Топливновоздушная горелка и фронтовое устройство камеры сгорания
AIR-FUEL BURNER AND FRONTAL DEVICE OF COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей и обеспечивает снижение токсичности продуктов сгорания с одновременным повышением надежности работы и увеличением полноты сгорания топлива.
Известна топливовоздушная горелка (RU 2 157 954 Заявка: 95115619/06, 05.09.1995), содержащая двухъярусный завихритель с установленными на них наружным и внутренним насадками с отверстиями в последнем, топливную форсунку, установленную на оси.
Недостатком такого устройства является ненадежная работа, связанная с самовоспламенением смеси до ее поступления в зону горения КС (из-за большого времени пребывания и наличия мест с малыми скоростями потока), что приводит к перегреву и обгару фронтового устройства.
Не обеспечивает равномерную по составу и скоростям топливовоздушную смесь в передней части жаровой трубы, что не обеспечивает полноту сгорания топлива и не позволяет снизить выбросы вредных веществ.
Известно фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя (полезная модель РФ №173301 F23R 3/16 опубл. 21.08.2017), содержащее корпус, в передней, по направлению потока воздуха, стенке которого установлена топливная форсунка, и осерадиальный завихритель с закручивающими элементами в виде лопаток с выходными кромками.
Недостатком данного фронтового устройства является отсутствие его охлаждения.
Известна другая топливовоздушная горелка камеры сгорания [Патент РФ 2134839 (F 02 С 7/22), опубл. 20.08.1999 г.], содержащая топливную форсунку и двухъярусный осерадиальный завихритель с внутренним ярусом, состоящим из осевого лопаточного завихрителя с открытым входным и выходным торцом и радиального завихрителя. При этом между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом расположен стабилизатор потока воздуха, закрепленный на головке форсунки. Внешний контур стабилизатора превышает поперечное сечение осевого завихрителя и образует щелевой канал с его входным торцом. Данная топливовоздушная горелка размещается во фронтовом устройстве, представляющем собой лобовую стенку камеры сгорания.
Недостатком данного устройства являются повышенные потери полного давления, вызванные втеканием воздуха через щель, образованную стабилизатором и входным торцом завихрителя с последующим разворотом потока. Кроме того, общим недостатком известных топливовоздушных горелок с завихрителем являются узкие области запуска и устойчивой работы.
Недостатком фронтового устройства является отсутствие элементов обеспечивающих его охлаждение.
Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением как  по совокупности совпадающих признаков, так и по назначению, а именно: известна Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя (Патент РФ №2199700, F 23 R 3/4, опубл. 27.02.2003 г.), содержащая двухъярусный завихритель, во внутреннем ярусе которого установлен лопаточный завихритель с выходным торцом, на котором расположена перегородка, перекрывающая часть входного торца, выполненная, например, в виде кольца. Топливовоздушная горелка размещается в передней части жаровой трубы, представляющей собой фронтовое устройство.
Недостатком данной топливовоздушной горелки являются то, что кольцо приваривается к входному торцу и не имеет возможности его демонтажа или возможности оперативной замены на кольцо другого диаметра.
Недостатком данной топливовоздушной горелки являются большие значения выбросов вредных веществ из-за того, что топливо подается за осевым завихрителем и процесс смешения топлива с воздухом начинается на выходе из двухъярусного завихрителя и продолжается в рециркуляционной зоне жаровой трубы.
Недостатком данного фронтового устройства является отсутствие охлаждения.
Указанные выше недостатки в совокупности не позволяют реализовать цели, поставленные в заявленном решении, т.е.:
не обеспечивает надежную работу,
не обеспечивает равномерную по составу и скоростям топливовоздушную смесь,
не обеспечивает низких значений выбросов вредных веществ,
не обеспечивает пониженные потери полного давления,
не обеспечивает широкие области запуска и устойчивую работу,
не обеспечивается технологичность установки топливовоздушной горелки во фронтовое устройство камеры сгорания,
не обеспечивается охлаждение фронтового устройства.
Технической задачей предлагаемой топливовоздушной горелки является устранение недостатков прототипа, а именно:
обеспечение надежной работы,
обеспечение равномерную по составу и скоростям топливовоздушную смесь,
обеспечение низких значений выбросов вредных веществ,
обеспечение пониженных потерь полного давления,
обеспечение широкой области запуска и устойчивую работу,
обеспечение технологичности установки топливовоздушной горелки во фронтовое устройство камеры сгорания.
Технической задачей предлагаемого фронтового устройства является обеспечение его охлаждения.
Сущностью заявленного технического решения является, что топливовоздушная горелка и фронтовое устройство камеры сгорания, содержащие топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, а так же двухъярусный завихритель, во внутреннем ярусе которого установлен лопаточный завихритель с выходным торцом, на котором расположена перегородка, перекрывающая часть входного торца, в наружном ярусе установлен лопаточный завихритель с выходным торцом.
Предложенная топливовоздушная горелка и фронтовое устройство камеры сгорания характеризуются некоторыми конструктивными особенностями: перегородка в виде кольцевой шайбы устанавливается на носике форсунки, завихритель внутреннего яруса имеет сужающийся сопловой насадок с удлиненным цилиндрическим каналом вокруг которого располагается завихритель наружного яруса содержащий цилиндрический насадок, размещенный в установочном корпусе имеющем резьбу и содержащий экран и находящийся в отверстии фронтового устройства, закрепленный в нем при помощи резьбовой гайки с торцевыми пазами и срезом соответствующим углу сужающегося соплового насадка завихрителя внутреннего яруса формирующего канал подвода воздуха к лопаткам завихрителя наружного яруса, лопатки одного завихрителя расположены под противоположным углом относительно лопаток второго завихрителя, фронтовое устройство содержит перфорации вокруг каждого отверстия, охлаждающий козырек с отверстиями подвода воздуха.
Таким образом, поставленная задача для топливовоздушной горелки в целом достигается тем, что:
для обеспечения надежной работы завихритель внутреннего яруса имеет сужающийся сопловой насадок с удлиненным цилиндрическим каналом, что исключает самовоспламенение смеси до ее поступления в зону горения камеры сгорания;
для обеспечения равномерной по составу и скоростям топливовоздушную смесь лопатки одного завихрителя расположены под противоположным углом относительно лопаток второго завихрителя, что обеспечивает хорошее смешение топлива с воздухом;
для обеспечения низких значений выбросов вредных веществ коэффициент избытка воздуха на выходе из завихрителя составляет 1,8-2;
для обеспечения пониженных потерь полного давления оба завихрителя выполнены осевыми, резьбовая гайка со срезом, соответствующим углу сужающегося соплового насадка завихрителя внутреннего яруса, формирующего канал подвода воздуха к лопаткам завихрителя наружного яруса;
для обеспечения широкой области запуска и устойчивую работу перегородка в виде кольцевой шайбы устанавливается на носике форсунки;
для обеспечения технологичности установки топливовоздушной горелки во фронтовое устройство камеры сгорания двухъярусный завихритель устанавливается в установочный корпус размещенный в отверстии фронтового устройства и стянутый разьбовой гайкой.
Поставленная задача для фронтового устройства в целом достигается тем, что для обеспечения охлаждения фронтового устройства оно содержит перфорации вокруг каждого отверстия, охлаждающий козырек с отверстиями подвода воздуха.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом:
Фиг. 1 – общий вид, продольный разрез.
Заявленная топливовоздушная горелка и фронтовое устройство камеры сгорания характеризуется наличием существенных  конструктивных изменений по сравнению с известными аналогами, обеспечивающими конструкции возможность реализовать поставленные цели, а именно: топливовоздушная горелка и фронтовое устройство камеры сгорания (фиг.1) содержат топливную форсунку 1 в виде корпуса 2 с отверстиями 3 подачи и распыла топлива, перегородка в виде кольцевой шайбы  4 устанавливается на носике 5 форсунки 1, а также двухъярусный завихритель 6, завихритель внутреннего яруса 7 имеет сужающийся сопловой насадок 8 с удлиненным цилиндрическим каналом 9, вокруг которого располагается завихритель наружного яруса 10, содержащий цилиндрический насадок 11, размещенный в установочном корпусе 12, имеющем резьбу 13, и содержащий экран 14 и находящийся в отверстии 15 фронтового устройства 16, закрепленный в нем при помощи резьбовой гайки 17 с торцевыми пазами 18 и срезом 19, соответствующим углу сужающегося соплового насадка 8 завихрителя внутреннего яруса 7, формирующего канал подвода воздуха 20 к лопаткам 21 завихрителя наружного яруса 10, лопатки 22 одного завихрителя расположены под противоположным углом относительно лопаток 21 второго  завихрителя. Фронтовое устройство 16, представляющее переднюю часть жаровой трубы 26, содержит перфорации 23 вокруг каждого отверстия 15, охлаждающий козырек 24 с отверстиями подвода воздуха 25.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости на стандартном оборудовании в КНИТУ-КАИ с применением современных материалов и технологий.
Поток воздуха (Фиг.1.), пройдя через перегородку в виде кольцевой шайбы  4  и лопатки 22 завихрителя внутреннего яруса 7, закручивается и проходит в сужающийся сопловой насадок 8, в который через отверстия 3 в форсунке 1 поступает топливо, которое перемешивается с воздухом, и попадает удлиненным цилиндрический канал 9. Другая часть воздуха, пройдя канал подвода воздуха 20 между срезом 19 резьбовой гайки 17 и сужающегося соплового насадка 8, попадает на лопатки 21  завихрителя наружного яруса 10.
Также воздух попадает в перфорации 23  фронтового устройства 16, выходя струйками на экран 14, формируя конвективное охлаждение, а также поступает в отверстия подвода воздуха 25 фронтового устройства 16, выходящего в охлаждающий козырек 24, формируя воздушную пленку.