ФОРСУНКА ДВУХКОНТУРНАЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области газотурбинных двигателей, в частности к конструкциям малоэмиссионных камер сгорания для газотурбинных приводов.
x
Жесткость международных норм на уровне вредных выбросов в атмосферу требует комплексного решения вопросов экологического усовершенствования газотурбинных двигателей и энергетических установок на их основе, что приводит к созданию принципиально новых конструкций малоэмиссионных камер сгорания и их элементов. Основные задачи - снижение содержания окислов азота (NO), снижение содержания окиси углерода (СО), несгоревшего топлива (дымность).
Известна топливная форсунка для газотурбинных двигателей со встроенным топливным жиклером [заявка на изобретение US 2007074517 (А1), дата приоритета 05.04.2007], которая является наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемой форсунке и выбрана прототипом полезной модели. Топливная форсунка имеет основной и вспомогательный каналы подачи топлива и содержит расположенные вокруг общей оси корпус форсунки и внутренний корпус вспомогательного контура. Между корпусами установлен завихритель воздуха. Завихритель скомпонован таким образом, чтобы радиально перенаправлять осевой поток воздуха, и имеет жиклеры для различных видов топлива. Через жиклеры впрыскивается топливо в радиальном направлении относительно общей оси. Соосно расположен распылитель вспомогательного контура, который обеспечивает впрыскивание пускового топлива под давлением через фронтальный кожух в камеру сгорания.
Недостатком данного устройства является неполное сгорание топлива и перегрев фронта вспомогательного контура, что приводит к образованию нагара и подгорание выходной кромки распылителя.
В основу полезной модели поставленная задача - обеспечить полноту сгорания топлива путем интенсификации смесеобразования, и устранение подгорания выходной кромки распылителя.
Поставленная задача решается тем, что в форсунке двухконтурной для газотурбинных двигателей, имеющей основной и вспомогательный контуры с предварительным смешиванием топлива, которая включает соосно расположенные корпус форсунки, корпус вспомогательного контура, установленный между корпусами осевой лопаточный завихритель воздуха с отверстиями для подачи топлива и распылитель вспомогательного контура с фронтальным кожухом, в соответствии с полезной моделью, вспомогательный контур дополнительно снабжен завихрителем воздуха, выполненным, например, в виде цилиндра с тангенциальными каналами на внешней поверхности. Отверстия в распылителе выполнены таким образом, чтобы направлять топливный газ в зону горения тангенциально. Осевой лопаточный завихритель скомпонован с возможностью, направлять топливо навстречу воздушному потоку, поступающему из компрессора. Фронтальный кожух и корпус вспомогательного контура могут быть выполнены с отверстиями для охлаждения фронтальной поверхности вспомогательного контура.
Суть технического решения заключается в том, что двухконтурная форсунка выполнена по принципу «форсунка в форсунке». Завихритель воздуха вспомогательного контура и расположенные тангенциально впускные каналы газа обеспечивают смешивание топлива и воздуха до возгорания и стабильное устойчивое пламя, что важно при пуске и работе двигателя с низкими нагрузками.
Конструкция осевого завихрителя основного контура обеспечивает высокую степень турбулизации воздуха основной зоны. Последовательно расположенные полые перфорированные лопатки с множеством отверстий (осевой лопаточный завихритель) служат для впрыскивания основного топливного газа на встречу воздушному потоку. Втулочные и периферийные профили лопаток завихрителя разнесены от оси с целью обеспечения плавности конфузорных каналов между лопатками для обеспечения равномерного радиального профиля составного вектора скорости на выходе из зоны подготовки топливовоздушной смеси. Интенсивное смешивание топлива и воздуха происходит внутри кольцевой камеры предварительного смешивания за счет сильного завихрения до достижения основной зоны камеры сгорания. Сильное завихрение стабилизирует горение в основной зоне, формируя зону рециркуляции, которая вытягивает горячие газы назад, против течения, тем самым, устанавливая постоянный источник возгорания и полное сгорание топлива.
На эскизе изображен разрез форсунки двухконтурной вдоль корпуса и осевого завихрителя.
Конструктивная схема двухконтурной топливной форсунки содержит в себе следующие основные элементы:
- корпус форсунки (1);
- осевой лопаточный завихритель (2);
- фиксирующее кольцо (3);
- корпус распылителя (4);
- завихритель вспомогательного контура (5);
- корпус вспомогательного контура (6);
- шайба перепускная (7);
- распылитель вспомогательного контура (8);
- фронтальный кожух (9);
- кожух завихрителя вспомогательного контура (10).
Корпус форсунки (1) состоит из фланца крепления форсунки, стойки, осевой части с входным отверстием для подвода сжатого воздуха из компрессора и выходного сопла, устанавливаемого в жаровую трубу, камеры сгорания. В корпусе форсунки выполнены каналы подачи основного и вспомогательного топлива, кольцевые проточки - распределители топлива, которые соединяются с полостями перфорированных лопаток осевого лопаточного завихрителя.
В осевой части корпуса (1) расположен лопаточный завихритель (2) и корпус вспомогательного контура (6). Вспомогательный контур имеет корпус распылителя (4), завихритель вспомогательного контура (5), выполненный в виде цилиндра с тангенциальными каналами на внешней поверхности, шайбу перепускную (7), распылитель (8) с впускными каналами газа, расположенными по касательной, для обеспечения смешивания воздуха и топлива до возгорания, фронтальный кожух (9) и кожух завихрителя (10). Во фронтальном кожухе (9) и корпусе вспомогательного контура (6), реализованная система отверстий для охлаждения выходной кромки фронта вспомогательного контура для устранения нагара и подгорания.
Осевой цельнолитой лопаточный завихритель (2) имеет радиально расположенные полые перфорированные лопатки. Лопатки имеют множество отверстий-жиклеров, выполненных таким образом, чтобы впрыскивать основной топливный газ на встречу воздушному потоку. Лопаточный завихритель фиксируется кольцом (3).
Конструктивно форсунка может быть выполнена по модульному принципу - модуль основного контура и модуль вспомогательного контура. Монтаж (демонтаж) форсунки выполняется через окна в корпусе камеры сгорания. Такая схема позволяет при необходимости проводить обслуживание, ремонт, регулирование форсунок без разборки больших узлов ГТД.
Работа форсунки осуществляется таким образом.
Воздух через компрессор поступает в камеру сгорания. В камере сгорания воздух разделяется на два потока. Часть воздуха поступает в лобовую часть жаровой трубы и проходит через топливные форсунки. Вторая часть воздуха проходит по кольцевому каналу, образованному корпусом камеры сгорания и жаровой трубой.
При запуске и работе ГТД в топливной форсунке происходит комбинированное смесеобразование с раздачей топлива по двум контурам. Большая часть топлива проводится через основной контур и распределяется системой противоточных струй в закрученный кольцевой поток воздуха, обеспечивая предварительное смесеобразование в кольцевом канале до зоны горения. Меньшая часть топлива подается через пусковой (вспомогательный) контур системой осевых и радиальных струй, обеспечивая диффузионное смесеобразование.
Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания полностью перемешанной с однородным составом, где осуществляется полное сгорание смеси. Вспомогательный контур обеспечивает пуск двигателя и работу на малых и переходных режимах для стабилизации горения.