Топливная форсунка камеры сгорания газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и может найти применение в турбомашиностроении, в частности в авиадвигателестроении.
Одной из главных задач, решаемых при создании камер сгорания ГТД, является обеспечение жестких норм на эмиссию вредных выбросов, что накладывает дополнительные требования по организации горения «обедненной» предварительно перемешанной топливовоздушной смеси с горением в двух зонах горения: пилотной и основной.
Известны фронтовые устройства (горелки) камер сгорания ГТД, содержащие внутренний и внешний ряды воздушных завихрителей и устройства для подачи топлива в две зоны горения (патент US 2007/0028620 A1, МПК F23R 3/14, опубл. 08.02.2007; патент RU 2468297 С2, МПК F23R 3/34, опубл. 27.11.2012). В таком типе топливовоздушной горелки предусмотрены пилотная (центральная) и основная зоны горения. Соответственно, пилотное топливо подается в центр горелки, а основное - по периферии направленными в зону перемешивания струями.
Недостатком такого способа подачи топлива является не обеспечение мелкости распыла, что увеличивает время испарения капель топлива, приводящее к повышению уровня эмиссии. Кроме того, при возможном изменении неравномерности распыла (коксование или, размывании части топливных отверстий), в отличие от истечения из общего сопла, - резко меняется равномерность концентрации топливовоздушной смеси в зоне горения, приводящее к ухудшению розжига и деформации температурного поля газа, а наличие переобогащенных топливом зон также ведет к повышению эмиссии.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является улучшение качества распыла топлива, за счет повышения мелкости и равномерности распыла топлива нормальной и повышенной вязкости, и повышение надежности и технологичности конструкции за счет внедрения центробежных распылителей (завихрители и сопла) с элементами пневматического распыла пилотного и, отдельно, основного топлива.
Технический результат достигается тем, что в топливной форсунке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей корпус с каналами и с устройствами для подачи топлива в две зоны горения, воздушные завихрители, в отличие от известной основная ступень содержит кольцевой центробежный распылитель топлива с рядом тангенциальных отверстий, кольцевое сопло, по периферии которого выполнены тангенциальные пазы для подвода воздуха на срез сопла для дополнительного распыла основного топлива, а также конусный насадок с лопатками для закрутки воздуха пилотной зоны, закрепленный в стыке пакета распылителя основной зоны с образованием открытой кольцевой полости между втулкой лопаточного завихрителя насадка и корпусом форсунки.
Данное решение поясняется чертежами, на которых представлено
фиг. 1 - продольный разрез камеры сгорания с топливной форсункой; фиг. 2 - продольный разрез головки форсунки; фиг. 3 - вид А; фиг. 4 - сечение Б-Б; фиг. 5 - внешний вид конусного насадка.
Горелка газотурбинного двигателя с организацией горения в двух зонах горения содержит (фиг. 1 и 2) топливную форсунку 1, фронтовое устройство жаровой трубы с воздушным завихрителем основной зоны 2, систему подачи жидкого топлива, состоящую из пилотного и основного контуров.
Пилотный топливный контур включает: канал 3 подвода топлива в корпусе 4 форсунки 1, прижим 5 с отверстиями для подвода топлива к центробежному завихрителю 6 и соплу 7. Воздух в пилотную зону поступает через соединенные друг с другом кольцевые полости 8 (не замкнутая) и 9 корпуса 4 - в лопаточный завихритель 10 насадка 11, а также в кольцевой зазор 12 под втулку завихрителя 10 - на сдув нагара с торца сопла 7. При этом на конусе насадка могут быть отверстия перфорации, а участок 13 - содержать какие-либо элементы для закрутки потока (тангенциальные пазы, лопатки).
Основной топливный контур включает канал 14, кольцевой канал 15, фланец насадка 11 с окружными отверстиями 16, завихритель с тангенциальными отверстиями 17 (фиг. 3). Стык стягивается резьбовой втулкой с кожухом 18, имеющей кольцевое, образованное с цилиндрической поверхностью насадка 11, сопло 19 с острой кромкой на выходе, а также элементы дополнительной ступени воздуха для распыла основного топлива (фиг. 4): прямые пазы 20, кольцевую полость 21 и тангенциальные пазы 22 с попутной с топливным завихрителем 17 круткой, что, совместно с круткой завихрителем 2, обеспечивает необходимую мелкость распыла даже при низком перепаде давления топлива.
Топливная форсунка выполнена разборной, количество деталей и сборочных единиц (ДСЕ) для повышения надежности минимальное, имеется возможность доводки и замены ДСЕ как пилотного, так и основного контуров. Дополнительный пневмораспыл основного топлива позволяет снизить необходимое для распыла давление топлива (поднять производительность основной ступени) и получить дополнительный выигрыш в энергетике насосов.
Топливная форсунка работает следующим образом.
В начальный момент запуска через камеру сгорания подается небольшой поток воздуха. Через совмещенные полости 8 и 9 корпуса 4 воздух проходит к завихрителю 10 насадка 11 и в зазор 12, а также в основную (внешнюю) зону к завихрителю 2 и тангенциальным пазам 22 топливной форсунки 1.
Затем топливо подается в пилотную зону, закручивается завихрителем 6 и перемешивается с воздухом из завихрителя 10, топливовоздушная смесь поджигается воспламенителем (свечой зажигания) и горит локально в пилотной зоне горения.
При переходе на режимы повышенной тяги основное топливо из канала 14 через отверстия 16 подается к завихрителю 17, где закручивается, срывается с острой кромки сопла 19 и подхватывается закрученным попутно с ним воздухом из пазов 22. Далее, предварительно распыленный факел смешивается с закрученным турбулизированным воздухом из завихрителя 2, топливовоздушная смесь воспламеняется от продуктов сгорания пилотной зоны горения и горит в основной зоне горения.
В результате, форсунка содержит систему подачи пилотного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов с элементами (лопатки, тангенциальные пазы) для закрутки потоков, причем воздушный лопаточный завихритель дежурной зоны входит в состав конусного насадка, содержащего фланец с отверстиями для топлива основной зоны. Насадок монтируется встык распылителя основной зоны (является съемным) и имеет зазор с центральной втулкой корпуса форсунки для воздуха на охлаждение и сдува нагара с торца распылителя пилотной зоны.
Таким образом, данное техническое решение позволяет улучшить качество распыла топлива и повысить надежность и технологичность конструкции топливной форсунки.