Топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания гтд


 


Владельцы патента RU 2439435:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" (RU)

Топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания ГТД содержит систему подготовки и подачи жидкого топлива, состоящую из пилотного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Пилотный контур включает центральную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенный относительно форсунки воздушный ограниченный наружной стенкой внутренний канал с завихрителем. Основной контур включает расположенный над воздушным внутренним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками с радиальным лопаточным завихрителем на входе и объединенным с передней торцевой стенкой кольцевым экраном с острой кромкой, обращенной в сторону камеры сгорания. Перед экраном установлен кольцевой коллектор основного контура подачи топлива с магистралью подвода топлива на входе и системой распыливания топлива на выходе. Внутренний канал на выходе имеет форму диффузора с торцом наружной стенки - кольцевым стабилизатором пламени. Между экраном и наружной стенкой воздушного внутреннего канала коаксиально расположены воздушный средний кольцевой канал с лопаточным завихрителем на входе и над ним канал системы распыливания топлива основного контура со шнеком. Выходы топливного канала и воздушного среднего канала последовательно направлены в сторону внутренней поверхности экрана. Участок перехода воздушного наружного канала из радиального в осевой выполнен плавным. За острой кромкой экрана средний и наружный воздушные каналы объединены в общий наружный канал. Изобретение позволяет существенно снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания жидкого топлива путем подготовки к сжиганию в основном контуре системы подачи топлива бедной мелко дисперсной предварительно перемешанной и частично испаренной топливовоздушной смеси. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для подготовки топливовоздушной смеси перед ее сжиганием в различных камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД).

Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания является снижение уровня эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NOх), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании низкоэмисионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация подачи в камеру топливовоздушных смесей (ТВС) с достижением устойчивого горения.

В камерах сгорания авиационных двигателей организуют две зоны горения: вспомогательную (пилотную) и основную. В первой зоне сжигают богатую ТВС, во второй - бедную. Зоны могут располагаться относительно друг друга последовательно или параллельно.

Первая зона обеспечивает стабилизацию пламени и поджигание своими высокотемпературными продуктами сгорания ТВС во второй зоне, в которой сжигается основная часть топлива. Предварительно большая часть основного топлива смешивается во второй зоне с воздухом, образуя бедную по составу ТВС. В результате в зоне реакции понижается температура продуктов сгорания и происходит снижение выбросов оксидов азота в граммах на каждый килограмм топлива, поданного в камеру.

Ощутимые результаты по снижению эмиссии оксидов азота достигаются при сжигании в основной зоне горения от 50 до 75% всего топлива.

Горение топлива в пилотной зоне происходит по диффузионному механизму. Это существенно увеличивает эмиссию оксидов азота. Однако избавится от пилотной зоны в камерах сгорания авиационных ГТД без ущерба для устойчивого воспламенения и обеспечения высокой полноты сгорания топлива не удается.

Для обеспечения снижения уровня эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом перед сжиганием в камере сгорания. Горение бедной однородной мелкодисперсионной ТВС (с размером капель 20 и менее микрон) по своим характеристикам приближается к горению гомогенной смеси. Поэтому для жидкого топлива необходимо его мелкодисперсное распыливание.

Известна разработанная фирмой СНЕКМА МОТОРС (FR) система многорежимной подачи ТВС в камеру сгорания ГТД (Патент РФ №2303199 С2, F23R 3/28, 05.03.2003). Система содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми и вторыми средствами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости Вентури, которая образована ближней осевой и дальней радиальной по направлению потока стенками. Топливоподающие средства содержат первый контур, снабженный, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров. Вторые топливоподающие контуры независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива для обеспечения возможности реализации нескольких независимых режимов подачи ТВС в соответствии с определенными режимами работы двигателя. Отверстие впрыска топлива первого контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури в направлении, перпендикулярном направлению воздушного потока. Отверстия впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней стенке устройства Вентури в направлении, перпендикулярном направлению воздушного потока. Изобретение позволяет обеспечить подвод ТВС в разные зоны камеры сгорания, несколько снизить вредные выбросы в продуктах сгорания топлива, уменьшить риск коксования и устранить обратные токи топлива. Однако впрыск жидкого топлива в диффузорный канал с закрученным воздушным потоком, способным оторваться от внутренней стенки, приводит к стабилизации пламени в зоне отрыва и может привести к прогару стенки. Кроме того, появление пламени внутри канала препятствует процессу смешения топлива с воздухом и приводит к повышенному выбросу окислов азота.

Известно устройство для подготовки и подачи ТВС в камеру сгорания (Полезная, модель РФ №38218, 7 F23R, 27.05.2004). Устройство содержит коаксиально размещенные в корпусе центральную топливную форсунку с топливоподводящим устройством, воздушный канал, сужающийся на выходе, и завихритель в нем, а также наружный топливовоздушный канал с топливопитающим устройством на его входе и внешний завихритель.

Устройство снабжено дополнительным топливо-воздушным каналом, стенки которого являются продолжением стенок форсунки и имеют острые кромки на выходе. На входе в дополнительный канал установлен завихритель, при этом под острым углом к стенкам воздушного канала установлена разделительная обечайка. Топливопитающее устройство представляет собой распылитель топлива с равнорасположенными отверстиями и соединено с воздушным и наружным каналами отверстиями. На выходе наружного топливовоздушного канала расположен треугольный стабилизатор пламени, соединенный своей вершиной с разделительной обечайкой и повернутый внутрь топливовоздушного канала. Такое устройство позволяет обеспечить более равномерное распределение топлива по углу в сравнении с распределением, создаваемым центральной форсункой особенно на режимах малой тяги, значительно улучшить смешение топлива с воздухом и сформировать две зоны горения: осевую пилотную и наружную основную, расположенную вокруг пилотной зоны. В такой конструкции облегчается воспламенение топлива и розжиг камеры сгорания. Однако данное устройство не обеспечивает надежной работы камеры сгорания на теплонапряженных режимах работы. Прогорает треугольный стабилизатор пламени, выдвинутый далеко в зону горения, и стенка наружного канала, через которую впрыскивается основная часть топлива из-за большой кривизны наружного канала и появления зоны обратного тока продуктов сгорания около места подачи топлива.

Наиболее близким аналогом по назначению и конструкции, что и заявляемое техническое решение, является устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания (Патент РФ №2386082, F23R 3/28, 22.09.2008). Устройство содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с нею воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальную форсунку с магистралью подвода топлива. Размещенные коаксиально относительно форсунки, связанный с ней через стенку воздушный внутренний сужающийся канал с острой кромкой на выходе и тангенциальным завихрителем на входе, расположенный над воздушным внутренним каналом воздушный средний канал, ограниченный наружной стенкой, состоящий из сужающегося и расширяющегося участков, с лопаточным завихрителем на входе перед сужающимся участком и кольцевым стабилизатором пламени V-образной формы на выходе. Основной контур включает расположенный коаксиально над воздушным средним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками в виде дисков и изнутри наружной стенкой воздушного среднего канала, которая скреплена с передним диском. На входе в наружный канал между дисками установлен завихритель воздуха с лопатками и каналами между ними. Снаружи на переднем диске закреплен кольцевой коллектор основного контура системы подачи жидкого топлива с магистралью подвода топлива и равнорасположенными по окружности осевыми струйными форсунками, которые обращены в сторону воздушного наружного канала. Вокруг струйных форсунок в переднем диске выполнен воздушный кольцевой коллектор, сообщающийся сквозными отверстиями, соосными каждой форсунке, с воздушным наружным каналом. Воздушный коллектор также соединен с полостью воздушного среднего канала сквозными отверстиями в наружной стенке канала. Аксиальная форсунка вспомогательного контура жидкого топлива выполнена полой по оси и имеет кольцевой коллектор с радиальными наклонными отверстиями в ее стенке. Форсунка сопряжена с воздушным внутренним каналом, выход которого расположен в зоне сужающегося участка воздушного среднего канала. Внутри воздушного наружного канала в месте стыка переднего диска с наружной стенкой воздушного среднего канала закреплен конический экран с острой кромкой на выходе. Наружная стенка воздушного среднего канала под экраном имеет ряд равнорасположенных по окружности сквозных отверстий. Сопла форсунок основного контура системы подачи жидкого топлива размещены напротив наружной поверхности экрана, завихритель воздушного наружного канала является началом этого канала, причем межлопаточные каналы делят воздушный наружный канал на входе на равные части, а основной контур системы подачи газообразного топлива включает кольцевой коллектор, дополнительно закрепленный на переднем диске воздушного наружного канала, который снабжен магистралью подачи газообразного топлива и соосно равнорасположенными по окружности газораздаточными трубками с сопловыми отверстиями, где каждая трубка размещена в начале отдельного межлопаточного канала по его оси. В зоне горения, расположенной в следе за устройством, формируются две зоны горения: центральная пилотная с зоной обратных токов, которая образуется при распаде воздушных струй, закрученных во внутреннем и среднем каналах, и периферийная основная, в которой сгорает ТВС, вытекающая из наружного канала. В пилотной зоне осуществляется горение богатой ТВС, в периферийной - бедной ТВС. Снижение выбросов оксидов азота (NOх) достигается тем, что реакция горения в периферийной зоне происходит в уже хорошо перемешанной бедной ТВС. Чем больше такой смеси образуется в периферийной зоне до начала реакции горения, тем эффективнее уменьшается эмиссия (NOх). Однако эффективному смешению в данном устройстве препятствует конический экран, расположенный в наружном воздушном канале. На его поверхность, обращенную к струйным форсункам, осаждаются капли уже распыленного топлива. Вторичное распыливание образовавшейся на экране топливной пленки происходит с задней кромки экрана. В течение всего времени от момента соприкосновения капель топлива с экраном до его вторичного распыливания значительная часть топлива не участвует в процессе смешения ТВС. Кроме того, наклонный экран не препятствует образованию зон отрыва потока в переднем углу L-образного канала, где передний диск стыкуется с наружной стенкой воздушного среднего канала. Более того, несмотря на воздух, подводимый под наклонный экран через ряд равнорасположенных по окружности отверстий, экран превращается в дополнительный V-образный стабилизатор, за которым формируется протяженная зона обратных токов. В эту зону попадает часть топлива, распыленного с задней кромки наклонного экрана, и появляется возможность дополнительного пламени внутри наружного L-образного канала. Часть топлива, забрасываемого на внутреннюю стенку канала, также на некоторое время выводится из процесса смешения с воздухом. Вторичное распыливание этого топлива происходит с задней кромки кольцевого V-образного стабилизатора пламени, расположенного в начале стенки, отделяющей наружный L-образной воздушный канал от среднего. Кроме того, поток воздуха, формируемый средним каналом на конфузорном его участке, обжимает выходящую из него ТВС, предотвращая ее распад с образованием осевой зоны обратных токов, необходимой для стабилизации пламени, а затем на расширяющемся участке сопла распадается с образованием неустойчивой плохо снабжаемой топливом кольцевой тороидальной зоны обратных токов, геометрические и режимные параметры которой зависят от параметров закрутки потоков и соотношения расходов воздуха, вытекающего из внутреннего и среднего каналов. V-образный стабилизатор пламени, расположенный в конце сопла, несколько исправляет положение, поскольку фиксированная в следе за ним зона обратных токов объединяется с кольцевой зоной обратных токов, придавая тем самым ей некоторую стабильность. Однако сделать стабилизатор пламени и зону стабилизации за ним нужного, относительно большого, размера в данной конструкции устройства из-за ограниченного поперечного размера камеры сгорания затруднительно.

Указанные недостатки конструкции снижают эффективность и надежность данного устройства для снижения эмиссии (NOх), особенно при высоких температурах и давлениях воздуха на входе в камеру сгорания (ТК>800 К, РК>20 бар).

В основу изобретения положено решение задачи существенного снижения эмиссии вредных веществ (NOх, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлива путем подготовки к сжиганию в основном контуре системы подачи топлива бедной, мелкодисперсной, предварительно перемешанной и частично испаренной ТВС без ущерба для топливной экономичности двигателя и сокращения ресурса работы его горячих частей.

Поставленная задача решается тем, что топливовоздушный модуль (ТВМ) фронтового устройства камеры сгорания ГТД содержит систему подготовки и подачи жидкого топлива, состоящую из пилотного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Пилотный контур включает центральную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенный относительно форсунки воздушный ограниченный наружной стенкой внутренний канал с завихрителем на входе. Основной контур включает расположенный над воздушным внутренним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы. Канал L-образной формы ограничен передней и задней торцевыми стенками с радиальным лопаточным завихрителем на входе и объединенным с передней торцевой стенкой кольцевым экраном с острой кромкой. Острая кромка экрана обращена в сторону камеры сгорания. Перед экраном установлен кольцевой коллектор основного контура подачи топлива с магистралью подвода топлива на входе и системой распыливания топлива на выходе.

Новым в изобретении является то, что внутренний канал на выходе имеет форму диффузора с торцом наружной стенки - кольцевым стабилизатором пламени. Между экраном и наружной стенкой воздушного внутреннего канала коаксиально расположены воздушный средний кольцевой канал с лопаточным завихрителем на входе и над ним канал системы распыливания топлива со шнеком. Выходы распылителя топлива и воздушного среднего канала последовательно направлены в сторону внутренней поверхности экрана. Участок перехода воздушного наружного канала из радиального в осевой выполнен плавным. За острой кромкой экрана средний и наружный воздушные каналы объединены в общий наружный канал.

При таком устройстве ТВМ фронтового устройства камеры сгорания ГТД:

- выполнение внутреннего канала на выходе в форме диффузора с торцом наружной стенки - кольцевым стабилизатором пламени - обеспечивает формироваие устойчивой рециркуляционной зоны стабилизации пламени и дополнительной зоны поджигания ТВС за стабилизатором пламени;

- расположение между экраном и наружной стенкой воздушного внутреннего канала коаксиально воздушного среднего кольцевого канала с лопаточным завихрителем на входе и над ним канала системы распыливания топлива основного контура, имеющего шнек, позволяет интенсифицировать процессы распыливания и смешения топлива с воздухом;

- направление в сторону внутренней поверхности экрана последовательно выходов канала системы распыливания топлива и воздушного среднего канала позволяет улучшить растекание топливной пленки на экране, сделать пленку топлива более тонкой и, следовательно, получить более мелкие капли топлива;

- выполнение плавным участка перехода воздушного наружного канала из радиального в осевой препятствует образованию отрывных зон, в которых может стабилизироваться пламя;

- объединение за острой кромкой экрана закрученных потоков воздуха среднего и наружного каналов в общий наружный канал позволяет не только улучшить распыливание топливной пленки, но и распределить топливо по всему потоку воздуха.

Развитие совокупности существенных признаков изобретения для частных случаев дано в дополнительных пунктах:

- лопатки завихрителей воздушного среднего канала и винтовые канавки шнека системы распыливания топлива основного контура направлены в одну сторону, что позволяет существенно ускорить и улучшить образование топливной пленки, сделать пленку более тонкой и, следовательно, получить более мелкие капли топлива;

- лопатки завихрителей воздушного среднего канала и винтовые канавки шнека системы распыливания топлива основного контура направлены в разные стороны, что интенсифицирует процесс смешения капель топлива с воздухом за счет увеличения относительной скорости контакта воздушной и жидкой сред;

- лопатки завихрителя воздушного среднего канала и завихрителя воздушного наружного радиально-осевого канала направлены в разные стороны вращения часовой стрелки, что интенсифицирует процесс смешения капель топлива с воздухом за счет усиления пульсаций воздуха в слоях смешения двух соприкасающихся воздушных потоков;

- направление завихрителя воздушного среднего канала и завихрителя воздушного наружного радиально-осевого канала направлены в одну сторону вращения часовой стрелки, что обеспечивает более однородное смешение топлива с воздухом;

- кольцевой коллектор основного контура подачи топлива в обе стороны от места подвода топлива до диаметрально противоположного места может быть выполнен с одинаково уменьшающимися площадями поперечного сечения, что обеспечивает предотвращение перегрева и коксования топлива в каналах;

- наружная стенка воздушного внутреннего канала может иметь воздушный канал охлаждения ее внутренней и торцевой поверхностей с выходом в наружный канал в месте, примыкающем к стабилизатору, что обеспечивает работоспособность устройства;

- за острой кромкой экрана воздушный общий наружный канал может быть выполнен диффузорным, что улучшает процесс смещения топлива с воздухом за счет увеличения степени турбулентности.

Процесс предварительного смешения жидкого топлива с воздухом существенно зависит от мелкости распыливания топлива, испарения капель, степени и направления закрутки взаимодействующих потоков воздуха, а также расходов воздуха по каналам.

Так как при создании камер сгорания приходится решать не только экологические проблемы, но и задачи обеспечения запуска камеры сгорания и устойчивости ее работы в широком диапазоне параметров, фронтовые устройства с ТВМ для разных камер сгорания будут отличаться распределением топлива между центральной и кольцевой форсунками, расходами и параметрами закрутки воздуха по каналам ТВМ.

В связи с этим для решения всего комплекса проблем в одном случае окажется более благоприятной закрутка двух взаимодействующих потоков топливо-воздух или воздух-воздух в одном направлении, в другом - в разных направлениях.

При вращении двух потоков воздуха в одном направлении крупные капли топлива отбрасываются наружу, мелкие к центру, а при вращении потоков воздуха в разных направлениях - улучшается мелкость распыливания пленки топлива с поверхности экрана, возрастает интенсивность турбулентного смешения в свободном слое взаимодействия двух потоков, но капли топлива остаются в слое, не распределяясь на все сечение канала. Испарение топлива в высокотемпературном воздухе, сжатом в компрессоре двигателя, вносит в процесс смешения свои особенности. Испаренное топливо будет хуже перемешиваться с окружающими его потоками воздуха, закрученными в одном направлении, и лучше с потоками, закрученными в разных направлениях.

В зависимости от заданного диапазона режимных параметров и технических требований на характеристики двигателя ТВМ будут отличаться проходной площадью топливных и воздушных каналов, углом установки лопаток завихрителей и даже их типом.

Таким образом, решена поставленная в изобретении задача. Существенно снижена эмиссия вредных веществ (NOх, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлива путем подготовки к сжиганию в основном контуре системы подачи топлива бедной мелкодисперсной предварительно перемешанной и частично испаренной ТВС без ущерба для топливной экономичности двигателя и сокращения ресурса работы его горячих частей.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции ТВМ и его работы со ссылкой на иллюстрацию, представленную на чертеже.

ТВМ фронтового устройства камеры сгорания ГТД содержит систему подготовки и подачи жидкого топлива, состоящую из пилотного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов. Пилотный контур включает центральную форсунку 1 с магистралью 2 подвода топлива. Относительно форсунки 1 коаксиально размещен воздушный, ограниченный наружной стенкой 3, внутренний канал 4 с завихрителем 5. Основной контур включает расположенный над воздушным внутренним каналом 4 воздушный наружный радиально-осевой канал 6 L-образной формы. Канал 6 ограничен передней 7 и задней 8 торцевыми стенками с радиальным лопаточным завихрителем 9 на входе и объединенным с передней торцевой стенкой 7 кольцевым экраном 10 с острой кромкой 11. Острая кромка 11 обращена в сторону камеры сгорания 12. Перед экраном 10 установлен кольцевой коллектор 13 основного контура подачи топлива с магистралью 14 подвода топлива на входе и каналом 15 системы распыливания топлива на выходе. Внутренний канал 4 на выходе имеет форму диффузора 16 с торцом 17 наружной стенки - кольцевым стабилизатором пламени. Завихритель 5 установлен во внутреннем канале 4 на входе в диффузор 16. Между экраном 10 и наружной стенкой 3 воздушного внутреннего канала 4 коаксиально расположены воздушный средний кольцевой канал 18 с лопаточным завихрителем 19 на входе и над ним кольцевой канал 15 системы распыливания топлива основного контура. Канал 15 системы распыливания топлива имеет шнек 20 с винтовыми канавками. Выходы 21 системы распыливания топлива и 22 воздушного среднего канала 18 последовательно направлены в сторону внутренней поверхности экрана 10. Участок 23 перехода воздушного наружного канала 6 из радиального в осевой выполнен плавным. За острой кромкой 11 экрана 10 средний 18 и наружный 6 воздушные каналы объединены в общий наружный канал 24. Лопатки завихритеяя 19 воздушного среднего канала 18 и винтовые канавки шнека 20 системы распыливания топлива основного контура могут быть направлены в одну или разные стороны. Лопатки завихрителя 19 воздушного среднего канала 18 и завихрителя 9 воздушного наружного радиально-осевого канала 6 также могут быть направлены в одну или разные стороны вращения часовой стрелки. Кольцевой коллектор 13 основного контура подачи топлива в обе стороны от места подвода топлива до диаметрально противоположного места выполнен с одинаково уменьшающимися площадями поперечного сечения. Наружная стенка 3 воздушного внутреннего канала 4 имеет воздушный канал 25 охлаждения ее внутренней и торцевой поверхностей с выходом через отверстия 26 в объединенный наружный канал 24 в месте, примыкающем к стабилизатору 17. За острой кромкой 11 экрана 10 воздушный общий наружный канал 24 выполнен диффузорным. Подвод воздуха к коаксиальным воздушным внутреннему 4 и среднему 18 каналам модуля выполнен единым.

ТВМ фронтового устройства камеры сгорания ГТД работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки жидкого топлива в пилотном и основном контурах, которые обеспечивают предварительное перемешивание и последующее распыливание топлива воздухом с обеспечением малых размеров жидких капель. Здесь также достигают дополнительный выигрыш в энергетике насосов за счет относительно низких потребных давлений подачи топлива.

В начальный момент времени (на запуске двигателя) через ТВМ подают небольшой, но достаточный для пуска камеры сгорания, поток воздуха. Воздух из компрессора направляют в камеру сгорания 12 несколькими потоками: через внутренний канал 4, коаксиальные каналу 4 средний канал 18 и канал 25 охлаждения, а также радиально-осевой канал 6. Один поток воздуха подают через завихритель 5 внутреннего канала 4 в диффузор 16, а далее закрученный поток направляют в камеру сгорания 12. Другой поток направляют в камеру сгорания через завихритель 19 среднего воздушного канала 18 основного контура. Третий поток воздуха направляют в камеру сгорания 12 через канал 25 охлаждения и отверстия 26 наружной стенки 3 воздушного канала 4 и воздушный наружный канал 24. В воздушном наружном канале 6 основного контура воздушный поток на входе закручивают в завихрителе 9, далее закрученный радиальный поток плавно поворачивают на участке 23 в осевое направление на вход в камеру сгорания 12. Закрученные в завихрителях 9 и 19 потоки воздуха смешивают друг с другом и топливной пеленой из канала 15 на острой кромке 11 кольцевого экрана 10 перед направлением ТВС в камеру сгорания.

При включении пилотного контура топливо через магистраль 2 и центральную форсунку 1 подают в закрученный воздушный поток диффузора 16 внутреннего канала 4, где оно первоначально распыливается в виде жидкой пелены. Пелену топлива в диффузоре 16 интенсивно испаряют и дробят закрученным потоком воздуха из завихрителя 5. В процессе дробления и внедрения капель топлива в закрученный поток воздуха на выходе диффузора 16 образуют частично перемешанную и испаренную богатую ТВС (α=0,3-0,9), которую с внешней стороны модуля обратными токами продуктов сгорания направляют на кольцевой стабилизатор 17 пламени. ТВС поджигают воспламенителем (не показано) и сжигают. Кольцевой стабилизатор 17 поддерживает устойчивое горение ТВС пилотного контура в центральной зоне расширяющегося участка диффузора 16. Это позволяет обеспечить надежное воспламенение топлива в камере, высокую полноту сгорания топлива и достигнуть требуемые нормы ИКАО на эмиссию СО и несгоревших углеводородов UHC.

Для перехода на режимы полной мощности, при работающем пилотном контуре, включают основной контур подачи топлива. Через магистраль 14 подвода основного топлива и кольцевой коллектор 13 топливо, закрученное винтовыми канавками шнека 20 в канале 15, через выход 21 подают на внутреннюю поверхность экрана 10, где оно растекается в виде жидкой пелены. Топливную пелену сливают с острой кромки 11 экрана 10, испаряют и дробят с двух сторон закрученными воздушными потоками, истекающими из наружного 6 и среднего 18 кольцевых каналов. В процессе дробления и внедрения капель топлива в закрученные потоки воздуха на входе в камеру сгорания 12 образуют частично перемешанную и испаренную бедную ТВС (α=1,8-2,4), которую поджигают обратными токами продуктов сгорания топлива пилотного контура и сжигают. Кольцевой стабилизатор пламени 17 обеспечивает устойчивое непрерывное горение ТВС как при подаче топлива пилотного контура, так и при совместной подаче топлива пилотного и основного контуров в камеру сгорания 12. ТВС, текущая в периферийных слоях общего потока, начинает гореть последней, смешение топлива с воздухом здесь происходит наиболее полно. Чем больше топлива содержится в таких периферийных слоях, тем ниже оказываются выбросы оксидов азота. Предварительная поэтапная подготовка однородной ТВС жидкого топлива основного контура в воздушных каналах 18 и 24 обеспечивает высокую эффективность горения (низкие выбросы СО и NOХ). Соотношение расходов топлива пилотного и основного контуров является предметом экспериментальных исследований. Для опытной проверки подготовлен ТВМ, в котором топливо в центральной форсунке 1 пилотного контура, канале 15 системы распыливания топлива основного контура и воздушный поток в среднем канале 18 закручены в одном направлении вращения часовой стрелки, а потоки во внутреннем 4 и наружном 6 воздушных каналах относительно воздушного среднего канала 18 закручены в противоположном направлении часовой стрелки.

1. Топливовоздушный модуль фронтового устройства камеры сгорания ГТД, содержащий систему подготовки и подачи жидкого топлива, состоящую из пилотного и основного контуров и сопряженных с ними воздушных каналов, где пилотный контур включает центральную форсунку с магистралью подвода топлива, коаксиально размещенный относительно форсунки воздушный, ограниченный наружной стенкой, внутренний канал с завихрителем, а основной контур включает, расположенный над воздушным внутренним каналом воздушный наружный радиально-осевой канал L-образной формы, ограниченный передней и задней торцевыми стенками с радиальным лопаточным завихрителем на входе, и объединенным с передней торцевой стенкой кольцевым экраном с острой кромкой, обращенной в сторону камеры сгорания, при этом перед экраном установлен кольцевой коллектор основного контура подачи топлива с магистралью подвода топлива на входе и системой распыливания топлива на выходе, отличающийся тем, что внутренний канал на выходе имеет форму диффузора с торцем наружной стенки - кольцевым стабилизатором пламени, между экраном и наружной стенкой воздушного внутреннего канала коаксиально расположены воздушный средний кольцевой канал с лопаточным завихрителем на входе и над ним канал системы распыливания топлива основного контура со шнеком, причем выходы топливного канала и воздушного среднего канала последовательно направлены в сторону внутренней поверхности экрана, участок перехода воздушного наружного канала из радиального в осевой выполнен плавным, а за острой кромкой экрана средний и наружный воздушные каналы объединены в общий наружный канал.

2. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что лопатки завихрителя воздушного среднего канала и винтовые канавки шнека системы распыливания топлива основного контура направлены в одну сторону.

3. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что лопатки завихрителя воздушного среднего канала и винтовые канавки шнека системы распыливания топлива основного контура направлены в разные стороны.

4. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что лопатки завихрителя воздушного среднего канала и завихрителя воздушного наружного радиально-осевого канала направлены в разные стороны вращения часовой стрелки.

5. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что лопатки завихрителя воздушного среднего канала и завихрителя воздушного наружного радиально-осевого канала направлены в одну сторону вращения часовой стрелки.

6. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что кольцевой коллектор основного контура подачи топлива в обе стороны от места подвода топлива до диаметрально противоположного места выполнен с одинаково уменьшающимися площадями поперечного сечения.

7. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что наружная стенка воздушного внутреннего канала имеет воздушный канал охлаждения ее внутренней и торцевой поверхностей с выходом в воздушный наружный канал в месте, примыкающем к стабилизатору.

8. Топливовоздушный модуль по п.1, отличающийся тем, что за острой кромкой экрана воздушный общий наружный канал выполнен диффузорным.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения. .

Изобретение относится к многорежимному топливному инжектору для камер сгорания, в частности для камеры сгорания реактивного двигателя. .

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства впрыскивания смеси топлива с воздухом в камеру сгорания газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к устройствам для подготовки топливовоздушных смесей (ТВС) жидких и газообразных углеводородных топлив и подачи их в различные зоны камер сгорания ГТД и ГТУ.

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы смешения различных жидкостей и газов, в том числе процессы смесеобразования различных топлив с воздухом и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС), в частности к созданию малоэмиссионных камер сгорания (МКС) авиационных газотурбинных двигателей (ТТЛ) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) на базе малоэмиссионных горелок (МГ) с предварительной подготовкой и сжиганием «бедных» смесей жидких или газообразных топлив и воздуха

Изобретение относится к области авиационного, аэрокосмического и космического двигателестроения, к созданию газотурбинных двигателей, работающих на жидких углеводородных горючих и охладителях

Горелка // 2455569
Изобретение относится к газовому инжектору для впрыскивания топлива в горелку для газотурбинного двигателя

Изобретение относится к огнеупорной амбразуре горелки

Изобретение относится к горелкам, которые применяются в способах формирования минеральных волокон и в которых вытягивание этих волокон является следствием только лишь течений газовых потоков, производимых упомянутыми горелками

Изобретение относится к средствам и способу регулирования температуры в камере сгорания
Наверх