Устройство топливной форсунки для горелки для жидкого топлива, а также способ для регулирования подачи топлива горелки для жидкого топлива - RU2160413C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области энергетики, в частности к форсункам для горелок, работающих на жидком топливе.

Известно устройство топливной форсунки для горелки на жидком топливе, содержащее главную ось, область обратного потока, впускную область, распылитель, причем впускная область расположена вдоль главной оси между распылителем и областью обратного потока и выполнена с возможностью создания вихревого течения топлива.

Недостатком указанной форсунки является сложность конструкции и неточная фиксация при механических и термических нагрузках.

Известен способ регулирования подачи топлива в горелку, работающую на жидком топливе, заключающийся в том, что запитывают постоянное количество топлива в устройство топливной форсунки, содержащей главную ось, область обратного потока, распылитель, впускную область, которая расположена вдоль оси между распылителем и областью обратного потока, причем во впускной области создается вихревое течение топлива, а текущее через распылитель, регулируют посредством регулировочного клапана, установленного в линии обратного потока.

Недостатком указанного способа является недостаточное регулирование подачи топлива в горелку для жидкого топлива.

Задачей изобретения является упрощение конструкции форсунки, обеспечение точной фиксации при механических и термических нагрузках в течение длительного времени, а также повышение точности регулирования процесса подачи топлива в горелку, работающую на жидком топливе.

Поставленная задача решается тем, что устройство топливной форсунки для горелки на жидком топливе содержит главную ось, область обратного потока, впускную область, распылитель, причем впускная область расположена вдоль главной оси между распылителем и областью обратного потока и выполнена с возможностью создания вихревого течения топлива, область обратного потока содержит кольцевой зазор, граничащий с впускной областью, сужающийся в направлении от впускной области и переходящий в линию обратного потока.

Кроме того, кольцевой зазор имеет в основном форму круглого кольца и является симметричным относительно главной оси. Кольцевой зазор имеет поперечное сечение с чередующимися узкими областями и широкими областями.

Кольцевой зазор переходит непрерывно в множество каналов течения, которые переходят по меньшей мере в одну линию обратного потока. Каналы течения выполнены в виде отверстий, проходящих, в частности аксиально относительно главной оси. Каналы течения расположены симметрично относительно главной оси. Предусмотрено от трех до шести каналов течения. Каналы течения перекрываются аксиально с линией обратного потока. По меньшей мере область обратного потока изготовлена токарной обработкой и/или сверлением. По меньшей мере область обратного потока выполнена цельной.

Задача решается также тем, что способ регулирования подачи топлива в горелку, работающую на жидком топливе, заключается в том, что запитывают постоянное количество топлива в устройство топливной форсунки, содержащей главную ось, область обратного потока, распылитель, впускную область, которая расположена вдоль оси между распылителем и областью обратного потока, причем во впускной области создается вихревое течение топлива, а текущее обратно количество топлива и за счет этого количество топлива, текущее через распылитель, регулируют посредством регулировочного клапана, установленного в линии обратного потока, при этом область обратного потока имеет кольцевой зазор, граничащий с впускной областью, сужающийся в направлении от впускной области и переходящий в линию обратного потока.

Область обратного потока с кольцевым зазором, который, сужаясь, переходит в линию обратного потока, может просто изготавливаться токарной обработкой и/или сверлением, является очень точно геометрически ориентируемой в устройстве топливной форсунки и вследствие простой геометрии и технологичности фиксированной в геометрической конструкции также при высоких термомеханических нагрузках. Посредством кольцевого зазора образован сердечник, который предпочтительно направлен вдоль главной оси и имеет форму иглы. Этот сердечник также геометрически фиксирован и может служить для стабилизации вихревого течения топлива, которое выходит из топливной форсунки. Это вихревое течение достигается, например, за счет тангенциального втекания топлива в впускную область, причем втекание в тангенциальном направлении происходит по окружности, проходящей перпендикулярно главной оси. Во впускной области подведенный поток топлива разделяется, причем часть является возвращаемой через кольцевой зазор и линию обратного потока в топливный накопитель. В кольцевом зазоре при этом завихрение течения топлива уменьшается так, что в линии обратного потока имеет место в основном течение, свободное от завихрения или по меньшей мере с уменьшенным завихрением. Таким образом гидравлическое сопротивление в линии обратного потока имеет малое значение. При протекании в направлении главной оси через кольцевой зазор имеющееся в течении завихрение в зависимости от выбранного сужения соответственно сильно уменьшается, причем избегается обратное воздействие на вращательную симметрию течения топлива в топливной форсунке. За счет простой геометрической конструкции, кроме того, обеспечивается устойчивость формы образованного кольцевым зазором сердечника. Также гидравлические потери в области обратного потока являются малыми. Уменьшение завихрения в области обратного потока начинается вверх по течению, то есть вблизи впускной области, и происходит в зависимости от степени сужения в более или менее длинной аксиальной области. Уменьшение завихрения, кроме того, происходит, начинаясь со слабым действием, за счет чего вращательная симметрия имеющегося завихрение течения топлива в топливной форсунке не нарушается.

Особенно предпочтительным также является, что область обратного потока может быть выполнена из максимально двух частей, в частности из одной единственной детали. Кольцевой зазор предпочтительно выполнен круглым и симметричным относительно главной оси, за счет чего надежно исключается оказание воздействия на вращательную симметрию вихревого течения в топливной форсунке.

Для уменьшения завихрения течения топлива в области обратного потока кольцевой зазор имеет поперечное сечение, которое состоит из чередующихся узких областей и широких областей. Эти чередующиеся узкие области и широкие области предпочтительно реализованы за счет того, что кольцевой зазор переходит непрерывно в множество каналов течения, которые впадают в по меньшей мере одну линию обратного потока. Каждый канал течения имеет предпочтительно круглое поперечное сечение с диаметром, который предпочтительно остается постоянным при рассмотрении в осевом направлении и тем самым, начиная с определенной степени сужения кольцевого зазора, образует широкую область в поперечном сечении кольцевого зазора. Каналы течения предпочтительно представляют собой отверстия, проходящие, в частности аксиально относительно главной оси. Таким образом каналы течения, а также кольцевой зазор могут легко механически изготавливаться за счет сверления и/или токарной обработки, причем область обратного потока таким образом может изготавливаться из одного единственного, в частности металлического блока, при небольшом числе рабочих операций.

Каналы течения предпочтительно расположены симметрично, в частности на окружности с центром на главной оси. Для обеспечения по возможности не имеющего сопротивления течения от кольцевого зазора в линию обратного потока, предусмотрены три или более каналов течения, в частности от пяти до десяти.

Каналы течения предпочтительно перекрываются аксиально с линией обратного потока, которая может быть изготовлена в виде осевого отверстия. Линия обратного потока может иметь диаметр порядка 2 см. За счет перекрытия каналов течения с линией обратного потока втекания топлива в линию обратного потока достигается с минимальным гидравлическим сопротивлением. Средняя линия каналов течения, выполненных в частности в виде осевых отверстий лежит для этого предпочтительно на внешнем периметре линии обратного потока.

Область обратного потока устройства топливной форсунки предпочтительно изготовлена путем токарной обработки и/или сверления. Вследствие простой геометрии она может быть изготовлена из одной единственной детали. Само собой разумеется возможно также выполнение области обратного потока из нескольких смонтированных компонентов. С содержащей линию обратного потока деталью область обратного потока предпочтительно связана посредством сварки. Другие возможности крепления, например посредством штифтов, также являются возможными. Возможным является также интегрировать линию обратного потока в изготовленную из одной единственной детали область обратного потока, в частности вводить его с помощью сверления.

Направленная на способ регулирования подачи топлива горелки для жидкого топлива задача решается соответственно изобретению за счет того, что в устройство топливной форсунки запитывают постоянное количество топлива и посредством предусмотренного в линии обратного потока регулировочного клапана регулируют количество топлива, текущее обратно через линию обратного потока. За счет этого регулируется также количество топлива, текущее через топливную форсунку. Устройство топливной форсунки имеет для этого предпочтительно главную ось, область обратного потока, впускную область и топливную форсунку, которые расположены в этой последовательности вдоль главной оси, причем во впускной области может создаваться вихревое течение топлива, в частности за счет тангенциального запитывания топлива. Область обратного потока содержит граничащий с впускной областью кольцевой зазор, который сужается в направлении от впускной области и переходит в линию обратного потока. С помощью способа количественное соотношение количества топлива, направляемого через линию обратного потока, и количества топлива, направляемого через топливную форсунку, может регулироваться в соотношении 1:40, в частности 1:30.

На фиг. 1 изображено продольное сечение через устройство топливной форсунки; на фиг. 2 - поперечное сечение II-II на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение III-III на фиг. 1; на фиг. 4 - поперечное сечение IV-IV на фиг. 1.

На фиг. 1 представлено в продольном сечении устройство топливной форсунки 1, которое направлено вдоль главной оси 5 и в основном является вращательно симметричным относительно этой главной оси 5. Устройство топливной форсунки 1 имеет вдоль главной оси 5, начиная с правого края чертежа, топливную форсунку 3, примыкающую к ней впускную область 2, а также примыкающую дальше область обратного потока 4. Область обратного потока 4 имеет имеющий форму круглого кольца кольцевой зазор 6, который сужается вниз по течению в области сужения (область уменьшения завихрения) D1, D2.

Фиг. 1 показывает два различных варианта области сужения, а именно область сужения D1 выше главной оси 5, в которой на коротком участке кольцевой зазор 6 сужается и область сужения D2 ниже главной оси 5, в которой кольцевой зазор 6 сужается на более длинном участке. Кольцевой зазор 6 переходит непрерывно в каналы течения 11, которые выполнены в виде сверленых отверстий. Кольцевой зазор 6 формирует на своей обращенной к впускной области 2 стороне металлический сердечник 13 области обратного потока 4, который расположен центрично относительно главной оси 5. Каналы течения 11 проходят аксиально относительно главной оси 5 и впадают в расположенную центрично относительно главной оси 5 линию обратного потока 7. Эта линия обратного потока 7 выполнена также в виде отверстия. Каналы течения 11 имеют соответственно каждый центр 16, которые расположены по внешнему периметру 15 линии обратного потока 7. Вниз по течению каналов течения 11 в линии обратного потока 7 расположен регулировочный клапан 12.

Фиг. 2 показывает поперечное сечение перпендикулярно к главной оси 5 через устройство топливной форсунки 1 в области осевого перекрытия линии обратного потока 7 с каналами течения 11. Центры 16 каналов течения 11 лежат на имеющем форму окружности внешнем периметре линии обратного потока 7.

Фиг. 3 показывает поперечное сечение перпендикулярно к главной оси 5 в области между областью перекрытия K и областью уменьшения завихрения D1, D2 с шестью каналами течения 11 круглого поперечного сечения, центры которых расположены на окружности, центричной относительно главной оси 5.

Фиг. 4 показывает поперечное сечение перпендикулярно к главной оси 5 области обратного потока 4. Сужающийся кольцевой зазор 6 имеет поперечное сечение 8, которое имеет попеременно узкие области 9 и широкие области 10. Широкие области 10 образованы каналами течения 11. Кольцевой зазор 6 охватывает выполненный центрично относительно главной оси 5 сердечник 13.

Запитываемое в устройство топливной форсунки 1 топливо поступает во впускную область 2 через впускной канал 17 в тангенциальном направлении. За счет этого во впускной области 2 образуется имеющее завихрение вихревое течение, которое является вращательно симметричным относительно главной оси 5. Часть этого течения согласно стрелке течения 14 направляется в область обратного потока 4. Другая часть в форме завихрения вытекает из топливной форсунки 3 в не представленную камеру сгорания. Это имеющее завихрение течение стабилизируется за счет сердечника 13 так, что обеспечено равномерное введение топлива через форсунку в камеру сгорания. Вследствие термомеханически стабильной геометрической фиксации области обратного потока 4 получается равномерное введение через форсунку также в течение длительного времени при высоких термомеханических нагрузках. Также имеющая завихрение часть течения, которая поступает в кольцевой зазор 6, претерпевает в области сужения D1 или, соответственно, D2 уменьшение завихрения. За счет этого в аксиальной области перекрытия K в линию обратного потока 7 поступает течение топлива, которое в основном свободно от завихрений. За счет регулировочного клапана 12 поперечное сечение трубопровода обратного потока 7 является переменным. В зависимости от установленного поперечного сечения линии обратного потока 7 регулируется текущее обратно количество топлива. При постоянном массовом потоке топлива, который вводится во впускную область 2, таким образом за счет установки поперечного сечения линии обратного потока 7 автоматически происходит также регулирование вводимого через топливную форсунку 3 количества топлива. Устройством топливной форсунки 1 соотношение количества топлива, направляемого через линию обратного потока 7, к количеству топлива, поступающего в топливную форсунку 3, является устанавливаемым между 1:30. Это соответствует требованиям к горелке на жидком топливе для газовой турбины, которая должна регулироваться от холостого хода до режима максимальной мощности.

Изобретение характеризуется особенно прочной и просто изготавливаемой областью обратного потока устройства топливной форсунки, в частности для горелки для жидкого топлива газовой турбины. Область обратного потока имеет кольцевой зазор, который образует центричный и вращательно симметричный относительно главной оси сердечник (центральный элемент), который служит для стабилизации входного течения топливной форсунки. Кольцевой зазор постоянно сужается в направлении линии обратного потока и непрерывно переходит в каналы течения. Эти каналы течения выполнены предпочтительно аксиально относительно главной оси и аксиально перекрываются с проходящей также аксиально и центрично относительно главной оси линией обратного потока. Вся область обратного потока может быть изготовлена из одной единственной детали с помощью токарной обработки и/или сверления. За счет этого при низких расходах на изготовление и простом изготовлении обеспечивается точно воспроизводимая геометрия. Область обратного потока является стабильно фиксированной в ее геометрическом положении даже при пульсирующем течении и высоких механических нагрузках. Отрыв или выпадение больших или малых частей с отрицательным воздействием на течение в топливной форсунке надежно исключено.

Реферат

Изобретение относится к устройству топливной форсунки для горелки для жидкого топлива с главной осью и областью обратного потока, топливной форсункой и впускной областью, которая расположена вдоль главной оси между топливной форсункой и областью обратного потока. Во впускной области может создаваться вихревое течение топлива. Область обратного потока имеет граничащий с впускной областью кольцевой зазор, который сужается в направлении по течению впускной области и переходит в линию обратного потока. Изобретение позволяет упростить конструкцию форсунки, обеспечить точную фиксацию, а также повысить точность регулирования процесса подачи топлива в горелку. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула