Форсунка газовая двухконтурная для газотурбинных двигателей

x
Полезная модель относится к области газотурбинных двигателей, в частности к конструкциям трубчатых камер сгорания для газотурбинных приводов, в которых реализован принцип малоэмиссионного горения, характеризующийся низким содержанием оксидов азота (NO), углерода (CO) и несгоревшего топлива (дымности) (C) в выхлопных газах.
Жесткость международных норм на уровне вредных выбросов в атмосферу требует комплексного решения вопросов экологического усовершенствования газотурбинных двигателей и энергетических установок на их основе, что приводит к созданию малоэмиссионных камер сгорания и их элементов. Один из основных принципов организации малоэмиссионного процесса горения - это предварительная подготовка топливовоздушной смеси до ее поступления в зону горения, то есть гомогенизация смеси. В этом случае обеспечивается равномерная концентрация топливного газа по всему объему потока. Однако такие смеси бывают склонны к неустойчивому горению, то есть к срыву пламени. Для стабилизации процесса горения гомогенизированной смеси в центре зоны ее горения создается высокотемпературное диффузионное пламя путем ввода газовых струй непосредственно в зону горения.
Известна форсунка двухконтурная для газотурбинных двигателей (Патент РФ на полезную модель №94665, МПК F23R 3/14, F23R 3/20, дата приоритета 28.12.2009 г.), которая является наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемой полезной модели и выбрана в качестве прототипа. Топливная форсунка имеет расположенные соосно основной и вспомогательный контуры.
Между контурами установлен завихритель воздуха с полыми лопатками, куда поступает топливный газ основного контура, который впрыскивается в воздушный поток через отверстия на входных кромках лопаток завихрителя. Таким образом, смешение газа с воздухом происходит в межлопаточном канале завихрителя и за лопатками завихрителя. При этом газ, попадающий на поверхность лопаток, «замораживается » в пограничном слое и стекает по лопаткам в виде плоских струй, что затрудняет смешивание топливного газа с воздухом. Смешивание с воздухом и сгорание топливного газа вспомогательного контура в данной форсунке происходит в изолированном от основного контура объеме, что не оптимально с точки зрения стабилизации процесса сгорания гомогенизированной смеси основного контура. Эти конструктивные решения являются недостатками прототипа.
В основу полезной модели поставлена задача - улучшение процесса смесеобразования и гомогенизации смеси в основном контуре для создания условий устойчивой работы форсунки. Поставленная задача решается тем, что в форсунке газовой двухконтурной для газотурбинных двигателей, имеющей основной и вспомогательный контуры, содержащей корпус с расположенными в нем штуцерами и каналами, подводящими топливный газ к контурам и фронтальной стенке, наружную и внутреннюю оболочки, образующие основной контур, на внешней поверхности внутренней оболочки расположен аксиальный завихритель для топливовоздушной смеси основного контура, вспомогательный контур снабжен струйным распылителем топливного газа в зону горения, в соответствии с полезной моделью, основной контур дополнительно снабжен тангенциальным завихрителем для воздуха, расположенным на наружной оболочке, которая выполнена на с радиусными отверстиями перед тангенциальным завихрителем для воздуха, а на выходе имеет конический участок, который вместе с внутренней оболочкой основного контура образуют конфузорный канал, при этом аксиальный завихритель для топливовоздушной смеси размещен между тангенциальным завихрителем для воздуха и конфузорным каналом.
Штуцера подвода топливного газа на корпусе форсунки могут быть выполнены со сменными жиклерами для регулирования расхода газа.
Суть технического решения заключается в том, что форсунка газовая двухконтурная компонуется по принципу коаксильно расположенных относительно оси форсунки контуров в последовательности:
вокруг оси - воздушный, для подвода воздуха к неперфорированной торцевой стенке с целью ее охлаждения и удаления нагара;
вокруг него - вспомогательный контур с отверстиями подвода газа к коллекторной полости, из которой газ через наклонные отверстия, расположенные на конической оболочке, подается множеством струй в зону горения, перемешиваясь с воздухом, поступающим через перфорацию торцевой стенки;
вокруг вспомогательного контура - основной конутр, в котором непосредственно расположены: на торцевой стенке - отверстия ввода газа вдоль оси форсунки, на цилиндрической стенке - отверстия ввода воздуха радиальными струями и тангенциальные пазы, обеспечивающие ввод закрученного потока воздуха для интенсификации процесса перемешивания топливовоздушной смеси, участок с коаксильным завихрителем, обеспечивающий дальнейшее перемешивание газовоздушной смеси и его закрутка в выходной конфузор, из которого в зону горения жаровой трубы поступает идеально перемешенная и закрученная топливовоздушная смесь во всем диапазоне рабочих режимов, что обеспечивается присутствием диффузионного пламени вспомогательного контура.
На эскизе изображен продольный разрез форсунки газовой двухконтурной для газотурбинного двигателя, конструкция которой состоит из следующих элементов:
корпус (1) форсунки;
штуцер (2) подвода газа к основному контуру;
штуцер (3) подвода газа к вспомогательному контуру;
наружная оболочка (4) основного контура;
внутренняя оболочка (5) основного контура;
фронтальный насадок (6) с перфорацией;
каналы (а) подвода топливного газа к основному контуру;
наружная оболочка с радиальными отверстиями (б);
тангенциальный завихритель воздуха (в);
аксиальный завихритель воздуха (г);
радиальные отверстия (д) впрыска газа в зону горения;
конфузорный канал (е);
монтажный фланец (ж);
опорное кольцо (7).
Корпус (1) форсунки включает в себя монтажный фланец (ж) с отверстиями (каналами) (а) подвода топливного газа к основному контуру и отверстиями (б) подвода топливного воздуха в основной контур, посадочные места под установку штуцера (2) подвода газа к основному контуру, штуцера (3) подвода газа к вспомогательному контуру, наружной (4) и внутренней (5) оболочек основного контура, фронтальный насадок (6). Наружная оболочка (4) основного контура кольцевым сварным швом крепится к корпусу (1) форсунки и имеет на цилиндрическом участке радиальные отверстия (б) и тангенциальные пазы, образующие тангенциальный завихритель воздуха (в) для подвода воздуха в основной контур.
На наружной поверхности оболочки (4) основного контура установлено опорное кольцо (7) с коническим экраном. Конический участок оболочки вместе с внутренней оболочкой основного контура образуют конфузорный канал (е).
Внутренняя оболочка (5) основного контура торцевой поверхностью приваривается к корпусу (1) форсунки, а цилиндрическим участком устанавливается на прессовой насадке на цилиндрический участок фронтового насадка (6).
На наружной поверхности оболочки основного контура перед выходным коническим участком расположены лопатки аксиального завихрителя воздуха (г), а на конической поверхности, примыкающей к торцевой поверхности, выполнены радиальные отверстия (д) впрыска топливного газа в зону горения.
Фронтальный насадок (6) расположен на выходном участке центрального воздушного канала и образует полость, из которой воздух через отверстия на торцевой стенке поступает на охлаждение его торцевой поверхности.
Работа форсунки газовой двухконтурной в составе камеры сгорания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом. Монтажным фланцем форсунка крепится к корпусу камеры сгорания, а опорным кольцом телескопически входит в посадочное отверстие во фронтальном устройстве жаровой трубы. Таким образом, вокруг наружного кольца располагается объем воздуха за компрессором, а через выходное сечение конфузорного канала выходит в объем жаровой трубы.
При запуске камеры сгорания газ подается в вспомогательный контур. После воспламенения топливовоздушной смеси вспомогательного контура при раскрутке ротора двигателя в работу вступает основной контур и далее на всех режимах совместно работают два контура. При этом в основном контуре реализуется принцип предварительного смесеобразования с ее гомогенизацией, а вспомогательный контур реализует принцип диффузного горения, чем обеспечивается устойчивая работа камеры сгорания на всех режимах с высокой полнотой сгорания и низкой эмиссией вредных веществ, поскольку доля диффузионно сгорающего топлива составляет 5-10% от топлива, поступающего в зону горения в гомогенизированном виде.