УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВ РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТИ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания и может быть использована для распыливания топливовоздушной смеси в малоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок и турбореактивных двигателей, работающих на углеводородных и альтернативных видах топлива.
Известны устройства для распыливания топлива в камере сгорания, содержащие полый цилиндрический корпус с лопаточным завихрителем воздуха, размещенным на наружной поверхности корпуса, полую втулку с уплотнительной поверхностью, неподвижно установленную в полости корпуса с образованием топливопровода, состоящего из канала подвода топлива, топливной камеры и завихрителя топлива, и цилиндрический сопловой насадок, установленный на корпусе со стороны камеры сгорания и сопряженный своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью лопаточного завихрителя с образованием воздушного тракта, сообщенного через сопловое отверстие насадка с камерой сгорания, причем топливная камера сообщена с каналами завихрителя топлива, выполненными в виде канавок на уплотнительной поверхности полой втулки и тангенциально расположенными относительно оси корпуса (патент РФ №2382942)
В известном устройстве полая втулка имеет воздухоподводящие каналы, сообщенные с каналами завихрителя топлива и подключенные через внутреннюю полость втулки и управляемый клапан к источнику сжатого воздуха. При работе устройства на определенных режимах в поток топлива подается газ под давлением для вспенивания топлива перед его подачей в камеру сгорания. За счет вспенивания топлива сокращается время распыливания и испарения топлива при подаче его в основной поток воздуха, нагнетаемого через завихритель воздуха в камеру сгорания.
Недостатком известного устройства является то, что при работе камеры сгорания на низких оборотах двигателя, т.е. на частичных режимах работы камеры сгорания, эффективность вспенивания топлива резко снижается, так как простая подача потока газа в поток топлива в каналах завихрителя топлива приводит только к перемешиванию потока топлива с газом и расщеплению потока топлива на несколько струй меньшего диаметра без процесса вспенивания топлива и достаточного перемешивания его с подаваемым газом. При этом увеличивается время распыливания и испарения топлива, уменьшается стабильность горения факела топливовоздушной смеси в камере сгорания, особенно на частичных режимах ее работы, и увеличивается количество вредных компонентов в выхлопных газах.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания, содержащие полый цилиндрический корпус с лопаточным завихрителем воздуха, размещенным на наружной поверхности корпуса, и сопловым отверстием, выполненным в торцевой стенке корпуса со стороны камеры сгорания, полую втулку с уплотнительной поверхностью, неподвижно установленную в полости корпуса с образованием топливопровода, состоящего из канала подвода топлива, топливной камеры, завихрителя топлива и вихревой камеры, расположенной со стороны торцевой стенки корпуса, и цилиндрический сопловой насадок, установленный на корпусе со стороны камеры сгорания и сопряженный своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью лопаточного завихрителя воздуха с образованием воздушного тракта, сообщенного через сопловое отверстие насадка с камерой сгорания, причем топливная камера сообщена с камерой закручивания топлива через каналы завихрителя топлива, тангенциально расположенные относительно оси корпуса, а полая втулка имеет воздухоподводящие каналы, сообщенные с топливопроводом и подключенные через внутреннюю полость втулки и управляемый клапан к источнику сжатого воздуха (патент РФ №2309329).
В этом устройстве газ подается в каналы завихрителя топлива, из которых топливо, смешанное с пузырьками газа, попадает в вихревую камеру, где расширение газовых пузырьков приводит к измельчению топливных капель, вспениванию топлива и более равномерному перемешиванию топлива с газом на всех рабочих режимах камеры сгорания при использовании углеводородных топлив нормальной вязкости.
Но при использовании топлива с высокими значениями вязкости в этом устройстве струя топлива разбившаяся в результате взаимодействия с воздушным потоком на несколько струй меньшего диаметра попадает в камеру закручивания топлива, где возникает вероятность скопления крупных капель топлива и дальнейшего оседания их на стенках кольцевого сопла центральной части до момента распыливания в камеру сгорания. Капли топлива, скопившиеся на срезе сопла попадая в топливовоздушную смесь, содержащую более мелкие частицы топлива, снижают равномерность и качество ее распыливания, что приведет к снижению стабильности горения факела в камере сгорания и увеличению вредных выбросов в атмосферу.
Таким образом, недостатком известного устройства является ограниченные возможности его использования для работы камеры сгорания на углеводородных топливах с высоким значением вязкости, а также на альтернативных видах топлива, в частности на биотопливах.
Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является обеспечение высокой полноты сгорания и снижение выброса вредных веществ при работе устройства на углеводородных топливах с высоким значением вязкости и альтернативных видах топлива.
Техническим результатом, полученным в результате решения поставленной задачи, является создание универсального устройства для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания, позволяющего обеспечить высокую степень равномерности перемешивания топлива с воздухом перед подачей топливовоздушной смеси в камеру сгорания на всех рабочих режимах камеры сгорания при использовании углеводородных топлив с высоким значением вязкости и альтернативных видов топлива.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в устройстве для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания, содержащим полый цилиндрический корпус с лопаточным завихрителем воздуха, размещенным на наружной поверхности корпуса, и сопловым отверстием, выполненным в торцевой стенке корпуса со стороны камеры сгорания, полую втулку с уплотнительной поверхностью, неподвижно установленную в полости корпуса с образованием топливопровода, состоящего из канала подвода топлива, топливной камеры, завихрителя топлива и вихревой камеры, расположенной со стороны торцевой стенки корпуса, и цилиндрический сопловой насадок, установленный на корпусе со стороны камеры сгорания и сопряженный своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью лопаточного завихрителя воздуха с образованием воздушного тракта, сообщенного через сопловое отверстие насадка с камерой сгорания, причем топливная камера сообщена с вихревой камерой через каналы завихрителя топлива, тангенциально расположенные относительно оси корпуса, а полая втулка имеет воздухоподводящие каналы, сообщенные с топливопроводом и подключенные через внутреннюю полость втулки и управляемый клапан к источнику сжатого воздуха, согласно полезной модели торцевая стенка корпуса выполнена конусообразной, сопловое отверстие корпуса расположено в вершине конусной поверхности торцевой стенки, снабженной дополнительными отверстиями для сообщения камеры закручивания топлива с воздушным трактом, завихритель топлива выполнен в виде шнековых каналов, расположенных на уплотнительной поверхности втулки, а топливная камера выполнена в виде, по меньшей мере, двух выемок, выполненных на уплотнительной поверхности втулки и сообщенных с шнековыми каналами, причем каждая выемка снабжена двумя пазами, расположенными на противоположных сторонах каждой выемки, один из которых сообщен с каналом подвода топлива, а другой - с одним из воздухоподводящих каналов, причем пазы, сообщенные с воздухоподводящими каналами, снабжены барботерами.
Барботеры могут быть выполнены в виде пластин с калиброванными отверстиями, а цилиндрический корпус может быть снабжен калиброванными отверстиями по числу полостей топливной камеры, расположенными между выходными кромками лопаток завихрителя воздуха с возможностью сообщения полостей топливной камеры с воздушным трактом.
Управляемый клапан может быть выполнен в виде обратного клапана с подпружиненным запорным элементом, установленным во внутренней полости втулки.
Торцевая часть соплового насадка, обращенная к камере сгорания, может быть выполнена конусообразной и снабжена сквозными отверстиями, равномерно расположенными по окружности поперечного сечения торцевой части, для обогащения периферийной части топливовоздушного факела, а также дополнительными сквозными отверстиями, равномерно расположенными по окружности поперечного сечения торцевой части, для устранения окружной неравномерности распределения топливовоздушной смеси, причем диаметр дополнительных отверстий в два раза меньше диаметра отверстий для обогащения периферийной части топливовоздушного факела.
Существо полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлено осевое сечение устройства для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания;
на фиг. 2 представлено поперечное сечение устройства для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания;
на фиг. 3 - общий вид устройства для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания;
на фиг. 4 - общий вид полой втулки.
Устройство для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания, содержит полый цилиндрический корпус 1 с лопаточным завихрителем воздуха 2, размещенным на наружной поверхности корпуса 1, и сопловым отверстием 3, выполненным в торцевой стенке корпуса 4 со стороны камеры сгорания 5. В полости корпуса 1 неподвижно установлена полая втулка 6 с уплотнительной поверхностью 7 с образованием топливопровода, состоящего из канала подвода топлива 8, топливной камеры 9, завихрителя топлива 10 и вихревой камеры 11, расположенной со стороны торцевой стенки корпуса 4, которая выполнена конусообразной, а сопловое отверстие 3 расположено в вершине конусной поверхности торцевой стенки 4.
Полая втулка 6 имеет воздухоподводящие каналы 12, подключенные к источнику сжатого воздуха 13 через внутреннюю полость втулки 14 и управляемый клапан 15.
Завихритель топлива 10 выполнен в виде шнековых каналов 16, расположенных на уплотнительной поверхности 7 полой втулки 6 тангенциально относительно оси корпуса 1 и сообщающих топливную камеру 9 с вихревой камерой 11. Топливная камера 9 выполнена в виде, по меньшей мере, двух выемок 17, расположенных на уплотнительной поверхности втулки 7 и сообщенных с шнековыми каналами 16, причем каждая выемка 17 снабжена двумя пазами 18 и 19, расположенными на противоположных сторонах каждой выемки 17, один из которых 18 сообщен с каналом подвода топлива 8, а другой 19 - с одним из воздухоподводящих каналов 12, причем пазы 19, сообщенные с воздухоподводящими каналами 12, снабжены барботерами 20, которые могут быть выполнены в виде пластин 21 с калиброванными отверстиями 22.
Цилиндрический сопловой насадок 23, установленный на корпусе 1 со стороны камеры сгорания 5 и сопряженный своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью лопаточного завихрителя воздуха 2 с образованием воздушного тракта 24, сообщенного через сопловое отверстие насадка 25 с камерой сгорания 5. Для сообщения вихревой камеры 11 с воздушным трактом 24 в торцевой стенке корпуса 4 выполнены калиброванные отверстия 26.
В цилиндрическом корпусе 1 могут быть выполнены калиброванные отверстия 27 по числу выемок 17 топливной камеры 9, расположенные между выходными кромками лопаток завихрителя воздуха 2 с возможностью сообщения выемок 17 с воздушным трактом 24.
Управляемый клапан 15 может быть выполнен в виде обратного клапана с подпружиненным запорным элементом 28, установленным во внутренней полости втулки 14.
Торцевая часть 29 соплового насадка 23, обращенная к камере сгорания 5, может быть выполнена конусообразной и снабжена сквозными отверстиями 30, равномерно расположенными по окружности поперечного сечения конусообразной торцевой части 29 соплового насадка 23, для обогащения периферийной части топливовоздушного факела и дополнительными сквозными отверстиями 31, равномерно расположенными по окружности поперечного сечения конусообразной торцевой части 29 соплового насадка 23, для устранения окружной неравномерности распределения топливовоздушной смеси, причем диаметр дополнительных отверстий 31 в два раза меньше диаметра отверстий 30 для обогащения периферийной части топливовоздушного факела.
Устройство работает по двум схемам распыливания топлива в камеру сгорания:
при работе камеры сгорания 5 на топливе со стандартным значением вязкости устройство работает в режиме обычной центробежно-пневматической форсунки без подачи воздуха под давлением в топливную камеру 9;
при работе камеры сгорания 5 на углеводородных топливах с высоким значением вязкости или альтернативных видах топлива оно перед подачей в камеру сгорания 5 барботируется сжатым воздухом, подаваемым в топливную камеру 9.
Топливо подается по каналу подвода топлива 8 через пазы 18 в выемки 17 топливной камеры 9, из которых часть топлива через калиброванные отверстия 27, расположенные между выходными кромками лопаток завихрителя воздуха 2, подается в воздушный тракт 24 и смешивается с воздухом, нагнетаемым через лопаточный завихритель воздуха 2. Остальная часть топлива из выемок 17 по шнековым каналам 16 подается в вихревую камеру 11, откуда закрученный поток топлива через сопловое отверстие 3 в виде конусной пелены поступает к сопловому отверстию насадка 25 и смешиваясь с потоком топливовоздушной смеси подается в камеру сгорания 5. Одновременно часть топлива из вихревой камеры 11 через калиброванные отверстия 26 впрыскивается на конусообразную поверхность торцевой части 28 соплового насадка 23, дробится и смешивается с воздушным потоком в воздушном тракте 24, обогащая топливовоздушную смесь, подаваемую в камеру сгорания 5 через сопловое отверстие насадка 25.
Для обеспечения гомогенизации смеси и повышения равномерности распределения топливовоздушной смеси в образующемся в камере сгорания 5 факеле служат сквозные отверстия 30 и дополнительные отверстия 31, выполненные на конусообразной поверхности торцевой части 29 соплового насадка 23.
При работе камеры сгорания 5 на углеводородных топливах с высоким значением вязкости или альтернативных видах топлива воздух от источника сжатого воздуха 13 через внутреннюю полость втулки 14 подается к управляемому клапану 15, отжимает подпружиненный запорный элемент 28 и по воздухоподводящим каналам 12 и пазам 19 подводится к барботеру 20. Проходя через калиброванные отверстия 22 барботера 20 поток воздуха дробится на мелкие струйки и при взаимодействии со встречно направленным потоком топлива в выемках 17 насыщает топливо пузырьками воздуха. При попадании топлива, насыщенного пузырьками воздуха, в воздушный тракт 24 через калиброванные отверстия 27 в цилиндрическом корпусе 1 и калиброванные отверстия 26 в торцевой стенке 4, а также при впрыске топлива из вихревой камеры 11 через сопловое отверстие 3 происходит эффективное дробление и распыливание топлива в результате резкого расширения воздуха в пузырьках.
Такое выполнение устройства для распыливания топлив различной вязкости в камере сгорания позволяет обеспечить высокую степень равномерности перемешивания топлива с воздухом перед подачей топливовоздушной смеси в камеру сгорания на всех рабочих режимах камеры сгорания при использовании углеводородных топлив с высоким значением вязкости и альтернативных видов топлива.
Применение данного устройства в малоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных двигателей, а также при экстремальных условиях эксплуатации, обеспечивает уверенный розжиг камеры сгорания, высокую полноту сгорания топлива и снижении эмиссии вредных выбросов в окружающую среду.