ФОРСУНКА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК, РАСПЫЛИВАЮЩАЯ ВЫСОКОВЯЗКОЕ ТОПЛИВО

Полезная модель относится к топливоподающим системам энергетических установок, точнее - касается форсунки для газотурбинных двигателей и установок, распыливающей высоковязкое топливо.
Полезная модель может быть использована в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ) с низконапорными системами подачи топлива.
Известна форсунка для распыливания дизельного топлива, в частности для большого двухтактного дизельного двигателя, содержащая наружный корпус, сквозной топливный канал, входящий в сопло, клапан с ползунком, который подвергается воздействию в направлении к седлу клапана предварительно нагруженной пружины сжатия, а в противоположном направлении посредством давления топлива в топливном канале. (патент РФ №2126095, опубл. 1999 г.). Работающая на сжатие пружина действует на продольно перемещаемый ползунок клапана в направлении его закрытия. Первый поршень, находящийся с одного конца пружины сжатия, совместно с неподвижным компонентом определяет границы первой камеры давления, которая сообщается с каналом для прохода топлива посредством другого канала. Границы второй камеры давления определяются первым поршнем и вторым поршнем. Когда первый поршень под давлением топлива в первой камере перемещается из крайнего положения при минимальном объеме в камере, открывается сечение соединение для прохождения потока между двумя камерами, при этом во второй камере создается давление. Создание давления в камерах приводит к автоматическому нагружению пружины сжатия. Когда форсунка находится в закрытом положении, топливо, заключенное во второй камере, удерживает пружину сжатия в нагруженном состоянии. Форсунка позволяет создать увеличенное давление открытия при повышенных нагрузках двигателя. Однако данное изобретение не позволяет осуществлять мелкодисперсное распыливание.
Известно устройство топливной форсунки для горелки на жидком топливе, которая предназначена для газовой турбины, которая должна регулироваться от холостого хода до режима максимальной мощности, (патент РФ №2160413, опубл. 2000 г.). Устройство имеет главную ось, впускную область и примыкающую к ней область обратного потока. Впускная область расположена вдоль главной оси между топливной форсункой и областью обратного потока. Область обратного потока имеет кольцевой зазор, который сужается вниз по течению и который создается центрально расположенным сердечником.
Топливо поступает во впускную область через впускной канал в тангенциальном направлении, за счет чего во впускной области образуется вихревое течение. Часть этого течения направляется в область обратного потока. Другая часть в форме вихря вытекает из топливной форсунки в камеру сгорания. За счет регулировочного клапана поперечное сечение обратного потока является переменным. Топливо вводится во впускную область при постоянном массовом потоке, и за счет установки регулировочным клапаном переменного поперечного сечения линии обратного потока автоматически происходит регулирование вводимого через топливную форсунку количества топлива. Соотношение количества топлива, направляемого через линию обратного потока к количеству топлива, поступающего в топливную форсунку составляет 1:30. Данная форсунка не позволяет осуществить мелкодисперсное распыление и не пригодна для высоконагруженных двигателей.
Наиболее близким техническим решением является центробежная форсунка для распыливания вязких горючих жидкостей в камерах сгорания.(патент РФ №2242675, опубл. 2004 г.). Центробежная форсунка содержит корпус с соплом и камеру закручивания. К камере закручивания с противоположной стороны присоединена отводная труба. Форсунка дополнительно содержит трубу подачи жидкого топлива с соплом, выполняющим роль струйного насоса. Данное техническое решение может быть использовано для распыливания горючих жидкостей в топках котлов. Оно не позволяет осуществлять мелкодисперсное распыливание требуемое для двигателей летательных аппаратов.
6
6
3
Камеры сгорания ГТД и ГТУ работают в широком диапазоне изменения расхода топлива. Мелкодисперсность и равномерность распределения капель топлива в факеле распыла оказывают существенное влияние на дымление и равномерность поля температур в выходном сечении камеры сгорания, а также на зону устойчивой работы камеры сгорания. Так, например, у газотурбинного двигателя при переходе на номинальный режим с режима запуска расход топлива может уменьшается в 20-30 раз. В простой центробежной форсунке расход топлива приблизительно равен корню квадратному из перепада давления на форсунке, поэтому для увеличения расхода топлива в 30 раз требуется увеличить перепад давления в 900 раз. Применяемые в настоящее время топливные насосы обеспечивают максимальное давление перед форсунками примерно равное (7,5-8)10 Па. Это давление не может быть существенно повышено без усложнения и утяжеления топливной аппаратуры при уменьшении ее надежности. Если - максимальное давление подачи составляет (7,5-8)10 Па, то для уменьшения расхода в 30 раз необходимо снизить давление до (8-9)10 Па. Но при столь низком давлении топливная струя, вытекающая из форсунки, практически уже не распадается на капли, а образует пузырь, т.е. невозможно получить требуемый мелкодисперсный распыл, что приведет к увеличению склонности топливно-воздушного факела к пульсациям, и в свою очередь ведет к уменьшению зоны устойчивой работы камеры сгорания, и снижению полноты сгорания топлива.
В основу технической задачи положена задача создания форсунки для газотурбинных двигателей и установок, распыливающей высоковязкое топливо низконапорными системами подачи топлива с сохранением требуемой мелкодисперсности распыла, при этом расход топлива может регулироваться от холостого хода до режима максимальной мощности.
Техническим результатом является распыливание высоковязкого топлива низконапорными системами подачи топлива с сохранением требуемой мелкодисперсности распыла, при регулировании расхода топлива от холостого хода до режима максимальной мощности.
Поставленная задача решается тем, что форсунка для газотурбинных двигателей и установок, распыливающая высоковязкое топливо низконапорными системами подачи топлива, содержит корпус, установленные в нем камеру закручивания с соплом, топливную иглу, входящую в сопло, область подвода топлива в камеру закручивания, включающую расположенные вдоль корпуса канал для подвода топлива, связанный с магистралью подвода топлива, и коллектор, соединенные сквозными отверстиями, и шнек для завихрения подводимого топлива, установленный на выходе коллектора в камеру закручивания, дополнительно снабжена каналом перепуска топлива из камеры закручивания в сливную магистраль, пружиной, подвижным поршнем, установленным на конце пружины, обращенным к соплу, причем подпоршневая полость связана с магистралями подвода и слива топлива с образованием в ней при перемещении поршня топливного гидроцилиндра переменного объема перемещающим пружину с топливной иглой.
В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и чертежом конструкции форсунки.
Форсунка для газотурбинных двигателей и установок, распыливающая высоковязкое топливо низконапорными системами подачи топлива, согласно полезной модели, содержит корпус 1, установленную в нем камеру закручивания 2 с соплом 3, топливную иглу 4, входящую в сопло 3, область подвода топлива в камеру закручивания, включающую канал 5 для подвода топлива, коллектор 7, расположенные вдоль корпуса 1 и соединенные сквозными отверстиями 6, и шнек 10, для завихрения подводимого топлива, установленный на выходе коллектора 7 в камеру закручивания 2. Канал 5 связан с магистралью подвода топлива 8.
Форсунка содержит также канал 11 перепуска топлива (отвода) из камеры закручивания 2 в сливную магистраль 9, перепускные отверстия 12, размещенные в корпусе 1 на выходе канала перепуска топлива. Регулировку отвода топлива из канала 11 с возможностью его полного закрытия при максимальной подаче топлива осуществляют системой регулирования, расположенной вне устройства (на чертеже не показана).
Топливная игла 4 подпружинена. Пружина 13 снабжена подвижным поршнем 16, установленным на ее конце, обращенным к соплу 3, а противоположным концом пружина 13 контактирует с втулкой 17 неподвижно установленной в корпусе 1. Подпоршневая полость 14 связана с магистралью 15 подвода топлива с образованием в подпоршневой области топливного гидроцилиндра переменного объема при перемещении поршня, и через который пружина 13 связана с топливной иглой 4.
Совместно с втулкой 17, неподвижно установленной в корпусе, поршнем 16 топливная игла 4 определяет границы подпоршневой полости 14.
Форсунка работает следующим образом.
При включении подачи топлива, оно подается из магистрали подвода топлива одновременно в область подвода топлива в канал 5 через штуцер 8 и под поршень 16 через штуцер 15 насосом на максимальной производительности при любых режимах подачи топлива. Во время раскрутки топливного насоса происходит заполнение канала 5 и коллектора 7, игла остается в положении, запирающем сопло.
При достижении заданного перепада давления топлива перемещается поршень 16 с увеличением объема гидроцилиндра и поджатием пружины 13, направленными на отжатие иглы 4 от сопла 3, и игла 4 переходит в положение открывающее сопло. Открытие сопла 3 происходит при заданном перепаде давления, при котором топливная пленка, вытекающая из форсунки, распадается на капли, позволяя получить требуемый мелкодисперсный распыл.
Топливо через шнек 10 поступает в камеру 2, где образуется вихревое течение. Часть этого течения по каналу 11 перепускается в сливную магистраль через штуцер 9. Другая часть, получив суммарный импульс закрученного топливного потока, устремляется в сопло 3. Сохранение такого суммарного импульса топливом до прохождения им сопла обеспечивает на выходе из последнего закрутку конусной пленки топлива и хорошую мелкость распыливания на различных режимах работы, в том числе при запуске.
Полезная модель позволяет получать заданное давление открытия иглы при пониженных нагрузках двигателя.
С ростом нагрузки перепускной клапан 12 перекрывает канал 11 перепуска топлива до полного закрытия на максимальном режиме и все топливо устремляется в сопло.
После отключения топливоподачи топливная игла 4 вновь запирает сопло 3, исключая самопроизвольное подтекание топлива.
При запуске камеры топливная игла позволяет сразу получить стабильный факел распыливания без постепенного его раскрытия и выливания топлива на стенки камеры. При отключении камеры топливная игла также позволяет резко прервать подачу топлива и избежать его попадания на горячие стенки камеры и как следствие образование нагара.