Форсунка и способ предварительного смешения с использованием этой форсунки

 

Изобретение относится к форсункам, обеспечивающим предварительное смешение топлива и воздуха для камер сгорания газотурбинных установок. В топливной форсунке топливораздающие каналы ориентированы и расположены относительно заднего конца смежной цилиндрической секции таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме истекающее из них топливо не способствует поддержанию горения внутри смесительной камеры по истечении ограниченного периода при соотношениях топливо-воздух ниже определенного порогового соотношения. Изобретение позволяет предотвратить появление пламени внутри смесительной камеры форсунки, упростить конструкцию и снизить вредные выбросы в атмосферу. 2 с. п 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к форсункам, обеспечивающим предварительное смешение топлива и воздуха для камер сгорания газотурбинных установок, и, более конкретно, к форсунке с предварительным смешением топлива и воздуха, обладающей улучшенной способностью подавления пламени при его возникновении внутри форсунки. Изобретение относится также к способу предварительного смешения топлива и воздуха с использованием этой форсунки.

Промышленные газотурбинные установки типа используемых для выработки электроэнергии или в качестве промышленных энергетических установок должны удовлетворять жестким правилам в отношении содержания в выхлопе вредных газов, прежде всего оксидов азота (N_ох), оксида углерода (CO) и несгоревших углеводородов. Чтобы минимизировать нежелательные выбросы, промышленные газовый турбины оснащаются форсунками с предварительным смешением, в которых топливо и воздух полностью смешиваются перед подачей их в камеру сгорания, и сжиганием. Полное предварительное смешение топлива и воздуха обеспечивает однородно низкую температуру пламени, что является обязательным условием подавления образования (N_ох) и способствует полному сгоранию топлива.

Одним из вариантов топливной форсунки с предварительным смешением является форсунка с тангенциальной подачей топлива. Примеры форсунок с тангенциальной подачей топлива для газотурбинных установок приведены в патентах США N 5307643, N 5402633, N 5461865 и N 5479773, которые все принадлежат заявителю данного изобретения. Эти топливные форсунки содержат смесительную камеру (камеру смешения), ограниченную в радиальном направлении центральным компонентом (вставкой), расположенным на оси форсунки, и парой цилиндрических секций. Секции взаимно смещены в радиальном направлении для того, чтобы сформировать пару впускных щелей, через каждую из которых осуществляется тангенциальная подача потока воздуха в смесительную камеру. В каждой цилиндрической секции имеется набор радиальных топливораздающих каналов для подачи топлива во входной поток воздуха. Воздух и топливо поступают в смесительную камеру, завихряются (закручиваются) вокруг центральной вставки внутри смесительной камеры и становятся полностью смешанными. Топливовоздушная смесь течет в продольном направлении через смесительную камеру и впрыскивается в камеру сгорания установки, в которой она воспламеняется и сгорает. Поскольку форсунка с тангенциальной подачей обеспечивает получение высокооднородной, полностью смешанной топливовоздушной смеси, такая форсунка особенно эффективна в отношении предотвращения образования N_ох и обеспечения полного сжигания топлива.

Помимо эффективного смешения топлива и воздуха форсунки с предварительным смешением должны обеспечивать целый ряд желательных характеристик. Например, такая форсунка должна способствовать пространственной и временной стабильности пламени в камере сгорания. При отсутствии такой стабильности камера сгорания будет подвергаться низкочастотным колебаниям давления, которые могут приводить к появлению напряжений, сокращающих срок ее службы. В дополнение, форсунка с предварительным смешением должна быть устойчивой в отношении образования пламени внутри форсунки. Это означает, что форсунка должна противодействовать всасыванию пламени из камеры сгорания и быстро подавлять любое пламя, которое преодолело противодействие всасыванию. Устойчивость к возникновению пламени важна, потому что воспламенение внутри смесительной камеры может легко повредить цилиндрические секции и центральную вставку, которые имеют ограниченную стойкость к воздействию высоких температур.

К сожалению, требования полного смешения топлива и воздуха, стабильности пламени и устойчивости к возникновению пламени часто взаимно противоречивы. Конструктивные решения, улучшающие одно из этих желательных свойств, часто ухудшают другое свойство или несколько других свойств. Как следствие, достижение эффективного сочетания полного смешения топлива и воздуха, высокой стабильности пламени и устойчивости к его образованию представляет собой весьма сложную техническую задачу.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание форсунки с предварительным смешением, обладающей повышенной способностью предотвращать появление пламени внутри смесительной камеры форсунки, но не за счет возрастания нежелательных газовых выбросов или ухудшения стабильности пламени в камере сгорания. Еще одна задача заключается в том, чтобы избежать излишнего усложнения конструкции и технологии производства форсунки с тангенциальной подачей топлива.

Задачей настоящего изобретения является также создание способа предварительного смешения топлива и воздуха в топливной форсунке, содержащей центральную вставку и по меньшей мере две цилиндрические секции, который обеспечивает предотвращение появления пламени внутри смесительной камеры форсунки без возрастания нежелательных газовых выбросов или ухудшения стабильности пламени в камере сгорания.

Поставленные задачи решаются тем, что топливная форсунка с предварительным смешением содержит центральную вставку и по меньшей мере две цилиндрические секции, расположенные с взаимным смещением по окружности, причем у каждой секции имеется передний конец и смещенный относительно него в периферийном направлении задний конец, который заканчивается задней кромкой, совокупность секций охватывает по окружности центральную вставку, ограничивая в радиальном направлении смесительную камеру, передний конец каждой секции и задний конец смежной с ней секции определяют в радиальном направлении наружный и внутренний края впускной щели для ввода потока воздуха в смесительную камеру, передний конец по меньшей мере одной цилиндрической секции снабжен набором распределенных по длине форсунки топливораздающих каналов, у каждого из которых имеется выходное отверстие для ввода топлива в поток воздуха, при этом форсунка, имеющая заданный режим работы, может работать также во внештатном режиме, характеризующемся наличием горения в смесительной камере, при этом определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены относительно заднего конца смежной цилиндрической секции таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме истекающее из них топливо не способствует поддержанию горения внутри смесительной камеры по истечении ограниченного периода при соотношениях топливо-воздух ниже определенного порогового соотношения.

При этом данный ограниченный период времени предпочтительно выбран достаточно коротким для того, чтобы предотвратить повреждение форсунки, делающее ее непригодной для длительного использования. Кроме того, этот ограниченный период времени целесообразно выбрать достаточно коротким для того, чтобы показатели качества форсунки при работе в установленном режиме после подавления горения превышали допустимые минимальные значения.

Одна из важных отличительных особенностей форсунки по настоящему изобретению заключается в том, что в ней определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме истекающее из них топливо не вносит никакого вклада в поддержание горения внутри смесительной камеры.

В частности, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме средние траектории струй топлива, истекающего из указанных каналов, доходят в периферийном направлении на уровне внутренней радиальной границы впускной щели не далее задней кромки смежной цилиндрической секции.

В одном из вариантов форсунки определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что когда форсунка работает во внештатном режиме, струи топлива, истекающего из этих каналов, попадают на смежную цилиндрическую секцию, например на поверхность ее заднего конца, а не проходят в радиальном направлении к центральной вставке. Таким образом, задний конец смежной цилиндрической секции действует в качестве физического барьера, ограничивающего при работе форсунки во внештатном режиме продвижение в радиальном направлении струй топлива, истекающего из определенных топливораздающих каналов.

В другом варианте передний конец по меньшей мере одной цилиндрической секции и задний конец смежной с ним секции оказывают аэродинамическое воздействие на струи топлива, истекающего из выбранных топливораздающих каналов для того, чтобы ограничить их продвижение в радиальном направлении, когда форсунка работает во внештатном режиме.

В частности, определенные топливораздающие каналы могут быть расположены таким образом, что их выходные отверстия смещены в периферийном направлении относительно выходной плоскости впускных щелей в сторону, противоположную направлению потока воздуха. Предпочтительно также расположить и ориентировать топливораздающие каналы таким образом, чтобы истекающие из них струи топлива при работе во внештатном режиме были неспособны достичь в радиальном направлении зоны сниженной скорости текучей среды вблизи центральной вставки. Предпочтительно также, чтобы скорость текучей среды в зоне сниженной скорости была недостаточна для того, чтобы выбросить пламя из смесительной камеры.

Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения форсунки по изобретению определенные топливораздающие каналы ориентированы таким образом, чтобы формировать струи топлива, по существу, в поперечном направлении относительно потока воздуха.

Поставленные задачи решаются также тем, что способ предварительного смешения топлива и воздуха в топливной форсунке предусматривает ввод потока воздуха в смесительную камеру форсунки через впускные щели и ввод струй топлива через выходные отверстия топливораздающих каналов в поток воздуха внутри смесительной камеры, причем форсунка содержит центральную вставку и по меньшей мере две цилиндрические секции, расположенные с взаимным смещением по окружности, причем у каждой секции имеется передний конец и смещенный относительно него в периферийном направлении задний конец, который заканчивается задней кромкой, совокупность секций охватывает по окружности центральную вставку, ограничивая в радиальном направлении смесительную камеру, передний конец каждой секции и задний конец смежной с ней секции определяют в радиальном направлении наружный и внутренний края впускной щели, передний конец по меньшей мере одной цилиндрической секции снабжен набором распределенных по длине форсунки топливораздающих каналов, у каждого из которых имеется выходное отверстие, при этом форсунка, имеющая заданный режим работы, может работать также во внештатном режиме, характеризующемся наличием горения в смесительной камере, при этом струи топлива из определенных топливораздающих каналов подают и направляют таким образом, чтобы они проходили в радиальном направлении не более ограниченного расстояния при работе форсунки в заданном режиме и не способствовали поддержанию горения внутри смесительной камеры при работе во внештатном режиме по истечении ограниченного периода при соотношениях топливо-воздух ниже определенного порогового соотношения.

Главное преимущество, создаваемое настоящим изобретением, - это способность форсунки подавлять пламя внутри смесительной камеры без увеличения выбросов и ухудшения стабильности пламени в камере сгорания, а также без излишнего усложнения конструкции форсунки и технологии ее производства.

Фиг. 1 представляет перспективное изображение форсунки с предварительным смешением, в разрезе, предназначенной для промышленной газотурбинной установки.

Фиг. 2 представляет собой вид форсунки в направлении, обозначенном стрелками 2-2 на фиг.1, который показывает расположение топливораздающих каналов согласно изобретению и иллюстрирует работу форсунки как в заданном, так и во внештатном режиме.

Фиг. 3 представляет вид, аналогичный виду по фиг. 2, показывающий расположение каналов в известной форсунке и иллюстрирующий ее работу во внештатном режиме.

Фиг. 4 - это гистограмма, представляющая экспериментальные результаты, демонстрирующие эффективность и достоинства настоящего изобретения.

Настоящее изобретение частично основано на выявлении следующих фактов.

1. При проникновении пламени в смесительную камеру форсунки с предварительным смешением форсунка переходит во внештатный режим работы, который характеризуется снижением скорости потока и массопереноса в потоке воздуха, поступающего в смесительную камеру.

2. Снижение скорости потока воздуха позволяет топливу проникать внутрь камеры в радиальном направлении без полного смешения с воздухом.

3. Неполностью смешанное топливо способствует поддержанию горения и препятствует подавлению пламени в смесительной камере.

На фиг. 1 и 2 показана форсунка 10 с предварительным смешением для промышленных газотурбинных установок. У форсунки 10 имеются продольная ось 12, передняя торцевая пластина 14 и задняя торцевая пластина 16, а также по меньшей мере две цилиндрические секции 18, расположенные вдоль продольной оси форсунки, между двумя торцевыми пластинами. Выпускное сопло 20 форсунки проходит насквозь через заднюю торцевую пластину 14, при этом наружный конец выпускного сопла 20 определяет выпускную плоскость 22. Цилиндрические секции 18 и торцевые пластины 14, 16 формируют смесительную камеру 24, которая в продольном направлении ограничивается выпускной плоскостью 22. В камере 24 происходит предварительное смешение топлива и воздуха до того, как они поступают в камеру 26 сгорания.

У каждой цилиндрической секции в ее диаметральном сечении имеется передний конец 28, характеризующийся наличием утолщенной части 32, и задний конец 34, завершающийся задней кромкой 36. У каждой секции имеется внутренняя радиальная поверхность 38, обращенная к продольной оси форсунки и определяющая внешнюю границу смесительной камеры в радиальном направлении. Каждая внутренняя поверхность является вогнутой и предпочтительно представляет собой поверхность частичного вращения вокруг соответствующей продольной оси 40a, 40b цилиндрической секции, расположенной внутри смесительной камеры. В контексте данного описания выражение "поверхность частичного вращения" означает, что поверхность образуется вращением линии в пределах части полного оборота вокруг одной из осей 40a, 40b. Оси цилиндрических секций параллельны продольной оси форсунки и смещены относительно этой оси в радиальном направлении на одинаковые расстояния. Соответственно, передний конец одной цилиндрической секции в сочетании с задним концом смежной секции определяют в радиальном направлении соответственно наружный и внутренний край впускной щели 42, служащей для впуска потока первичного воздуха, обозначенного стрелками 44, в смесительную камеру. Ширина W каждой щели в радиальном направлении уменьшается по мере приближения к смесительной камере, так что каждая впускная щель ускоряет поступающий поток воздуха в направлении выходной плоскости щели, т.е. горловины 46.

В утолщенной части переднего конца, по меньшей мере, одной цилиндрической секции размещена топливная магистраль 48. От каждой магистрали отходит группа из пятнадцати топливораздающих каналов 52, взаимно смещенных в продольном направлении, т.е. распределенных по длине форсунки. У каждого канала 52 имеется выпускное отверстие 54 для ввода первичного газового топлива в поток 44 первичного воздуха. Оси каналов 52 ориентированы по существу в радиальном направлении.

Цилиндрические секции 18 в совокупности охватывают центральную вставку 58, которая отходит от передней торцевой пластины 14 в направлении задней торцевой пластины 16. У центральной вставки 58 имеются основание 60, сопловой наконечник 62 и боковая оболочка 64. Эта оболочка вытянута в продольном направлении от основания 60 до соплового наконечника 62, образуя внутреннюю границу смесительной камеры 24 в радиальном направлении и наружную границу канала 66 подачи вторичного воздуха. Диаметр оболочки уменьшается в продольном направлении, так что радиальный зазор C, отделяющий каждую секцию от центральной вставки, увеличивается в направлении выпускной плоскости форсунки. В основании 60 имеется множество входных отверстий (на чертеже не показаны) для подачи вторичного воздуха в канал 66. Выходной конец наконечника 62 выполнен притупленным, т.е. он достаточно широкий и имеет плоскую или слегка закругленную поверхность, причем в продольном направлении наконечник 62 согласован с выпускной плоскостью 22.

Топливоподающая труба 72 вторичного топлива проходит через вставку 28 в продольном направлении и служит для подачи вторичного топлива к наконечнику вставки. В предпочтительном варианте вторичное топливо является газовым. В сопловом наконечнике выполнено множество сопел, одно из которых обозначено как 74. Сопла служат для впрыска вторичного топлива и вторичного воздуха в камеру 26 сгорания.

У форсунки имеется нормальный или заданный режим работы, который иллюстрируется верхней половиной фиг. 2. При функционировании в заданном режиме поток 44 первичного воздуха поступает в форсунку тангенциально (т.е. по касательной) через каждую впускную щель 42. Струя 76а топлива под высоким давлением впрыскивается из каждого топливораздающего канала 52 и вводится в поперечном направлении в поступающий поток воздуха. Поскольку поток воздуха имеет значительную скорость, струя 76а топлива отклоняется по дуге окружности, как это изображено в виде средней траектории 78а топливной струи. Топливная струя доходит в радиальном направлении только примерно до половины ширины W щели до того, как топливо в существенной степени смешается с поступающим воздухом. Топливо и воздух вместе текут в смесительную камеру, закручиваются вокруг центральной вставки и становятся полностью смешанными. Завихренная топливовоздушная смесь течет в продольном направлении и в конечном итоге впрыскивается через выпускное сопло 20 в камеру сгорания 26.

У форсунки имеется также внештатный режим работы, связанный с нежелательным присутствием процесса горения внутри смесительной камеры 24. Внештатный режим работы известной форсунки, представляющей уровень техники, иллюстрируется фиг. 3. В известной форсунке продолжение оси 56' каждого топливораздающего канала 52' проходит вблизи задней кромки 36' смежной секции 18' и выходной плоскости 46' впускной щели. При работе во внештатном режиме горячие продукты сгорания расширяются внутри камеры сгорания, препятствуя поступлению воздуха через впускные щели 42'. В результате уровень массопереноса и скорость входного потока 44' воздуха существенно уменьшаются по сравнению с заданным режимом. Как следствие, струя 76b' топлива остается практически неразрушенной, а ее отклонение минимальным, как это иллюстрируется средней траекторией 78b' топливной струи. Вблизи переднего конца форсунки, где значение радиального зазора C между цилиндрической секцией и центральной вставкой мало, неразрушенная топливная струя может проникнуть в радиальном направлении в зону центральной вставки, где топливо может локально обогатить топливовоздушную смесь. Скорость топливовоздушной смеси в зоне центральной вставки и особенно вблизи ее переднего конца также может быть слишком мала для того, чтобы надежно и эффективно выбросить или удалить пламя через выходное сопло форсунки. Локальное обогащение, обусловленное проникновением струи топлива в радиальном направлении, может только обострить эту ситуацию, способствуя поддержанию горения, т. е. облегчая пламени возможность оставаться внутри смесительной камеры.

Работа топливной форсунки согласно настоящему изобретению иллюстрируется нижней частью фиг. 2. Некоторые топливораздающие каналы 52, а предпочтительно, все топливораздающие каналы располагаются относительно заднего конца 34 смежной цилиндрической секции таким образом, что топливо, истекающее из этих каналов, способно поддерживать горение внутри смесительной камеры только в течение ограниченного временного интервала. Длительность этого интервала зависит, по меньшей мере частично, от интенсивности пламени и стойкости форсунки к наличию пламени внутри смесительной камеры. Этот временной интервал должен быть сделан достаточно коротким, чтобы предотвратить повреждения, которые сделают форсунку непригодной для дальнейшей работы.

Более конкретно, временной интервал должен быть достаточно коротким, чтобы последующее функционирование в заданном режиме обеспечивало рабочие характеристики, хотя и ухудшенные, но все же выше установленного допустимого минимального уровня. Ухудшенные, но приемлемые характеристики оцениваются в отношении вредных выбросов, стабильности пламени и других критериев, которые являются важными для изготовителя или владельца установки. В варианте, соответствующем наиболее жестким критериям, каналы расположены таким образом, чтобы сделать подаваемое топливо полностью неэффективным в отношении поддержания горения внутри смесительной камеры при функционировании во внештатном режиме, т.е. не вносящим никакого вклада в процесс горения.

В форсунке, представленной на фиг. 1 и 2, положение топливораздающих каналов задается значением δ смещения оси канала относительно выходной плоскости впускной щели. Изображенный на фиг. 2 в качестве примера канал 52 расположен таким образом, что его выпускное отверстие 54 смещено в периферийном направлении (т.е. по окружности с центром на продольной оси 12) относительно выходной плоскости 46 впускной щели в направлении, противоположном потоку поступающего воздуха. Смещение δ должно быть по меньшей мере достаточным для того, чтобы средняя траектория 78b отклоненной струи 76b топлива касалась задней кромки 36 смежной цилиндрической секции, когда форсунка работает во внештатном режиме. Другими словами, смещение средней траектории 78b по окружности в направлении потока воздуха не должно заходить за заднюю кромку 36 смежной секции на уровне, соответствующем внутреннему (в радиальном направлении) краю впускной щели 42. В результате расположения каналов, подобранного описанным образом, топливные струи 76b попадают на поверхность заднего конца смежной цилиндрической секции, так что смежная секция действует в качестве физического барьера, ограничивающего продвижение струй топлива в радиальном направлении. Следовательно, топливо, истекающее из каналов 52, не в состоянии существенно обогатить топливную смесь в зоне центральной вставки.

На практике значение δ смещения может быть выбрано большим, чем это показано в качестве иллюстрации на фиг. 2, для того, чтобы учесть такие факторы, как допуски на изготовление и погрешности прогнозирования средней траектории 78b при работе во внештатаном режиме. Однако может оказаться нецелесообразным смещать каналы в направлении, противоположном потоку воздуха, настолько, что их выпускные отверстия 54 окажутся в секторе S на утолщенной части 32 переднего конца секции. Сектор S характеризуется восприимчивостью к разделению текучей среды и турбулентности, когда поток 44 воздуха обтекает утолщенную часть 32 для того, чтобы поступить во впускную щель 42. Расположение каналов, соответствующее положению их выпускных отверстий в пределах сектора S, может быть неблагоприятным для характеристик форсунки в заданном режиме работы.

Как было описано выше, положение каналов 52 выбирается таким образом, что задний конец 34 цилиндрической секции действует в качестве физического барьера, препятствующего топливной струе, впрыскиваемой из канала, проходить в радиальном направлении, что не позволяет топливу из этой струи поддерживать горение в смесительной камере. В качестве альтернативного варианта положение каналов может быть выбрано с таким расчетом, чтобы при работе во внештатном режиме цилиндрические секции препятствовали слишком глубокому проникновению неразрушенных топливных струй в радиальном направлении путем оказания скорее аэродинамического, чем физического воздействия. Например, топливораздающие каналы могут быть существенно смещены относительно выходной плоскости 46 впускной щели в направлении, встречном поступающему потоку воздуха, так чтобы поступающий воздух, даже во внештатном режиме работы, имел достаточное время для смешения с топливом и тем самым для предотвращения попадания неразбавленного топлива в зону центральной вставки.

Критичность положения топливораздающих каналов была подтверждена в испытаниях пяти форсунок в условиях, которые являлись представительными для газотурбинной установки. Для обнаружения горения внутри смесительной камеры каждая форсунка была снабжена термопарами. В каждом испытании к испытуемой форсунке, в определенном соотношении, подавались топливо и воздух. Для того чтобы специально инициировать горение внутри смесительной камеры форсунки, использовалось специальное устройство зажигания. При установлении режима горения устройство зажигания выключалось и продолжение горения отслеживалось путем снятия отсчетов с термопар. Для каждой форсунки данный элемент повторялся с использованием различных соотношений топливо-воздух для того, чтобы установить порог этого соотношения, ниже которого форсунка подавляла пламя в пределах трех секунд после выключения устройства зажигания. Каждое пороговое соотношение топливо-воздух затем выражалось как "запас способности подавления пламени", соответствующий выраженной в процентах разности между пороговым соотношением топливо-воздух и базовым соотношением. Базовое соотношение топливо-воздух было принято равным 0,24, поскольку ожидается, что такое соотношение должно быть максимальным при реальном использовании форсунки в заданном режиме работы.

Результаты испытаний, представленные в виде гистограммы на фиг. 4, показывают запас способности подавления пламени для каждой из прошедших испытание форсунок при условиях, имитирующих базовую нагрузку (соответствующую 100% установленной мощности установки) и нагрузку, составляющую 70% от базовой. Совокупность испытуемых форсунок состояла из трех "исходных" форсунок, обозначенных, как P₁, P₂ и P₃, и двух "производных" форсунок, обозначенных, как C₁ и C₃. Каждая исходная форсунка представляла собой полностью укомплектованную форсунку, не имевшую никаких общих деталей с другими исходными форсунками. Производные форсунки были изготовлены из тех же деталей, что и соответствующие им исходные форсунки, однако в них изначально выполненные топливораздающие каналы были перекрыты и заменены заново просверленными каналами.

Номинальное значение δ смещения относительно выходной плоскости впускной щели (и, следовательно, относительно положения каналов в исходной форсунке) показано на фиг. 4 в мм. Отрицательные значения соответствуют смещению по направлению потока воздуха (т.е. в сторону смесительной камеры), тогда как положительные значения - смещению в направлении, противоположном потоку воздуха (т.е. от смесительной камеры). Например, каналы в одной цилиндрической секции форсунки P₁ были смещены на 1,96 мм в сторону смесительной камеры, а каналы в другой секции - на 1,60 мм в противоположную сторону.

В некоторых случаях в процессе испытаний ограничения, присущие испытательному стенду, не позволили точно установить истинное значение порогового соотношения топливо-воздух. В этих случаях не удавалось получить значения этого соотношения, достаточно высокие для того, чтобы сделать форсунку неспособной подавать пламя в течение трех секунд. Эти случаи отмечены на гистограммах знаками ">", показывающими, что запас способности подавления пламени имел по меньшей мере значение, приведенное на гистограмме.

Из испытаний, проведенных на стадии разработки, было известно, что форсунка P₁ демонстрирует неожиданно высокую устойчивость к возникновению пламени. Анализ этой форсунки обнаружил, что в ней номинальные положения топливораздающих каналов существенно (на 1,6 мм и на 1,96 мм) отличались от положений, предусмотренных конструкцией. Вероятно, причина таких смещений заключалась в многократной сборке и разборке форсунки в процессе ее отработки.

Было высказано предположение, что высокая способность к подавлению пламени, свойственная данной форсунке, может быть обусловлена расположением каналов. Это предположение привело к обнаружению того, что горение внутри смесительной камеры оказывает значительное сопротивление поступлению воздуха, а также того, что, как результат, топливные струи испытывают лишь минимальное отклонение, так что топливо, истекающее из каналов, ориентированных, как это было принято в известных форсунках, может проникать достаточно глубоко внутрь смесительной камеры, чтобы поддерживать горение. Значительное и критическое влияние положения этих каналов подчеркивается тем фактом, что форсунка P₁ демонстрирует высокий запас способности подавления пламени, даже несмотря на то, что топливораздающие каналы на одной из ее цилиндрических секций существенно смещены в неблагоприятном направлении.

Форсунки P₂ и P₃ - это обычные форсунки, в которых топливораздающие каналы расположены примерно в соответствии с их проектом, т.е. приблизительно напротив задней кромки смежной секции, как это показано на фиг. 3. В целом, запас способности подавления пламени составлял для этих двух форсунок 19% (рассчитан, как среднее из значений 21, 18, 18 и 17%, см. фиг. 4). Форсунки C₁ и C₃ - это форсунки, в которых топливораздающие каналы смещены согласно настоящему изобретению в направлении, соответствующем удалению от смесительной камеры. Взятые вместе, эти форсунки продемонстрировали запас способности подавления пламени не менее 30%, поскольку среднее значение этой величины для форсунки C₁ составляет 30%, а для форсунки C₃ - как минимум 30%. Таким образом, из приведенных экспериментальных результатов ясно, что форсунка, построенная согласно настоящему изобретению, будет иметь существенно повышенное значение запаса способности подавления пламени - по меньшей мере на 58% выше, чем аналогичное значение для обычной форсунки.

Предшествующее описание относилось к форсунке с, по существу, радиальной ориентацией топливораздающих каналов, однако нерадиальное расположение может оказать благоприятное влияние на значение запаса способности подавления пламени. Например, канал, ориентированный таким образом, чтобы впрыскивать топливо так, что компонент его скорости направлен по окружности от смесительной камеры, может оказаться более эффективным, чем канал, имеющий сходное положение, но ориентированный радиально.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения все топливораздающие каналы расположены и ориентированы так, как это описано выше. Однако повышение запаса способности подавления пламени может быть достигнуто, даже если описанным образом расположены и ориентированы не все каналы. Например, наиболее вероятно, что основной вклад в поддержание горения в смесительной камере способны внести каналы, расположенные ближе к переднему концу форсунки. По этой причине улучшение характеристик по подавлению горения может быть достигнуто, даже если расположить и ориентировать согласно изобретению только ту часть каналов, которая находится у переднего конца форсунки. Однако не обнаружено никаких недостатков, когда подобным образом расположены и ориентированы все каналы, причем в последнем случае упрощается изготовление форсунки.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано на примере предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения, как они определены в формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Топливная форсунка с предварительным смешением, содержащая центральную вставку и по меньшей мере две цилиндрические секции, расположенные с взаимным смещением по окружности, причем у каждой секции имеется передний конец и смещенный относительно него в периферийном направлении задний конец, который заканчивается задней кромкой, совокупность секций охватывает по окружности центральную вставку, ограничивая в радиальном направлении смесительную камеру, передний конец каждой секции и задний конец смежной с ней секции определяют в радиальном направлении наружный и внутренний края впускной щели для ввода потока воздуха в смесительную камеру, передний конец по меньшей мере одной цилиндрической секции снабжен набором распределенных по длине форсунки топливораздающих каналов, у каждого из которых имеется выходное отверстие для ввода топлива в поток воздуха, при этом форсунка, имеющая заданный режим работы, может работать также во внештатном режиме, характеризующемся наличием горения в смесительной камере, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены относительно заднего конца смежной цилиндрической секции таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме истекающее из них топливо не способствует поддержанию горения внутри смесительной камеры по истечении ограниченного периода при соотношениях топливо-воздух ниже определенного порогового соотношения.

2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что указанный ограниченный интервал времени выбран достаточно коротким для того, чтобы предотвратить повреждение форсунки, делающее ее непригодной для длительного использования.

3. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что указанный ограниченный интервал времени выбран достаточно коротким для того, чтобы показатели качества форсунки при работе в установленном режиме после подавления горения, превышали допустимые минимальные значения.

4. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме истекающее из них топливо не вносит никакого вклада в поддержание горения внутри смесительной камеры.

5. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме средние траектории струй топлива, истекающего из указанных каналов, доходят в периферийном направлении на уровне внутреннего радиального края впускной щели не далее задней кромки смежной цилиндрической секции.

6. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что при работе форсунки во внештатном режиме струи топлива, истекающего из указанных каналов, попадают на поверхность заднего конца смежной цилиндрической секции.

7. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что задний конец смежной цилиндрической секции действует в качестве физического барьера, ограничивающего при работе форсунки во внештатном режиме продвижение в радиальном направлении струй топлива, истекающего из выбранных топливораздающих каналов.

8. Топливная форсунка по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что передний конец по меньшей мере одной цилиндрической секции и задний конец смежной с ним секции оказывают аэродинамическое воздействие на струи топлива, истекающего из выбранных топливораздающих каналов, чтобы ограничить их продвижение в радиальном направлении при работе форсунки во внештатном режиме.

9. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы расположены таким образом, что их выходные отверстия смещены в периферийном направлении относительно выходной плоскости впускных щелей в сторону, противоположную направлению потока воздуха.

10. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы ориентированы и расположены таким образом, что истекающие из них струи топлива при работе во внештатном режиме неспособны дойти в радиальном направлении до зоны сниженной скорости текучей среды вблизи центральной вставки.

11. Топливная форсунка по п.10, отличающаяся тем, что скорость текучей среды в зоне сниженной скорости недостаточна для того, чтобы выбросить пламя из смесительной камеры.

12. Топливная форсунка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что определенные топливораздающие каналы ориентированы таким образом, чтобы формировать струи топлива, по существу, в поперечном направлении относительно потока воздуха.

13. Способ предварительного смешения топлива и воздуха в топливной форсунке, предусматривающий ввод потока воздуха в смесительную камеру форсунки через впускные щели и ввод струй топлива через выходные отверстия топливораздающих каналов в поток воздуха внутри смесительной камеры, причем форсунка содержит центральную вставку и по меньшей мере две цилиндрические секции, расположенные с взаимным смещением по окружности, причем у каждой секции имеется передний конец и смещенный относительно него в периферийном направлении задний конец, который заканчивается задней кромкой, совокупность секций охватывает по окружности центральную вставку, ограничивая в радиальном направлении смесительную камеру, передний конец каждой секции и задний конец смежной с ней секции определяют в радиальном направлении наружный и внутренний края впускной щели, передний конец по меньшей мере одной цилиндрической секции снабжен набором распределенных по длине форсунки топливораздающих каналов, у каждого из которых имеется выходное отверстие, при этом форсунка, имеющая заданный режим работы, может работать также во внештатном режиме, характеризующемся наличием горения в смесительной камере, отличающийся тем, что струи топлива из определенных топливораздающих каналов подают и направляют таким образом, чтобы они проходили в радиальном направлении не более ограниченного расстояния при работе форсунки в заданном режиме и не способствовало поддержанию горения внутри смесительной камеры при работе во внештатном режиме по истечении ограниченного периода при соотношениях топливо-воздух ниже определенного порогового соотношения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4