Топливовоздушная форсунка
FUEL-AIR ATOMIZER

Предлагаемое изобретение предназначено для сжигания газа в тепло вырабатывающих устройствах относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей и обеспечивает снижение токсичности продуктов сгорания с одновременным повышением надежности работы.
По патенту на изобретение РФ №2493490 известна одноконтурная горелка, сущность заключается в том, что одноконтурная горелка, содержит завихритель, в полых лопатках которого выполнены отверстия подвода газа в межлопаточные полости завихрителя, сопло, пустотелый корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода газа к сменной дроссельной шайбе, расположенной внутри корпуса, и далее к полым лопаткам завихрителя. Для крепления горелки к газораспределительному устройству, горелка содержит шлицевую гайку с уплотнительными кольцами. С целью регулировки расхода газа через горелку, без съема горелки с газораспределительного устройства и замены сменной дроссельной шайбы на другую, шлицевая гайка выполнена в виде полого цилиндра с дополнительной резьбой в передней части и цилиндрическим выступающим пояском для размещения в шлицевой гайке заглушки с уплотнительным кольцом.
Недостатком указанного устройства является, отсутствие возможности регулировки расхода топлива, без съема форсунок и частичной разборки камеры сгорания, что приводит к значительным материальным затратам и увеличению времени по доводке характеристики температурного поля.
Такое устройство позволяет получить однородную (гомогенную) смесь топлива с воздухом. Для получения малого выделения вредных веществ эта смесь должна иметь избыток воздуха (α≥2) для получения низкого уровня температуры пламени. Однако такая смесь обладает узким диапазоном устойчивого горения (при отсутствии рядом дежурного пламени), что ухудшает эксплуатационную надежность.
В данном устройстве уменьшается надежность из-за возможного самовоспламенения смеси во внутреннем насадке, что приводит к его перегреву и разрушению.
По патенту на изобретение РФ №2103611 известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя которая содержит одноконтурную горелку, содержащую лопаточный завихритель, конусное сопло, пустотелый корпус, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой и отверстия подвода топлива к распылителю, шлицевую гайку с уплотнительными кольцами, для крепления горелки к газораспределительному устройству, в частности к головке кольцевой камеры сгорания.
Недостатками, являются большие тепловые потоки от горячих зон камеры сгорания к топливным коллекторам, которые близко расположены к наиболее горячей зоне камеры, что приводит к нагреву топлива и коксованию форсунок.
Недостатками известной камеры сгорания являются то, что на выходе из горелки по соотношению воздуха и топлива формируется «богатая» топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=0,4 что формирует в зоне горения высокую температуру.
По патенту на изобретение РФ 2155910, известна форсунка которая содержит корпус с двумя отверстиями для подвода топлива, выполненный за одно целое с лопатками завихрителя и смесительной втулкой, центробежный распылитель, топливный сетчатый фильтр, две равноудаленные от центров отверстий для подвода топлива соосные иглы, обеспечивающие оптимальную работу электрического ветра в непрерывном режиме от запуска до останова энергетической установки.
Недостатком является наличие топливного фильтра который при использовании газообразного топлива будет являться источником гидравлического сопротивления и не обеспечит равномерность подачи топлива на выходе из форсунки.
Недостатком является наличие двух равноудаленных от центров отверстий для подвода топлива соосных игл, размещение которых приводит к усложнению конструкции форсунки и не обеспечивают технологичность ее изготовления, а также не обеспечат ресурс форсунки.
Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением как по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно, известна также одноконтурная форсунка (горелка) камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ, содержащая корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель с установленными под углом 45 градусов лопатками, смесительную в виде конуса втулку, пустотелый корпус форсунки содержащий внутренний канал с установленным шнеком и дроссельной шайбой, содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу для соединения со шлицевой гайкой, шлицевую гайку с уплотнительными кольцами, для крепления горелки к газораспределительному устройству, дросселирующую шайбу (см. Двигатель НК-16-18СТ. Серия 2. «Руководство по технической эксплуатации». Стр. 126).
Основными недостатками данного технического решения указанной форсунки (горелки):
Низкая полнота сгорания топлива в следствие формирования слабо закрученной струи газа из за наличия шнека.
Недостаточное качество распыла газа форсункой по причине загромождения канала прохода газа шнеком.
Неравномерность температуры на выходе из форсунки в следствие сочетания шнека и дросселирующей шайбы, что приводит к уменьшению пропускной способности топлива, увеличению гидравлического сопротивления, что затрудняет продвижение газа на выходе из форсунки и приводит к возникновению большой неравномерности температур в зоне горения;
3
Высокая температура на выходе из форсунки, так как по соотношению воздуха и топлива формируется «богатая» топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=0,6, что вызывает значительное завышение выбросов оксида азота (более 150 мг/м).
Низкая надежность работы форсунки, так как большие тепловые потоки от высокотемпературной зоны горения взаимодействуют с форсункой и фронтовым устройством в которое она устанавливается что приводит к перегреву фронтового устройства и оплавлению смесительных втулок.
Указанные выше недостатки в совокупности не позволяют реализовать цели, поставленные в заявленном решении, т.е.;
- не обеспечивает возможность повышения полноты сгорания топлива,
- не обеспечивается качество смешения топлива с воздухом,
- не исключают высокую неравномерность температуры на выходе из форсунки,
- не обеспечивают снижение выбросов вредных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота,
- не обеспечивают высокой надежности работы форсунки
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно;
- повышение полноты сгорания топлива,
- обеспечение высокого качества смешения топлива с воздухом,
- обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из форсунки,
- снижение выбросов вредных загрязняющих веществ,
- обеспечение высокой надежности работы форсунки.
Сущностью заявленного технического решения является, что, Топливовоздушная форсунка, содержащая корпус завихрителя включающего лопаточный завихритель с установленными под углом 45 градусов лопатками, смесительную втулку, корпус форсунки содержащий внутренний канал с установленным шнеком и дроссельной шайбой, уплотнительные кольца, дросселирующую шайбу, корончатую гайку. Предложенная форсунка характеризуется некоторыми конструктивными особенностями: смесительная втулка удлиненная цилиндрической формы с расширением на конце, на задней стенке корончатой гайки имеется отверстие, во внутренний канал корпуса форсунки установлен корпус распылителя с воздушным и топливным каналом, между корпусом форсунки и корпусом завихрителя установлен распылитель с радиальными отверстиями, лопатки завихрителя закручены по винтовой линии, шайба дросселирующая имеет полукруглые каналы.
Таким образом, поставленная задача в целом достигается тем, что
Для повышения полноты сгорания на конце форсунок установлен распылитель с радиальными отверстиями для выхода струй газа в закрученную струю воздуха, что позволяет организовать струйную подачу топлива в зону горения, вследствие чего обеспечивается полнота сгорания топлива.
Обеспечение высокого качества смешения топлива с воздухом достигается за счет смесительной втулки удлиненной цилиндрической формы с расширением на конце и установкой распылителя с радиальными каналами, длина втулки и радиально подаваемая струя газа позволяет обеспечить на выходе из форсунки хорошо подготовленную топливновоздушную смесь.
Обеспечение минимальной неравномерности температуры на выходе из форсунки, достигается за счет обеспечения соотношения воздуха и топлива формируемого «бедной» топливовоздушной смесью с коэффициентом избытка воздуха α=1,2, что обеспечивается установкой корпуса распылителя с эжекционным каналом для прохода воздуха в центре форсунки, который осуществляется через отверстие на задней части шлицевой гайки, а также дросселирующей шайбой с полукруглыми каналами для прохода воздуха между лопатками завихрителя закрученными по винтовой линии.
Снижение выбросы вредных загрязняющих веществ (оксидов азота) осуществляется за счет совокупности технических решений по установке распылителя с радиальными каналами, корпуса завихрителя с эжекционым каналом, корончатой гайки с отверстием на задней части, в результате чего снижается температура в зоне горения, снижается время пребывания газов в зоне горения и уменьшается концентрация оксидов азота.
Обеспечение высокой надежности работы форсунки осуществляется исполнением смесительной втулки удлиненной (1,5 наружного диаметра завихрителя) цилиндрической формы с расширением на конце, что позволяет отодвинуть фронт пламени от места установки форсунки в фронтовом устройстве и избежать его перегрева и перегрева смесительной втулки.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из исследованного заявителем уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизны» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом:
Фиг. 1 - общий вид форсунки, продольный разрез.
Топливовоздушная форсунка (фиг. 1), содержащая корпус завихрителя (1) включающего лопаточный завихритель (3) с установленными под углом 45 градусов лопатками, смесительную втулку (4), корпус форсунки (2) содержащий внутренний канал с установленным шнеком и дроссельной шайбой, уплотнительные кольца (8), дросселирующую шайбу (9), корончатую гайку (7).
Заявленная топливная форсунка характеризуется наличием существенных конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно, смесительная втулка (4) удлиненная цилиндрической формы с расширением на конце, на задней стенке корончатой гайки (7) имеется отверстие, во внутренний канал корпуса форсунки установлен корпус распылителя (5) с воздушным эжекционным каналом, формирующий между корпусом форсунки топливный канал, между корпусом форсунки (2) и корпусом завихрителя (1) установлен распылитель (6) с радиальными отверстиями, лопатоки завихрителя закручены по винтовой линии, шайба дросселирующая (9) имеет полукруглые каналы.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости на стандартном оборудовании в АО «КМПО» с применением современных материалов и технологий.
Поток воздуха (Фиг. 1.) движется через лопатки завихрителя (3) и эжекционный канал корпуса распылителял (5), топливный газ поступает в отверстия корпуса форсунки и попадает в канал образованный корпусом форсунки и корпусом распылителя, затем выходит через радиальные отверстия распылителя. Топливо прошедшее через отверстия в распылителе смешивается с воздухом подаваемым через лопатки завихрителя и подается во внутреннюю полость смесительной втулки удлиненной цилиндрической формы с расширением на конце, воздух прошедший через эжекционный канал движется с увеличенной скоростью в результате чего возникает эжекционный эффект и топливновоздушная смесь увлекается эжекционной струей в зону горения формируя на выходе из форсунки состав смеси с коэффициентом избытка воздуха 1,2.