Результат интеллектуальной деятельности: Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям основных камер сгорания.

Известна горелка для камеры сгорания газовой турбины, содержащая форсунку для распыления топлива в сжатом воздухе, первичный и вторичный проходные каналы, разделенные первой деталью, концентричной оси горелки и имеющую цилиндрическую или конически сужающуюся распылительную гильзу, причем наружный вторичный проходной канал снаружи радиально ограничен расположенной концентрично второй кольцевой деталью со сходящейся-расходящейся внутренней поверхностью, образующей участок с суженным проходным сечением, и к ней в направлении против потока примыкает распылительная гильза. Поверхность сужающерасширяющейся кольцевой детали выполнена пересекающей образующую конуса топлива форсунки выше по потоку от места изменения ее кривизны [1].

Недостатком известной конструкции является возможность возникновения неустойчивой зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки, вблизи стенки жаровой трубы, ухудшение топливной экономичности при работе на бедных топливом смесях, снижение диапазона устойчивой работы, а также повышенное нагарообразование. Это объясняется отсутствием выходной распыливающей кромки канала 5, отрывом потока воздуха и нарушением ламинарного течения в непосредственно контактирующем с каналом 5 воздухом, сначала под углом к продольной оси форсунки в направлении этой оси, а затем под углом к этой оси, но в сторону от нее. Также недостатком этой конструкции является выполнение сужающерасширяющейся кольцевой детали 6 с распылительной гильзой 8, пересекающей образующую конуса топлива форсунки выше по потоку от места изменения критического сечения канала 4, что способствует повышенному нагарообразованию. Недостатком известной конструкции является также смежное расположение двух тангенциальных завихрителей и закручивание воздушного потока через тангенциальные каналы 4, 5 в одном направлении, что приводит к близким окружным скоростям потоков и спутному смешиванию воздушно-газовой смеси, что не позволяет улучшить процесс смесеобразования и топливную экономичность горелки.

Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцем осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом [2].

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей улучшения топливной экономичности горелки, увеличения диапазона устойчивой работы, снижения нагарообразования и повышения надежности повторного запуска двигателя в высотных условиях. Указанные недостатки объясняются недостаточной оптимизацией соотношений проходных сечений щелевого канала, конфузорно-диффузорных сопел осевого и тангенциального завихрителей в зависимости от проходной площади горелки, геометрических параметров расположения выходных распыливающих кромок сопел в зависимости от углов установки лопаток осевого завихрителя, которые не обеспечивают устойчивую область рециркуляции в зоне горения при работе на обедненной топливом смеси.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении топливной экономичности газотурбинного двигателя, в расширении диапазона устойчивой работы, в обеспечении надежного повторного запуска двигателя в высотных условиях за счет улучшения смесеобразования, повышения стабильности параметров топливовоздушных потоков путем оптимизации конструктивных элементов горелки, создания устойчивой зоны рециркуляции в зоне горения при работе на обедненной топливом смеси и уменьшения нагарообразования.

Сущность технического решения заключается в том, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцем, причем каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом, согласно изобретению, отношение проходной площади конфузорно-диффузорного сопла осевого и, соответственно, тангенциального завихрителя к проходной площади горелки составляет (0,90...1,05)N, а проходная площадь щелевого канала, образованного стабилизатором потока воздуха, от проходной площади горелки составляет (0,50...0,85)N, где N=, при этом угол от оси горелки до образующей между выходными кромками сопел осевого и тангенциального завихрителей, равным углу расположения выходных кромок лопаток осевого завихрителя на его среднем диаметре относительно его выходного торца с отклонениями в пределах 5°.

Выполнение проходной площади конфузорно-диффузорного сопла осевого и, соответственно, тангенциального завихрителя к проходной площади горелки, составляющей (0,90...1,05)N, а проходной площади щелевого канала, образованного стабилизатором потока воздуха от проходной площади горелки, составляющей (0,50...0,85)N, где N=, устраняет возникновение неустойчивой зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки и канала тангенциального завихрителя за счет оптимизации потоков топливовоздушной смеси из конфузорно-диффузорного сопла тангенциального завихрителя. Это объясняется тем, что угол от оси горелки до образующей между выходными кромками сопел осевого и тангенциального завихрителей равен углу респыливающего конуса топлива форсунки, что позволяет уменьшить потери давления при закрутке топливной пленки с распыливающей выходной кромки конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя внешним, коаксиально-охватывающим потоком воздуха из конфузорно-диффузорного сопла тангенциального завихрителя. Таким образом достигается более высокая однородность топливовоздушной смеси по сечению жаровой трубы, возрастает скорость горения и исключается нагарообразование горелки.

Выполнение угла от оси горелки до образующей между выходными кромками сопел осевого и тангенциального завихрителей, равным углу расположения выходных кромок лопаток осевого завихрителя на его среднем диаметре относительно его выходного торца с отклонениями в пределах 5°, позволяет уменьшить потери давления, обеспечить ламинарное течение потоков топливовоздушной смеси и воздуха в непосредственно контактирующими с каналами сопел потоками воздуха при более высокой однородности топливовоздушной смеси по сечению жаровой трубы. В результате чего скорость горения многократно возрастает, устраняются проскоки пламени на переменных режимах и в условиях повторного высотного запуска.

На фиг.1 изображен продольный разрез вдоль оси горелки. На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 поперек лопаток осевого завихрителя. На фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 поперек лопаток тангенциального завихрителя.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с отверстиями 2 подачи и распыла топлива 3, осевой завихритель 4 воздуха и тангенциальный завихритель 5 воздуха в виде каналов О,Т с открытыми торцами 6, 7 и лопатками 8, 9 внутри, стабилизатор 10 потока П воздуха, размещенный между тыльной стороной 11 корпуса 1 форсунки и входным торцом 6 осевого завихрителя 4, образующий щелевой канал Щ с его входным торцом 6. Осевой завихритель 4 снабжен конфузорно-диффузорным соплом С, а тангенциальный завихритель 5 снабжен конфузорно-диффузорным соплом С1. Отношение проходной площади конфузорно-диффузорного сопла С осевого завихрителя 4 к проходной площади горелки составляет (0,90...1,05)N. Отношение проходной площади конфузорно-диффузорного сопла С1 тангенциального завихрителя 5 к проходной площади горелки также составляет (0,90...1,05)N. Проходная площадь щелевого канала Щ, образованного стабилизатором 10 потока П воздуха, от проходной площади горелки составляет (0,50...0,85)N, где N=. Угол α от оси К горелки до образующей Z между выходными кромками 12 и 13 сопел осевого 4 и тангенциального 5 завихрителей равен или превышает в пределах 5° угол β расположения выходных кромок 14 лопаток 8 осевого завихрителя 4 на его среднем диаметре Д относительно его выходного торца М (см.фиг.1, 2). Угол γ - угол расположения выходных кромок 15 лопаток 9 тангенциального завихрителя 5 (см. фиг.3). Место изменения кривизны R конфузорно-диффузорного сопла с осевого завихрителя 4 выполнено пересекающим образующую Z1 распыливающего конуса топлива 3 форсунки (см. фиг.1). Кроме того, на фиг.1 изображено: поз. 16 - донная стенка жаровой трубы, поз. 17 - полость горения жаровой трубы, поз.18 - распыливающий пакет форсунки 1, поз.19 - отверстия в стабилизаторе 10.

Работает топливовоздушная горелка следующим образом. Топливо 3 через отверстия 2 подается к распыливающему пакету 18 форсунки 1, поступает в полость горения 17 жаровой трубы. Одновременно сжатый компрессором поток П воздуха, обтекая внешний контур стабилизатора 10, создает равномерную эпюру давления воздуха вниз по потоку П и коаксиально поверхности О осевого завихрителя 4 воздуха, выполненного в виде канале С с открытыми торцами 6 на входе Щ и выходе 12. В целевом канале Щ и не выходе 12 эпюра давления воздуха не зависит от режимов обтекания потоков П, так как во внутренней полости стабилизатора 10 давление воздуха выравнивается за счет отверстий 19. Поток П воздуха, поступающий в канал С осевого завихрителя 4, закручивается и распыливает аэрозоль топлива 3, имея равномерные эпюры скоростей и давлений в окружном направлении в воспламеняемом потоке продуктов горения, не зависящие от режимов нагрузки двигателя. Распыливаемый аэрозоль топлива 3 в зоне горения 17 обеспечивает устойчивую зону рециркуляции вблизи донной стенки 16 жаровой трубы, повышает полноту сгорания топлива, топливную экономичность, позволяет двигателю эффективно работать на обедненной топливом смеси, обеспечивает надежный повторный запуск двигателя в высотных условиях.

Источники информации

1. DE, заявка № 19627760, F 23 D 11/24, 1996 г.

2. RU, патент № 2134839, F 23 D 11/00, 1997 г. - прототип.