Низконапорная форсунка и способ распыла топлива
Изобретение относится 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, а 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. Форсунка содержит дополнительный радиальный шнековый завихритель, установленный между корпусом и наружным завихрителем. Технический результат - устранение нагарообразования и обеспечение высокого качества распыливания топлива, снижение энергетических потерь. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к газотурбинным установкам, а именно к системам подачи топлива.
Известна топливная форсунка из патента РФ на изобретение №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 невозможность получения необходимой мелкости распыливания топлива, что приведет к увеличению склонности топливовоздушного факела к пульсациям и уменьшению зоны устойчивой работы камеры сгорания.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является низконапорная форсунка, описанная в патенте РФ №2249118, кл. F02C 7/22, опубл. 27.03.2005. Бюл. №9, 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, при этом вокруг канала для подвода топлива расположен канал подвода закрученного воздуха высокого давления, причем наружный завихритель воздуха выполнен двухъярусным струйным и имеет наружные и внутренние наклонные отверстия, стабилизатор воздушного вихря, а также кольцевые наружные и внутренние распыливающие кромки.
Способ распыла топлива, осуществляемый описанной выше низконапорной форсункой, заключается в том, что 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, при этом образующаяся 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.
Недостатком такой форсунки, принятой за прототип, является возможность образования нагара на распыливающих кромках форсунки, приводящая к увеличению неравномерности окружного поля температур, а также недостаточная мелкость капель распыленного топлива.
Технической задачей заявляемого изобретения является устранение нагарообразования, обеспечение высокого качества распыливания топлива, снижение неравномерности окружного поля температур на выходе из камеры сгорания.
Технический результат изобретения достигается тем, что в низконапорной форсунке, 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 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, между корпусом и наружным завихрителем установлен дополнительный радиальный шнековый завихритель. При этом конфигурацию дополнительного шнекового завихрителя (площадь проходных сечений, угол поворота каналов подвода воздуха) подбирают таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективную его работу.
Способ распыла топлива, осуществляемый низконапорной форсункой, заключается в том, что 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, при этом образующаяся 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, кроме того, подают воздух на распыливающие кромки дополнительного шнекового завихрителя, обеспечивая этим предотвращение нагарообразования и снижение неравномерности окружного температурного поля в основной камере сгорания, при этом радиальный подвод закрученного потока воздуха дополнительно увеличивает его циркуляцию и обеспечивает более мелкое дробление капель топлива, улучшая процесс предварительной подготовки топливовоздушной смеси.
На фиг.1 представлен общий вид низконапорной форсунки (продольный разрез).
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 закрутки и 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. Между корпусом 1 и наружным завихрителем 15 расположен канал подвода внешнего воздуха 21. В канале 21 расположен дополнительный шнековый завихритель воздуха 22, поступающего из-за компрессора на всех режимах работы ГТД.
Описание работы низконапорной форсунки.
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. 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. Воздух и топливо в форсунке закручиваются в завихрителях в одном направлении. Стабилизатор 19 воздушного вихря служит для стабилизации геометрической устойчивости топливовоздушного факела. По каналу 21 через дополнительный шнековый завихритель 22 подается воздух из-за компрессора, обдувающий кромки 14 и 9, для предотвращения нагарообразования на них. При этом происходит и более мелкое дробление капель топливовоздушной смеси.
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 радиального 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.
Заявляемое изобретение позволяет увеличить циркуляцию газового потока и обеспечить более мелкое дробление капель топливовоздушной смеси, повысить качество предварительной подготовки топливовоздушной смеси, снизить неравномерность окружного поля в основной камере сгорания за счет предотвращения нагарообразования на торцевых поверхностях кромок, распыливающих топливо.
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, а 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, отличающаяся тем, что содержит дополнительный радиальный шнековый завихритель, установленный между корпусом и наружным завихрителем.
2. Способ распыла топлива, осуществляемый низконапорной форсункой, заключающийся 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, 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, отличающийся тем, что подают воздух на распыливающие кромки дополнительного шнекового завихрителя, обеспечивая этим предотвращение нагарообразования и снижение неравномерности окружного температурного поля в основной камере сгорания, при этом радиальный подвод закрученного потока воздуха дополнительно увеличивает его циркуляцию и обеспечивает более мелкое дробление капель топлива, улучшая процесс предварительной подготовки топливовоздушной смеси.
