ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННАЯ ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
HEAT-INSULATED FUEL ATOMISER FOR GAS TURBINE ENGINE

Область техники
Изобретение в целом относится к газотурбинным двигателям, а в частности к теплоизолированной топливной форсунке для камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Предшествующий уровень техники
Газотурбинные двигатели содержат компрессор, камеру сгорания и секции турбины. Топливо, проходящее через ствол топливной форсунки в камеру сгорания, вызывает перепад температур в стволе, что может привести к изгибу ствола.
В патенте США № 6 182 437 Л. Просив раскрывает способ предварительной обработки топливных форсунок с образованием осаждающего вещества, например, кокса, внутри изолирующего воздушного зазора регламентированным и поддающимся оценке способом до установки форсунки в двигатель. Способ предполагает: заполнение кольцевой части зазора подобранной жидкой средой, например, углеводородным топливом; обработку жидкой среды и образование осаждающего вещества, например, кокса, которое остается физически и химически стабильным в пределах рабочей температуры ствола топливной форсунки и допускает относительное, вызванное нагревом, смещение между теплозащитным экраном и топливным каналом.
Изобретение направлено на решение одной или нескольких проблем, обнаруженных автором изобретения или известных в отрасли техники, к которой относится изобретение.
Сущность изобретения
Описывается топливная форсунка для камеры сгорания газотурбинного двигателя. В некоторых вариантах осуществления, топливная форсунка содержит: фланец, выступ для штуцеров, ствол, продольный участок, канал для газообразного топлива, штуцер для газообразного топлива, теплозащитный экран для газообразного топлива и трубчатый узел. Фланец содержит монтажные отверстия. Выступ для штуцеров отходит от фланца. Ствол отходит от фланца в направлении, противоположном направлению выступа для штуцеров. Продольный участок расположен на конце ствола, дальнем по отношению к фланцу. Канал для газообразного топлива проходит через ствол от выступа для штуцеров до продольного участка. Штуцер для газообразного топлива присоединен к выступу для штуцеров в месте расположения канала для газообразного топлива. Теплозащитный экран для газообразного топлива проходит от штуцера для газообразного топлива, по меньшей мере, частично, через канал для газообразного топлива. Теплозащитный экран для газообразного топлива имеет такие размеры, что образуется теплозащитный зазор для газообразного топлива между теплозащитным экраном для газообразного топлива и стволом вдоль канала для газообразного топлива. Трубчатый узел присоединен к продольному участку.
В некоторых вариантах осуществления топливная форсунка содержит: фланец, выступ для штуцеров, ствол, продольный участок, канал для жидкого топлива, заглушку, теплозащитный экран жидкого топлива и трубчатый узел. Фланец содержит монтажные отверстия. Выступ для штуцеров отходит от фланца. Ствол отходит от фланца в направлении, противоположном направлению выступа для штуцеров. Продольный участок расположен на конце ствола, дальнем по отношению к фланцу. Канал для жидкого топлива проходит через ствол от выступа для штуцеров до продольного участка. Заглушка присоединена к выступу для штуцеров в месте расположения канала для жидкого топлива. Теплозащитный экран для жидкого топлива проходит от заглушки в направлении продольного участка внутри канала для жидкого топлива. Теплозащитный экран для жидкого топлива имеет такие размеры, что образуется теплозащитный зазор для жидкого топлива между теплозащитным экраном для жидкого топлива и стволом вдоль канала для жидкого топлива. Трубчатый узел соединен с продольным участком.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен пример газотурбинного двигателя, схематичный вид;
на фиг. 2 – топливная форсунка для камеры сгорания, изображенной на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 3 – часть топливной форсунки, изображенной на фиг. 2, вид в разрезе;
на фиг. 4 – часть топливной форсунки, изображенной на фиг. 3, детальный вид в разрезе.
Варианты осуществления изобретения
Раскрываемые системы и способы включают топливную форсунку с топливным каналом, несимметрично проходящим через ствол топливной форсунки. В вариантах осуществления, теплозащитный экран проходит внутри несимметрично расположенного топливного канала. Теплозащитный экран препятствует теплопередаче между стволом и топливом в топливном канале. Снижение передачи тепла способно предотвратить или уменьшить перепады температур внутри ствола, которые могут привести к изгибу топливной форсунки. Уменьшение теплопередачи также препятствует пиролизу жидкого топлива.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение примерного газотурбинного двигателя 100. Некоторые из поверхностей не показаны или, наоборот, выделены (на этом и на других фигурах) для ясности и простоты объяснения. Кроме того, в описании имеется ссылка на переднее и заднее направление. Как правило, все ссылки на "передний" и "задний" связаны с направлением потока первичного воздуха (т.е. воздуха, который используется в процессе горения), если не указано иное. Например, "передний" понимается как "передний по ходу" по отношению к первичному потоку воздуха, а "задний" понимается как "задний по ходу" по отношению к первичному потоку воздуха.
Кроме того, в описании имеются ссылки на центральную ось 95 вращения газотурбинного двигателя, которая в основном определяется продольной осью вала 120 (поддерживаемого множеством подшипниковых узлов 150). Центральная ось 95 может быть общей или совпадать с другими различными концентрическими узлами двигателя. Все ссылки на радиальные, осевые и окружные направления и размеры приводятся относительно центральной оси 95, если не указано иное, и такие понятия, как "внутренний" и "внешний" в основном указывают на большее или меньшее радиальное расстояние от центральной оси 95, где радиус 96 может быть в любом направлении, перпендикулярном и расходящемся наружу от центральной оси 95.
Газотурбинный двигатель 100 включает в себя впуск 110, вал 120, компрессор 200, камеру 300 сгорания, турбину 400, выпуск 500 и муфту 600 отбора выходной мощности. Газотурбинный двигатель 100 может быть одновальным или двухвальным.
Компрессор 200 включает в себя роторный узел 210 компрессора, неподвижные лопатки 250 компрессора (направляющие лопатки) и входной направляющий аппарат 255. Роторный узел 210 компрессора механически соединен с валом 120. Как показано, роторный узел 210 компрессора представляет собой осевой роторный узел. Роторный узел 210 компрессора включает в себя один или более дисковых узлов 220 компрессора. Каждый дисковый узел 220 компрессора содержит диск ротора компрессора с установленными по окружности лопатками ротора компрессора. Неподвижные лопатки 250 компрессора следуют за каждым дисковым узлом 220 компрессора в осевом направлении. Каждый дисковый узел 220 компрессора спарен с соседними неподвижными лопатками 250 компрессора, которые следуют за дисковым узлом 220 компрессора, и считается ступенью компрессора. Компрессор 200 включает в себя несколько ступеней компрессора. Входной направляющий аппарат 255 расположен вдоль оси, предваряя ступени компрессора.
Камера 300 сгорания включает одну или более камер 305 сгорания, одну или более топливных форсунок 310 и кожух 301 камеры сгорания, расположенный в радиальном направлении наружу от камеры 305 сгорания. Камера 305 сгорания содержит прокладку 306 для каждой топливной форсунки 310. Каждая топливная форсунка 310 соединяется с камерой 305 сгорания через прокладку 306. Каждая топливная форсунка 310 включает в себя: трубчатый узел 330, примыкающий к камере 305 сгорания; фланец 312, примыкающий к кожуху 301 камеры сгорания; выступ 315 для штуцеров, отходящий от фланца 312; и ствол 320, отходящий от фланца 312 в направлении, противоположном направлению выступа 315 для штуцеров, между выступом 315 для штуцеров и трубчатым узлом 330. Трубчатый узел 330 стыкуется с прокладкой 306.
Турбина 400 включает в себя роторный узел 410 турбины и сопла 450 турбины. Роторный узел 410 турбины механически соединен с валом 120. Как показано, роторный узел 410 турбины представляет собой осевой роторный узел. Роторный узел 410 турбины включает в себя один или более дисковых узлов 420 турбины. Каждый дисковый узел 420 турбины включает в себя диск турбины с установленными по окружности лопатками турбины. Сопла 450 турбины установлены перед каждым дисковым узлом 420 турбины. Каждый дисковый узел 420 турбины спарен с соседними соплами 450 турбины, которые установлены перед дисковым узлом 420 турбины и считается ступенью турбины. Турбина 400 включает в себя несколько ступеней.
Выпуск 500 включает в себя выхлопной диффузор 510 и коллектор 520 выхлопных газов. Муфта 600 отбора выходной мощности может быть размещена на конце вала 120. В показанном варианте осуществления, муфта отбора 600 выходной мощности размещена на заднем конце вала 120.
На фиг. 2 представлена топливная форсунка 310 для камеры 300 сгорания, изображенной на фиг. 1, вид в перспективе. Согласно фиг. 2, выступ 315 для штуцеров, фланец 312 и ствол 320 представляют собой цельную деталь. Выступ 315 для штуцеров имеет цилиндрический или призматический профиль, простирающийся от фланца 312. Несколько штуцеров могут быть присоединены к выступу 315 для штуцеров. Линии подачи жидкого топлива, газообразного топлива и воздуха могут быть присоединены к штуцерам для подачи жидкого топлива, газообразного топлива и воздуха в топливную форсунку 310. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, штуцер 316 для жидкого топлива присоединен сбоку к выступу 315 для штуцеров, а штуцер 317 для газообразного топлива присоединен к верхней поверхности выступа 315 для штуцеров. В показанном варианте осуществления штуцеры 318 и 319 также присоединены сбоку к выступу 315 для штуцеров. Штуцеры 318 и 319 могут использоваться для подачи жидкого или газообразного пускового топлива или использоваться для подачи воздуха.
Фланец 312 может иметь круглый или многоугольный профиль. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, фланец 312 имеет прямоугольный профиль. Фланец 312 имеет несколько монтажных отверстий 313. Монтажные отверстия 313 используются для прикрепления топливной форсунки 310 к кожуху 301 камеры сгорания.
На фиг. 3 представлена топливная форсунка 310, изображенная на фиг. 2, вид в разрезе. Согласно фиг. 2 и 3 топливная форсунка 310 включает в себя продольный участок 325. Продольный участок 325 может быть выполнен в форме полого цилиндра и расположен на конце ствола 320, напротив и на удалении от фланца 312. Продольный участок 325 может быть выполнен в виде цельной детали, изготовленной способом машинной обработки или отлитой вместе с выступом 315 для штуцеров, фланцем 312 и стволом 320.
Топливная форсунка 310 включает в себя несколько каналов, проходящих от выступа 315 для штуцеров через ствол 320 к продольному участку 325. Каждый канал изготавливается способом машинной обработки или сверлением через ствол 320 от верхней части выступа 315 для штуцеров до продольного участка 325. Штуцер, например, штуцер 317 для газообразного топлива, или заглушка 323 могут быть размещены или вставлены на конце каждого канала в выступ 315 для штуцеров. Штуцер 317 для газообразного топлива и заглушка 323 могут быть присоединены к выступу 315 для штуцеров сваркой или пайкой твердым припоем. Как показано на фиг. 3, топливная форсунка 310 включает в себя канал 321 для жидкого топлива и канал 322 для газообразного топлива. Канал 321 для жидкого топлива проходит от выступа 315 для штуцеров до продольного участка 325. В показанном варианте осуществления канал 321 для жидкого топлива проходит полностью через выступ 315 для штуцеров, и заглушка 323, вставлена в конец канала 321 для жидкого топлива на выступе 315 для штуцеров. Канал 321 для жидкого топлива имеет форму цилиндра, например, прямого кругового цилиндра.
Канал 322 для газообразного топлива проходит от выступа 315 для штуцеров до продольного участка 325. В показанном варианте осуществления канал 322 для газообразного топлива проходит полностью через выступ 315 для штуцеров, и штуцер 317 для газообразного топлива вставлен в конец канала 322 для газообразного топлива и присоединен к выступу 315 для штуцеров в месте расположения канала 322 для газообразного топлива. Канал 322 для газообразного топлива имеет профиль сегмента горизонтального цилиндра. Кромки между цилиндрической частью и плоской частью, которые составляют сегмент цилиндра, могут закругляться, например, иметь закругленные углы или снятую фаску. Эти каналы используются для подачи жидкого и газообразного пускового топлива или воздуха в трубчатый узел 330.
Топливная форсунка 310 включает в себя сборочный элемент 328. Сборочный элемент 328 представляет собой паз или углубление в стволе 320, имеющем форму полого цилиндра, который способствуют сборке газотурбинного двигателя. Сборочный элемент 328 выступает в канал 322 для газообразного топлива рядом с продольным участком 325.
Топливная форсунка 310 может содержать теплозащитный экран 360 для жидкого топлива и теплозащитный экран 380 для газообразного топлива. Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива проходит внутри канала 321 для жидкого топлива. Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива может проходит от заглушки 323 в направлении продольного участка 325. Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива может иметь форму пустотелого цилиндра. Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива может иметь первый конец 361 теплозащитного экрана для жидкого топлива и второй конец 362 теплозащитного экрана для жидкого топлива. Первый конец 361 теплозащитного экрана для жидкого топлива может быть соединен с заглушкой 323, которая используется для перекрытия канала 321 для жидкого топлива на выступе 315 для штуцеров. Первый конец 361 теплозащитного экрана для жидкого топлива может быть соединен с заглушкой 323 сваркой или пайкой твердым припоем.
Второй конец 362 теплозащитного экрана для жидкого топлива примыкает к продольному участку 325. В некоторых вариантах осуществления второй конец 362 теплозащитного экрана для жидкого топлива припаивается к стволу 320 в области канала 321 для жидкого топлива. В других вариантах осуществления второй конец 362 теплозащитного экрана для жидкого топлива припаивается к продольному участку 325. В еще некоторых вариантах осуществления второй конец 362 теплозащитного экрана для жидкого топлива содержит изоляционную прокладку, проходящую радиально наружу и соприкасающуюся с каналом 321 для жидкого топлива. В вариантах осуществления, в которых первый конец 361 теплозащитного экрана для жидкого топлива и второй конец 362 теплозащитного экрана для жидкого топлива прикреплены или припаяны к другим компонентам, теплозащитный экран 360 для жидкого топлива имеет компенсатор, например, сильфонный компенсатор, допускающий относительное тепловое расширение между теплозащитным экраном 360 для жидкого топлива и стволом 320.
Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива может сообщаться по текучей среде со штуцером 316 для жидкого топлива и трубчатым узлом 330, так что жидкое топливо проходит через теплозащитный экран 360 для жидкого топлива при движении от штуцера 316 для жидкого топлива к продольному каналу 337 для жидкого топлива в трубчатом узле 330.
Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива может иметь такие размеры, что образуется теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива между теплозащитным экраном 360 для жидкого топлива и стволом 320 вдоль канала 321 для жидкого топлива. В показанном варианте осуществления теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива имеет кольцевую форму, например форму полого цилиндра. В других вариантах осуществления, теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива может иметь другие формы, обусловленные конструкцией топливной форсунки 310. Теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива может не иметь сообщения по текучей среде с теплозащитным экраном 360 для жидкого топлива, продольным каналом 337 для жидкого топлива и штуцером 316 для жидкого топлива.
Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива проходит внутри канала 322 для газообразного топлива. Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива может проходить от штуцера 317 для газообразного топлива в направлении продольного участка 325. Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива имеет профиль сегмента полого горизонтального цилиндра. Кромки сегмента полого горизонтального цилиндра закруглены. Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива имеет первый конец 381 теплозащитного экрана для газообразного топлива и второй конец 382 теплозащитного экрана для газообразного топлива. Первый конец 381 теплозащитного экрана для газообразного топлива может быть соединен со штуцером 317 для газообразного топлива сваркой или пайкой твердым припоем. Второй конец 382 теплозащитного экрана для газообразного топлива находится на удалении от штуцера 317 для газообразного топлива и может быть расположен в канале 322 для газообразного топлива. В вариантах осуществления второй конец 382 теплозащитного экрана для газообразного топлива располагается рядом с продольным участком 325. В показанном варианте осуществления второй конец 382 теплозащитного экрана для газообразного топлива примыкает к сборочному элементу 328. В некоторых вариантах осуществления второй конец 382 теплозащитного экрана для газообразного топлива припаивается к стволу 320 в области канала 322 для газообразного топлива. В других вариантах осуществления, второй торец 382 теплозащитного экрана газообразного топлива содержит изоляционную прокладку, простирающуюся радиально наружу и соприкасающуюся с каналом 322 газообразного топлива. В вариантах осуществления, в которых первый торец 381 теплозащитного экрана газообразного топлива и второй торец 382 теплозащитного экрана газообразного топлива прикреплены или припаяны к другим компонентам, теплозащитный экран 380 газообразного топлива имеет компенсатор, например, сильфонный компенсатор, допускающий относительное тепловое расширение между теплозащитным экраном 380 для газообразного топлива и стволом 320.
Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива может сообщаться по текучей среде со штуцером 317 для газообразного топлива и трубчатым узлом 330, так что газообразное топливо проходит через теплозащитный экран 380 для газообразного топлива при движении от штуцера 317 для газообразного топлива к продольному каналу 327 для газообразного топлива в трубчатом узле 330.
Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива может иметь такие размеры, что образуется теплозащитный зазор 389 для газообразного топлива между теплозащитным экраном 380 для газообразного топлива и стволом 320 вдоль канала 322 для газообразного топлива. Теплозащитный зазор 389 для газообразного топлива имеет профиль сегмента полого горизонтального цилиндра. Теплозащитный зазор 389 для газообразного топлива может не иметь сообщения по текучей среде с теплозащитным экраном 380 для газообразного топлива, продольным каналом 327 для газообразного топлива и штуцером 317 для газообразного топлива.
Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива проходит, по меньшей мере, частично, через канал 322 для газообразного топлива. В некоторых вариантах осуществления длина теплозащитного экрана 380 для газообразного топлива составляет от 60 до 100 процентов от длины канала 322 для газообразного топлива. В других вариантах осуществления длина теплозащитного экрана 380 для газообразного топлива составляет от 65 до 85 процентов от длины канала 322 для газообразного топлива. В еще некоторых вариантах осуществления длина теплозащитного экрана 380 газообразного топлива составляет от 70 до 80 процентов длины канала 322 газообразного топлива. В еще некоторых дополнительных вариантах осуществления длина теплозащитного экрана 380 для газообразного топлива составляет от 75 до 78 процентов от длины канала 322 для газообразного топлива.
Топливная форсунка 310 также может включать в себя теплозащитный экран 324 ствола. Теплозащитный экран 324 ствола может быть выполнен в форме полого цилиндра и может включать в себя опорный фланец 329 теплозащитного экрана ствола, проходящий радиально внутрь от полой цилиндрической формы на каждом конце теплозащитного экрана 324 ствола, рядом с фланцем 312 и продольным участком 325. Опорные фланцы 329 теплозащитного экрана ствола могут действовать как изоляционная прокладка или проставка, образующая изолирующий зазор 339, кольцевое пространство между стволом 320 и теплозащитным экраном 324 ствола.
Согласно фиг. 3, трубчатый узел 330 и продольный участок 325 могут иметь общую ось 331. Все ссылки на радиальные, осевые направления, направления по окружности и размеры, относящиеся к трубчатому узлу 330 и продольному участку 325 со ссылкой на ось 331 и понятия "внутренний" и "внешний" обычно указывают на меньшее или большее расстояние по радиусу от оси 331. Продольный участок 325 может вращаться вокруг оси 331.
Трубчатый узел 330 содержит: завихряющий узел 350, внутреннюю трубку 340 для газообразного топлива, трубку 370 для жидкого топлива, впускной завихритель 379 и теплозащитный экран 390. Завихряющий узел 350 представляет собой цельную деталь или выполняется из одной или нескольких частей, соединенных друг с другом пайкой твердым припоем или сваркой. Завихряющий узел 350 содержит внешнюю трубку 351 для газообразного топлива и выпускной завихритель 355. Внешняя трубка 351 для газообразного топлива проходит от продольного участка 325. Внешняя трубка 351 для газообразного топлива и продольный участок 325 спаиваются твердым припоем или свариваются. Внешняя трубка 351 для газообразного топлива включает в себя сужающийся участок 352, цилиндрический участок 353 и распылительную головку 354. Сужающийся участок 352 проходит в осевом направлении от продольного участка 325.
Сужающийся участок 352 сужается от большего диаметра до меньшего диаметра, примыкая к цилиндрическому участку 353. Сужающийся участок 352 представлять собой воронку или усеченный полый конус. Меньший диаметр сужающегося участка 352 соответствует диаметру цилиндрического участка 353. Трубчатый узел 330 соединен со стволом 320 на продольном участке 325 сваркой или пайкой твердым припоем. В некоторых вариантах осуществления, сужающийся участок 352 припаивается к продольному участку 325. В показанном варианте осуществления, сужающийся участок 352 имеет кромку, размер которой соответствует размеру конца продольного участка 325 и сопрягается с продольным участком 325.
Цилиндрический участок 353 проходит в осевом направлении от сужающегося участка 352 в направлении, противоположном продольному участку 325. Цилиндрический участок 353 имеет постоянный диаметр и форму полого прямого кругового цилиндра. Распылительная головка 354 расположена на торце внешней трубки 351 газообразного топлива, например, на конце цилиндрического участка 353, напротив и на удалении от сужающегося участка 352 и на удалении от продольного участка 325. Распылительная головка 354 проходит радиально внутрь от конца цилиндрического участка 353 на удалении от сужающегося участка 352.
Выпускной завихритель 355 примыкает к распылительной головке 354. Выпускной завихритель 355 имеет лопатки 356 завихрителя, способные завихрять смесь топлива с воздухом, выходящую из топливной форсунки 310, и направлять воздух со стороны нагнетания компрессора по окружности.
Внутренняя трубка 340 для газообразного топлива включает в себя промежуточный продольный участок 341, переходной участок 342 и внутренний цилиндрический участок 343 для газообразного топлива. Промежуточный продольный участок 341, переходной участок 342 и внутренний цилиндрический участок 343 для газообразного топлива соосны друг другу. Промежуточный продольный участок 341 может быть расположен внутри продольного участка 325 и может быть расположен радиально внутрь от продольного участка 325. Промежуточный продольный участок 341 в основном имеет форму полого цилиндра.
Промежуточный продольный участок 341 также включает в себя впускное отверстие 344 для жидкого топлива. Впускное отверстие 344 для жидкого топлива выровнено и сообщается по текучей среде с каналом 321 для жидкого топлива. Впускное отверстие 344 для жидкого топлива проходит через промежуточный продольный участок 341, имеющий форму полого цилиндра. Промежуточный продольный участок 341 сопрягается и образует уплотнение со стволом 320 в месте соединения впускного отверстия 344 для жидкого топлива с каналом 321 для жидкого топлива.
Переходной участок 342 проходит от промежуточного продольного участка 341 и расположен между промежуточным продольным участком 341 и внутренним цилиндрическим участком 343 для газообразного топлива внутри продольного участка 325. Переходной участок 342 проходит вдоль оси и расположен радиально внутрь от продольного участка 325. Переходной участок 342 уменьшает диаметр внутренней трубки 340 для газообразного топлива от промежуточного продольного участка 341 до внутреннего цилиндрического участка 343 для газообразного топлива. Переходной участок 342 имеет форму воронки или усеченного полого конуса (форму полого усеченного конуса), больший диаметр которого примыкает к промежуточному продольному участку 341, а меньший диаметр которого примыкает к внутреннему цилиндрическому участку 343 для газообразного топлива. Переходной участок 342 и продольный участок 325 образуют продольный канал 327 для газообразного топлива, который примыкает и находится в сообщении по текучей среде с каналом 322 для газообразного топлива.
Внутренний цилиндрический участок 343 для газообразного топлива проходит от конца переходного участка 342 с меньшим диаметром, на удалении от места, где промежуточный продольный участок 341 отходит от переходного участка 342. Внутренний цилиндрический участок 343 для газообразного топлива проходит в осевом направлении. Внутренний цилиндрический участок 343 для газообразного топлива имеет форму полого цилиндра и проходит через внешнюю трубку 351 для газообразного топлива до распылительной головки 354, образуя между ними кольцевое пространство 335 для газообразного топлива. Внутренний цилиндрический участок 343 для газообразного топлива расположен радиально внутрь от внешней трубки 351 для газообразного топлива.
Трубка 370 для жидкого топлива расположена во внутренней трубке 340 для газообразного топлива и радиально внутрь от внутренней трубки 340 для газообразного топлива. Трубка 370 для жидкого топлива включает в себя внутренний продольный участок 371, внутренний переходной участок 372 и внутренний цилиндрический участок 373 для жидкого топлива. Внутренний продольный участок 371, внутренний переходной участок 372 и внутренний цилиндрический участок 373 для жидкого топлива соосны друг другу. Внутренний продольный участок 371 расположен в промежуточном продольном участке 341 и радиально внутрь от промежуточного продольного участка 341. Внутренний продольный участок 371 и промежуточный продольный участок 341 образуют между собой продольный канал 337 для жидкого топлива. Продольный канал 337 для жидкого топлива сообщается по текучей среде с впускным отверстием 344 для жидкого топлива и каналом 321 для жидкого топлива. Внутренний продольный участок 371 соприкасается и сопрягается с концом промежуточного продольного участка 341 на отдалении от переходного участка 342 и образует уплотнение. Внутренний продольный участок 371 также сопрягается с впускным завихрителем 379.
Внутренний переходной участок 372 в основном имеет форму усеченного конуса с проходящим через него отверстием. Внутренний переходной участок 372 проходит от внутреннего продольного участка 371 и расположен соосно между внутренним продольным участком 371 и внутренним цилиндрическим участком 373 для жидкого топлива. Внешний диаметр внутреннего переходного участка 372 уменьшается от внутреннего продольного участка 371 до внутреннего цилиндрического участка 373 для жидкого топлива.
Внутренний цилиндрический участок 373 для жидкого топлива проходит от внутреннего переходного участка 372 в осевом направлении. Внутренний цилиндрический участок 373 для жидкого топлива проходит во внутреннем цилиндрическом участке 343 для газообразного топлива, образуя между ними кольцевое пространство 336 для жидкого топлива, и радиально внутрь от внутреннего цилиндрического участка 343 для газообразного топлива. Кольцевое пространство 336 для жидкого топлива сообщается по текучей среде с продольным каналом 337 для жидкого топлива. Внутренний продольный участок 371, внутренний переходной участок 372 и внутренний цилиндрический участок 373 для жидкого топлива образуют воздушную полость 338, проходящую через трубку 370 для жидкого топлива.
Впускной завихритель 379 способен завихрять и направлять воздух со стороны нагнетания компрессора в топливную форсунку 310. Впускной завихритель 379 вставлен в конец продольного участка 325, имеющего форму полого цилиндра. Впускной завихритель 379 также частично вставлен во внутренний продольный участок 371.
Теплозащитный экран 390 включает в себя участок 391 в виде раструба и защитный цилиндрический участок 392. Участок 391 в виде раструба представляет собой воронку, например, воронку с гиперболической поверхностью, раструб, усеченный полый конус или псевдосферу. Участок 391 в виде раструба вставлен и сопряжен с впускным завихрителем 379.
Защитный цилиндрический участок 392 проходит от участка 391 в виде раструба в пределах внутреннего цилиндрического участка 373 для жидкого топлива. Защитный цилиндрический участок 392 расположен радиально внутрь от внутреннего цилиндрического участка 373 для жидкого топлива, образуя между ними изолирующий зазор 339. Изолирующий зазор 339 представляет собой кольцевое пространство между теплозащитным экраном 390 и трубкой 370 для жидкого топлива.
Теплозащитный экран 390 имеет утолщенный участок 393. Утолщенный участок 393 расположен на защитном цилиндрическом участке 392 и примыкает к участку 391 в виде раструба.
На фиг. 4 представлена часть топливной форсунки 310, изображенной на фиг. 3, детальный вид в разрезе. Как показано на фиг. 4, штуцер 317 для газообразного топлива содержит тело 311 штуцера для газообразного топлива и переходной участок 314 штуцера для газообразного топлива. Тело 311 штуцера для газообразного топлива в основном представляет собой тело вращения с выполненным в нем посадочным отверстием 309. Посадочное отверстие 309 обычно имеет форму цилиндра. Переходной участок 314 штуцера для газообразного топлива определяет требуемую проточную площадь канала 322 для газообразного топлива и выполнен с переходом от цилиндрического профиля посадочного отверстия 309 к профилю сегмента полого горизонтального цилиндра для канала 322 газообразного топлива. В показанном варианте осуществления, теплозащитный экран 380 для газообразного топлива соединен с переходным участком 314 штуцера для газообразного топлива. В других вариантах осуществления, теплозащитный экран 380 для газообразного топлива соединен с телом 311 штуцера для газообразного топлива.
Теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива имеет размер 368. Размер 368 теплозащитного зазора для жидкого топлива обычно представляет собой безопасное расстояние, например, расстояние по радиусу между внешней поверхностью теплозащитного экрана 360 для жидкого топлива и поверхностью канала 321 для жидкого топлива. Теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива имеет такой размер, чтобы предотвратить охлаждение жидкого топлива в теплозащитном экране 360 для жидкого топлива за счет ствола 320 вокруг канала 321 для жидкого топлива. В некоторых вариантах осуществления размер 368 теплозащитного зазора для жидкого топлива составляет от 5 мил до 15 мил. В других вариантах осуществления, размер 368 теплозащитного зазора для жидкого топлива находится в пределах заданного допуска в 10 мил, плюс или минус 1 мил, 2 мил или 3 мил.
Зазор 389 теплозащитного экрана газообразного топлива равен воздушному зазору 388 теплозащитного экрана газообразного топлива. Воздушный зазор 388 теплозащитного экрана газообразного топлива обычно представляет собой безопасное расстояние между внешней поверхностью теплозащитного экрана 380 газообразного топлива и поверхностью канала 322 газообразного топлива. Зазор 389 теплозащитного экрана газообразного топлива подбирается таким образом, чтобы предотвратить охлаждение газообразного топлива в теплозащитном экране 380 газообразного топлива за счет полого тела 320 вокруг канала 322 газообразного топлива. В некоторых вариантах осуществления, воздушный зазор 388 теплозащитного экрана газообразного топлива составляет от 5 мил до 15 мил. В других вариантах осуществления, воздушный зазор 388 теплозащитного экрана газообразного топлива находится в пределах заданного допуска в 10 мил, плюс или минус 1 мил, 2 мил или 3 мил.
Один или более из перечисленных выше компонентов (или их составляющих) изготавливаются из нержавеющей стали и/или прочных высокотемпературных материалов, известных как "жаропрочный сплав". Жаропрочный сплав или сплав с высокими рабочими характеристиками, представляет собой сплав, обладающий исключительной механической прочностью и жаропрочностью, хорошей стабильностью свойств поверхности и стойкостью к коррозии и окислению. Жаропрочные сплавы включают в себя такие материалы, как ХАСТЕЛЛОЙ, сплав X, ИНКОНЕЛЬ, ВАСПАЛЛОЙ, сплавы РЕНЕ, сплавы ХАЙНЕС, сплав 188, сплав 230, ИНКОЛЛОЙ, MP98T, сплавы TMS, монокристаллические сплавы CMSX.
Промышленная применимость
Газотурбинные двигатели широко применяются в различных отраслях нефтяной и газовой промышленности (в том числе транспортировка, сбор, хранение, откачка и подъем нефти и природного газа), при производстве электроэнергии, совместном производстве тепла и электричества, аэрокосмической и других транспортных отраслях.
Согласно фиг. 1, газ (обычно воздух 10) поступает во впуск 110 в качестве "рабочей текучей среды" и сжимается компрессором 200. В компрессоре 200 рабочая среда сжимается в кольцевом проточном канале 115 серией дисковых узлов 220 компрессора. В частности, воздух 10 сжимается в некотором числе "ступеней", где ступени связаны с каждым дисковым узлом 220 компрессора. Например, "4-ая ступень подачи воздуха" может быть связана с 4-ым дисковым узлом 220 компрессора в "заднем" по ходу направлении, идущем от впуска 110 к выпуску 500. Подобным образом каждый дисковый узел 420 турбины может быть связан с некоторым числом ступеней.
После выхода сжатого воздуха 10 из компрессора 200, он подается в камеру 300 сгорания, где распыляется и смешивается с топливом. Воздух 10 и топливо впрыскивается в камеру 305 сгорания форсункой 310 и сгорают. Энергия реакции горения вращает турбину 400 в каждой ступени серий дисковых узлов 420 турбины. Отходящий газ 90 распыляется в выхлопном диффузоре 510, собирается и перенаправляется. Отходящий газ 90 выходит из системы через коллектор выхлопных газов 520 и подвергается дополнительной обработке (например, чтобы уменьшить вредные выбросы или рекупирировать тепло из отходящего газа 90).
Газотурбинный двигатель 100 может работать на нескольких видах топлива. Согласно фиг. 2 и 3, топливная форсунка 310 представляет собой двойную топливную форсунку, работающую на газообразном топливе или жидком топливе. При работе на газообразном топливе, оно подается в канал 322 для газообразного топлива через штуцер 317 для газообразного топлива. Газообразное топливо подается в продольный канал 327 для газообразного топлива, в котором газообразное топливо направляется в кольцевое пространство 335 для газообразного топлива и через него. Газообразное топливо покидает кольцевое пространство 335 для газообразного топлива, смешивается с воздухом со стороны нагнетания компрессора, проходящим через воздушную полость 338 и выпускной завихритель 355, и сгорает в камере 305 сгорания.
При работе на жидком топливе оно подается в канал 321 для жидкого топлива через штуцер 316 для жидкого топлива. Жидкое топливо подается через впускное отверстие 344 для жидкого топлива в продольный канал 337 для жидкого топлива, в котором жидкое топливо направляется в кольцевое пространство 336 для жидкого топлива и через него. Жидкое топливо завихряется или перенаправляется по окружности внутри кольцеобразного пространства 336 для жидкого топлива до выхода из кольцеобразного пространства 336 для жидкого топлива. При использовании жидкого топлива, воздух направляется через канал 322 для газообразного топлива, продольный канал 327 для газообразного топлива и кольцевое пространство 335 для газообразного топлива, смешиваясь с жидким топливом при выходе воздуха из кольцевого пространства 335 для газообразного топлива. Смесь топлива с воздухом сгорает в камере 305 сгорания.
Канал 321 для жидкого топлива и канал 322 для газообразного топлива расположены внутри ствола 320 несимметрично, т.е. не по оси ствола 320. Во время работы газотурбинного двигателя 100 ствол 320 нагревается больше, чем используемое в процессе жидкое топливо или газообразное топливо. Теплопередача от ствола 320 к топливу ведет к перепаду температур в стволе 320 вокруг канала 321 для жидкого топлива или канала 322 для газообразного топлива. Эти перепады температур внутри ствола 320 приводят к изгибу топливной форсунки 310. Изгиб топливной форсунки 310 ведет к высоким механическим усилиям в местах сопряжения между топливной форсункой 310 и камерой 305 сгорания, например, в выпускном завихрителе 355 и прокладке 306.
Теплозащитный экран 360 для жидкого топлива и теплозащитный зазор 369 для жидкого топлива предотвращают или уменьшают теплопередачу между стволом 320 и жидким топливом в пределах теплозащитного экрана 360 для жидкого топлива. Теплозащитный экран 380 для газообразного топлива и теплозащитный зазор 389 для газообразного топлива предотвращают или уменьшают теплопередачу между стволом 320 и газообразным топливом в пределах теплозащитного экрана 380 для газообразного топлива. Это уменьшение теплопередачи ограничивает перепад температур, изгиб топливной форсунки 310 и механическое усилие между сопрягаемыми деталями. Кроме того, уменьшение теплопередачи между стволом 320 и жидким топливом предотвращает пиролиз жидкого топлива (коксуемость жидкого топлива).
Предшествующее детальное описание носит лишь поясняющий характер и не предназначено для ограничения объема изобретения или сферы применения и использования изобретения. Описанные варианты осуществления не ограничены в использовании в сочетании с определенным типом газотурбинного двигателя. Следовательно, хотя изобретение для удобства объяснения изображает и описывает конкретную топливную форсунку, топливная форсунка в соответствии с изобретением может быть реализована в различных других конфигурациях, может быть использована с различными другими типами газотурбинных двигателей и может быть использована в других типах машин. Кроме того, не существует никакого намерения связать его с какой-либо теорией, представленной в предшествующих предпосылках создания изобретения или подробном описании. Следует понимать, что фигуры имеют увеличенные размеры для лучшей иллюстрации показываемых позиций и не являются ограничением, если не указано иное.