Вспенивающая аэродинамическая система инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания турбомашины, камера сгорания турбомашины и турбомашина

Изобретение относится к системам инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Предложена аэродинамическая система (2) инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания турбомашины, содержащая трубчатую структуру (4) с осью XX′, открытую на нижнем по потоку конце (4b) для подачи топливовоздушной смеси, по меньшей мере, один канал (6) подачи воздуха, который открыт в структуру (4) для подачи в нее воздуха под давлением Р_A, кольцевой топливный проход (8), сформированный в структуре (4) вокруг ее оси XX′, соединенный с, по меньшей мере, одним каналом (10) подачи топлива, в котором течет топливо под давлением Р_C, и открытый на нижнем по потоку конце (8b) в структуру (4), и средство для нагнетания газа в, по меньшей мере, один канал (10) подачи топлива, при этом газ находится под давлением P_G, которое превышает давление РА и больше или равно давлению РС для вспенивания топлива, подаваемого в структуру. Изобретение обеспечивает оптимизацию времени, затрачиваемого на распыление топлива и его испарение. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится в основном к системам инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания турбомашины. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системам инжектирования аэродинамического типа, оснащенным средством для вспенивания топлива перед его смешиванием с воздухом.

Обычный процесс проектирования и оптимизации камеры сгорания турбомашины в основном направлен на согласование эксплуатационных характеристик камеры сгорания (эффективность сгорания, стабильность, зажигание и повторное зажигание, срок службы зоны горения и т.д.) как функции предназначения самолета, на котором установлена турбомашина, с минимизацией выброса загрязняющих веществ (окислов азота, моноксида углерода, несгоревших углеводородов и т.д.). Для этого, в частности, можно воздействовать на характер и эксплуатационные характеристики системы инжектирования для инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания, на распределение разбавляющего воздуха внутри камеры и на динамику смешивания воздуха и топлива внутри камеры.

Обычно, камера сгорания турбомашины, такая как, например, описанная в патенте RU 2215241, содержит систему инжектирования для инжектирования топливовоздушной смеси в жаровую трубу, систему охлаждения и систему разбавления. Сгорание происходит главным образом в первой части жаровой трубы (именуемой «первичная зона»), где сгорание стабилизируется посредством зон рециркуляции топливовоздушной смеси, создаваемых потоком воздуха, исходящего от системы инжектирования. Во второй части смешивающей трубы (именуемой «зона разбавления») химическая активность менее интенсивна и поток разбавляется посредством разбавляющих отверстий. Пример аэродинамической системы инжектирования раскрыт в патенте RU 2161719.

В первичной зоне жаровой трубы возникают различные физические явления: инжектирование топлива и его распыление на мелкие капли, испарение капель, смешивание паров топлива с воздухом, и химические реакции окисления топлива кислородом воздуха.

Эти физические явления зависят от времени. Так, время распыления представляет собой время, необходимое воздуху для дробления слоя топлива и образования топливовоздушной аэрозоли. Оно зависит главным образом от характеристик и технологии применяемой системы инжектирования и от аэродинамики вблизи слоя топлива. Время испарения также зависит от используемой системы инжектирования. Это является функцией непосредственно размеров капель, полученных в результате дробления слоя топлива; причем чем меньше капли, тем меньше время испарения. Время смешивания соответствует времени, необходимому для смешивания паров топлива, полученных в результате испарения капель, с воздухом. Оно зависит главным образом от уровня турбулентности в зоне сгорания и, таким образом, от динамики потока в первичной зоне. Химическое время представляет собой время, необходимое для развития химических реакций. Оно зависит от давлений и температур на входе в зону сгорания и от характера применяемого топлива.

Таким образом, применяемая система инжектирования играет основную роль в процессе проектирования камеры сгорания, в частности, при оптимизации времени, затрачиваемого на распыление топлива и его испарение.

Существуют два основных типа систем инжектирования: «аэромеханические» системы, где топливо распыляется в результате большой разности давлений между топливом и воздухом, и «аэродинамические» системы, в которых топливо распыляется путем срезания между двумя слоями воздуха. Настоящее изобретение более конкретно относится к системам аэродинамического типа.

Известные аэродинамические системы инжектирования обладают многочисленными недостатками. В частности, при низких скоростях турбомашины распыление топлива ухудшается, тем самым уменьшая стабильность горения и приводя к возникновению риска прекращения горения в зона сгорания, одновременно увеличивая количество вредных выбросов окиси азота.

Главной целью настоящего изобретения, таким образом, является устранение этих недостатков с помощью предлагаемой аэродинамической системы инжектирования, которая позволяет сократить временные характеристики распыления и испарения топлива на всех рабочих скоростях турбомашины.

Для этого согласно настоящему изобретению создана аэродинамическая система инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания турбомашины, содержащая: трубчатую структуру с осью XX′, открытую на нижнем по потоку конце для подачи топливовоздушной смеси; по меньшей мере, один канал. подачи воздуха, соединенный со ступенью компрессора турбомашины и открытый в трубчатую структуру с возможностью подачи воздуха под давлением Р_А в трубчатую структуру; кольцевой топливный проход, образованный в трубчатой структуре вокруг оси XX′, соединенный с, по меньшей мере, одним каналом подачи топлива, в котором топливо течет под давлением Р_С и который открыт своим нижним по потоку концом в трубчатую структуру, образуя в ней расширение; и характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит средство для инжектирования газа в, по меньшей мере, один канал подачи топлива, при этом газ находится под давлением P_G, которое выше давления Р_А и выше или равно давлению Р_С, так, чтобы создавать вспенивание топлива, подаваемого в трубчатую структуру.

При инжектировании газа в топливопровод при давлении, которое превышает или равно давлению топлива, происходит смешивание жидкости и газа при давлении Р_С перед тем, как топливо будет подано в основную структуру, где оно рассеивается. Во время расширения этой смеси с давления Р_С до внутреннего давления в основной структуре резкое расширение газовой фазы приводит к дроблению слоя топлива: это называется вспениванием. В результате временные характеристики распыления и испарения топлива на выходе из системы инжектирования можно существенно уменьшить.

Такое сокращение времени позволяет на малых рабочих скоростях турбомашины повысить эффективность сгорания и повысить способность зоны горения предотвращать затухание, а при работе на высоких скоростях турбомашины это позволяет ограничить образование загрязняющих выбросов окиси азота и сажи.

Предпочтительно, система содержит, по меньшей мере, один канал инжектирования газа, открытый в канал (каналы) подачи топлива и соединенный с газовым подающим каналом.

Предпочтительно, канал инжектирования газа открыт по существу перпендикулярно в канал (каналы) подачи топлива.

Предпочтительно, система дополнительно содержит кольцевую газораспределительную полость, выполненную в трубчатой структуре вокруг топливного прохода, которая соединена с газовым подающим каналом и которая открыта в канал инжектирования газа.

Предпочтительно, система дополнительно содержит кольцевую топливораспределительную полость, выполненную в трубчатой структуре, соединенную с топливопроводом и открытую в канал подачи топлива.

Предпочтительно, канал (каналы) подачи топлива наклонен (наклонены) тангенциально относительно кольцевого топливного прохода.

Предпочтительно, канал (каналы) подачи топлива открыт (открыты) в трубчатую структуру на ее верхнем по потоку конце, при этом воздуху придается вращение.

Предпочтительно, система дополнительно содержит наружный завихритель воздуха, размещенный вокруг трубчатой структуры, радиально смещенный относительно топливного прохода и предназначенный для инжектирования воздуха на выходное отверстие трубчатой структуры в направлении, по существу осевом, с одновременным приданием ему вращения.

Предпочтительно, наружный завихритель соединен со ступенью компрессора турбомашины.

Предпочтительно, система дополнительно содержит сопло, образующее расходящийся участок, установленный ниже по потоку относительно трубчатой структуры.

Предпочтительно, канал подачи воздуха размещен вокруг трубчатой структуры и открыт в осевом направлении в топливный проход на его верхнем по потоку конце.

Предпочтительно, кольцевой топливный проход имеет сужающийся участок в направлении потока топлива для ускорения потока топлива в трубчатой структуре.

Предпочтительно, газом является воздух.

Предпочтительно, воздух, образующий газ, отбирается из ступени компрессора турбомашины перед сжатием.

Предпочтительно, система дополнительно содержит устройство для управления расходом газа, нагнетаемого в канал подачи топлива.

Согласно другому объекту настоящего изобретения создана камера сгорания турбомашины, содержащая описанную выше аэродинамическую систему инжектирования топливовоздушной смеси.

Согласно еще одному объекту настоящего изобретения создана турбомашина, содержащая камеру сгорания, оснащенную описанной выше аэродинамической системой инжектирования топливовоздушной смеси.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения приведены в нижеследующем описании со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показан вариант, не имеющие ограничивающего характера.

Фиг.1 - осевое сечение системы инжектирования согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг.2 - сечение с частичным разрезом по линии ii-ii с фиг.1.

Фиг.3 - осевое сечение системы инжектирования согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения.

Как показано на фиг.1 и 3, аэродинамическая система 2 (2′) инжектирования согласно настоящему изобретению в основном имеет форму трубчатой структуры 4 с осью XX′, которая открыта на своем нижнем по потоку конце 4b для подачи топливовоздушной смеси.

Система 2 (2′) инжектирования содержит, по меньшей мере, один канал 6 (6′) подачи воздуха, соединенный со ступенью компрессора турбомашины (не показана) и открытый в трубчатую структуру 4. Таким образом воздух подается в трубчатую структуру 4 через канал (каналы) 6 (6′) под давлением Р_А, например, от 0,5 до 50 бар.

Система 2 (2′) инжектирования также содержит кольцевой топливный проход 8, который образован в трубчатой структуре 4 вокруг его оси XX′. Нижний по потоку конец 8b топливного прохода 8 открыт в трубчатую структуру 4 и образует в нем резкое расширение.

Топливный проход 8, центр которого расположен на оси XX′ трубчатой структуры 4, соединен с, по меньшей мере, одним каналом 10 подачи топлива, по которому течет топливо под давлением Р_С. Проход 8 позволяет топливу входить в трубчатую структуру 4 в направлении оси XX′. К примеру, давление Р_С топлива, движущегося по каналу 10 подачи топлива, составляет от 4 до 80 бар.

Как показано на фиг.2, кольцевой топливный проход 8 может соединяться, например, с двадцатью каналами 10 подачи топлива, которые равномерно распределены по всей окружности трубчатой структуры 4 так, чтобы добиться равномерного распределения топлива в проходе 8.

Каналы 10 подачи топлива предпочтительно наклонены тангенциально относительно кольцевого топливного прохода 8, например, на угол 45° (фиг.2). В результате, топливо при вводе в проход 8 закручивается.

Согласно настоящему изобретению система 2 (2′) инжектирования дополнительно содержит, по меньшей мере, один канал 12 инжектирования газа, который открыт в каналы 10 подачи топлива и соединен с газовым подающим каналом 14.

Как показано на фиг.2, канал 12 инжектирования газа может быть предназначен для каждого канала 10 подачи топлива. В варианте воплощения (фиг.2) система 2 инжектирования, таким образом, имеет двадцать каналов 12 инжектирования газа, распределенных по периферии трубчатой структуры 4. Альтернативно, можно также создать меньшее количество каналов инжектирования газа, чем каналов подачи топлива.

Также согласно настоящему изобретению газ подается в канал (каналы) подачи топлива под давлением P_G, которое больше давления Р_A воздуха, подаваемого в трубчатую структуру 4 через канал(ы) 6 (6′) подачи воздуха, и которое больше или приблизительно равно давлению P_C топлива, текущего по каналу (каналам) 10 подачи топлива.

Нагнетание газа в канал (каналы) 10 подачи топлива при давлении P_G, превышающем давление Р_A и большем или равном давлению Р_C, служит для создания смеси жидкости и газа под давлением Р_C перед тем, как эта смесь будет введена в трубчатую структуру 4.

Более конкретно, вспенивание топлива происходит, когда удовлетворены следующие условия: давление газа составляет давление Р_G, которое по существу равно давлению Р_C топлива (или немного превышает его), и смешивание газа с топливом происходит в пространстве, которое по существу ограничено (конкретно, смешивание происходит в зоне схождения между каналами 12 инжектирования газа и каналами 10 подачи топлива).

Вспенивание топлива характеризуется наличием пузырьков газа в слое топлива, которое течет по топливному проходу 8. Расширение газовых пузырьков во время входа смеси в трубчатую структуру 4, таким образом, облегчает последующее ее распыление. Поэтому, временная характеристика распыления и испарения топлива сокращается.

Газом предпочтительно является инертный газ, не оказывающий прямого влияния на сгорание топливовоздушной смеси. Например, газом является воздух, отбираемый из ступени компрессора турбомашины и дополнительно подвергаемый сжатию для получения давления P_G, которое превышает давление Р_A воздуха, подаваемого в канал (каналы) 6 (6′) подачи воздуха.

Согласно преимущественному отличительному признаку настоящего изобретения канал (каналы) 12 инжектирования газа открыт по существу перпендикулярно в канал (каналы) 10 подачи топлива. Это конкретное расположение служит для стимулирования вспенивания топлива.

В трубчатой структуре 4 вокруг топливного прохода 8 может быть образована кольцевая газовая полость 16. Такая газовая полость 16 имеет центр, расположенный на оси XX′ трубчатой структуры 4 так, чтобы располагаться соосно с топливным проходом 8. Она соединена с газовым подающим каналом 14 и открывается в канал (каналы) 12 инжектирования газа. Эта газовая полость 16, таким образом, действует как газораспределительная полость.

Аналогичным образом в трубчатой структуре 4 может быть выполнена кольцевая трубчатая полость 18. Как показано на чертежах, эта топливная полость 18 также имеет центр на оси XX′ трубчатой структуры 4, чтобы располагаться соосно с топливным проходом 8 и газовой полостью 16. Она соединена с каналом 20 подачи топлива и открывается в канал (каналы) 10 подачи топлива. Эта полость 18 работает как топливораспределительная полость.

Согласно другому преимущественному отличительному признаку настоящего изобретения система 2 (2′) инжектирования дополнительно содержит устройство 22 для регулирования расхода газа, инжектируемого в канал 10 подачи топлива. Такое устройство 22, таким образом, служит для управления расходом газа, необходимого для инжектирования для получения вспенивания топлива. Например, расходом газа можно управлять как функцией расхода и давления Р_C топлива.

Ниже следует описание конкретных признаков варианта настоящего изобретения, показанного на фиг.1 и 2.

В этом варианте воплощения система 2 инжектирования может иметь два ряда каналов 6 подачи воздуха, которые разнесены друг от друга в осевом направлении и которые равномерно распределены по всей периферии трубчатой структуры 4. Эти каналы 6 могут открываться в верхний по потоку конец 4а трубчатой структуры 4.

Воздух, подаваемый через канал (каналы) 6 под давлением Р_A, таким образом, проходит в трубчатой структуре 4 в направлении вдоль оси XX′ к нижнему по потоку концу 4b структуры, испытывая эффект вращения внутри трубчатой структуры 4.

Кроме того, система 2 инжектирования предпочтительно содержит завихритель 24 воздуха, который размещен вокруг трубчатой структуры 4 и радиально смещен относительно топливного прохода 8. Этот наружный завихритель 24 служит для инжектирования воздуха на выходе из трубчатой структуры 4 в направлении, которое по существу является осевым, а также для получения эффекта вращения. Таким образом, вспенивающееся топливо, вводимое в трубчатую структуру 4 через топливный проход 8, распыляется под воздействием срезания между воздухом, выходящим из канала 6 скоростной подачи воздуха, и воздухом от наружного завихрителя 24.

Воздух для наружного завихрителя 24 предпочтительно отбирается из ступени компрессора турбомашины, например из той же ступени, из которой отбирается воздух, подаваемый в трубчатую структуру 4 через канал (каналы) 6 подачи воздуха. Кроме того, в этом варианте воплощения настоящего изобретения ниже по потоку от трубчатой структуры 4 может быть установлено сопло 26, образующее расходящийся участок.

Ниже следует описание конкретных признаков варианта воплощения системы 2′ инжектирования согласно настоящему изобретению, показанного на фиг.3.

В этом варианте воплощения система 2′ инжектирования имеет единственный канал 6′ подачи воздуха. Этот канал выполнен кольцевым, размещен вокруг трубчатой структуры 4 и открыт в осевом направлении в топливный проход 8 на его верхнем по потоку конце 8а. Воздух нагнетается через канал 6′ под давлением Р_A и течет в топливный проход 8 перед попаданием в трубчатую структуру 4 через расширение в ней.

Кроме того, топливный проход 8 предпочтительно имеет сужение 8с в направлении потока топлива для ускорения потока топлива в трубчатой структуре 4.

1. Аэродинамическая система инжектирования топливовоздушной смеси в камеру сгорания турбомашины, содержащая трубчатую структуру с осью XX′, открытую на нижнем по потоку конце для подачи топливовоздушной смеси, по меньшей мере, один канал подачи воздуха, соединенный со ступенью компрессора турбомашины и открытый в трубчатую структуру с возможностью подачи воздуха под давлением Р_А в трубчатую структуру, и кольцевой топливный проход, образованный в трубчатой структуре вокруг оси XX′, соединенный с, по меньшей мере, одним каналом подачи топлива, в котором топливо течет под давлением Р_С и который открыт своим нижним по потоку концом в трубчатую структуру, образуя в ней расширение, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство для инжектирования газа в, по меньшей мере, один канал подачи топлива, при этом газ находится под давлением P_G, которое выше давления P_A и выше или равно давлению Р_C, так, чтобы создавать вспенивание топлива, подаваемого в трубчатую структуру.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, один канал инжектирования газа, открытый в канал (каналы) подачи топлива и соединенный с газовым подающим каналом.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что канал инжектирования газа открыт по существу перпендикулярно в канал (каналы) подачи топлива.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кольцевую газораспределительную полость, выполненную в трубчатой структуре вокруг топливного прохода, которая соединена с газовым подающим каналом и которая открыта в канал инжектирования газа.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кольцевую топливораспределительную полость, выполненную в трубчатой структуре, соединенную с топливопроводом и открытую в канал подачи топлива.

6. Система п.1, отличающаяся тем, что канал (каналы) подачи топлива наклонен (наклонены) тангенциально относительно кольцевого топливного прохода.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что канал (каналы) подачи топлива открыт (открыты) в трубчатую структуру на ее верхнем по потоку конце, при этом воздуху придается вращение.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит наружный завихритель воздуха, размещенный вокруг трубчатой структуры, радиально смещенный относительно топливного прохода и предназначенный для инжектирования воздуха на выходное отверстие трубчатой структуры в направлении, по существу, осевом с одновременным приданием ему вращения.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что наружный завихритель соединен со ступенью компрессора турбомашины.

10. Система по п.7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сопло, образующее расходящийся участок, установленный ниже по потоку относительно трубчатой структуры.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что канал подачи воздуха размещен вокруг трубчатой структуры и открыт в осевом направлении в топливный проход на его верхнем по потоку конце.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что кольцевой топливный проход имеет сужающийся участок в направлении потока топлива для ускорения потока топлива в трубчатой структуре.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что газом является воздух.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что воздух, образующий газ, отбирается из ступени компрессора турбомашины перед сжатием.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство для управления расходом газа, нагнетаемого в канал подачи топлива.

16. Камера сгорания турбомашины, содержащая аэродинамическую систему инжектирования топливовоздушной смеси по любому из пп.1-15.

17. Турбомашина, содержащая камеру сгорания, оснащенную аэродинамической системой инжектирования топливовоздушной смеси по любому из пп.1-15.