ЦЕНТРОБЕЖНО-ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА
CENTRIFUGAL PNEUMATIC NOZZLE

Изобретение относится к устройствам для непосредственного впрыскивания жидкого углеводородного топлива в капельном состоянии в камеры сгорания наземных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).
Известна двухканальная центробежная топливная форсунка [см. С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др. «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», М. Машиностроение, 1989, с. 411-412, рис. 8.19], которая содержит корпус со штуцером и каналами основного и дополнительного контуров, фильтры, разделительную втулку, дополнительное и основное сопла, уплотнительные шайбы, гайку с противонагарным экраном. Подача топлива при запуске двигателя осуществляется через дополнительный контур форсунки. На всех остальных режимах работают оба контура.
Недостатком такой форсунки является низкая эффективность распыла и смешения топлива на различных режимах работы двигателя из-за реализации только механического способа распыла топлива и отсутствия элементов предварительной подготовки топливовоздушной смеси до ее подачи в камеру сгорания.
Известна топливная форсунка с аэрацией топливного факела [см. А.А. Пахольченко, А.Н. Черкасов, А.А. Алексеев, Г.П. Корень, В.А. Москаев «Теория авиационных двигателей: функциональные элементы серийных силовых установок: учебное пособие», Воронеж: ВУНЦ ВВС "ВВА", 2015, с. 116-117, рис. 3.6]. Аналогично вышесказанной форсунке в камере сгорания двигателя применяются двухканальные форсунки центробежного типа. Также к ним устанавливаются внутренние завихрители. После предварительной подготовки топлива в выходном сечении внутреннего завихрителя имеется сильно закрученный поток обедненной топливовоздушной смеси. Топливный факел, генерируемый форсункой, дополнительно омывается потоком первичного воздуха, получившим закрутку при его прохождении через внутренний завихритель. Взаимодействуя с топливным факелом первого и второго контуров форсунки, закрученный поток обеспечивает интенсификацию дробления и испарения капель топлива.
Недостатком является низкая эффективность распыла и смешения топлива на различных режимах работы двигателя из-за реализации только механического способа распыла топлива и отсутствия регулирования расхода воздуха, проходящего через фронтовое устройство камеры сгорания.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка [см. патент RU 99113, U1, МПК F23D 11/10, опубл. 10.11.2010 г.]., содержащая систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов, где вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с коллектором подвода топлива на входе, шнековым завихрителем топлива с винтовыми канавками на его наружной поверхности на входе в вихревую камеру внутри канала и соплом на выходе, при этом стенка вихревой камеры со стороны сопла выполнена конусной, а относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен сопряженный с ним через стенку с коническим соплом на выходе воздушный внутренний канал с лопаточным завихрителем внутри, причем основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, сопряженный с ним через стенку топливный внешний канал с коллектором подвода топлива на входе, шнековым завихрителем, вихревой камерой внутри и соплом с конической стенкой на выходе, кроме того, над топливным внешним каналом коаксиально расположен сопряженный с ним через стенку с коническим соплом на выходе воздушный внешний канал с лопаточным завихрителем внутри, ограниченный наружной стенкой с конической суживающимся соплом на выходе, причем закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону, отличающаяся тем, что вихревая камера аксиального топливного канала через равномерно расположенные по окружности сквозные наклонные к оси отверстия перепуска топлива в шнеке и магистраль, в которой установлен перепускной клапан с корпусом, соединена с коллектором подвода топлива канала основного контура, а конусные стенки вихревых камер аксиального и внешнего топливных каналов со стороны сопл имеют соответственно равномерно расположенные по окружности наклонные к осям форсунок сквозные отверстия, перепускной клапан содержит полый плунжер со сквозными отверстиями в боковой стенке, установленный внутри корпуса, который поджат пружиной до упора в торцевую кромку корпуса, входы в отверстия перепуска топлива в шнеке аксиального топливного канала расположены на середине радиуса вихревой камеры, пружина в корпусе поджата резьбовой пробкой.
Недостатками прототипа является низкая эффективность распыления и смешения топлива на различных режимах работы двигателя, то есть низкие значения коэффициента полноты сгорания на нерасчетных режимах работы двигателя, из-за:
- отсутствия возможности регулирования расхода воздуха через пневматическую часть и управления интенсивностью закручивания потока;
- линейного закона управления расходом топлива вспомогательного канала механической части и пневматической части форсунки;
- малой длины зоны предварительного смешения топлива с воздухом в пневматическом контуре.
Техническим результатом является повышение эффективности распыления и смешения топлива за счет управления расходом воздуха на всех режимах работы двигателя, тем самым - повышение коэффициента полноты сгорания в широком диапазоне режимов работы двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в центробежно-пневматической форсунке, содержащей систему подачи жидкого топлива, состоящую из основного и вспомогательного контуров центробежной части, пневматической части и соосно сопряженного с ней воздушного канала с лопаточным завихрителем, согласно изобретению, установлен коаксиально воздушному каналу дополнительный корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены дополнительно шарнирно закрепленные лопатки закручивания воздушного потока с возможностью поворота перпендикулярно продольной оси форсунки, а также последовательно упругий элемент, поршень и стержни, при этом поршень состоит, из двух поясов, соединенных между собой штоком, разделяющим кольцевую полость на две части, и имеющий в поясе, расположенном со стороны камеры сгорания, кольцевую проточку, в которую установлены стержни, взаимодействующие с лопатками закручивания воздушного потока через дугообразные прорези, выполненные в наружном корпусе воздушного канала форсунки, со стороны компрессора в области межпоясного пространства поршня на внутреннем корпусе кольцевой полости выполнены три ряда отверстий, направленных под углом в сторону, противоположную набегающему потоку.
Сущность изобретения заключается в том, что коаксиально воздушному каналу установлен дополнительный корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены дополнительно шарнирно закрепленные лопатки закручивания воздушного потока с возможностью поворота перпендикулярно продольной оси форсунки, а также последовательно упругий элемент, поршень и стержни, при этом поршень состоит из двух поясов, соединенных между собой штоком, разделяющим кольцевую полость на две части, и имеющий в поясе, расположенном со стороны камеры сгорания, кольцевую проточку, в которую установлены стержни, взаимодействующие с лопатками закручивания воздушного потока через дугообразные прорези, выполненные в наружном корпусе воздушного канала форсунки, со стороны компрессора в области меж поясного пространства поршня на внутреннем корпусе кольцевой полости выполнены три ряда отверстий, направленных под углом в сторону, противоположную набегающему потоку.
В известной форсунке расход воздуха и интенсивность закрутки воздушного потока не регулируются. Это сказывается на теплоте, выделяемой при сгорании, на различных режимах работы двигателя.
Как показано в [см. Лефевр А. «Процессы в камерах сгорания ГТД»: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., с. 142-146, 154-156], расход воздуха через лопаточный завихритель и интенсивность закрутки потока определяются площадью его проходного сечения и утлом установки лопаток завихрителя.
Поэтому, согласно изобретению, коаксиально воздушному каналу установлен дополнительный корпус, образующий с ним кольцевую полость, в которой со стороны камеры сгорания установлены дополнительно шарнирно закрепленные лопатки закручивания воздушного потока с возможностью поворота перпендикулярно продольной оси форсунки, а также последовательно упругий элемент, поршень и стержни, при этом поршень состоит из двух поясов, соединенных между собой штоком, разделяющим кольцевую полость на две части, и имеющий в поясе, расположенном со стороны камеры сгорания, кольцевую проточку, в которую установлены стержни, взаимодействующие с лопатками закручивания воздушного потока через дугообразные прорези, выполненные в наружном корпусе воздушного канала форсунки. Топливо поступает в кольцевую полость. Под давлением поступающего топлива поршень начинает перемещаться и воздействует через кольцевую проточку на стержни, которые, в свою очередь, двигаются по дугообразным прорезям. Благодаря шарнирному соединению стержней с лопатками закручивания воздушного потока происходит преобразование поступательного движения поршня в вращательное движение лопаток закручивания воздушного потока. При уменьшении давления топлива упругий элемент своим воздействием обеспечивает поршню равновесное состояние.
Известно [см. Лефевр А. «Процессы в камерах сгорания ГТД»: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., с. 446, 463], эффективность распыления и смешения топлива зависят от размеров капель топлива, которые изменяются в зависимости от скорости воздуха, который обдувает их.
Со стороны компрессора в области межпоясного пространства поршня на внутреннем корпусе кольцевой полости выполнены три ряда отверстий, направленных под углом в сторону, противоположную набегающему потоку. Поршень своим движением последовательно открывает ряды отверстий. При каждом открытии следующего ряда отверстий расход топлива перераспределяется в пользу пневматической части. В пневматической части форсунки кинетическая энергия потока воздуха тратится на дробление струи с образованием мелких капель для увеличения площади соприкосновения капель топлива с воздухом, а также топливо до попадания в камеру сгорания начинает испаряться и смешиваться с воздухом, что приводит к повышению эффективности этих физических процессов [см. Лефевр А. «Процессы в камерах сгорания ГТД»: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., с. 431-432]. Центробежная часть форсунки создает крупные капли для поддержания оптимального диапазона горения топлива. На входе в камеру сгорания воздушный поток, проходящий через пневматическую часть форсунки, набегает на поток воздушного канала, тем самым увеличивает скорость обдува капель топлива, сформированных центробежной частью форсунки и неиспарившихся в пневматической части форсунки. Перераспределение топлива между центробежной и пневматической частями позволяет увеличить коэффициент полноты сгорания не только на расчетных, но и на нерасчетных режимах работы камеры сгорания, в том числе на переходных режимах при том же количестве топлива, подаваемого двухканальной центробежной форсункой [см. С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др. «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», М. Машиностроителей, 1989, с. 411-412, рис. 8.19].
Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Двухконтурная центробежно-пневматическая форсунка схематично показана на фигуре, где обозначено: 1 - механическая часть форсунки; 2 - пневматическая часть форсунки; 3 - лопаточный завихритель; 4 - лопатки закручивания воздушного потока; 5 - ряд отверстий; 6 - основной канал центробежной части форсунки; 7 - вспомогательный канал центробежной форсунки; 8 - поршень; 9 - упругий элемент; 10 - кольцевая проточка; 11 - стержень; 12 - кольцевая полость; 13 - ось поворота лопаток; 14 - шарнир; 15 - дугообразные прорези в кольцевой полости пневматической части.
Лопатки закручивания воздушного потока 4 пневматической части форсунки 2 предназначены для его закрутки с целью интенсификации процесса образования топливовоздушной смеси. Изменение угла установки лопаток закручивания 4 позволяет управлять интенсивностью закрутки потока и расходом воздуха через пневматическую часть форсунки 2. Направление закрутки потока в пневматической части форсунки 2 противоположно направлению закрутки основного воздушного потока, что обеспечивает увеличение скорости обдува капель топлива при их попадании внутрь жаровой трубы камеры сгорания [см. А.А. Пахольченко, А.Н. Черкасов, А.А. Алексеев, Г.П. Корень, В.А. Москаев «Теория авиационных двигателей: функциональные элементы серийных силовых установок: учебное пособие», Воронеж: ВУНЦ ВВС "ВВА", 2015, с. 54-55].
Поршень 8 предназначен для совершения возвратно-поступательное движение за счет преобразования давления топлива в механическую работу для перемещения лопаток закручивания воздушного потока 4 пневматической части 2 и открытия рядов отверстий 5 подвода топлива.
Упругий элемент 9 предназначен для реализации заданного закона изменения продольной координаты положения поршня 8 и возвращения системы «поршень 8 - лопатки закручивания воздушного потока 4 - ряды отверстий для подвода топлива 5 в пневматическую часть 2» в исходное положение при снижении режима работы двигателя. Жесткость упругого элемент 9 может быть переменной при его деформации, что позволяет реализовать нелинейные законы изменения продольной координаты поршня 8. Это может быть реализовано, например, использованием двух пружин с разными коэффициентами упругости. [см., например, URL: http://cnit.ssau.ru/virt_lab/su/sul_63.htm. Дата обращения 23.11.2021 г.].
Шарнирное соединение 14 стержней 11, перемещаемых по кольцевой проточке 10 под воздействием поршня 8, с лопатками закручивания 4 обеспечивает управление расходом воздуха на всех режимах работы двигателя, что приводит к повышению коэффициента полноты сгорания топлива за счет оптимизации коэффициента избытка воздуха. Такая система может быть реализована, например, с использованием технического решения, описанного в патенте SU 1730483, А1, МПК F16C 11/06, опубл. 30.04.1992 г.
Перемещение по дугообразным прорезям 15 стержней 11 преобразует поступательное движение поршня 8 в вращательное движение лопаток закручивания воздушного потока 4. Стержни 11 при движении поршня 8 действуют на стенки дугообразных прорезей 15. Согласно закону равенства действия и противодействия, вектор силы сопротивления жестких стенок изменяет вектор силы, действующий на стержни 11. В крайнем положении дугообразные прорези 15 зажимают стержни 11 и предотвращают дальнейшее движение поршня 8.
Устройство работает следующим образом. Его работа аналогична работе устройству, описанном в прототипе с некоторыми отличиями. Отличия заключаются в следующем. Одновременно, с началом подачи топлива через вспомогательный канал механической части форсунки 7 начинается подача топлива с тем же давлением в кольцевую полость 12 пневматической части форсунки 2. При этом поршень под действием упругого элемента находится в крайнем левом «исходном» положении, а лопатки закручивания воздушного потока 4 пневматической части 2 установлены на максимальный угол (60…70 град.), обеспечивая максимальный уровень закрутки воздушного потока и минимальный расход воздуха через пневматическую часть 2.
При увеличении режима работы двигателя давление вспомогательного топлива начинает возрастать, расход топлива через вспомогательный канал механической части форсунки 7 увеличивается, а поршень 8 пневматической части форсунки 2, преодолевая усилие упругого элемента 9, начинает перемещаться в сторону упругого элемента 9. При этом одновременно осуществляется открытие рядов отверстий 5 подвода топлива в пневматическую часть форсунки 2 и уменьшение угла установки лопаток закручивания воздушного потока 4. Тем самым, расход топлива начинает постепенно перераспределяться в пользу топлива, подаваемого в пневматическую часть форсунки 2, с одновременным увеличением расхода воздуха через нее благодаря уменьшению угла установки лопаток закручивания воздушного потока 4. Интенсивность закрутки воздушного потока при этом снижается незначительно, поскольку уменьшение угла установки лопаток закручивания 4 компенсируется увеличением расхода воздуха через пневматическую часть форсунки 2.
Топливо в пневматическую часть форсунки 2 через открытые поршнем 8 ряды отверстий 5 подается под углом к сносящему воздушному потоку. На максимальном режиме работы двигателя поршень 8 устанавливается в крайнее правое положение. При этом расход топлива максимально (до 50% от расхода топлива подаваемого через вспомогательный канал механической части форсунки 7) перераспределяется в пользу топлива, подаваемого через пневматическую часть форсунки 2 за счет открытия поршнем 8 всех рядов отверстий 5 для подвода топлива, а лопатки закручивания воздушного потока 4 устанавливаются на минимальный угол (20…30 град.), обеспечивая максимальный расход воздуха через пневматическую часть 2.
Лопатки закручивания воздушного потока 4 в пневматической части форсунки 2 обеспечивают закрутку потока в направлении противоположном направлению закрутки основного воздушного потока, подаваемого через лопаточный завихритель 3.
При уменьшении режима работы двигателя давление топлива в вспомогательном канале механической части 7 снижается и все элементы пневматической части форсунки 2 под действием упругого элемента 9 возвращаются в исходное положение.
При этой подготовке топливовоздушной смеси приводит к обеспечению более высоких скоростей обдува капель топлива в пневматической части 2, их лучшее дробление и увеличение времени пребывания топливовоздушной смеси в пневматической части форсунки 2 за счет удлинения траекторий движения капель топлива, все это приводит к указанному в изобретении техническому результату.