ДВУХТОПЛИВНАЯ ДВУХКОНТУРНАЯ ФОРСУНКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к устройствам с непосредственным впрыскиванием жидкого углеводородного топлива в капельном состоянии или газообразного углеводородного топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя и подготовкой топливовоздушной смеси для сжигания в зоне горения с помощью воздуха, а именно к двухтопливным двухконтурным форсункам газотурбинного двигателя, содержащим корпус со штуцерами и каналами подачи газообразного и жидкого топлива, канал подвода воздуха, распылитель газообразного и жидкого топлива, конический завихритель, распылительные сопла.
В описании использованы сокращения
ГТД - газотурбинный двигатель
ГТУ - газотурбинная установка
ГТП - газотурбинный привод
Уровень техники.
Актуальной задачей является создание камер сгорания наземных газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности, которые могут осуществлять запуск и работу, как на газообразном, так и на жидком топливе с обеспечением возможности перехода между видами топлива без необходимости в остановке ГТД. Потребность в решение указанной задачи вызвана необходимостью обеспечения непрерывного процесса энергоснабжения, в том числе и при перебоях в поставках газообразного топлива.
Известна горелка для сжигания жидкого и газообразного топлива [патент РФ №2039320, F23D 17/00, опубл. 09.07.1995], содержащая корпус, жидкотопливную форсунку, внутреннюю газоподающую трубу с выходными отверстиями. Воздухоподающая обечайка имеет на выходе коническую перфорированную перегородку с углом раскрытия, по меньшей мере, равным углу раскрытия факела жидкотопливной форсунки. Внешний канал образован обечайкой и корпусом и через отверстия сообщен с газовым коллектором. В наружной обечайке передней части канала установлен кольцевой уголковый стабилизатор, образующий с обечайкой полость. Перегородка имеет отверстия, а обечайка - окна для выхода поступающего внутрь обечайки воздуха. Обечайка вместе со стабилизатором имеет возможность осевого перемещения относительно корпуса. Известное устройство невозможно использовать в ГТП из-за больших габаритов, низкой эффективности работы в составе ГТП. Недостатком также является, как указано в самом патенте, недостаточная устойчивость факела при работе на мазуте, поэтому предназначена для работы на газе.
Известна газожидкостная форсунка газотурбинного двигателя па патенту РФ на Полезную модель № 151160, F23D 11/38, опубл. 20.03.2015 Люл. №8, содержащая корпус с размещенным в нем распылителем жидкого топлива, полый насадок, включающий входную и выходную части, установленный снаружи корпуса и снабженный отверстиями для газообразного топлива, при этом входная часть насадка сопряжена с корпусом, выходная часть насадка выполнена в виде усеченного конуса. Обеспечивает подвод жидкого и газообразного топлива в разные области завихрителя жаровой трубы, что исключает попадание жидкого топлива в газотопливные отверстия форсунки
К недостаткам форсунки можно отнести отсутствие центрального воздушного канала, который обеспечивает лучшее перемешивание жидкого топлива с воздухом и соответственно улучшает полноту сгорания.
Известна горелка [патент РФ №2197685, F23D 17/00, 27.01.2003], предназначенная для сжигания топлива, преимущественно в камерах сгорания ГТУ. Горелка содержит завихритель воздуха с лопатками и, сообщающийся с каналом подвода топлива, газораздающий насадок с газораздающими отверстиями, размещенными между лопатками завихрителя воздуха. Газораздающий насадок имеет дополнительный ряд газораздающих отверстий, расположенных перед лопатками завихрителя воздуха. Кроме того, горелка может быть дополнительно снабжена форсункой жидкого топлива, установленной на оси горелки.
Недостатками данного устройства являются низкая эффективность работы форсунки на жидком топливе из-за впрыска топлива в зону горения без предварительной подготовки, и малого угла распыла топлива, а также наличие громоздкого лопаточного завихрителя воздуха.
Известна топливная форсунка камеры сгорания газотурбинного двигателя [патент RU 182454 U1, F23R 3/14 (2006.01), 17.08.2018 г.], предназначенная для применения в топливных форсунках камер сгорания газотурбинного двигателя. Форсунка содержит корпус, распылители и кожух, охватывающий корпус с образованием торцевого зазора, сообщенного с источником воздуха, кожух и корпус, образуют соединение, в корпусе выполнена кольцевая проточка, а на корпус установлена вставка, на наружной поверхности которой выполнены профилированные стойки, в корпусе выполнены продольные пазы, которые сообщают полость кольцевой проточки с кольцевым каналом под кожухом, со стороны входа воздуха в полость проточки корпуса под вставкой соединение кожуха и корпуса выполнено с зазором, а со стороны выхода воздуха соединение выполнено с натягом, профилированные стойки вставки состоят из прямого участка и повернутого под углом к оси форсунки участка.
Недостатками данного устройства являются отсутствие в составе форсунки воздушного фильтра, что не обеспечивает должного уровня защиты от попадания загрязняющих элементов в топливовоздушную смесь, и наличие единственного выходного воздушного отверстия, что не обеспечивает достаточный уровень защиты от нагарообразования на торцевой поверхности распылителя.
Известная форсунка двухтопливная [патент РФ № 2578785 С1, F23D 17/00, F23R 3/36, 27.10.2014 г.] предназначенная для впрыска жидкого топлива или газообразного углеводородного в камеру сгорания газотурбинного двигателя. По оси форсунки концентрично каналам подачи топлива выполнен центральный канал подачи воздуха, а канал подачи жидкого топлива дополнительно оборудован распылителем, который связан с центральным каналом подачи воздуха и выполнен с возможностью центробежной закрутки топлива. В теле кожуха выполнены косые пазы, создающие зону завихрения в сопловой полости кожуха. Газораздающие отверстия выполнены с возможностью подавать газообразное топливо в зону завихрения, а также в зону горения, минуя зону завихрения и сопловое отверстие.
Данная форсунка по большинству существенных признаков принята за прототип для заявленной полезной модели.
Недостатками данного устройства является:
- низкое качество распыла жидкого топлива и не обеспечивает требуемый уровень защиты от нагарообразования при использовании жидких видов топлива высокой вязкости (мазут) и газообразного топлива с высоким содержанием тяжёлых примесей (попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д.); за счет выполнения канала подачи воздуха в виде втулки, вваренной в корпус форсунки, так как это ограничивает объем подачи воздуха;
- отсутствие возможности подачи воздуха по неиспользуемым топливным каналам, в том числе для осуществления продува каналов при переходе между видами используемого топлива, что негативно сказывается на качестве распыла жидкого топлива и плавности переходного процесса;
- невозможность использования в наземных (танковых) ГТД: форсунка предназначена для использования в авиационных ГТД, в связи с чем её габариты слишком велики для использования в наземных (танковых) ГТД существенно меньшего размера;
- невозможность очистки топливовоздушной смеси.
Раскрытие полезной модели.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить двухтопливную двухконтурную форсунку газотурбинного двигателя, содержащую корпус со штуцерами и каналами подачи газообразного и жидкого топлива, канал подвода воздуха, распылитель газообразного и жидкого топлива, конический завихритель, распылительные сопла, позволяющую как минимум сгладить, указанный выше недостаток, а именно обеспечить возможность повышения эффективности работы форсунки, за счет улучшения смешивания топлива с воздухом и защите от образования нагара при работе в двухтопливном режиме, в том числе на жидких топливах высокой вязкости, например, мазут, и газообразном топливе с высоким содержанием тяжёлых примесей, таких как попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д., что и является поставленной технической задачей настоящей полезной модели.
Дополнительным техническим результатом является компактность конструкции, что позволяет использовать данную форсунку в наземных (танковых) ГТД с минимальным количеством доработок и без увеличения габаритов газотурбинного двигателя.
Для достижения этой цели канал подвода воздуха расположен вдоль каналов подачи газообразного и жидкого топлива, соединен со штуцером подачи воздуха на входе и с воздушным соплом на выходе, а также снабжен воздушным фильтром, при этом форсунка включает в себя средство обдува и защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность увеличения объема подачи воздуха для улучшения качества создаваемой топливовоздушной смеси и обеспечения защиты топливных форсунок от образования нагара на торцевой поверхности распылителя.
Подача дополнительного объема воздуха позволяет обеспечить требуемый состав топливовоздушной смеси при работе ГТД на жидких топливах высокой вязкости (мазут) и газообразном топливе с высоким содержанием тяжёлых примесей (попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д.).
При осуществлении перехода между видами топлива воздух из компрессора ГТД дополнительно подается через топливные каналы, осуществляя полную очистку топливных форсунок и камеры сгорания, что обеспечивает плавность переходного процесса без остановок двигателя и существенных перепадов мощности.
Дополнительно воздух может подаваться через неиспользуемые топливные каналы при недостаточности объемов подачи воздуха из основного воздушного канала для обеспечения оптимального состава топливовоздушной смеси и защиты от образования нагара. Данный факт особенно важен при работе ГТД на газообразном топливе с высоким содержанием тяжёлых примесей (попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д.).
Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором средство обдува и защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя образовано воздушной щелью, расположенной между соплами завихрителя и распылителем, двенадцатью входными отверстиями, расположенными под углом к корпусу форсунки и двенадцатью выходными отверстиями, расположенными на торцевой стороне распылителя.
Благодаря такой выгодной характеристике по сути интеграции воздушного канала в кожух форсунки - появляется возможность уменьшить габариты форсунки, благодаря чему обеспечивается дополнительный технический результат -  возможность использования данной форсунки в наземных (танковых) ГТД малых габаритов с минимальным количеством доработок, и без изменения габаритов ГТД и камеры сгорания.
Существует вариант исполнения полезной модели, в котором воздушный фильтр выполнен в виде фильтрующей гильзы, содержащей фильтрующий материал, обмотанный металлической сеткой, обеспечивающей защиту и удержание флиртующего материала гильзы.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность дополнительной очистки сжатого воздуха, поступающего от компрессора ГТД, что  позволяет избежать попадания загрязняющих элементов в топливовоздушную смесь, обеспечивая её высокое качество.
Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором конический завихритель фиксируется в сопле с помощью подвижной опоры пружины, поджатой пружиной.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность изменения положения завихрителя в сопле. При увеличении давления в камере жидкого топлива, объем конусной камеры завихрителя уменьшается, при этом достигается требуемый уровень интенсивности завихрения и качества распыла топливовоздушной смеси при наборе мощности ГТД.
Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых изображено:
- фигура 1 схематично изображает вертикальный разрез двухтопливной двухконтурной форсунки газотурбинного двигателя, согласно полезной модели,
- фигура 2 схематично изображает движение воздуха в двухтопливной двухконтурной форсунке газотурбинного двигателя, согласно полезной модели,
- фигура 3 схематично изображает вид сверху двухтопливной двухконтурной форсунки газотурбинного двигателя, согласно полезной модели,
На фигурах обозначено:
1 -  Корпус форсунки
2 -  Штуцеры подвода жидкого и газообразного топлива (2 ед.)
3 -  Канал газообразного топлива
4 -  Канал жидкого топлива
5 -  Стержень фильтрующий гильза
6 -  Камера распылителя газового топлива
7 -  Камера распылителя жидкого топлива
8 -  Гильза
9 -  Уплотнительное кольцо
10 -  Нажимное кольцо
11 -  Распылительные сопла
12 -  Конический завихритель
13 -  Опора пружины
14 -  Пружина
15 -  Воздушный канал
16 -  Воздушный фильтр
17 -  Воздушное сопло
18 -  Отверстия для подачи воздуха из камеры сгорания воздуха
19 -  Кольцевая щель
20 -  Обдувочные воздушные отверстия
21 -  Выходное отверстие для впрыска газообразного топлива
22 -  Конусная камера завихрителья
23 -  Каналы пропуска воздуха
24 -  Выходное отверстие для впрыска жидкого топлива
25 -  Подвод воздуха.
Двухтопливная двухконтурная форсунка газотурбинного двигателя состоит из корпуса 1 -  со штуцерами подвода жидкого и газообразного топлива 2 - , каналами газообразного 3 -  и жидкого 4 -  топлива, фильтрующего стержня 5 - , камер распылителя газообразного 6 - и жидкого 7 - топлива. Весь пакет деталей закрепляется гильзой 8 - с уплотнительным 9 - и нажимным 10 - кольцами. Распыливающими элементами форсунки являются сопла 11 -  и конический завихритель 12 - . Завихритель 12 -  фиксируется в сопле с помощью опоры пружины 13 - , поджатой пружиной 14 - . Фильтр 5 -  представляет собой точно посаженный в отверстие корпуса 1 -  стержень, на цилиндрической части которого нарезана мелкая резьба и несколько шлиц. Фильтрующим элементом является мелкая резьба.
Распылитель выполнен в виде насадка, приваренного к корпусу предлагаемой форсунки и снабжен рядом газораздающих отверстий, расположенных под углом 45º к распылителю.
В корпусе предлагаемой форсунки дополнительно размещено средство подачи сжатого воздуха, включающий штуцер подвода воздуха, воздушный канал 15, воздушный фильтр 16 - , воздушно сопло 17 - и средство обдува и защиты от образования нагара.
Воздух подается в корпус форсунки через воздушный штуцер и по каналу 15 - поступает в воздушный фильтр 16 - , затем, пройдя завихривающие канавки, образованные соплом 17 - , смешивается с топливом, выбрасываемым из завихрителя 12 - , и распыленная топливовоздушная смесь выбрасывается через выходное отверстие сопла 11 - . С целью исключения нагара на торцевой поверхности распылителя подвод воздуха к средству обдува и защиты от образования нагара осуществляется двенадцатью отверстиями 18 - диаметром 2 мм и по кольцевой щели 19 - шириной 1 мм. Выход обдувочного воздуха осуществляется через двенадцать отверстий 20 - диаметром 0,8 мм Количество и размер отверстий подобраны таким образом, чтобы обеспечить высокое значение коэффициента полноты сгорания и равномерное температурное поле газа перед турбиной.
Двухтопливная двухконтурная форсунка газотурбинного двигателя устанавливается в камеру сгорания ГТД в количестве 18 штук и крепятся фланцами с помощью двух болтов.
Осуществление полезной модели.
При работе на газообразном топливе производится подача топлива через штуцер 2 - и по каналу 3 - к камере распылителя 6 - организованной параллельно оси форсунки, где перемешивается с воздухом, поступающим от завихрителя 12 - , и образовавшаяся топливовоздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания ГТД через отверстия 21 - . Часть воздуха дополнительно поступает через двенадцать косых отверстий 18 - в корпусе распылителя и, проходя по кольцевой щели 19 - , осуществляет сдув образовывающегося нагара через отверстия 20 - . При применении в качестве топлива газообразного топлива с высоким содержанием тяжёлых примесей (попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д.), дополнительный объем воздуха подается в завихритель 12 -  через канал подвода жидкого топлива 4 - , что позволяет обеспечить эффективное сдутие оседающих тяжёлых примесей.
При работе ГТД на жидком топливе топливо через штуцер 2 - по каналу 4 - поступает в камеру 7 - в корпусе форсунки. Проходя через фильтр 5 - топливо поступает к завихрителю 12 - , затем через отверстия в буртике завихрителя 12 -  топливо поступает к двум завихривающим канавкам, расположенным под углом 45° к оси завихрителя и по ним - в конусную камеру завихривания 22 - . Воздух подается в корпус форсунки через штуцер и по каналу 15 - поступает в воздушный фильтр 16 - , затем, через каналы 23 -  проходит в  завихривающие канавки, образованные соплами 17 - , смешивается с топливом. Распыленная топливовоздушная смесь выбрасывается через выходное отверстие 24 - . При работе ГТД на жидких топливах высокой вязкости (мазут) дополнительный объем воздуха подается через канал подвода газообразного топлива 3 - , что позволяет обеспечить требуемый состав и полноту сгорания топливовоздушной смеси.
При повышении давления в камере жидкого топлива 7 - , в результате повышения объема подачи жидкого топлива, происходит смещение завихрителя 12 - вглубь сопл 11 - , что приводит к уменьшению объема камеры завихрителя 22 - и повышению интенсивности завихрения, что позволяет обеспечить качественный распыл топливовоздушной смеси при увеличении рабочей мощности ГТД.
Воздушный фильтр 16 -  выполнен в виде фильтрующей гильзы с намотанной на нее металлической сеткой, обеспечивающей защиту и удержание флиртующего материала гильзы, и предназначен для дополнительной очистки сжатого воздуха, поступающего из компрессора высокого давления ГТД. Возможно применение различных типов фильтрующих материалов в зависимости от условий эксплуатации ГТД и степени запыленности подаваемого воздуха, с учетом  обеспечения класса очистки не ниже F7 по ГОСТ Р ЕН 779–2014 (полиэфир, полипропилен, и др.) Дополнительная фильтрация сжатого воздуха позволяет избежать попадания загрязняющих элементов в топливовоздушную смесь, обеспечивая её высокое качество.
При осуществлении перехода между видами топлива воздух из компрессора ГТД дополнительно подается через топливные каналы, осуществляя полную очистку топливных форсунок и камеры сгорания, что обеспечивает плавность переходного процесса без остановок двигателя и существенных перепадов мощности.
Промышленная применимость.
Предлагаемая форсунка двухконтурная двухтопливная может быть осуществлена специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления специалистом на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу полезной модели на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для полезной модели и критерию «полнота раскрытия» для полезной модели.
За счет того, что канал подвода воздуха расположен вдоль каналов подачи газообразного и жидкого топлива, соединен со штуцером подачи воздуха на входе и с воздушным соплом на выходе, а также снабжен воздушным фильтром, при этом форсунка включает в себя средство обдува и защиты от образования нагара на торцевой поверхности распылителя, и достигается заявленный технический результат – повышение эффективности работы форсунки, за счет улучшения смешивания топлива с воздухом и защите от образования нагара при работе в двухтопливном режиме, в том числе на жидких топливах высокой вязкости, например, мазут, и газообразном топливе с высоким содержанием тяжёлых примесей, таких как попутный нефтяной газ, серный газ, биогаз и т.д.
Дополнительно достигаемый технический результат заключается в том, что предлагаемая полезная модель имеет малые габариты, что позволяет использовать её в составе на наземных (танковых) ГТД малых габаритов с минимальным количеством доработок, при этом габариты ГТД, в целом, и камеры сгорания, в частности, остаются неизменными. Двухтопливная двухконтурная форсунка улучшает эксплуатационные характеристики и универсальность ГТД.
Кроме того, в предлагаемой форсунке завихритель имеет конусную форму. Это позволяет сократить размеры камеры завихривания, что существенно снижает потери на трение и обеспечивает хорошее качество распыла топлива.