ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к фронтовым устройствам камер сгорания газотурбинных двигателей и может найти применение в области турбомашиностроения, в частности, двигателестроения.
Известно фронтовое устройство камеры сгорания, включающее корпус, в передней стенке которого вдоль оси фронтового устройства выполнены отверстия вокруг распылителя топливной форсунки, и в наружной стенке корпуса выполнен цилиндрический завихритель, имеющий закручивающие элементы, входные и выходные кромки которых являются образующими коаксиальных цилиндров (Патент на изобретение US 6035645 от 14.03.2000, МПК F02C 7/22).
Наиболее близким является фронтовое устройство камеры сгорания, содержащее корпус, в котором имеется завихритель с закручивающими элементами, при этом в передней стенке корпуса под углом к оси фронтового устройства выполнены отверстия вокруг распылителя топливной форсунки (Патент на изобретение US 7926281 от 19.04.2011 F23R 3/04).
Недостатком данных конструкций фронтовых устройств является нагарообразование на торце распылителя форсунки. Причиной нагарообразования является наличие организованной зоны обратных токов во внутренней полости завихрителя, в результате чего продукты сгорания и несгоревшее топливо, находящиеся в зоне обратных токов, могут попадать на распылитель форсунки (Я.П.Сторожук, Камеры сгорания стационарных и парогазовых установок. Л.: Машиностроение, 1978 г. - С.232, стр.23).
Поверхность распылителя, охлаждаемая топливом, имеет пониженную температуру по сравнению с температурой продуктов сгорания. В результате контакта продуктов сгорания, несгоревшего топлива с поверхностью торца распылителя, на поверхности распылителя образуется нагарообразование и оседание кокса. Куски кокса в этой зоне могут изменять траекторию струй топлива, вытекающих из форсунки, что ведет к неравномерной подаче топлива в жаровую трубу. Неравномерное распределение топлива в жаровой трубе приводит к появлению зон с повышенной и пониженной температурой горения (Э.Г.Нарежный, А.В.Сударев, Камеры сгорания судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение., 1973 г. - С.232, стр.6-7). Это ухудшает температурное поле на выходе из жаровой трубы, а также приводит к увеличению вредных выбросов в выхлопных газах, как окиси углерода СО (при снижении местной температуры), так и оксидов азота NOx (при повышении местной температуры). При достижении определенных размеров куски кокса разламываются или отваливаются от поверхности распылителя и попадают вместе с потоком газа с высокой скоростью в проточную часть двигателя. В турбине куски кокса повреждают лопатки статора и ротора.
Повышенному уровню окиси углерода СО в выхлопных газах способствует перенасыщение топливом зоны обратных токов во внутренней полости завихрителя вдоль оси фронтового устройства, где не обеспечиваются условия для полного сгорания топлива из-за недостатка подводимого воздуха.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является устранение нагарообразования на распылителе форсунки и снижение уровня окиси углерода СО и оксида азота NOx в продуктах сгорания, а так же повышение равномерности температурного поля.
Технический результат достигается тем, что фронтовое устройство камеры сгорания, содержащее корпус, в котором имеется завихритель с закручивающими элементами, при этом в передней стенке корпуса под углом к оси фронтового устройства выполнены отверстия вокруг распылителя топливной форсунки.
Новым в полезной модели является то, что завихритель расположен в передней стенке корпуса таким образом, что поверхность, образованная выходными кромками закручивающих элементов завихрителя, выполнена конической, с углом наклона образующей к оси фронтового устройства равным 45°, при этом отверстия в передней стенке выполнены тоже под углом 45° к оси фронтового устройства, оси отверстий расположены от поверхности распылителя топливной форсунки на расстоянии от 0,5 до 2 диаметров отверстий, а площадь отверстий в передней стенке составляет 0,15-0,25 от площади закручивающих элементов завихрителя.
На фигуре представлено фронтовое устройство камеры сгорания. Фронтовое устройство камеры сгорания содержит корпус 1, в котором имеется завихритель 2. Завихритель 2 снабжен закручивающими элементами 3, при этом завихритель 2 расположен на передней стенке 4 корпуса 1.
В передней стенке 4 корпуса 1 под углом α, равным 45° по отношению к оси 5 фронтового устройства выполнены отверстия 6 вокруг распылителя 7 топливной форсунки.
Поверхность 8, образованная выходными кромками закручивающих элементов 3 завихрителя 2, выполнена конической, с углом наклона β образующей к оси 5 фронтового устройства равным 45°.
То есть α=β=45° и тем самым оси 9 отверстий 6 и коническая поверхность 8 взаимно перпендикулярны.
Оси 9 отверстий 6 от поверхности распылителя 7 топливной форсунки расположены на расстоянии А. При этом расстояние А должно быть от 0,5 до 2 диаметров d отверстий 6: А=(0.5÷2)d, для того чтобы обеспечить создания воздушной пелены непосредственно у поверхности распылителя.
отв.
з.э.
отв.
з.э.
Площадь отверстий 6 S в передней стенке 4 составляет 0,15-0,25 от площади закручивающих элементов 3 S:S=(0.15÷0.25)·S. Такая площадь необходима для создания увеличенного расхода воздуха попадающего в центральную часть зоны обратных токов у оси 5 фронтового устройства и снижения эффекта перенасыщения топливом этой зоны, тем самым снижая уровень окиси углерода СО в выхлопных газах.
Фронтовое устройство камеры сгорания работает следующим образом.
Воздух, попадающий в полость фронтового устройства через закручивающие элементы 3, создает закрученный поток. В закрученный поток воздуха попадает топливо, вытекающее из распылителя 7 топливной форсунки, и далее топливовоздушная смесь попадает в полость жаровой трубы 10, где происходит сгорание топлива. Закрученный поток воздуха формирует зону обратных токов с обратным течением продуктов сгорания и несгоревшего топлива вдоль оси 5 фронтового устройства.
Через отверстия 6, выполненные в передней стенке 4 под углом α=45° к оси 5 фронтового устройства, воздух подается в центральную часть полости фронтового устройства.
Оси 9 отверстий 6 и коническая поверхность 8, образованная выходными кромками закручивающих элементов 3 завихрителя 2, взаимно перпендикулярны, так как углы α=β=45°. Вследствие этого, вблизи распылителя 7 воздух из отверстий 6 беспрепятственно обтекает распылитель 7, не пересекаясь с потоком воздуха из завихрителя 2. Поток из отверстий 6 препятствует отложению нагара на распылителе 7 и проходит в центральную полость фронтового устройства.
Таким образом, весь воздух из отверстий 6 направляется в центральную полость фронтового устройства. В этой зоне смесь с повышенным содержанием несгоревшего топлива разбавляется воздухом, что способствует более полному ее сгоранию и уменьшению нагаро- и коксообразования.
Расположение отверстий 6 в передней стенке 4 от распылителя 7 топливной форсунки на расстоянии А=(0.5÷2)d позволит создать пелену воздуха в непосредственной близости от распылителя 7 топливной форсунки. Тем самым это препятствует контакту топливовоздушной смеси из центральной части зоны обратных токов с поверхностью распылителя 7 и, соответственно, препятствует оседанию несгоревшего топлива на распылитель 7. Таким образом устраняются условия для нагаро- и коксообразования на поверхности распылителя 7 топливной форсунки. Увеличение расстояния А более двух диаметров отверстий 6 уменьшает эффект сдувания топлива с поверхности распылителя и поэтому нецелесообразно.
отв.
з.э.
Площадь отверстий 6 в передней стенке 4 составляет S=(0.15÷0.25)·S от площади закручивающих элементов 3 завихрителя 2. Уменьшение площади отверстий 6 менее 0,15 от площади закручивающих элементов 3 снижает расход воздуха направленный к оси 5 фронтового устройства, что снижает эффект устранения нагаро- и коксообразования на поверхности распылителя 7 топливной форсунки. Увеличение площади отверстий 6 более 0,25 от площади закручивающих элементов 3 увеличивает долю расхода воздуха через отверстия 6, и, соответственно, уменьшает долю расхода воздуха через завихритель 2.
Это снижает расход воздуха в закрученном потоке на выходе из фронтового устройства и в периферийной части зоны обратных токов в жаровой трубе 10, что уменьшит объем зоны обратных токов, уменьшит местный коэффициент избытка воздуха и отрицательно скажется на процессе выгорания топлива.