УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛА ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к авиационной технике в частности к газотурбинным двигателям (ГТД). и может быть использована в камерах сгорания авиационных ГТД и камерах сгорания наземных газотурбинных установок.
Известна камера сгорания ГТД (Патент РФ №2226652, F23R 3/34, 10.04.2004), которая содержит корпус, а в нем кольцевую жаровую трубу, включающую две отстоящие друг от друга оболочки, соединенные между собой в передней части фронтовым устройством, включающим топливные форсунки. Каждая из топливных форсунок выполнена в виде корпуса-стойки, ориентированного в плоскости, проходящей через продольную ось жаровой трубы или рядом, с двумя горелочными модулями, каждый из которых снабжен осевым и (или) радиальным завихрителем воздуха. Горелочные модули в поперечном сечении жаровой трубы образуют два концентричных ряда на фронтовом устройстве. Горелочные модули в каждой форсунке расположены в разных рядах. Техническое решение позволяет повысить топливную экономичность и ресурс двигателя. Однако камера сгорания с модулями только одной конструктивной схемы не может для всех режимов работы двигателя обеспечить высокую эффективность горения жидких углеводородных топлив при низком уровне дымления и эмиссии вредных веществ продуктов сгорания (CnHm, СО, Nox).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для распыла топлива (УРТ) в камере сгорания ГТД (патент РФ №2349840, МПК F23R 3/50, опубл. 20.03.2009). Кольцевая камера сгорания, содержащая расположенные соосно наружный и внутренний корпуса, установленный на входе в камеру сгорания кольцевой диффузор, размещенную в кольцевой полости между корпусами жаровую трубу, выполненную из наружной и внутренней обечаек с поперечными поясами отверстий подвода воздуха. На входе в жаровую трубу расположено кольцевое фронтовое устройство, имеющее равномерно размещенные по окружности ряд вспомогательных модулей и расположенный под ним концентрично внутренний ряд основных модулей для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Каждый модуль выполнен с отдельной топливной форсункой вдоль своей продольной оси соответственно основной или вспомогательной топливных систем и с размещенным вокруг каждой топливной форсунки воздушным осесимметричным трактом, разделенным продольно кольцевыми элементами на наружный и внутренний каналы. Для вспомогательного модуля наружный канал состоит из сужающегося и расширяющегося участков, а внутренний канал - из сужающегося участка. На входе наружные каналы для всех модулей и внутренние каналы для основных модулей имеют кольцевые лопаточные завихрители воздуха, а внутренние каналы вспомогательных модулей кольцевые завихрители воздуха. Наружный кольцевой элемент каждого модуля установлен на фронтовом устройстве через фланцевую втулку и скреплен со своей топливной форсункой через внутренний кольцевой элемент и кольцевые завихрители. Изобретение обеспечивает создание компактной камеры сгорания, получение высокой эффективности ее работы и устойчивости горения, снижение уровня дымления и эмиссии вредных выбросов.
Недостатком данного технического решения является то, что подача воздуха для охлаждения стенок выходного патрубка и выпуск его в камеру сгорания вблизи конца патрубка через сквозные отверстия дополнительного кольцевого канала или другие отверстия приводят (в связи с тем, что через патрубок в камеру сгорания поступает богатая смесь) к локальному горению и прогарам на конце патрубка.
n
m
x
Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии загрязняющих веществ. Основное внимание уделяется снижению дымления (сажи) и снижению в продуктах сгорания несгоревших углеводородов (CH), моноокиси углерода (СО) и оксидов азота (NO). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. Средствами снижения уровня эмиссии вредных выбросов для ГТД могут быть либо устройства и способы их уменьшения в камере сгорания двигателя, либо устройства и способы обработки выхлопных газов двигателя. По массовым характеристикам устройства и способы обработки выхлопных газов годятся только для наземных газотурбинных установок, а устройства и способы снижения уровня эмиссии вредных выбросов в камере сгорания подходят как для авиационных, так и для наземных газотурбинных двигателей, (см. Технический перевод №15060 ФГУП ЦИАМ им. П.И.Баранова, «Камеры сгорания ГТД и технология снижения уровня эмиссии: состояние и перспективы», 2000 г., стр.2-44).
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- повышение надежности и длительности работы компактной камеры сгорания ГТД;
- улучшение теплового состояния УРТ;
- предотвращение попадания воздуха в область течения богатой смеси вблизи конца цилиндрического участка;
- предотвращение образования нагара на стенках жаровой трубы;
- уменьшение угла раскрытия топливовоздушного факела. Поставленные задачи решаются тем, что предлагаемое УРТ в камере сгорания ГТД содержит топливную форсунку и размещенный вокруг форсунки воздушный осесимметричный тракт, разделенный продольно кольцевым элементом на наружный и внутренний каналы. Наружный канал ограничен патрубком, включающим сужающийся и расширяющийся участки, а внутренний канал включает цилиндрический и сужающийся участки, которые ограниченны кольцевым элементом с острой кромкой на выходе. Наружный канал на входе имеет лопаточный завихритель, расположенный между патрубком и кольцевым элементом, а внутренний канал - кольцевой завихритель, расположенный в кольцевом элементе после топливной форсунки. Кроме того, УРТ включает фланцевую втулку, размещенную над патрубком наружного канала с образованием дополнительного кольцевого канала и скрепленную с этим патрубком концевыми частями.
Новым в полезной модели является то, что в УРТ патрубок на выходе дополнительно снабжен цилиндрическим участком и кольцевым козырьком. Внутренняя поверхность цилиндрического участка сопряжена с расширяющейся поверхностью патрубка, а козырек расположен перед цилиндрическим участком патрубка над его расширяющейся частью и сопряжен герметично с фланцевой втулкой. Козырек снабжен сквозными отверстиями для перепуска воздуха из дополнительного канала воздушного тракта.
Новым также является то, что в УРТ длина цилиндрического участка находится в диапазоне от 3 до 5 мм.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение:
- так как в конструкции данного УРТ при низком давлении подачи топлива в камеру смешения осуществляется его пневматический распыл, то топливная форсунка выполняет функцию дозатора и может быть выполнена центробежной или струйной;
- кольцевой лопаточный завихритель воздуха наружного канала выполнен осевым, что обеспечивает компактность конструкции УРТ;
- в УРТ расширяющаяся часть патрубка наружного канала на выходе выполнена конусной с углом раскрытия от 90 до 120°;
- кольцевой завихритель воздуха внутреннего канала выполнен с тангенциальными равнорасположенными по окружности отверстиями или в виде радиального лопаточного, что позволяет выполнить УРТ компактным и сделать его технологичным;
- угол наклона отдельной лопатки завихрителя наружного канала воздушного тракта УРТ к его продольной оси составляет от 50 до 75°, что обеспечивает существование за ним протяженной зоны обратных токов продуктов сгорания, позволяющей осуществлять устойчивый запуск и обеспечивать широкий диапазон устойчивой работы двигателя даже на холодном воздухе.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции УРТ в камере сгорания и описанием его работы со ссылкой на чертежи и фотографии, представленные на фиг.1-5, где
на фиг.1 схематично изображено УРТ в камере сгорания;
на фиг.2 схематично изображена камера сгорания ГТД, приведенная на фиг.3 патента РФ №2349840 от 20.03.2009 г. (нумерация сохранена);
на фиг.3 показана фотография, где изображено УРТ после испытаний на стенде при высоких давлениях и температурах в камере сгорания. Охлаждающий воздух, вытекающий из отверстий охлаждения в богатую топливовоздушную смесь, приводит к прогарам выходного патрубка (см. поз.16 на фиг.2).
на фиг.4 показана фотография, где изображен топливовоздушный факел УРТ при закрытых отверстиях охлаждения выходного патрубка. Распыливание хорошее, но факел ложится на стенки и не попадает в камеру сгорания;
на фиг.5 показана фотография топливовоздушного факела УРТ при закрытых отверстиях охлаждения выходного патрубка. Патрубок на выходе снабжен цилиндрическим участком длиной 3 мм;
на фиг.6 показана фотография топливовоздушного факела УРТ при закрытых отверстиях охлаждения выходного патрубка. Патрубок на выходе снабжен цилиндрическим участком длиной 5 мм.
Устройство для распыла топлива (см. фиг.1) в камере сгорания содержит топливную форсунку 1 и размещенный вокруг форсунки 1 воздушный осесимметричный тракт 2, разделенный продольно кольцевым элементом 3 на наружный и внутренний каналы 4, 5 соответственно. Форсунка 1 может быть выполнена одно- или двухканальной, в зависимости от режимов работы камеры сгорания. Наружный канал 4 ограничен патрубком 6, включающим сужающийся и расширяющийся участки, а внутренний канал 5 включает цилиндрический и сужающийся участки, которые ограничены кольцевым элементом 3 с острой кромкой на выходе. Наружный канал 4 на входе имеет лопаточный завихритель 7, расположенный между патрубком 6 и кольцевым элементом 3, а внутренний канал 5 - кольцевой завихритель 8, расположенный в кольцевом элементе 3 после топливной форсунки 1. Кроме того, УРТ включает фланцевую втулку 9, размещенную над патрубком 6 наружного канала 4 с образованием дополнительного кольцевого канала 10 и скрепленную с этим патрубком 6 концевыми частями. Патрубок 6 на выходе снабжен цилиндрическим участком 11 и кольцевым козырьком 12. Внутренняя поверхность цилиндрического участка 11 сопряжена с расширяющимся участком патрубка 6, а козырек 12 расположен по потоку перед цилиндрическим участком 11 патрубка 6 над его расширяющейся частью и сопряжен герметично с фланцевой втулкой 9. Козырек 12 снабжен сквозными отверстиями 13 для перепуска воздуха из дополнительного канала 10 воздушного тракта.
В процессе испытаний выявились недостатки УРТ, защищенного патентом РФ №2349840. В частности, оказалось, что подача воздуха для охлаждения стенок выходного патрубка УРТ и выпуск его в камеру сгорания через отверстия 35 (см фиг.2, нумерация на иллюстрации сохранена как в патенте РФ №2349840) вблизи конца патрубка приводят (в связи с тем, что через патрубок поступает в камеру богатая смесь) к локальному горению и прогарам на конце патрубка (см. фиг.2, 3). Изменение положения отверстий для выпуска охлаждающего воздуха на конце патрубка не привело к прекращению прогаров. Пришлось закрыть все отверстия на конце патрубка, выходящие в камеру сгорания.
Охлаждающий воздух стали выпускать между стенок 14, 15 вдоль фронтового экрана 16 (см. фиг.1) жаровой трубы 17 через ряд отверстий 13 и 18. Это решило проблему теплового состояния УРТ.
Однако, при повторных автономных испытаниях УРТ на мелкость распыливания, проведенных после рассмотренных выше испытаний и внесения небольших изменений в конструкцию УРТ обнаружилось, что предложенные мероприятия отрицательно повлияли на форму топливного факела (см. фиг.4). Топливный факел, выходящий из УРТ после модернизации системы охлаждения, разворачивался и практически ложился на фронтовой экран 16, что, в частности, могло послужить причиной некоторого снижения полноты сгорания топлива в камере сгорания и образованию нагара на стенках жаровой трубы 17.
С целью ликвидации указанного недостатка было решено снабдить выходной патрубок 6 цилиндрическим участком 11. Оказалось, что установка цилиндрического участка 11 на выходе из УРТ (шириной от 3 до 5 мм) существенно изменяет угол факела распыливания (см. фиг.5, 6).
Ширина кольца 2 мм
Ширина кольца 3 мм
Ширина кольца 4 мм
Ширина кольца 5 мм
Ширина кольца 6 мм
Нет эффекта или неустойчивость
Эффект положителен
Эффект положителен
Эффект положителен
Пленка, крупные капли
Угол раскрытия топливовоздушного факела уменьшается по мере роста высоты цилиндрического участка 11 в указанных пределах примерно до 60°. При небольшой ширине участка 11 (около 3 мм) факел остается достаточно широким, что должно положительно сказаться на распределении топлива в камере сгорания.
Модернизированная схема УРТ предполагает ее использование в схеме кольцевой, полноразмерной камеры сгорания. Дальнейшее увеличение ширины кольца до 7 мм привело к очевидному ухудшению распыливания топлива и появлению на кромках выходного патрубка не распавшейся пленки топлива и крупных капель.
Выполнение УРТ в камере сгорания в соответствии с заявленным техническим решением позволяет повысить надежность камеры сгорания и длительность ее работы, а также улучшить тепловое состояние УРТ и предотвратить образования нагара на стенках жаровой трубы 17.