Низконапорная форсунка и способ распыла топлива

Низконапорная форсунка и способ распыла топлива относятся к машиностроению, а именно к устройствам и способам для сжигания топливовоздушной смеси в воздушно-реактивных двигателях, малоразмерных газотурбинных двигателях и в газотурбинных установках. Низконапорная форсунка содержит кольцевые распыливающие кромки, корпус, в котором расположен центральный завихритель воздуха, канал для подвода топлива, имеющий шнековый завихритель, а на корпусе форсунки расположен наружный завихритель воздуха. Вокруг канала для подвода топлива расположен канал подвода закрученного воздуха высокого давления. Наружный завихритель воздуха выполнен двухярусным струйным и имеет наружные и внутренние наклонные отверстия, стабилизатор воздушного вихря, а также кольцевые наружные и внутренние распыливающие кромки. Способ распыла топлива, осуществляемый низконапорной форсункой, заключается в том, что подают топливо и нагнетают воздух через центральный завихритель и наружный завихритель. Подачу топлива производят между двумя закрученными потоками воздуха, образованными центральным завихрителем и каналом подвода закрученного воздуха высокого давления. Поступающие на кольцевые распыливающие кромки форсунки потоки воздуха и топлива образуют мелкодисперсную топливовоздушную смесь. Капли полученной смеси дробят воздушными струями наружного завихрителя, сначала на его внутренней кольцевой распыливающей кромке, а затем - на наружной. Указанные особенности ппредлагаемого технического решения увеличивают полезную грузоподъемность летательного аппарата, уменьшают выбросы вредных примесей, снижают энергетические потери и соответственно снижаются экономические затраты. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для сжигания топливовоздушной смеси в воздушно-реактивных двигателях, малоразмерных газотурбинных двигателях и в газотурбинных установках.

Серьезным дефектом, встречающимся у газотурбинных двигателей, является не запуск камеры сгорания в земных и высотных условиях. При определении проточной части камеры сгорания и конструкции форсунки важнейшими являются режим работы двигателя при максимальном давлении воздуха за компрессором и режим запуска. Данные режимы определяют максимальное и минимальное давление топлива. Повышение давления и температуры воздуха за компрессором приводит к уменьшению размеров камер сгорания и, в частности, размеров форсунок и диаметров их сопел. Однако технологические процессы, например закоксовывание или простое засорение, не позволяют задавать диаметры сопел форсунок меньше d_c=0,4 мм.

Специальными исследованиями было показано, что увеличение степени сжатия в компрессоре и снижение коэффициента избытка воздуха на максимальных режимах приводит к росту отношения расхода топлива на максимальном режиме работы к расходу его на режиме запуска. Вследствие того, что избыточное давление топлива на максимальном режиме обычно ограничено величиной 30-50 ати, то на режимах запуска оно оказывается меньше 0,5 ати, а форсунки традиционных схем обеспечивают удовлетворительный распыл топлива лишь при перепаде давления топлива больше, чем 1-1,5 атмосфер. В этих условиях обеспечить хороший распыл топлива и соответственно запуск камеры - практически невозможно. Поэтому для газотурбинных двигателей и, особенно, для малоразмерных газотурбинных двигателей с большой степенью сжатия, требуются, для режимов запуска, хорошо распыливающие топливо низконапорные форсунки (Δ Р≤ 0,5 ати).

Известна топливная форсунка, патент ЕР №0444811 от 19.02.91, которая состоит из концентрически расположенных: центрального воздушного завихрителя, топливного канала с распыливающей кромкой и традиционного наружного лопаточного завихрителя воздуха с разделителем потока. В процессе работы такой форсунки пленка топлива разбивается подводимым со значительного расстояния закрученным центральным воздушным потоком, попадая на единственную распыливающую кромку форсунки, срывается с нее в поток, выходящий из наружного завихрителя.

Недостатками такого одностадийного распыливания являются: невозможность гарантировать хорошее перемешивание топлива с воздухом, подведенным через внешний завихритель, и получить необходимую мелкость распыливания топлива, также отсутствие возможности снижения неравномерности факела распыла в поперечном сечении как по концентрации, так и по размерам капель, так как эта форсунка по схеме близка к традиционной; а из-за отсутствия направляющих воздушного потока снижается геометрическая устойчивость топливовоздушного факела и увеличивается его склонность к пульсациям, что в свою очередь приводит к уменьшению зоны устойчивой работы камеры сгорания.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип, является “Топливная форсунка”, патент RU №2107177 от 06.07.98 г., которая содержит стойку с отверстиями подачи топлива и сопло с поверхностью для создания пленки жидкости с распыливающей кромкой, а также внутренний и внешний завихрители воздуха в виде осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, при этом поверхность сопла с распыливающей кромкой и внутренняя поверхность внешнего завихрителя воздуха выполнены попеременно в окружном направлении под разными углами к оси сопла и образованы вращением вокруг оси сопла огибающей множества геодезических линий, скрещивающихся с осью сопла по распыливающим кромкам под углом, равным углу закрутки топливной пленки.

Недостатком данного технического решения является то, что тонкая кольцевая закрученная пленка топлива, попадая на внешние гофрированные кромки канала, не будет равномерно распределяться по распыливающим кромкам, а будет сливаться в более толстые струи, располагаясь по большему радиусу гофрированной поверхности, при этом с кромок будут срываться как мелкие, так и крупные капли. Вследствие этого невозможно получить необходимую мелкость распыливания топлива, не произойдет снижение неравномерности факела распыла в радиальном сечении как по концентрации, так и по размерам капель, что приведет к увеличению склонности топливовоздушного факела к пульсациям, что в свою очередь приведет к уменьшению зоны устойчивой работы камеры сгорания.

Технической задачей заявляемого технического решения является обеспечение высокого качества распыливания топлива, а также снижение уровня эмиссии вредных примесей на выходе из газотурбинных двигателей.

Технический результат достигается низконапорной форсункой, содержащей кольцевые распыливающие кромки, корпус, в котором расположен центральный завихритель воздуха, канал для подвода топлива, имеющий шнековый завихритель, а на корпусе форсунки расположен наружный завихритель воздуха, причем вокруг канала для подвода топлива, имеющего шнековый завихритель, расположен канал подвода закрученного воздуха высокого давления, при этом наружный завихритель воздуха выполнен двухярусным струйным и имеет наружные и внутренние наклонные отверстия, стабилизатор воздушного вихря, а также кольцевые наружные и внутренние распыливающие кромки, и способом распыла топлива, при котором при распыливании топлива форсункой, на режиме запуска топливо вводится через канал между двумя закрученными струями воздуха. Причем подвод воздуха осуществляется изнутри с помощью центрального завихрителя, а снаружи - с помощью завихрителя воздуха высокого давления. Образующаяся при этом топливовоздушная смесь распыливается на кольцевых распыливающих кромках низконапорной форсунки и формирует мелкодисперсионную топливовоздушную смесь, и капли полученной смеси дробят воздушными струями наружного завихрителя, выполненного двухъярусным струйным, сначала на его внутренней кольцевой распыливающей кромке, а затем - на наружной.

На чертеже представлена схема заявляемой низконапорной форсунки.

Низконапорная форсунка состоит из корпуса 1 с расположенными на нем подводом 2 внешнего воздуха высокого давления в канал 3 закрутки воздушного потока шнековым завихрителем 4 воздуха высокого давления, на выходе из канала 3 расположена кольцевая распыливающая кромка 5. Также на корпусе 1 расположен подвод 6 топлива в канал 7 закрутки топлива с расположенным в нем шнековым завихрителем 8, на выходе из канала 7 расположена кольцевая распыливающая кромка 9. Внутри корпуса 1 установлен уплотнительный цилиндр 10, разделяющий канал 3 подачи воздуха высокого давления и канал 7 топлива. Уплотнительный цилиндр 10 фиксируется в корпусе 1 с помощью осевой направляющей 11, содержащей в себе центральный завихритель 12 воздуха и канал 13 подачи закрученного воздуха с кромкой 14, соосно расположенной с распыливающими кромками 9 и 5. Наружный завихритель 15 выполнен двухъярусным струйным, в корпусе которого имеются внутренние и наружные наклонные отверстия соответственно 16 и 17, между их выходами расположена распыливающая кромка 18, а стабилизатор 19 воздушного вихря и кольцевая наружная распыливающая кромка 20 расположены за выходом наружных наклонных отверстий 17.

Способ распыла топлива низконапорной форсункой осуществляют следующим образом.

Через центральный завихритель 12 воздуха в процессе раскрутки двигателя по каналу 13 на кромку 14 подается закрученный воздух. При достижении определенных оборотов двигателя по подводу 6 топлива и каналу 7 закрутки топлива через шнековый завихритель 8 на кольцевую распыливающую кромку 9 подается топливо, одновременно (в случае тяжелых условий запуска) по подводу 2 внешнего воздуха высокого давления и канал 3 закрутки воздушного потока через шнековый завихритель 4 на распыливающую кромку 5 осуществляется подача воздуха высокого давления. При этом топливо оказывается между двумя закрученными потоками воздуха, образованными центральным завихрителем 12 и шнековым завихрителем 4 воздуха высокого давления, дробясь на двух распыливающих кромках 5 и 9, в отличие от обычных центробежных форсунок, где при низком перепаде давления на форсунке Δ Р_т≤1,5 ати пленка топлива образует топливный колокол и сворачивается в струю. При предложенном способе распыливания воздух, подводимый через центральный завихритель 12, раскрывает и стабилизирует топливовоздушный факел, обеспечивая его подачу на внутренние 18 и наружные 20 кольцевые распыливающие кромки наружного завихрителя 15, выполненного двухъярусным струйным. Попадая на эти последние, обдуваемые воздушными струями из наружных и внутренних наклонных отверстий 16 и 17 наружного завихрителя 15, капли топливовоздушной смеси дополнительно дробятся, образуя мелкодисперсную смесь и тем самым уменьшая сепарацию капель по размерам. Воздух и топливо в форсунке закручиваются в завихрителях в одном направлении. Стабилизатор 19 воздушного вихря служит для стабилизации геометрической устойчивости топливовоздушного факела.

При запуске двигателя на земле, в зависимости от условий запуска, могут быть использованы два режима работы форсунки: первый - запуск осуществляется без подачи воздуха высокого давления, второй - запуск производится при одновременной подаче распыливающего воздуха высокого давления и подачи воздуха через центральный канал и каналы воздушного завихрителя. Вариант запуска с использованием воздуха высокого давления необходим только при очень тяжелых условиях запуска: большой высоте запуска и низкой температуре воздуха. Запуск камеры без подачи воздуха высокого давления производится на режиме авторотации и при нормальном атмосферном давлении воздуха.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет при запуске двигателя обеспечить хорошее распыливание топлива на капли диаметром до 50-30 мкм при перепаде давления топлива более 5 кПа, а также улучшить геометрическую устойчивость топливовоздушного факела, что позволяет расширить область устойчивого запуска газотурбинного двигателя, а также уменьшит выбросы вредных примесей на выходе из газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. При этом заявляемая низконапорная форсунка, содержащая наружный завихритель, выполненный двухярусным струйным, позволяет осуществлять запуск камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя в высотных условиях, на земле и в полете при низких перепадах давления топлива Δ Р_т<0,5. Из-за низкого давления подачи топлива нет необходимости применять громоздкую топливную аппаратуру, рассчитанную на высокие давления.

Указанные особенности предлагаемых технических решений увеличивают полезную грузоподъемность летательного аппарата, уменьшают выбросы вредных примесей, снижают энергетические потери и соответственно снижаются экономические затраты.

1. Низконапорная форсунка, содержащая кольцевые распыливающие кромки, корпус, в котором расположен центральный завихритель воздуха, канал для подвода топлива, имеющий шнековый завихритель, а на корпусе форсунки расположен наружный завихритель воздуха, отличающаяся тем, что вокруг канала для подвода топлива расположен канал подвода закрученного воздуха высокого давления, при этом наружный завихритель воздуха выполнен двухъярусным струйным и имеет наружные и внутренние наклонные отверстия, стабилизатор воздушного вихря, а также кольцевые наружные и внутренние распыливающие кромки.

2. Способ распыла топлива, осуществляемый низконапорной форсункой, заключающийся в том, что подают топливо и нагнетают воздух через центральный завихритель и наружный завихритель, отличающийся тем, что подачу топлива производят между двумя закрученными потоками воздуха, образованными центральным завихрителем и каналом подвода закрученного воздуха высокого давления, и поступающие на кольцевые распыливающие кромки форсунки потоки воздуха и топлива образуют мелкодисперсную топливовоздушную смесь, при этом капли полученной смеси дробят воздушными струями наружного завихрителя, выполненного двухъярусным струйным, сначала на его внутренней кольцевой распыливающей кромке, а затем - на наружной.