ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
AIR-AND-FUEL BURNER OF COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к конструкциям газотурбинного двигателя, в частности основных камер сгорания.
Известна горелка камеры сгорания газовой турбины, содержащая форсунку для распыливания топлива в сжатом воздухе, первичный и вторичный проходные каналы, разделенные первой деталью, концентричной оси горелки и имеющей цилиндрическую и коническую сужающуюся распылительную гильзу, причем наружный вторичный проходной канал снаружи радиально ограничен расположенной концентрично второй кольцевой деталью со сходящейся-расходящейся внутренней поверхностью, образующей участок с суженным проходным сечением, и к ней в направлении против потока примыкает распылительная гильза. Поверхность сужающейся-расширяющейся кольцевой детали выполнена пересекающей образующую конуса топлива форсунки выше по потоку от места изменения ее кривизны (DE, заявка №19627760, F23D 11/24, 1996 г.).
Недостатком известной конструкции является возможность возникновения неустойчивой зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки, вблизи стенки жаровой трубы, ухудшение топливной экономичности при работе на бедных топливом смесях, снижение диапазона устойчивой работы, а также повышенное нагарообразование. Это объясняется отсутствием выходной распыливающей кромки канала, отрывом потока воздуха и нарушением установившегося течения в непосредственно контактирующем с каналом воздухе. Также недостатком этой конструкции является выполнение сужающейся-расширяющейся кольцевой детали с распылительной гильзой, пересекающей образующую конуса распыленного топлива форсунки выше по потоку от места изменения критического сечения канал, что способствует повышенному нагарообразованию.
Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распиливания топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом (Патент РФ №2264584, F23R 3/28, 2005 г.).
Недостатком конструкции данной топливной горелки является наличие нагароотложений на поверхности диффузорной части сопла осевого завихрителя, повышенный уровень эмиссии сажи. Указанные недостатки объясняются наличием локальных вихревых течений в диффузорной части сопла, которые создают местные переобогащенные топливом зоны в основном на низких режимах работы камеры сгорания.
Техническая задача заключается в повышении надежности камеры сгорания и улучшении топливной экономичности газотурбинного двигателя при снижении эмиссии сажи в выхлопных газах, уменьшении дымления и устранении нагароотложения на поверхности горелки за счет обеднения топливовоздушной смеси в локальных зонах горелки.
Сущность изобретения заключается в том, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, стабилизатор потока воздуха, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, снабженные конфузорно-диффузорными соплами с внутренними и внешними трактовыми стенками, согласно изобретению между стенками сопла осевого завихрителя и внешней трактовой стенкой сопла тангенциального завихрителя расположена кольцевая полость, а на диффузорной части сопла осевого завихрителя выполнена перфорация.
Такое исполнение конструкции топливовоздушной горелки дает возможность подвести необходимое количество воздуха в местные зоны горелки, устраняя возникновение переобогащенной топливовоздушной смеси в локальных зонах вблизи поверхности сопла. Обеднение топливовоздушной смеси в локальных зонах горения исключает нагароотложение на поверхности горелки, снижает эмиссию сажи в выхлопных газах и уменьшает задымление, что значительно повышает надежность камеры сгорания и улучшает топливную экономичность газотурбинного двигателя.
На чертеже изображен продольный разрез заявляемой топливовоздушной горелки.
Горелка содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с каналами 2 подачи и распыла топлива 3, осевой завихритель 4 воздуха и тангенциальный завихритель 5 воздуха в виде каналов с открытыми торцами 6, 7 и лопатками 8, 9 внутри. Стабилизатор 10 потока воздуха размещен между тыльной стороной корпуса форсунки 1 и входным торцом 6 осевого завихрителя 4, который образует щелевой канал A с его входным торцом 6. Осевой завихритель 4 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 11 с внешней трактовой стенкой 12.
Тангенциальный завихритель 5 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 13 с внешней 14 и внутренней 15 трактовыми стенками. Между стенками сопла 11 осевого завихрителя 4 и внешней трактовой стенкой 14 тангенциального завихрителя 5 расположена кольцевая полость 16. На диффузорной части сопла 11 осевого завихрителя 4 выполнена перфорация 17. Представлены фронтовая стенка 18 жаровой трубы, полость 19 горения жаровой трубы и распыливающий пакет 20 форсунки, аэрозоль топлива 21, диффузорная область 22, локальные вихревые зоны 23 и кромка 24.
Работа осуществляется следующим образом.
Топливо 3 через каналы 2 подается к распылительному пакету 20 форсунки, далее - в полость 19 горения жаровой трубы. Одновременно сжатый компрессором поток воздуха, обтекая внешний контур стабилизатора 10, поступает через щелевой канал A в осевой завихритель 4, в тангенциальный завихритель 5 и в кольцевую полость 16 сопла 11. Поток воздуха, поступающий в канал A осевого завихрителя 4 закручивается и, направляясь внешней трактовой стенкой 12 в конфузорную часть сопла 11 осевого завихрителя 4, распыляет аэрозоль топлива 21. В диффузорной части сопла 11, образованной внешней трактовой стенкой 12, распыленная аэрозоль топлива предварительно перемешивается в закрученном потоке осевого завихрителя 4. Далее до требуемой концентрации в диффузорной части сопла 13 тангенциального завихрителя 5 в полости горения 19 вблизи фронтовой стенки 18 жаровой трубы формируется устойчивая однородная по составу топливовоздушная смесь, образуя зону рециркуляции. В диффузорной области 22 за кромкой 24 на низких режимах могут образовываться локальные вихревые зоны 23. Часть воздушного потока, попадающего в кольцевую полость 16 сопла осевого завихрителя 4 и выходящего через перфорацию 17 в диффузорную область 22, воздействует на локальные вихревые богатые топливом зоны 23, обедняя их.