Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя
Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, выполненные в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри. Топливовоздушная горелка дополнительно включает воздухозаборник-смеситель, размещенный между корпусом форсунки и входным торцом осевого завихрителя. Нижний по потоку торец воздухозаборника-смесителя скреплен с входным торцом осевого завихрителя. Верхний по потоку торец воздухозаборника-смесителя выполнен открытым. Топливная форсунка снабжена отверстиями подачи и распыла газового топлива, расположенными внутри воздухозаборника-смесителя перед входными кромками осевого завихрителя. Изобретение позволяет повысить экономичность, полноту сгорания топлива и снизить выброс вредных веществ. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям основных камер сгорания.
Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания, содержащая двухъярусный завихритель, во внутреннем ярусе которого установлен осевой лопаточный завихритель с открытым входным и выходным торцом. На входном торце осевого лопаточного завихрителя расположена перегородка, перекрывающая часть входного торца. Перегородка выполняет роль турбулизатора воздушного потока, что интенсифицирует смесеобразование и ведет к повышению полноты сгорания топлива за счет ускорения подготовки топливовоздушной смеси. Также перегородка позволяет увеличить области розжига камеры сгорания за счет увеличения зоны рециркуляции в жаровой трубе. Недостатком данного устройства являются большие значения выбросов вредных веществ из-за того, что топливо подается за осевым завихрителем и процесс смешения топлива с воздухом начинается на выходе из двухъярусного завихрителя и продолжается в рециркуляционной зоне жаровой трубы [1].
Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка камеры сгорания, содержащая топливную форсунку и двухъярусный завихритель с внутренним ярусом, состоящим из осевого лопаточного завихрителя с открытым входным и выходным торцами. При этом между корпусом форсунки и входным торцом осевого завихрителя расположен стабилизатор потока воздуха, закрепленный на корпусе форсунки. Внешний контур стабилизатора превышает поперечное сечение осевого завихрителя и образует щелевой канал с его входным торцом. Подобная конструкция топливовоздушной горелки позволяет обеспечить равномерный вход воздуха в осевой завихритель благодаря стабилизатору, устраняющему срывы потока воздуха, вызванные корпусом форсунки [2].
Недостатком данного устройства являются повышенные потери полного давления, вызванные втеканием воздуха в щель, образованную стабилизатором и входным торцом завихрителя с последующим разворотом потока. Топливо подается за осевым завихрителем, и процесс смешения топлива с воздухом начинается на выходе из двухъярусного завихрителя и продолжается в рециркуляционной зоне жаровой трубы, что не обеспечивает получение высокой однородности топливовоздушной смеси, необходимой полноты ее сгорания и приводит к увеличению выбросов вредных веществ и низкой экономичности камеры сгорания.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении топливной экономичности камеры сгорания и снижении токсичности продуктов сгорания топлива за счет интенсификации смесеобразования и получения однородной топливовоздушной смеси.
Сущность технического решения заключается в том, что топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, выполненные в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, согласно изобретению, дополнительно включает воздухозаборник-смеситель, размещенный между корпусом форсунки и входным торцом осевого завихрителя. Нижний по потоку торец воздухозаборника-смесителя скреплен с входным торцом осевого завихрителя, а верхний по потоку торец воздухозаборника-смесителя выполнен открытым. Топливная форсунка снабжена отверстиями подачи и распыла газового топлива, расположенными внутри воздухозаборника-смесителя перед входными кромками осевого завихрителя.
Размещение воздухозаборника-смесителя между корпусом форсунки и входным торцом осевого завихрителя, когда нижний по потоку торец воздухозаборника-смесителя скреплен с входным торцом осевого завихрителя, а верхний по потоку торец воздухозаборника-смесителя выполнен открытым, позволяет осуществлять предварительное смешение воздуха с топливом, выравнивая эпюры скоростей и давления потока топливовоздушной смеси перед входом в осевой завихритель. При этом расстояние от плоскости размещения отверстий распыла газового топлива до входных торцов лопаток осевого завихрителя L равно или превышает максимальное осевое расстояние между входными и выходными кромками лопаток осевого завихрителя L1, что позволяет более равномерно осуществлять перемешивание потоков топлива и воздуха, а также максимально увеличивать однородность смеси.
Топливная форсунка снабжена отверстиями подачи и распыла газового топлива, расположенными внутри воздухозаборника-смесителя перед входными кромками осевого завихрителя, что позволяет осуществлять подачу топлива перед осевым завихрителем во внутреннюю полость воздухозаборника-смесителя, предварительно смешивая воздух с топливом. В зону горения жаровой трубы топливовоздушная смесь поступает однородной, что ведет к повышению ее полноты сгорания и соответственно приводит к повышению топливной экономичности камеры сгорания и снижению токсичности продуктов сгорания топлива.
Выполнение в воздухозаборнике-смесителе выреза со стороны корпуса топливной форсунки облегчает поступление сжатого воздуха через верхний по потоку торец воздухозаборника-смесителя и интенсифицирует процесс смесеобразования.
На чертеже изображен разрез топливовоздушной горелки вдоль корпуса форсунки и осевого завихрителя воздуха.
Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с отверстием 2 подачи топлива 3 и отверстиями 4 распыла топлива 3, а также осевой завихритель 5 воздуха 6 с открытым торцом 7 на входе 8, с открытым торцом 9 на выходе 10 и лопатками 11. Топливовоздушная горелка дополнительно содержит воздухозаборник-смеситель 12, размещенный между корпусом 1 форсунки и открытым торцом 7 на входе 8 осевого завихрителя 5. Нижний по потоку торец 13 воздухозаборника-смесителя 10 скреплен с открытым торцом 7 на входе 8 осевого завихрителя 5, а верхний по потоку торец 14 воздухозаборника-смесителя 10 выполнен открытым. На верхнем по потоку торце 14 воздухозаборника-смесителя 12 выполнен вырез 15 со стороны корпуса 1 форсунки. Отверстия 4 распыла топлива 3 расположены перед торцом 7 на входе 8 завихрителя 5 внутри воздухозаборника-смесителя 10. Расстояние L от плоскости размещения отверстий 4 распыла топлива 3 до торца 16 лопаток 11 осевого завихрителя 5, по меньшей мере, равняется максимальному осевому расстоянию L1 между торцом 16 лопаток 11 и торцом 9 на выходе 10 осевого завихрителя 5. Кроме того, на чертеже представлена стенка 17 жаровой трубы и полость 18 горения жаровой трубы.
Топливовоздушная горелка газотурбинного двигателя работает следующим образом.
Топливо 3 через отверстие подачи топлива 2 подается к отверстиям 4 распыла топлива и далее - внутрь воздухозаборника-смесителя 10. Одновременно с этим сжатый компрессором поток воздуха 6, обтекая корпус 1 форсунки, заходит в воздухозаборник-смеситель 10. В воздухозаборнике-смесителе 10 начинается процесс смешения воздуха 6 и топлива 3 с образованием топливовоздушной смеси, а также происходит выравнивание эпюр скоростей и давлений топливовоздушной смеси перед открытым торцом 7 на входе 8 завихрителя 5. Топливовоздушная смесь, проходя через осевой завихритель 5, закручивается, интенсифицируяя процесс смесеобразования, далее смесь поступает в полость горения 18 жаровой трубы 17 полностью перемешанной с однородным составом, где осуществляется полное сгорание смеси.
Источники информации
1. Патент РФ №2199700, F 23 R 3/4, опубл. 27.02.2003 г. (аналог).
2. Патент РФ №2134839, F 23 D 11/00, опубл. 20.08.1999 г. (прототип).
1. Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, выполненные в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, отличающаяся тем, что дополнительно включает воздухозаборник-смеситель, размещенный между корпусом форсунки и входным торцом осевого завихрителя, нижний по потоку торец воздухозаборника-смесителя скреплен с входным торцом осевого завихрителя, а верхний по потоку торец воздухозаборника-смесителя выполнен открытым, при этом топливная форсунка снабжена отверстиями подачи и распыла газового топлива, расположенными внутри воздухозаборника-смесителя перед входными кромками осевого завихрителя.
2. Топливовоздушная горелка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние от плоскости размещения отверстий распыла газового топлива до входных торцов лопаток осевого завихрителя, по меньшей мере, равняется максимальному осевому расстоянию между входными и выходными кромками лопаток осевого завихрителя.
3. Топливовоздушная горелка по п.1, отличающаяся тем, что воздухозаборник-смеситель выполнен с вырезом со стороны корпуса топливной форсунки.
