СПОСОБ РАСПЫЛИВАНИЯ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА И ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ

Область применения.

Изобретение относится к топливоподающим системам газотурбинных двигателей и установок, точнее - касается способа распыливания и форсунок для распыливания жидкого углеводородного топлива в высокоскоростном потоке сжатого воздуха в камерах сгорания газотурбинных двигателей или газотурбинных установок с низконапорными системами подачи топлива.

Уровень техники.

Широко известны механические форсунки без воздушного распыливания топлива.

Использование механических форсунок (без воздушного распыливания топлива) в таких случаях приводит к снижению равномерности поля температур газа в выходном сечении камеры сгорания и к чрезмерному дымлению.

Широко известны топливные форсунки с воздушным распыливанием.

Известны многочисленные конструкции топливных форсунок (см., например, патенты США №6272840, №6082113, №6986255), которые осуществляют многостадийное распыливание топлива воздушным потоком на распыливающих кромках.

Известна топливная форсунка (ЕР 0444811 А1), которая содержит концентрически расположенные: центральный воздушный завихритель, топливный канал с распыливающей кромкой на выходе и наружный лопаточный завихритель воздуха с разделением потока.

Такая топливная форсунка, близкая к традиционной, обеспечивает одностадийное распыливание, имеющее недостаточно хорошую мелкость рапыливания, плохое перемешивание капель топлива с воздухом, подведенным через наружный завихритель, большую неравномерность факела распыла в поперечном сечении как по концентрации, так и по размерам капель. Из-за отсутствия средств стабилизации течения воздушного потока снижается устойчивость топливно-воздушного факела и увеличивается его склонность к пульсациям, что в свою очередь приводит к уменьшению зоны устойчивой работы камеры сгорания.

Известна опытная пневматическая форсунка с предварительным созданием пленки жидкости (R.Bryan, P.S.Godbole, and E.R.Norster, Characteristics of Airblast Atomizers, in E.R.Norster (ed). Combustion and Heat Transfer in Gas Turbine Systems, Grandfield International Symposium Series. vol.11, pp 343-359, Pergamon, London, 1971, пер, А Лефевр, Камеры сгорания, 1989 г., М., Мир, стр.438-439). Форсунка содержит поверхность, на которой образуется пленка жидкости, распылительную кромку поверхности, с которой стекает жидкость. На вход форсунки подают воздух и топливо, топливо подводится на периферии воздушного потока. Форсунка содержит конус для отклонения воздушного потока в сторону распылительной кромки.

При работе форсунки топливо распределяется по поверхности в тонкую пленку, которая срывается у кромки поверхности, и обдувается воздухом с двух сторон, что и обеспечивает ее распыливание.

Известен способ распыливания топлива и низконапорная форсунка (патент РФ №2249118).

Низконапорная форсунка содержит кольцевые распыливающие кромки, корпус, в котором расположен центральный завихритель воздуха, канал для подвода топлива, имеющий шнековый завихритель, удаленный от выходного среза канала. На корпусе расположен наружный завихритель воздуха. Вокруг канала для подвода топлива расположен канал подвода воздуха высокого давления.

Способ распыла топлива осуществляется низконапорной форсункой следующим образом. Топливо, которое оказывается между двумя закрученными потоками воздуха, образованными центральным и шнековыми завихрителями воздуха, дробится на двух распыливающих кромках. Образующиеся капли топлива дополнительно дробятся на кромках наружного завихрителя.

В известном техническом решении на выходе топливного сопла с кромок будут срываться как мелкие, так и крупные капли.

Вследствие этого невозможно получить однородность распыла в радиальном сечении как по концентрации, так и по размерам капель, что приведет к увеличению склонности топливно-воздушного факела к пульсациям, и в свою очередь ведет к уменьшению зоны устойчивой работы камеры сгорания.

В известных технических решениях поток жидкого углеводородного топлива распыливается воздушными потоками в капли на распыливающих кромках. Такое распыливание не обеспечивает мелкодисперсность и равномерность распределения капель топлива в факеле распыла, удовлетворяющую современные газотурбинные двигатели и установки.

Мелкодисперсность и равномерность распределения капель топлива в факеле распыла оказывают существенное влияние на дымление и равномерность поля температур в выходном сечении камеры сгорания.

Улучшение мелкодисперсности и равномерности распределения капель топлива в факеле распыла обычно сопровождается расширением зоны устойчивой работы камеры сгорания.

Способа распыливания жидкого углеводородного топлива в высокоскоростном потоке воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, посредством форсунки, на вход которой поступает поток жидкого углеводородного топлива с низким напором, путем формирования внутри форсунки свободной, не соприкасающейся с твердой поверхностью, вращающейся колоколообразной топливной пленки и ее распыливания высокоскоростным потоком воздуха, и топливной форсунки для его осуществления в уровне техники не выявлено.

Характерным для усовершенствованных современных воздушно-реактивных двигателей, малоразмерных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок является низкий перепад давления между топливной системой и камерой сгорания, недостаточный для мелкодисперсного распыливания топлива в форсунке, и высокая степень повышения давления воздуха, в компрессоре, что ведет к формированию высокоскоростных потоков воздуха на входе в полость жаровой трубы.

Основной задачей изобретения является создание способа распыливания жидкого углеводородного топлива в высокоскоростном потоке воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, посредством форсунки, на вход которой поступает поток жидкого углеводородного топлива с низким напором, позволяющего расширить зону устойчивой работы камеры сгорания за счет стабилизации топливно-воздушного факела, улучшения мелкости и окружной равномерности распределения капель топлива.

Другой задачей изобретения является уменьшение эмиссии вредных веществ (NOx, сажи), благодаря более быстрому смешению воздуха с мелкими каплями топлива.

Техническим результатом является мелкодисперсный устойчивый воздушный факел распыла с равномерно распределенными по окружности каплями топлива.

Раскрытие сущности изобретения

Поставленная задача решается тем, что в способе распыливания жидкого углеводородного топлива в потоке воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, проходящего через форсунку, на вход которой поступает поток топлива с низким напором, поступающий поток топлива разделяют на струйки, равномерно располагают их по окружности, сообщают им дополнительное тангенциальное направление движения, сливают струйки в топливную пленку на короткой твердой поверхности, охватывающей все струйки с внешней стороны, и формируют, за счет вращения, свободную, не соприкасающуюся с твердой поверхностью, вращающуюся колоколообразную топливную пленку, вдувают в ее полость осевой поток воздуха, выравнивающий давление воздуха по обе стороны пленки, и дающий возможность вращающейся колоколообразной топливной пленке, по мере своего движения к выходному соплу форсунки, расширяться без разрушения, внедряют истонченную в результате расширения топливную пленку в периферийный высокоскростной поток воздуха, предварительно закрученный в направлении вращения пленки, который распыливает пленку с получением мелкодисперсного факела распыла с равномерно распределенными по окружности каплями топлива.

Целесообразно, чтобы поток воздуха, сжатый в компрессоре газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, был разделен на два потока, один из которых подавали бы вдоль оси форсунки и он являлся бы осевым, компенсирующим воздух, эжектируемый пленкой топлива, а второй поток подавали бы вдоль внутренней стенки корпуса форсунки, и он являлся бы периферийным высокоскоростным потоком воздуха.

Целесообразно также, чтобы для поддержания вращения колоколообразной топливной пленки, осевой поток воздуха был закручен в направлении вращения колоколообразной топливной пленки.

Поставленная задача решается также тем, что форсунка для распыливания жидкого углеводородного топлива в высокоскоростном потоке воздуха содержит корпус, снабженный выходным соплом и, по меньшей мере, одним входом для ввода потока воздуха, сжатого в компрессоре, топливную иглу, соосно установленную в корпусе, на вход которой поступает поток жидкого углеводородного топлива из низконапорной системы подачи топлива, многозаходный топливный шнек, размещенный в топливном канале, разделяющий поступающий поток топлива на отдельные равномерно расположенные по окружности струйки и сообщающий им дополнительную тангенциальную скорость, канал осевого воздушного потока, соосно установленный внутри топливной иглы, который направляет осевой поток воздуха к выходу из топливной иглы и затем к соплу, при этом плоскость выходного конца канала осевого воздушного потока вместе со шнеком смещены внутрь топливной иглы с образованием короткой, охватывающей топливные струйки, твердой поверхности, принадлежащей внутренней поверхности топливной иглы, и обеспечивающей слияние топливных струек во вращающуюся топливную пленку, которая после стекания с твердой поверхности, в результате вращения, принимает колоколообразную форму, канал периферийного высокоскоростного воздушного потока, между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью топливной иглы, с завихрителем, установленным в этом канале, при этом расстояние между выходной кромкой сопла корпуса и выходным концом топливной иглы выбрано так, что обеспечивает расширение колоколообразной топливной пленки с внутреннего диаметра топливной иглы до диаметра выходной кромки выходного сопла без их соприкосновения и внедрение внутрь периферийного высокоскоростного потока воздуха этой колоколообразной топливной пленки растянутой, истонченной в результате вращения и неразрушенной, благодаря внедрению в полость колоколообразной топливной пленки осевого воздушного потока, выравнивающего давление воздуха по обе стороны пленки.

Целесообразно, чтобы многозаходный топливный шнек был бы размещен у выхода топливной иглы.

Форсунка может иметь перепускной канал, соединяющий канал осевого воздушного потока и канал периферийного высокоскоростного воздушного потока.

Форсунка может содержать завихритель воздуха, установленный в канале осевого воздушного потока.

Короткая твердая поверхность, принадлежащая внутренней поверхности топливной иглы, обеспечивающая слияние топливных струек во вращающуюся топливную пленку, может быть выполнена цилиндрической.

Короткая твердая поверхность может быть выполнена также конической или сферической.

Осуществление изобретения

В дальнейшем осуществление изобретения поясняется описанием и чертежами, на которых:

на фиг.1 изображена принципиальная конструкция топливной форсунки, согласно изобретению.

На фиг.2 изображен узел А топливной форсунки.

Фиг.3 и 4 (фотокопии) иллюстрируют образование и истечение истонченной топливной пленки, согласно изобретению.

При этом фиг.3 иллюстрирует истечение истонченной топливной пленки без подачи воздуха, фиг.4 - распыливание истонченной топливной пленки высокоскоростным потоком воздуха.

Фиг.5 и 6 (фотокопии) иллюстрируют традиционную картину образования струек и капель топлива, для сравнения с изобретением. При этом фиг.5 иллюстрирует истечение топлива без подачи воздуха, фиг.6 - распыливание топлива высокоскоростным потоком воздуха.

Способ распыливания жидкого углеводородного топлива в потоке воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, проходящего через форсунку, на вход которой поступает поток топлива с низким напором, осуществляют следующим образом.

Поступающий поток топлива разделяют на струйки, равномерно располагают их по окружности и сообщают им дополнительное тангенциальное направление движения.

Затем струйки сливают в топливную пленку на короткой твердой поверхности, охватывающей все струйки с внешней стороны, и формируют, за счет вращения, свободную, не соприкасающуюся с твердой поверхностью, вращающуюся колоколообразную топливную пленку.

При этом вдувают в полость, образовавшуюся внутри колоколообразной топливной пленки, осевой поток воздуха, который выравнивает давление по обеим сторонам пленки.

Это дает возможность вращающейся колоколообразной топливной пленке, по мере своего движения к выходному соплу форсунки, расширяться без разрушения.

Для поддержания вращения колоколообразной топливной пленки, осевой поток воздуха закручивают в направлении вращения колоколообразной топливной пленки.

Истонченную в результате расширения, но не разрушенную топливную пленку, внедряют в периферийный высокоскоростной поток воздуха, который предварительно закручивают в направлении вращения пленки.

Периферийный высокоскоростной поток воздуха распыливает внедренную в него пленку с получением мелкодисперсного факела распыла с равномерно распределенными по окружности каплями топлива.

Поток воздуха, сжатый в компрессоре газотурбинного двигателя или установки, и проходящий через форсунку, может быть разделен на два потока. Один поток подают вдоль оси форсунки. Этот поток, являющийся осевым, компенсирует воздух, эжектируемый пленкой топлива, и не позволяет пленке «склепываться» по мере ее движения к выходному соплу форсунки. Второй поток подают вдоль внутренней стенки корпуса форсунки, и он является периферийным высокоскоростным потоком воздуха.

Форсунка (фиг.1) для распыливания жидкого углеводородного топлива в высокоскоростном потоке воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, согласно изобретению, содержит корпус 1, снабженный выходным соплом 2. Форсунка имеет вход 3 для ввода потока воздуха, сжатого в компрессоре, например, в виде отверстия, выполненного в корпусе 1. Форсунка может иметь более одного входа, например, два и более, т.е. в корпусе 1 может быть сделано, например, несколько отверстий.

Форсунка содержит также топливную иглу 4, соосно установленную в корпусе 1. На вход топливной иглы 4 поступает поток жидкого углеводородного топлива из низконапорной системы подачи топлива (не показана).

Форсунка снабжена многозаходным топливным шнеком 5, размещенным в топливном канале 6.

Форсунка содержит также канал 7 осевого воздушного потока, соосно установленный внутри топливной иглы 5, направляющий осевой поток воздуха к выходу из топливной иглы 4 и затем к соплу 2, и канал 8 периферийного высокоскростного воздушного потока, расположенный между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью топливной иглы 4 и связанный с входом 3 для ввода потока воздуха, сжатого в компрессоре, в корпусе 1 форсунки.

Плоскость выходного конца канала 7 осевого воздушного потока вместе со шнеком 5 смещены внутрь топливной иглы 4 на расстояние b с образованием короткой, охватывающей топливные струйки, твердой поверхности 10, принадлежащей внутренней поверхности топливной иглы 4, обеспечивающей слияние топливных струек во вращающуюся топливную пленку, которая, после отекания с твердой поверхности, в результате вращения, принимает колоколообразную форму.

Короткая твердая поверхность 10 может быть выполнена, например, цилиндрической. Твердая поверхность 10 может быть выполнена также конической или сферической.

Выходная кромка 11 выходного сопла 2 корпуса 1 отстоит на расстояние b1 от выходного конца 12 топливной иглы 4.

Расстояние b1 выбрано так, что обеспечивает расширение колоколообразной топливной пленки за счет ее вращения с внутреннего диаметра топливной иглы 4 до диаметра выходной кромки 11 выходного сопла 2 без их соприкосновения и внедрение истонченной еще не разрушенной колоколообразной топливной пленки внутрь периферийного высокоскоростного потока воздуха.

В канале 8 периферийного высокоскоростного воздушного потока установлен завихритель 9.

Завихритель 9 имеет лопатки, которые нарезаны на внешней поверхности топливной иглы 4.

Завихритель может быть также установлен в канале 7 осевого воздушного потока (на чертеже не показан).

Форсунка может иметь также перепускной канал 13, соединяющий канал 7 осевого воздушного потока и канал 8 периферийного высокоскоростного воздушного потока для распределения воздушного потока по каналам 7 и 8.

При работе форсунка реализует способ распыливания жидкого углеводородного топлива, согласно изобретению.

Форсунка работает следующим образом.

Жидкое углеводородное топливо из низконапорной системы подачи топлива поступает по топливному каналу 6 на многозаходный топливный шнек 5.

Многозаходный шнек 5 разделяет поступающий поток топлива на отдельные струйки, равномерно расположенные по окружности топливной иглы 4, и сообщает им дополнительную тангенциальную скорость.

Полученные струйки на короткой твердой поверхности 10 сливаются во вращающуюся топливную пленку, которая, после отекания с короткой твердой поверхности 10, в результате вращения, принимает колоколообразную форму.

Осевой воздушный поток, вдуваемый по каналу 7 в полость, образовавшуюся внутри колоколообразной топливной пленки, выравнивает давление по обеим ее сторонам, позволяя вращающейся колоколообразной топливной пленке расширяться при своем движении к выходному соплу 2 форсунки без разрушения.

Завихритель 9 закручивает периферийный высокоскоростной поток воздуха в направлении вращения топливной пленки.

Вращающаяся колоколообразная топливная пленка расширяется при движении с внутреннего диаметра топливной иглы 4 до диаметра выходной кромки 11 выходного сопла 2 без соприкосновения с этой кромкой.

Растянутая, неразрушенная колоколообразная топливная пленка внедряется внутрь закрученного периферийного высокоскоростного потока воздуха, который распыливает пленку с получением мелкодисперсного факела распыла с равномерно распределенными по окружности каплями топлива.

На фиг.3 представлена истонченная топливная пленка и картина распыла (фиг.4) при осуществлении способа топливной форсункой, согласно изобретению. На фиг.3 видна равномерная расширенная по диаметру пленка, которая в отсутствие воздушного потока распадается на крупные капли. Воздействие высокоскоростного воздушного потока на истонченную в результате ее расширения пленку (фиг.4) приводит к существенному улучшению мелкости распыливания и равномерному распределению аэрозоля в радиальном сечении как по концентрации так и по размерам капель. Полученный эффект наблюдается на всех режимах работы двигателя.

Топливная пленка более подвержена воздействию внешних аэродинамических сил, в отличие от дискретных струй или крупных капель. Основной проблемой при пневматическом распыливании топливных пленок форсунками с низконапорной системой подачи топлива является ее стремление принять более устойчивую форму - форму струи; этот эффект иногда называют «схлопыванием» пленки. Он связан с разряжением, образующимся на оси пленки. В результате давление воздушной среды на внешней поверхности пленки больше давления на ее внутренней поверхности; топливная пленка принимает форму «тюльпана» и затем «охлопывается» в более стабильную форму - струю.

Отклонение топливной пленки от заданной колоколообразной формы приведет к ухудшению распыливания. Для предотвращения таких нежелательных явлений уменьшают перепад давления, действующий на топливную пленку путем наддува внутрь ее осевого потока. При этом объемный расход осевого воздушного потока приспособлен компенсировать расход воздуха, эжектируемого пленкой топлива, без разрушения самой пленки до момента внедрения в периферийный высокоскоростной воздушный поток.

Для поддержания и усиления скорости вращения колоколообразной топливной пленки осевой поток воздуха может быть закручен в сторону вращения пленки. С этой же целью аналогично закручивается и периферийный высокоскоростной поток воздуха, внутренние, менее скоростные, слои которого поддерживают вращение пленки, а наружные, наиболее скоростные, раздробляют ее на мелкие капли.

Как видно из фиг.5-6, система дискретных струй в пневматической форсунке ведет к несимметричности факела и неудовлетворительности распыла, особенно на начальных режимах работы двигателя.

Как видно из представленной картины распыла на фиг.5, согласно изобретению, на фиг.6 для известного типа пневматической форсунки, с образованием пленки на твердой поверхности, предлагаемые технические решения значительно повышают мелкодисперсность, однородность и равномерность распределения капель в окружном направлении по сравнению с известными.

Улучшение мелкодисперсности и равномерности распыла ведет к улучшению запуска камеры сгорания, увеличивает равномерность поля температур газа в выходном сечении камеры сгорания и расширяет область ее устойчивой работы по составу смеси, снижает возможность прогара стенок камеры, дымление и уровень эмиссии окислов азота.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в современных воздушно-реактивных двигателях, малоразмерных газотурбинных двигателях и газотурбинных установках различного назначения.