МОДУЛЬ ФОРСУНОК

Полезная модель относится к устройствам с непосредственным впрыскиванием жидкого углеводородного топлива нормальной или повышенной вязкости в капельном состоянии в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) или наземной газотурбинной установки (ГТУ) и подготовки топливовоздушной смеси (ТВС) в камере сгорания для последующего сжигания в зоне горения в воздушной среде. Модуль может быть использован во многих типах теплоэнергетических установок.
В настоящее время актуальной задачей является создание камер сгорания ГТД и наземных газотурбинных установок (ГТУ), которые могут работать на топливах с нормальной или повышенной вязкостью при сохранении низкого уровня эмиссии вредных веществ. Это связано с замедлением темпов и удорожанием добычи нефти. В качестве альтернативы реактивным топливам могут рассматриваться топлива с повышенной вязкостью такие как, например, дизельные и судовые топлива, имеющие больший объем и меньшую стоимость производства, чем топлива для реактивных двигателей.
2
2
2
3
Стандартное авиационное топливо (например, керосин марки ТС-1 по ГОСТ 10227-86 «Топлива для реактивных двигателей») имеет кинематическую вязкость при плюс 20°С от 1,25 до 1,30 мм/с (сСт). Дизельное топливо по ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное» имеет кинематическую вязкость при плюс 20°С от 3,0 до 6,0 мм/с (летнее) и от 1,8 до 5,0 мм/с (зимнее). В этих стандартах указано повышенное содержание, практически в десять раз, наличия смол в дизельном топливе по сравнению с топливом для реактивных двигателей. Концентрация смол, мг на 100 см для топлива ТС-1 составляет от 3 до 5, а для дизельного топлива от 30 до 40. Чтобы топливо легко прокачивалось по системе питания, вязкость его при минус 40°С не должна превышать 16 сСт. В настоящее время также действует постановление Правительства РФ №118 от 27.02.2008 - технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту». Следовательно, необходимо обеспечить беспрепятствованную прокачиваемость топлива с повышенной вязкостью через систему питания двигателя в заданном температурном диапазоне.
В то же время, ухудшение экологического состояния окружающей среды и ужесточение норм на вредные выбросы требуют разработки экологически «чистых» камер сгорания ГТД и ГТУ, что обязывает разработчиков совершенствовать процессы распыла жидкого топлива в камеры сгорания и процессы гомогенизации ТВС.
x
зг
зг
Кроме того при разработке камер сгорания, работающих на дизельном топливе важнейшими задачами являются надежность, воспламеняемость ТВС и обеспечение заданного ресурса при сохранении уровня эмиссии вредных веществ заданных для реактивных топлив. Основное внимание здесь уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании низкоэмисионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация устойчивого горения бедных смесей. Например, генерация оксидов азота по основному, термическому механизму Зельдовича, сильно зависит от температуры в зоне горения Т и при ее значении, меньшем 1730К становится практически несущественной. В этом диапазоне температур (Т<1730К) индекс эмиссии оксидов азота очень слабо зависит от времени пребывания газа в камере сгорания.
Одним из путей снижения вредных выбросов, например, авиационными камерами сгорания является использование камер, в которых горение происходит в двух зонах: вспомогательной (пилотной) и основной. В первой организуется горение богатой топливовоздушной смеси, во второй - бедной гомогенной. Зоны могут располагаться относительно друг друга последовательно или параллельно.
Однако использование пилотной зоны, в которой горение происходит по диффузионному механизму, существенно увеличивает эмиссию оксидов азота. В камерах сгорания авиационных двигателей, где время пребывания газа мало (≈7 мс), избавится от пилотной, постоянно работающей диффузионной зоны горения, без ущерба для устойчивого воспламенения и горения топливовоздушной смеси, а также обеспечения полноты ее сгорания не удается.
Для камер сгорания наземных ГТУ указанные проблемы со стабилизацией и полнотой сгорания бедной топливовоздушной смеси можно решить за счет увеличения объема камеры сгорания и увеличения размера зоны стабилизации пламени в ней, уменьшения скорости течения смеси.
Для обеспечения снижения уровня эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания камер авиационных ГТД и наземных ГТУ основной проблемой оказывается достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом перед сгоранием (гомогенизация топливовоздушной смеси).
Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя (Авторское свидетельство СССР №1166568 A, F23R 3/24, 22.03.1984). Горелка содержит центральный воздушный канал с завихрителем воздуха и пусковой топливной форсункой, кольцевой воздушный канал с завихрителем воздуха и рабочую топливную форсунку с выходными отверстиями. Горелка снабжена вторым кольцевым каналом с камерой смешения, завхрителем и выходным соплом. Сопло расположено между центральным и первым кольцевыми каналами, а рабочая форсунка расположена на входе второго канала. Топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки топливо повышенной вязкости, не успевшее смешаться с воздушными потоками в центральном и в кольцевом каналах, оседает на стенках каналов и в виде струй подается в камеру сгорания. Энергии воздушных потоков в камере сгорания не хватает, чтобы смешать топливо в струях с воздухом в достаточной мере.
Известен способ и устройство перемешивания топлива для уменьшения эмиссии вредных выбросов из камеры сгорания (Патент США №6,484,489 B1, F02C 7/26, Nov. 26.2002) фирмы General Electric Company (US). Камера сгорания устройства выполнена с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией окиси углерода, окиси азота и дымления на всех режимах работы ГТД. Камера сгорания содержит смесительный узел состоящий из вспомогательного и основного смесителей. Вспомогательный смеситель имеет вспомогательную топливную форсунку, по меньшей мере, один завихритель и разделитель воздуха. Основной смеситель расположен вокруг вспомогательного смесителя. Каналы для подачи топлива и завихрители воздуха расположены перед отверстиями для впрыска топлива. При работе на режиме малого газа вспомогательный смеситель аэродинамически изолирован от основного смесителя и через основной смеситель подается только воздух. С увеличением мощности двигателя топливо подается в основной смеситель, а завихритель основного смесителя смешивает топливо с воздухом для обеспечения равномерного распределения по окружности и горения. ТВС равномерно распределяется внутри камеры сгорания, что способствует полному сгоранию топлива и снижению выброса окиси азота на максимальном режиме работы ГТД. Однако одноступенчатый распыл струй топлива повышенной вязкости через основной смеситель не способствует приготовлению однородной мелкораспыленной ТВС.
Известна форсунка с очищающим коллектором (Патент США №6073436, F02C 7/26, 13.06.2000) фирмы Rolls-Royce plc, London (GB). Форсунка состоит из двух завихрителей, окружающих основное топливное сопло и пилотное топливное сопло. Основное топливо дробится и смешивается с закрученным воздухом на выходе из цилиндрического канала. При этом внешний воздушный завихритель лишь предотвращает вылет полидисперсных капель за границу факела и не участвует в интенсивном перемешивании из-за своей удаленности от кромки распыливания топлива. Пилотное топливо дробится и смешивается с закрученным воздушным потоком внутри цилиндрического канала. Такое расположение точки впрыска пилотного топлива может повысить коэффициент перемешивания смеси, но с другой стороны повышает риск нагарообразования более вязкого топлива на внутренней поверхности цилиндрического канала и создает опасность проскока пламени по оси и поверхностям форсунки.
Наиболее близким аналогом по назначению и конструкции, что и заявляемое техническое решение является двухканальный по топливу модуль с двумя подводами воздуха (Патент США №6715292, F02С 7/22, 06.04.2004). Модуль для сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал с магистралью подвода топлива на входе и завихрителем внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом коаксиально расположен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал снабжен лопаточным завихрителем внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки, для топлива повышенной вязкости, энергии воздушных потоков, которые подают в камеру сгорания через горелку недостаточно, чтобы распылить топливо до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива в струях с воздухом в достаточной мере.
В основу полезной модели положено решение следующих задач для авиационных ГТД и наземных ГТУ:
- разработка конструкции модуля форсунок работающего на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, который обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах только для реактивных двигателей;
x
- обеспечения эмиссии вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.
Это достигается путем подготовки бедной предварительно перемешенной и частично испаренной топливовоздушной смеси к сжиганию без ущерба для топливной экономичности двигателя и ресурса работы его горячих частей. Основной проблемой здесь остается достижение эффективного предварительного смешения топлива повышенной вязкости с воздухом (гомогенизация топливовоздушной смеси).
Поставленные задачи решаются тем, что модуль форсунок для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал. Топливный внешний канал содержит магистраль подвода топлива на входе и завихритель внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом, коаксиально расположен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал содержит лопаточный завихритель внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Это, при уменьшенной длине камеры сгорания, позволяет обеспечить необходимое время контакта для смешения закрученной топливной пелены и сопряженных с ней закрученных воздушных потоков для вспомогательного и основного контуров горелки.
x
Новым в модуле форсунок является то, что площадь проходного сечения воздушного внутреннего канала составляет от 25 до 35 процентов суммарной площади воздушных внутреннего и внешнего каналов. При площади проходного сечения воздушного внутреннего канала менее 25 процентов суммарной площади воздушных внутреннего и внешнего каналов энергии воздушного потока не достаточно для качественного распыливания топлива, поступающего через внутренний топливный канал на основных режимах работы двигателя. При площади проходного сечения воздушного внутреннего канала больше 35 процентов суммарной площади воздушных внутреннего и внешнего каналов невозможно обеспечить равномерную гомогенизацию смеси на всех режимах работы двигателя. Высокая гомогенизация смеси и хорошее качество распыливания топлива обеспечивают низкую эмиссию вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью.
Новым в модуле форсунок является также то, что сопло аксиального топливного канала на выходе имеет расширяющуюся часть, причем суммарный угол α расширяющейся части сопла на выходной кромке превышает расчетный угол раскрытия топливной пелены из этого сопла на величину от 5 до 10 градусов. При суммарном угле α расширения сопла меньше 5 градусов резко возрастают потери потока среды на трение об расширяющуюся поверхность, что приведет к потере энергии закрутки пелены топлива и ухудшению качества распыливания. При суммарном угле α расширения сопла больше 10 градусов возможно образование нестационарного отрыва топлива от стенки расширяющейся части сопла и, как следствие, нестационарный режим течения не позволяющий обеспечить основные характеристики камеры сгорания.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение.
Угол установки лопаток завихрителя воздушного внешнего канала относительно его продольной оси предпочтительно выполнять от 40 до 55 градусов. Такие углы установки лопаток завихрителя позволяют обеспечить суммарный угол раскрытия факела от 80 до 110 градусов, что является оптимальным для современных коротких камер сгорания, и создать развитую зону стабилизации пламени на продольной оси за модулем форсунок.
Угол установки лопаток завихрителя воздушного внутреннего канала предпочтительно выполнять на величину от 5 до 15 градусов меньше угла установки лопаток завихрителя воздушного внешнего канала. При угле установки лопаток завихрителя воздушного внутреннего канала отличающемся менее чем на 5 градусов от угла установки лопаток завихрителя воздушного внешнего канала происходит интенсивное снижение окружной скорости внутреннего воздушного потока из-за неполного совпадения направления векторов скорости различных потоков, (так как поверхность взаимодействия потоков находится на разном удалении от выходных кромок внешнего и внутреннего каналов). А при угле установки лопаток отличающимся более чем на 15 градусов происходит интенсивное снижение окружной скорости внутреннего воздушного потока из-за воздействия на него обратного течения от более высокорасходного внешнего канала. При этом снижение окружной скорости вблизи оси модуля форсунок в любом случае снижает размеры и интенсивность зоны обратных токов являющейся к тому же зоной стабилизации пламени. Все это отрицательно сказывается на основных характеристиках камеры сгорания, таких как границы воспламенения и бедного срыва пламени.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- разработана конструкция модуля форсунок, работающая на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном, судовом или дизельном, которая обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах для реактивных двигателей;
x
- обеспечена эмиссия вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью, например дизельном, на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции модуля форсунок для сжигания топлива с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя и ее работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1 и фиг.2, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания газотурбинного двигателя с модулем форсунок;
на фиг.2 - элемент I на фиг.1;
Модуль форсунок для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит (см. фиг.1 и 2) систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный внутренний топливный канал 1 с магистралью 2 подвода топлива на входе, завихрителем 3 внутри, камерой 4 закручивания топлива, суживающимся участком 5 и соплом 6 на выходе. Относительно аксиального топливного канала 1, коаксиально размещен связанный с ним через стенку 7 с острой кромкой 8 на выходе воздушный внутренний суживающийся канал 9 с лопаточным завихрителем 10 внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом 9, связанный с ним через стенку 11 с острой кромкой 12 на выходе, топливный внешний суживающийся канал 13 с магистралью 14 подвода топлива на входе и завихрителем 15 внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом 13 коаксиально расположен, связанный с ним через стенку 16 с острой кромкой 17 на выходе, воздушный внешний суживающийся канал 18 с лопаточным завихрителем 19 внутри, ограниченный наружной стенкой 20. Закрутка завихрителей 10 и 19 воздушных каналов 9 и 18 и завихрителей 3 и 15 топливных каналов 1 и 13 направлена в одну сторону. Площадь проходного сечения воздушного внутреннего канала 9 составляет от 25 до 35 процентов суммарной площади воздушных внутреннего и внешнего каналов 9 и 18. Сопло 6 аксиального топливного канала 1 на выходе дополнено расширяющейся частью 21, причем суммарный угол α расширяющейся части 21 сопла 6 на выходной кромке 8 превышает расчетный угол раскрытия топливной пелены из этого сопла 6 на величину от 5 до 10 градусов. Воспламенение подготовленной ТВС осуществляют с помощью воспламенителей 22.
Модуль форсунок для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки жидкого топлива, которые обеспечивают получение однородно перемешанной воздухом распыленной в зоне сгорания камеры пелены топлива с обеспечением малых размеров жидких капель. Здесь также достигают дополнительный выигрыш в энергетике насосов за счет низких потребных давлений подачи топлива.
В начальный момент времени (на режиме запуска двигателя) через модуль (см. фиг.1 и фиг.2) подают небольшой, но достаточный для работы камеры сгорания поток воздуха. В модуле форсунок воздух проходит воздушный внутренний канал 9 с завихрителем 10 и внешний канал 18 с завихрителем 19.
На режиме запуска топливо через магистраль 2 подают только в аксиальный канал 1. В канале 1 топливо закручивают шнековым завихрителем 3 и через камеру закручивания 4, а затем суживающуюся часть 5 и через расширяющуюся часть 21 сопла 6 подают в зону горения камеры сгорания. На выходной кромке 8 расширяющейся части 21 сопла 6 поток топлива раскрывается в коническую пелену. Срываясь с кромки 8 топливная пелена распадается на мелкие капли под действием внешних турбулизированных потоков воздуха прошедших каналы 9 и 18. Подготовленную ТВС поджигают воспламенителем 22.
При переходе на режимы повышенной мощности топливо дополнительно через магистраль 14 подают в канал 13 с завихрителем 15 внутри. В канале 13 топливо закручивают шнековым завихрителем 15 и по описанному выше принципу направляют с распыливающей кромки 17 стенки 16 в виде второй пелены в камеру сгорания. Срываясь с острой кромки 17 стенки 16 топливная пленка дробиться на капли между двух закрученных турбулизированных потоков воздуха прошедших воздушные каналы 9 и 18. Полученную в основном контуре ТВС подают в зону горения камеры, где она воспламеняется от продуктов сгорания топлива поступившего в камеру из аксиального канала 1 вспомогательного контура. Предварительная подготовка закрученных турбулизированных воздушных потоков в воздушных каналах 9 и 18 и закрученных потоков жидкого топлива вспомогательного и основного контуров обеспечивает высокую эффективность распыла топлива нормальной и повышенной вязкости, например реактивного или дизельного, увеличивает поверхность контакта топлива и воздуха и сокращает скорость испарения жидких капель.
Модуль форсунок гарантирует достижение основных показателей и характеристик камер сгорания не ниже показателей и характеристик камер сгорания работающих на топливах только для реактивных двигателей.
x
Горелка позволяет сохранить эмиссию вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.