Форсуночный модуль камеры сгорания

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям (ГТД), в частности к конструкциям форсуночных модулей камер сгорания, и может быть использована в кольцевых многофорсуночных камерах сгорания авиационных ГТД и наземных установок.
В настоящее время для создания малоэмиссионных камер сгорания разрабатываются схемы камер сгорания, в которых используются форсуночные модули с увеличенным количеством поступающего через них воздуха для создания бедной гомогенной топливовоздушной смеси за счет предварительного смешения топлива и воздуха в камере сгорания.
Известен форсуночный модуль камеры сгорания ГТД (US 20090255258, 2009 г.), содержащий внутренний корпус с втулкой, размещенной в центральном отверстии корпуса, с образованием по меньшей мере части центрального воздушного канала, узел подачи топлива, лопаточный завихритель воздуха, сопряженный с внутренним корпусом, внешний корпус и выпускное устройство. Центральный воздушный канал содержит осевой внутренний завихритель воздуха на входе. Узел подачи топлива включает канал подвода топлива, топливную полость, осевой топливный завихритель и выходной элемент.
Известен форсуночный модуль камеры сгорания ГТД (US 7926282, 2011 г.), содержащий внутренний корпус с втулкой, размещенной в центральном отверстии корпуса, с образованием по меньшей мере части центрального воздушного канала, узел подачи топлива, лопаточный завихритель воздуха, сопряженный с внутренним корпусом, внешний корпус и выпускное устройство. Центральный воздушный канал содержит осевой внутренний завихритель воздуха, который включает сквозной воздушный канал. Узел подачи топлива включает канал подвода топлива, топливную полость, осевой топливный завихритель и выходной элемент.
В известных технических решениях топливо поступает в топливную полость через канал подвода топлива. В топливной полости расположен осевой топливный завихритель, обеспечивающий вращательное движение топлива, за счет которого топливо далее прижимается к внутренней кольцевой конической поверхности внутреннего корпуса, образуя топливную пленку. С внутренней и наружной стороны на топливную пленку воздействует закрученный поток воздуха, поступающий из внутреннего и лопаточного завихрителей воздуха, вызывая возмущение на топливной пленке, которое приводит к дроблению ее на капли.
Общим недостатком указанных выше технических решений является расположение в топливном канале осевого топливного завихрителя, который на низких перепадах давления не обеспечивает достаточную эффективность закрутки топлива, что приводит к снижению степени гомогенности топливовоздушной смеси и как следствие к повышению образования эмиссии вредных веществ.
Также стоит отметить, что наличие сквозного воздушного канала во внутреннем завихрителе воздуха (US 7926282, 2011 г.) уменьшает зону обратных токов за счет поступления через него незакрученного потока воздуха, что в свою очередь приводит к ухудшению стабилизации пламени.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является техническое решение (RU 170359, 2017 г.), где форсуночный модуль камеры сгорания ГТД содержит внутренний корпус с втулкой, размещенной в центральном отверстии корпуса, с образованием по меньшей мере части центрального воздушного канала, узел подачи топлива, лопаточный завихритель воздуха, сопряженный с внутренним корпусом, внешний корпус и выпускное устройство, причем центральный воздушный канал ограничен внутренним завихрителем воздуха на входе по оси канала и соплом с торцевой кромкой на выходе, внутренний завихритель воздуха образован тангенциальными каналами и расположен соосно относительно втулки, узел подачи топлива включает канал подвода топлива, топливную полость и выходной элемент. Форсуночный модуль камеры сгорания ГТД также содержит среднее суживающееся сопло и обтекатель, который имеет внутреннюю кольцевую полость, сообщающуюся отверстиями с полостью за лопаточным завихрителем. Выпускное устройство соединено с внешним корпусом и снабжено завихрителем воздуха с поперечным оси устройства набором тангенциальных воздушных каналов.
Известное техническое решение работает следующим образом. При подготовке топливовоздушной смеси воздух подают в тангенциальные каналы внутреннего завихрителя центрального канала, лопаточный завихритель и тангенциальные воздушные каналы завихрителя выпускного устройства. Одновременно подают топливо в центральный воздушный канал и внутреннюю полость обтекателя. Часть воздуха, закрученная в лопаточном завихрителе, приобретает осевую скорость и через отверстия в обтекателе выдувает топливо. Закрученная в лопаточном завихрителе основная часть воздуха поступает в среднее сопло и затягивает струи топлива, поступающие из обтекателя, к торцевой кромке сопла, дробя их на мелкие капли и образуя гомогенную топливовоздушную смесь. В центральном канале воздух движется в сторону сопла, сдувая топливо к торцевой кромке на выходе. Закрученные потоки топливовоздушной смеси из центрального канала и среднего сопла, смешиваясь, формируют гомогенную смесь.
Недостатком указанного технического решения является неравномерность подачи топлива в окружном направлении из-за одновременной подачи топлива в центральный воздушный канал и внутреннюю полость обтекателя. Выполненный центральный воздушный канал не позволяет сохранить скорость закрутки воздуха, поступающего из внутреннего завихрителя воздуха, по всей длине канала, что приводит к не эффективному дроблению топлива, поступающего из выходного элемента узла подачи топлива. Данная схема подачи топлива (струйная подача) на низких перепадах давления теряет эффективность распыливания топлива, что приводит к снижению степени гомогенности топливовоздушной смеси и как следствие к повышению образования эмиссии вредных веществ.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в снижении эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в равномерном распределении топлива в потоке за форсуночным модулем при работе на низких перепадах давления.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что форсуночный модуль камеры сгорания содержит внутренний корпус с втулкой, размещенной в центральном отверстии корпуса, с образованием по меньшей мере части центрального воздушного канала, узел подачи топлива, лопаточный завихритель воздуха, сопряженный с внутренним корпусом, внешний корпус и выпускное устройство, причем центральный воздушный канал ограничен внутренним завихрителем воздуха на входе по оси канала и соплом с торцевой кромкой на выходе, внутренний завихритель воздуха образован тангенциальными каналами и расположен соосно относительно втулки, узел подачи топлива включает канал подвода топлива, топливную полость и выходной элемент, причем внутренний завихритель воздуха установлен во внутреннем корпусе и снабжен цилиндрическим хвостовиком, внутренняя стенка которого формирует часть центрального воздушного канала, причем между внутренней стенкой втулки и внешней стенкой хвостовика сформирован воздушный тепловой экран в виде вытянутой по оси центрального воздушного канала цилиндрической полости, топливная полость, выполненная в виде кольцевого канала с установленным в нем шнековым завихрителем, выходной элемент снабжен радиальным завихрителем с шестью сужающимися ближе к выходу топливными каналами, длина центрального воздушного канала относится к длине тангенциальных каналов внутреннего завихрителя не более чем как три к одному, лопаточный завихритель воздуха выполнен в виде двухъярусного завихрителя, выходная часть которого расположена на расстоянии 12-16 мм относительно торца внешнего полого корпуса, внутренняя полость двухъярусного завихрителя выполнена в виде сужающе-расширяющего канала, в первом ярусе завихрителя выполнены восемь прямоугольных, скругленных по углам тангенциальных каналов, образующих воздушный тангенциальный завихритель, во втором ярусе расположен осевой шестизаходный лопаточный завихритель с профилированными лопатками.
Существенность отличительных признаков форсуночного модуля камеры сгорания подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая полезную модель, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата. А именно:
выполнение воздушного теплового экрана в виде вытянутой по оси центрального воздушного канала цилиндрической полости и расположенного между внутренней стенкой втулки и внешней стенкой хвостовика обеспечивает защиту топлива от теплового воздействия;
расположение внутреннего завихрителя воздуха во внутреннем корпусе обеспечивает эффективную закрутку потока воздуха, а выполнение его с цилиндрическим хвостовиком, внутренняя стенка которого формирует часть центрального воздушного канала, позволяет сохранить на выходе ту же закрутку, что и на входе;
выполнение длины центрального воздушного канала не более чем как три к одному относительно длины тангенциальных каналов внутреннего завихрителя обеспечивает неизменную скорость потока воздуха на входе центрального воздушного канала и на выходе из него;
выполнение топливной полости в виде кольцевого канала с установленным в нем шнековым завихрителем и выходного элемента с радиальным завихрителем с шестью сужающимися ближе к выходу топливными каналами позволяет уменьшить потери топлива на трения о стенки топливных каналов и позволяет сохранить закрутку топливного потока;
выполнение лопаточного завихрителя воздуха в виде двухъярусного завихрителя, выходная часть которого расположена на расстоянии 12-16 мм относительно торца внешнего полого корпуса, внутренняя полость которого выполнена в виде сужающе-расширяющего канала дает безотрывное течение воздушного потока;
размещение восьми прямоугольных, скругленных по углам тангенциальных каналов, образующих воздушный тангенциальный завихритель, в первом ярусе завихрителя обеспечивает колебания на поверхности пленки, которые приводят к процессу дробления пленки на капли;
расположение осевого шестизаходного лопаточного завихрителя с профилированными лопатками во втором ярусе обеспечивает дополнительное дробление капель и способствует равномерному распределению их в потоке воздуха.
Таким образом, положительный эффект, обеспечиваемый каждым из существенных признаков предлагаемой полезной модели, в совокупности позволяет получить равномерное распределение топлива в потоке за форсуночным модулем при работе на низких перепадах давления.
Предложенное техническое решение поясняется последующим подробным описанием конструкции форсуночного модуля камеры сгорания и его работы со ссылкой на фиг. 1-5, где:
на фиг. 1 изображена схема форсуночного модуля;
на фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1, где представлена схема внутреннего завихрителя воздуха;
на фиг. 3 изображена схема узла подачи топлива;
на фиг. 4 изображен разрез Б-Б на фиг. 1, где представлена схема радиального завихрителя;
на фиг. 5 изображен разрез В-В на фиг. 1, где представлена схема воздушного тангенциального завихрителя.
Форсуночный модуль камеры сгорания содержит внутренний корпус 1 с втулкой 2, размещенной в центральном отверстии корпуса 1, с образованием по меньшей мере части центрального воздушного канала 3, узел 4 подачи топлива, лопаточный завихритель 5 воздуха, сопряженный с внутренним корпусом 1, внешний корпус 6 и выпускное устройство 7 (см. фиг. 1). Центральный воздушный канал 3 ограничен внутренним завихрителем 8 воздуха на входе по оси канала 3 и соплом 9 с торцевой кромкой 10 на выходе. Внутренний завихритель 8 воздуха образован тангенциальными каналами 11 и расположен соосно относительно втулки 2 (см. фиг. 2). Узел 4 подачи топлива включает канал 12 подвода топлива, топливную полость 13 и выходной элемент 14 (см. фиг. 3). Внутренний завихритель 8 воздуха установлен во внутреннем корпусе 1 и снабжен цилиндрическим хвостовиком 15, внутренняя стенка которого формирует часть центрального воздушного канала 3. Между внутренней стенкой втулки 2 и внешней стенкой хвостовика 15 сформирован воздушный тепловой экран 16 в виде вытянутой по оси центрального воздушного канала 3 цилиндрической полости.
Топливная полость 13 выполнена в виде кольцевого канала с установленным в нем шнековым завихрителем 17, на котором расположены шесть U-образных проточек (см. фиг. 3, 4). Выходной элемент 14 снабжен радиальным завихрителем 18 с шестью сужающимися ближе к выходу топливными каналами 19. Длина центрального воздушного канала 3 относится к длине тангенциальных каналов 11 внутреннего завихрителя 8 не более чем как три к одному.
Лопаточный завихритель 5 воздуха выполнен в виде двухъярусного завихрителя, выходная часть 20 которого расположена на расстоянии 12-16 мм относительно торца 21 внешнего полого корпуса 6. Внутренняя полость 22 двухъярусного завихрителя 5 выполнена в виде сужающе-расширяющего канала.
В первом ярусе завихрителя 5 выполнены восемь прямоугольных, скругленных по углам тангенциальных каналов 23, образующих воздушный тангенциальный завихритель 24 (см. фиг. 5).
Во втором ярусе завихрителя 5 расположен осевой шестизаходный лопаточный завихритель 25 с профилированными лопатками 26 (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
При работе форсуночного модуля, одновременно используется несколько механизмов распыливания топлива: начальный - ценробежный, переходящий в пленочный, а в конечной фазе в пневматический, который обеспечивает получение однородной перемешанной с воздухом и распыленной за торцем21 внешнего полого корпуса 6 камеры сгорания топливной пелены, образующей монодисперсные капли.
На режиме запуска двигателя, через форсуночный модуль подают небольшой, но при этом достаточный для работы камеры сгорания поток воздуха. В форсуночном модуле, часть воздушного потока протекает через тангенциальные каналы 11 внутреннего завихрителя 8 и дальше движется в закрученном состоянии по центральному воздушному каналу 3 и соплу 9. В это же время, топливо поступает в канал 12 подачи топлива и через снабженное отверстие 27 во внутреннем корпусе 1, попадает в топливную полость 13, выполненную в виде кольцевого канала с установленным в нем шнековым завихрителем 17 (фиг. 1, 3). За счет шнекового завихрителя 17 топливо закручивается и равномерно распределятся в топливной полости 13. Заполнив топливную полость 13, топливо движется к выходному элементу 14. Далее, топливо втекает в предусмотренный в выходном элементе 14 радиальный завихритель 18 заполняя равномерно шесть сужающихся ближе к выходу топливных каналов 19 (фиг. 4). Под действием центробежной силы и воздушного разряжения, на наружной кольцевой конической поверхности 28 втулки 2 сужающейся к оси форсуночного модуля, топливо, вытекающее из каналов 19, прижимается к внутренней кольцевой конической поверхности 29 корпуса 1 сужающейся к оси форсуночного модуля и распределяется равномерно, образуя топливную пленку, продолжая движение дальше (фиг. 3, 4). На срезе 30 цилиндрической поверхности 31, воздух с максимальной тангенциальной скоростью, из центрального воздушного канала 3, прижимает сформировавшуюся на внутренней кольцевой конической поверхности 29 топливную пленку к соплу 9, за счет разности диаметров цилиндрической поверхности 31 и сопла 9 пленка истончается и продолжает движение к торцевой кромке 10 сопла 9.
На пленку, срывающуюся с торцевой кромки 10, начинает воздействовать закрученный поток воздуха, сформированный восемью прямоугольными, скругленными по углам тангенциальными каналами 23, образующими воздушный тангенциальный завихритель 24, создающий колебания на поверхности пленки, которые приводят к процессу дробления пленки на капли. Сужающе-расширяющейся канал выполнен во внутренней полости 22 двухъярусного завихрителя 5, позволяет минимизировать отрывы закрученного потока и обеспечивает, тем самым, непопадание аэрозоля на внутреннею поверхность полости 22. Таким образом, капли в закрученном потоке циркулируют дальше.
Конечная фаза дробления и получения монодисперсного аэрозоля происходит в начале выпускного устройства 7, с помощью осевого шестизаходного лопаточного завихрителя 25, в то же время, он распределяет топливо равномерно в потоке и позволяет получить на выходе из форсуночного модуля гомогенизированную топливовоздушную смесь.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность распыливания топлива за счет равномерного распределения топлива в потоке за форсуночным модулем при работе на низких перепадах давления, что обеспечивает снижение эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания топлива.