителя 12. Крышка корпуса камеры сгорания 15 соединяется фланцем с корпусом камеры сгорания 25, в котором фиксируется свеча зажигания 26.
Вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения работает следующим образом: топливо подается в профилированный коаксиальный канал 3 через канал подвода газа 16, который крепится к крышке корпуса камеры сгорания 15. Из профилированного коаксиального канала 3 топливо равномерно распределяется по системе полых профилированных пилонов подачи топлива 1, откуда через отверстия подвода газа 2, расположенные неравномерно по эллиптической поверхности пилонов с уменьшением расстояния в направлении оси вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения для повышения гомогенизации топливовоздушной смеси, попадает в сопло 4, состоящее из цилиндрического 5, конфузорного 6 и диффузорного 7 участков, где происходит формирование топливовоздушной смеси. При этом система полых профилированных пилонов подачи топлива 1 имеет эллиптический профиль поперечного сечения для снижения потерь давления и уменьшения вероятности отрыва потока от кромки пилона. Окислитель в зону смешения поступает из канала, расположенного между корпусом камеры сгорания 25 и жаровой трубой 19. Двигаясь вниз по потоку с увеличением скорости на конфузорном участке сопла 4 топливовоздушная смесь обогащается топливом, поступающим через расположенную в критическом сечении сопла 4 первичную распределенную систему отверстий подачи топлива 21, обеспечивающую высокую равномерность коэффициента избытка воздуха. Обогащенный топливом поток смеси, проходя через завихритель 12, приобретает окружную и радиальную компоненты скорости и попадает в диффузорный участок 7 сопла 4, где располагается вторичная распределенная система отверстий подачи топлива 22, позволяющая исключить возможность перемещения пламени верх по потоку в пограничном слое. Протекая по диффузорному участку поток обтекает конический стабилизатор пламени 24, располагающийся на оси вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения, за которым формируется крупномасштабный тороидальный вихрь с приосевой областью обратных токов. В верхней части вихря, где вектор скорости потока меняет осевое направление на противоположное, находится область воспламенения 23, в которой создаются благоприятные условия для ускорения химической реакции. Воспламенение производится с помощью свечи зажигания 26. Для обеспечения устойчивости горения на оси ВФГМ предварительного смешения располагается пилотная диффузионная горелка, состоящая из центральной форсунки 9, в которой выполнены отверстия форсунки 10 для подвода топлива в область реакции. В отверстия форсунки 10 топливо попадает из ресивера 11, в котором оно находится под давлением. В ресивер 11 топливо попадает из осевого канала подвода топлива 14, через систему топливных каналов, выполненных профилированными для снижения потерь давления. Осевой канал подвода топлива 14 расположен внутри втулки 8.