ФОРСУНКА ДВУХТОПЛИВНАЯ "ГАЗ ПЛЮС ЖИДКОЕ ТОПЛИВО"
DOUBLE FUEL ATOMISER "GAS PLUS FUEL OIL"

Изобретение относится к устройствам с непосредственным впрыскиванием жидкого углеводородного топлива нормальной или повышенной вязкости в капельном состоянии или газообразного углеводородного топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) и подготовкой топливовоздушной смеси для сжигания в зоне горения с помощью воздуха. Форсунка может быть использована в газотурбинных приводах (ГТП), работающих на жидком и газообразном углеводородном топливе.
Актуальной задачей является создание камер сгорания наземных газотурбинных установок (ГТУ), которые могут работать попеременно на жидком и газообразном углеводородном топливе. Это связано с дефицитом в поставках газообразного топлива и с необходимостью работы двигателя в определенные периоды времени на жидком углеводородном топливе повышенной вязкости.
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 горелка по патенту РФ на изобретение №2039320, F23D 17/00, опубл. 10.05.1997. Горелка выполнена с концентрично расположенными кольцевыми каналами для подвода различных рабочих сред (B, C, E, F) и внешней конически сужающейся системой кольцевых каналов для подвода воздуха, причем предусмотрено множество выпускных форсунок для подмешивания тонко распределенной газообразной среды B или жидкой среды C к воздушному потоку A, протекающему в системе кольцевых каналов для подвода воздуха. Со стороны притока выше выпускных форсунок в систему кольцевых каналов для подвода воздуха впадает дополнительный кольцевой канал.
К недостаткам горелки можно отнести то, что отсутствует центральный воздушный канал, который обеспечивает лучшее перемешивание жидкого топлива с воздухом и соответственно улучшает полноту сгорания. Кроме того, отсутствует центробежный конус в канале жидкого топлива, обеспечивающий качественный распыл жидкого топлива. Исходя из приблизительных оценок проходных сечений, габариты данной горелки очень большие, что не позволяет использовать ее в ГТП на базе авиационного двигателя.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков известным устройством является 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.
Задачей изобретения является усовершенствование форсунки, работающей на двух видах топлива (газообразное и жидкое). Техническим результатом является обеспечение эффективности ее работы за счет улучшения смешения топлива (как жидкого, так и газообразного) с воздухом и увеличения угла распыла топливовоздушной смеси (при работе на жидком топливе), что, в свою очередь, способствует полноте сгорания и стабилизации факела горения на всех режимах работы ГТП. Дополнительным техническим результатом является компактность конструкции, что позволяет использовать данную форсунку в ГТП на базе авиационных двигателей с минимальным количеством доработок и без увеличения габаритов привода.
Поставленная задача решается тем, что в двухтопливной форсунке, содержащей корпус с каналами подвода жидкого и газообразного топлива, газораздающий насадок с газораздающими отверстиями, завихритель воздушного потока, сопловое отверстие, согласно изобретению форсунка дополнительно снабжена центральным каналом подачи воздуха, который выполнен по оси корпуса форсунки концентрично каналам подачи топлива, а канал подвода жидкого топлива дополнительно снабжен распылителем 4, который связан с центральным каналом подачи воздуха и выполнен с возможностью центробежной закрутки топлива. Центральный канал подачи воздуха конструктивно может быть выполнен в виде втулки 3 с внешними продольными пазами, а распылитель 4 - в виде втулки со сквозными тангенциальными пазами. Внешние продольные пазы втулки 3 и сквозные тангенциальные пазы распылителя 4 выполняют функцию подачи и предварительного смешивания жидкого топлива и воздуха, поступающего через центральный канал корпуса форсунки (внутреннюю полость втулки 3).
Газораздающий насадок, завихритель и сопловое отверстие в заявленной форсунке выполнены в виде кожуха 2, при этом в качестве завихрителя используются выполненные в теле кожуха косые пазы 7, создающие зону завихрения воздушного потока в сопловой части полости кожуха. В центральной части кожух 2 содержит канал с диффузором. Центральный канал кожуха выполнен с возможностью направлять смесь жидкого топлива с воздухом после центрального канала с распылителем 4 в упомянутую зону завихрения, при этом подготовленная топливовоздушная смесь при работе на жидком топливе дополнительно смешивается с воздухом в зоне завихрения, что обеспечивает равномерное перемешивание топливовоздушной смеси, а диффузор центрального канала обеспечивает оптимальный угол распыла топливовоздушной смеси. Описанные конструктивные элементы форсунки позволяют увеличить полноту сгорания топлива, а также добиться стабилизации факела на всех режимах работы ГТП на жидком топливе.
В свою очередь часть газораздающих отверстий 8 выполнена с возможностью подавать газообразное топливо в зону смешения для перемешивания с воздухом и расположена параллельно центральной оси форсунки, а другая часть газораздающих отверстий 9 выполнена с возможностью подавать газообразное топливо в зону горения, минуя зону завихрения и сопловое отверстие, и расположена под углом к оси форсунки. Это обеспечивает максимальную устойчивость горения на всех режимах работы ГТП на газообразном топливе.
Дополнительно в сопловой части кожуха выполнены отверстия для выхода топливовоздушной смеси и отверстия для обдувания сопла с направляющим буртом для предотвращения нагароотложения на наружном конусе завихрителя.
Интеграция завихрителя в кожух форсунки позволила получить минимальные габариты форсунки, благодаря чему обеспечивается дополнительный технический результат и возможность устанавливать данную форсунку на ГТП на базе авиационных двигателей с минимальным количеством доработок, при этом габариты ГТП, в целом, и камеры сгорания, в частности, остаются неизменными.
Ниже приводится описание заявляемого устройства со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором изображен общий вид форсунки двухтопливной.
Форсунка включает следующие конструктивные элементы: корпус 1, кожух 2, втулка 3, распылитель 4, кольцо уплотнительное 5, шайба 6. Корпус 1 форсунки выполнен в виде отливки из титанового сплава. Корпус 1 имеет два канала для подачи соответственно жидкого и газообразного топлива. В корпус 1 вварена втулка 3. На внешней поверхности втулка 3 имеет четыре паза для подачи и распределения жидкого топлива, а внутренняя полость втулки служит центральным воздушным каналом. К втулке примыкает распылитель 4, который имеет четыре сквозных тангенциальных паза. На корпус 1 установлен кожух 2. Для уплотнения и герметизации в месте соединения распылителя 4 и центрального канала кожуха 2 установлены никелевое уплотнительное кольцо 5 и шайба 6. Кожух 2 выполнен из двух сварных деталей - самого кожуха и сопла. На кожухе имеются десять косых пазов 7 для подачи воздуха и десять отверстий 8 для подачи газа, которые параллельны оси форсунки. Также для подачи газа в кожухе выполнены двадцать отверстий 9 под углом к оси форсунки. На конусе сопла имеется ряд отверстий 10 для улучшения распыления топливовоздушной смеси. В качестве антинагарных мероприятий на конусе имеется ряд отверстий 11 и направляющий бурт.
Форсунка двухтопливная «газ плюс жидкое топливо» устанавливается в камеру сгорания ГТП в количестве 24 штук и закрепляется на корпусе камеры сгорания через фланцы корпуса форсунки.
Работает форсунка следующим образом.
Топливо к форсунке подводится от двух топливных коллекторов, закрепленных на переднем фланце камеры сгорания. По одному из коллекторов подается жидкое топливо, по другому коллектору - газообразное топливо. Для подсоединения трубок подвода топлива форсунки имеют штуцеры. В штуцер подвода жидкого топлива вмонтирован фильтр резьбовой, предназначенный для дополнительной фильтрации жидкого топлива.
При работе ГТД на жидком топливе - авиационном керосине или дизельном топливе топливо поступает в форсунку по каналу жидкого топлива и попадает в кольцевую камеру 12 в корпусе форсунки. Проходя через четыре паза во втулке 3, топливо далее направляется в четыре тангенциальных паза распылителя 4. Проходя через тангенциальные пазы в центральный канал, топливо закручивается и смешивается с воздухом, поступающим по внутренней полости втулки 3, и под действием центробежных сил, возникающих в результате закрутки, распыливается при выходе из соплового отверстия кожуха 2, одновременно смешиваясь с воздухом, поступающим через десять косых пазов 7, выполненных в кожухе. Герметичность канала жидкого топлива и канала газообразного топлива достигается путем смятия кольца уплотнительного 5 через шайбу 6, которые установлены между распылителем 4 и кожухом 2.
При работе на газообразном топливе топливо поступает в форсунку по каналу газообразного топлива в кольцевую камеру 13 в корпусе форсунки. Газ поступает в десять отверстий 8 в кожухе, которые выполнены параллельно оси форсунки, и перемешивается с воздухом, поступающим через десять косых пазов 7 в кожухе, тангенциально закручиваясь и образовывая топливовоздушную смесь. Часть топливовоздушной смеси попадает в зону горения через ряд из тридцати отверстий 10 на конце конуса сопла кожуха 2. Также газ поступает в зону горения через двадцать отверстий 9 в кожухе 2, расположенных под углом к оси форсунки. Часть воздуха поступает в двадцать отверстий 11 и направляется посредством бурта вдоль наружной стенки конуса, обеспечивая обдув конуса распылителя и сдувая нагар.
Изобретением решается задача использования двух видов топлива - жидкого и газообразного, в частности, при работе ГТП. Переключение с одного вида топлива на другой вид топлива происходит без остановки ГТП. Снижается уровень выбросов вредных веществ в атмосферу. Это достигается улучшенным смешением топлива и воздуха, что, в свою очередь, способствует полноте сгорания и стабилизации факела горения на всех режимах работы ГТП.
При внедрении изобретения достигается возможность применять в качестве топлива авиационный керосин, зимнее и летнее дизельное топливо, природный газ. Изобретение при необходимости позволяет модернизировать имеющиеся ГТП или авиационные двигатели, работающие на газообразном топливе в ГТП с системой «газ плюс жидкое топливо» с минимальным количеством доработок и без изменения габаритных характеристик. Двухтопливная форсунка улучшает эксплуатационные характеристики ГТП.