Топливная форсунка с предварительным смешением топлива (варианты), и способ сжигания топлива (варианты) - RU2215243C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к топливным форсункам с предварительным смешением топлива и воздуха для газотурбинных установок, например двигателей, а также к способам предварительного смешения топлива и воздуха перед сжиганием топлива в камере сгорания. Изобретение относится, в частности, к топливной форсунке и к способу смешения, которые способствуют чистому сгорания топлива и одновременно увеличению долговечности топливной форсунки и камеры сгорания газотурбинной установки, например, двигателя.

Уровень техники
Сжигание ископаемых топлив приводит к образованию большого числа нежелательных загрязнений атмосферы, включая оксиды азота (NОх). Ухудшение состояния окружающей среды под влиянием оксидов азота вызывает растущее беспокойство, в связи с чем существует большая заинтересованность в предотвращении образования NOx в устройствах сжигания топлива.

Одно из главных стратегических направлений в предотвращении образования NOx состоит в сжигании топливовоздушных смесей, которые являются стехиометрически обедненными и тщательно смешанными. Стехиометрическая обедненность и тщательное смешение обеспечивает однородно низкую температуру пламени, что является обязательным условием для предотвращения образования NOx.

Одним из вариантов топливной форсунки, формирующей обедненную, тщательно смешанную топливовоздушную смесь, является форсунка с тангенциальной подачей топлива. Примеры форсунок с тангенциальной подачей топлива для газотурбинных двигателей приведены в патентах США 5307643, 5402633, 5461865 и 5479773, которые принадлежат заявителю данного изобретения. Эти топливные форсунки содержат смесительную камеру (камеру смешения), ограниченную снаружи в радиальном направлении парой внеосевых цилиндрических секций, соответствующих сегментам цилиндра. Смежные кромки этих цилиндрических секций формируют впускные щели для подачи воздуха по касательной относительно смесительной камеры. По длине каждой впускной щели распределен набор эквидистантных радиальных топливораздающих каналов. Центральный компонент (вставка) форсунки проходит от входного конца форсунки в направлении ее выходного конца таким образом, чтобы сформировать внутреннюю границу смесительной камеры в радиальном направлении. Вставка может включать средства для дополнительной подачи в смесительную камеру топлива или топливовоздушной смеси. В процессе работы двигателя воздух поступает в смесительную камеру тангенциально через впускные щели, в то время как равные количества топлива впрыскиваются в поток воздуха через каждый из эквидистантных радиальных топливораздающих каналов. Топливо и воздух завихряются (закручиваются) вокруг центральной вставки внутри смесительной камеры и становятся тщательно смешанными. Топливовоздушная смесь течет в продольном направлении в сторону выходного конца форсунки и впрыскивается в камеру сгорания двигателя, в которой эта смесь воспламеняется и сгорает. Хорошее смешение топлива и воздуха в смесительной камере предотвращает образование NОх, поскольку обеспечивает однородную и низкую температуру пламени.

Несмотря на многочисленные достоинства описанных выше форсунок с тангенциальной подачей они не свободны от недостатков, которые могут сделать их непригодными для некоторых применений. Один из этих недостатков заключается в том, что наличие топливной смеси в смесительной камере может способствовать миграции пламени из камеры сгорания в смесительную камеру, где пламя может вызвать быстрое повреждение цилиндрических секций и центральной вставки. Второй недостаток связан с тенденцией пламени к пространственной нестабильности, даже если оно остается вне смесительной камеры. Пространственная нестабильность проявляется во флуктуациях положения пламени и в сопровождающих эти флуктуации низкочастотных акустических колебаниях (т.е. колебаниях давления). Хотя такие акустические колебания могут не быть неприятными для слуха, их повторяющийся характер может приводить к напряжениям в камере сгорания и сократить срок ее службы. Упомянутые выше форсунки неэффективны для стабилизации пламени в камере сгорания и тем самым могут способствовать низкой долговечности этой камеры.

Острота проблемы всасывания пламени в смесительную камеру может быть снижена за счет использования центрального компонента (вставки) с уникальным профилем, описанным в заявках того же заявителя на изобретения США 08/771408 и 08/771409, поданных 20 декабря 1996 г. Описанная в них вставка имеет аэродинамически оптимизированный профиль, в результате чего топливовоздушная смесь течет в продольном направлении со скоростью, достаточно высокой для того, чтобы препятствовать всасыванию пламени и способствовать выбрасыванию любого пламени, попадающего в смесительную камеру. Эти желательные характеристики вставки со специальным профилем могут быть ухудшены вследствие низкой скорости текучей среды в пограничном слое, примыкающем к центральному компоненту. Это справедливо в первую очередь тогда, когда медленно движущийся пограничный слой помимо воздуха включает также и топливо. Более того, было установлено, что специальный профиль центральной вставки влияет на поле потока текучей среды внутри смесительной камеры таким образом, что приводит к нарушениям однородности топливовоздушной смеси, впрыскиваемой в камеру сгорания. В результате усиливается потенциально вредная пространственная нестабильность пламени в камере сгорания, что неблагоприятно отражается на потенциальных возможностях топливной форсунки по предотвращению образования NOx.

Следовательно, существует потребность в топливной форсунке с предварительным смешением, которая предотвращает образование NOx, пространственно стабилизирует пламя в камере сгорания вне форсунки, эффективно препятствует всасыванию пламени и выбрасывает любое пламя, которое мигрирует внутрь форсунки.

Сущность изобретения
Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание топливной форсунки с тангенциальной подачей и предварительным смешением топлива и воздуха, а также создание соответствующего способа смешения топлива и воздуха, осуществление которого препятствует образованию NOx, пространственно стабилизирует пламя в камере сгорания, препятствует всасыванию пламени и способствует надежному выбрасыванию пламени из форсунки.

Вторая задача, которая решается использованием настоящего изобретения, состоит в создании форсунки, физические свойства которой взаимно согласованы, так что преимущества, связанные с определенными ее свойствами, не принижаются недостатками, обусловленными теми же или другими ее свойствами.

В соответствии с настоящим изобретением топливная форсунка с предварительным смешением топлива и воздуха содержит набор радиальных топливораздающих каналов для впрыска первичного топлива неравномерно по длине впускной щели для тангенциальной подачи воздуха и центральную вставку, обеспечивающую выбрасывание пламени и стабилизацию пламени. Торец центральной вставки выполнен в форме притупленного наконечника, положение которого согласовано с положением выпускной плоскости и в котором выполнены отверстия для впрыска горючей текучей среды в камеру сгорания в выпускной плоскости форсунки. Горючая текучая среда может представлять собой вторичное топливо, предпочтительно газовое, или являться смесью вторичного топлива и вторичного воздуха.

Согласно одному из вариантов осуществления топливной форсунки по настоящему изобретению набор топливораздающих каналов для первичного топлива включает каналы по меньшей мере двух различных классов, различающихся по своей производительности. Каналы размещены по длине впускной щели таким образом что их распределение по классам является существенно периодическим. В одном из предпочтительных вариантов осуществления указанные каналы и их распределение выбираются так, чтобы топливо не проникало в медленно движущийся пограничный слой, прилегающий к центральному компоненту.

Притупленный наконечник вставки, согласованный по положению с выпускной плоскостью и снабженный отверстиями для впрыска вторичного топлива или топлива и воздуха, локализует (фиксирует) пламя на выпускной плоскости форсунки, так что оно остается вне форсунки, т.е. там, где оно вряд ли может повредить цилиндрические секции или центральную вставку. Локализующая способность вставки с подобным притупленным наконечником, кроме того, пространственно стабилизирует пламя для подавления акустических колебаний. Неравномерный в продольном направлении впрыск первичного топлива компенсирует тенденцию уникально сконфигурированной центральной вставки, способной выводить пламя из форсунки, к искажению однородности топливовоздушной смеси, впрыскиваемой в камеру сгорания. Соответственно выбор и распределение каналов по классам усиливает подавление акустических шумов (чему способствует и притупленный наконечник центральной вставки), содействует подавлению образования NОх и, предотвращая проникновение топлива в пограничный слой, усиливает сопротивляемость форсунки всасыванию пламени и ее способность к выбрасыванию пламени из форсунки.

Одним из преимуществ, обеспечиваемых топливной форсункой по настоящему изобретению и способом смешения топлива и воздуха, является повышенный срок службы форсунки благодаря повышенной сопротивляемости всасыванию пламени и способности выводить пламя из форсунки. Второе преимущество - это повышенная стойкость камеры сгорания как следствие подавления акустических колебаний.

Перечисленные особенности и достоинства форсунки по изобретению, а также процесс ее функционирования, станут более понятными из последующего описания наилучших вариантов реализации изобретения, а также из прилагаемых чертежей.

Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 представлена топливная форсунка по настоящему изобретению в продольном разрезе;
фиг.2 соответствует виду по стрелке 2-2 на фиг. 1;
фиг.3 - это часть фиг. 1 в увеличенном масштабе, показывающая набор топливораздающих каналов, расположенных вблизи впускной щели для тангенциальной подачи воздуха;
фиг. 4 представляет форсунку с центральным компонентом, аналогичным представленному на фиг. 1, но снабженным средствами для подачи вторичного воздуха в трубу вторичного топлива.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1-3 показана топливная форсунка 10 с предварительным смешением топлива, у которой имеется продольная ось 12, передняя торцевая пластина 14 и задняя торцевая пластина 16, пространственно удаленная от передней торцевой пластины 14, а также по меньшей мере две цилиндрические секции 18 в виде секторов цилиндра, расположенные вдоль продольной оси инжектора, между двумя торцевыми пластинами 14, 16. Выпускное сопло 20 топливной форсунки проходит насквозь через заднюю торцевую пластину 14, при этом наружный конец выпускного сопла 20 определяет выпускную плоскость 22. Внешняя боковая поверхность выпускного сопла 20 представляет собой конический вкладыш 24, который прикреплен к задней торцевой пластине посредством фиксирующих штифтов 26. Цилиндрические секции 18 и торцевые пластины 14, 16 формируют смесительную камеру 28, которая в продольном направлении ограничивается выпускной плоскостью 22. В камере 28 происходит предварительное смешение топлива и воздуха до того как они поступают в камеру 30 сгорания, расположенную за выпускной плоскостью 22.

Цилиндрические секции 18 установлены симметрично относительно продольной оси 12 форсунки, причем у каждой секции имеется внутренняя радиальная поверхность 32, обращенная к продольной оси форсунки. Каждая внутренняя поверхность соответствует поверхности частичного вращения вокруг соответствующей центральной линии 34а, 34b спиральной секции, расположенной внутри смесительной камеры. В контексте данного описания выражение "поверхность частичного вращения" означает, что поверхность образуется вращением линии в пределах менее полного оборота вокруг одной из центральных линий 34а, 34b. Центральные линии цилиндрических секций параллельны продольной оси 12 форсунки и смещены от нее на одинаковые расстояния, так что каждая пара цилиндрических секций образует впускную щель 36, параллельную оси форсунки и служащую для подачи потока первичного воздуха в смесительную камеру. Каждая впускная щель расположена в радиальном направлении между острой кромкой 38 соответствующей цилиндрической секции 38 и внутренней поверхностью 32 смежной с ней секции. Каждая острая кромка 38 имеет толщину t, которая выбирается достаточно тонкой для того, чтобы исключить локализацию пламени у острой кромки. Типичное значение толщины t лежит в интервале от 0,5 до 1 мм.

По меньшей мере одна и предпочтительно все цилиндрические секции 18 снабжены магистралью 40 и набором взаимно смещенных в продольном направлении радиальных топливораздающих каналов 42 для впрыска первичного топлива (предпочтительно газообразного) в поток первичного воздуха при его поступлении в смесительную камеру. Чтобы максимизировать время, в течение которого может происходить смешение топлива и воздуха, набор топливораздающих каналов расположен вблизи впускной щели. Предпочтительно набор каналов расположен в радиальном направлении напротив острой кромки 38 противолежащей спиральной секции 18, однако он может быть развернут относительно этой кромки на угол σ.. Значения этого угла могут выбираться в пределах 10^o в направлении от смесительной камеры (т. е. в направлении по часовой стрелке на фиг. 2) или 20^o в направлении смесительной камеры (т.е. в направлении против часовой стрелки на фиг. 2).

Топливная форсунка содержит также центральную вставку 48, которая отходит от передней торцевой пластины 14 в направлении задней торцевой пластины 16. У центральной вставки 48 имеется ось 50, ориентированная в продольном направлении, основание 52, притупленный наконечник 54, выполненный со стороны выпускной плоскости форсунки, и корпус 60 с наружной боковой поверхностью 62, вытянутой в продольном направлении, т.е. проходящей от основания 52 до наконечника 54. Вставка расположена коаксиально относительно продольной оси 12 форсунки, так что ее боковая поверхность 62 образует внутреннюю радиальную границу смесительной камеры 28. В основании 52 имеется множество входных отверстий 64 для подачи вторичного воздуха, при этом положение каждого канала 64 согласовано с положением соответствующего канала 66 в передней торцевой пластине, так что вторичный воздух может поступать внутрь вставки 48. Наконечник 54 вставки выполнен притупленным, т.е. он достаточно широкий и имеет плоскую или слегка закругленную поверхность. В продольном направлении выходной срез наконечника 54 по существу совпадает с выпускной плоскостью 22.

Наружная боковая поверхность 62 корпуса 60 центральной вставки включает криволинейный участок 70, который отходит от основания 52 в направлении выходной торцевой пластины, и участок 72 в форме усеченного конуса, который расположен между криволинейным участком 70 и наконечником 54. Как показано на фиг. 1, конический участок 72 может быть составным. Угол конуса θ₁ и угол θ₂ вкладыша выбираются таким образом, что площадь Ар проходного сечения выпускного сопла 20 уменьшается или по меньшей мере не увеличивается в направлении выпускной плоскости 22 с тем, чтобы предотвратить отрыв текучей среды от вкладыша 24 или конуса 72. Криволинейный участок 70 вставки предпочтительно представляет собой часть поверхности, формируемой вращением окружности, касательной к коническому участку 72 вставки, т.е. поверхность, формируемую вращением дуги А этой окружности, вокруг оси 50 вставки. При этом центр дуги А смещен в радиальном направлении наружу относительно конического участка.

Как показано на фиг. 2, передний конец конического участка 72 входит в кольцевую выточку С, выполненную в смесительной камере 28, центр 74 которой лежит на продольной оси 12 форсунки. Однако поскольку поперечное сечение смесительной камеры 28 некруглое, криволинейный участок 70, размеры которого в радиальном направлении превышают размеры конического участка, должен быть подогнан таким образом, чтобы он разместился в смесительной камере. Как следствие, части вставки выступают в каждую впускную щель 36, причем эти части подвергаются механической обработке с тем, чтобы сформировать наклонные поверхности 76, соответствующие аэродинамически оптимизированному профилю. Эти поверхности 76 направляют текучую среду, поступающую в щели 36, вблизи основания 52 центральной вставки, от этого основания и на криволинейный участок 70 внутри смесительной камеры 28.

Топливоподающая труба 80 вторичного топлива проходит через вставку 28 в продольном направлении и завершается серий каналов 82 подачи топлива, каждый из которых ведет к соплу 84 впрыска в наконечнике 54 вставки, обеспечивая впрыск вторичной горючей текучей среды в камеру 30 сгорания. Горючая текучая среда может представлять собой жидкое или газообразное топливо, а также, как будет описано далее применительно к альтернативному варианту осуществления изобретения, являться смесью топлива и воздуха. Согласно предпочтительному варианту горючая текучая среда является газообразным топливом. В центральном компоненте 48 имеется также труба 86 вторичного воздуха, которая охватывает топливоподающую трубу 80 вторичного топлива и в которую через каналы 66 для воздуха и входные отверстия 64 постоянно подается вторичный воздух. Один или более внутренних каналов 88 для подачи воздуха, которые развернуты вокруг продольной оси форсунки относительно каналов 82 подачи топлива, соединяют трубу 86 вторичного воздуха с полостью 90 наконечника 54. По меньшей мере одно, но предпочтительно множество сквозных отверстий 92 подачи воздуха отходят от полости 90 и проходят через наконечник 54, обеспечивая подачу вторичного воздуха в камеру сгорания.

В альтернативном варианте выполнения вставки 48, показанном на фиг. 4, топливоподающая труба 80' вторичного топлива снабжена трубкой ("топливным копьем") 81, которая входит в полый стержень 83. Топливное копье 81 снабжено набором отверстий 85 подачи топлива, а стержень снабжен средствами, например набором воздухозаборников 87, для ввода основной части вторичного воздуха внутрь стержня. Топливо, поступающее через топливное копье, и воздух, поступающий через воздухозаборники 87, смешиваются внутри стрежня, так что горючая текучая среда, которая выводится через сопла 84', представляет собой смесь вторичного топлива и вторичного воздуха. Для того чтобы охлаждать наконечник, часть вторичного воздуха проходит по внутренним каналам 88' и через отверстия 92' подачи воздуха.

Набор топливораздающих каналов 42 сконфигурирован таким образом, чтобы впрыск первичного топлива по длине L каждой цели происходил неоднородно. Для того чтобы обеспечить такую неоднородность впрыска топлива, набор каналов включает каналы по меньшей мере двух различных классов. Каждый класс отличается от других классов своей производительностью в отношении впрыска первичного топлива в первичной поток воздуха. В частности эти классы могут различаться по размеру своего проходного сечения. Еще одним критерием разбиения каналов на классы может служить глубина проникновения топлива, которая, как это лучше всего видно на фиг. 3, соответствует радиальному отрезку d, показывающему, на какую глубину проникнет поток первичного воздуха, поступающий в тангенциальном направлении. Различия в значениях глубины проникновения могут быть достигнуты применением каналов, имеющих различные проходные сечения, причем в этом случае критерии проходного сечения и глубины проникновения оказываются взаимозаменяемыми. Различные глубины проникновения могут быть достигнуты также и другими способами, например при использовании каналов одинакового сечения, связанных с источниками топлива под различными давлениями.

Каналы 42, принадлежащие различным классам, распределены по длине L таким образом, чтобы подача первичного топлива была распределена неравномерно по длине щели 36. Одно из возможных распределений каналов соответствует тому, что это распределение является существенно периодическим по меньшей мере на части полной длины щели 36. В случае применения каналов только двух классов их распределение по меньшей мере на части полной длины щели 36 может быть биполярным. В контексте данного описания термин "биполярное" означает двухуровневое распределение, в котором каждый канал соседствует с каналом того же или противоположного класса. Биполярное распределение может быть периодическим или апериодическим. Одним из вариантов биполярного распределения является распределение с чередованием (чередующееся распределение), в котором каждый канал соседствует с каналом противоположного класса. Далее приводятся конкретные примеры периодического, биполярного и чередующегося распределений каналов по классам, в которых различные классы каналов обозначены буквами "А", "В" и "С":
Периодическое (три класса) А-В-С-А-В-С-А-В-С-А-В-С- А-В-С; или А-В-С-В-А-В-С-А-В-С-В-А-В-С;
Биполярное (апериодическое) А-А- А-А-В-А-В-В-А-А-А-А;
Биполярное (периодическое) А-А-А-В-В-В-А-А-А-В-В-В-А-А-А-
Чередующееся А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А.

Благодаря применению набора каналов, относящихся к различным классам, который обеспечивает неравномерную подачу топлива по длине впускной щели 36, появляется возможность регулировать пространственную однородность первичной топливовоздушной смеси, выходящей из форсунки. Таким образом, могут быть достигнуты такие желательные эффекты, как, например, описанное выше центрирование пламенного факела, а также ослабление нежелательных воздействий на поле потока текучей среды внутри смесительной камеры.

В форсунке, изображенной на чертежах, классы каналов различаются либо по глубине d проникновения, либо соответственно по проходному сечению канала, поскольку различия в глубине проникновения могут быть достигнуты использованием каналов с различным проходным сечением. Каналы распределены по длине таким образом, который соответствует существенно периодическому распределению на заднем участке 94 впускной щели (т.е. той ее части, которая в продольном направлении соответствует по меньшей мере части конического участка 72 центральной вставки 48). Более конкретно, в рассматриваемой форсунке используются каналы двух классов. Один класс c₁ характеризуется меньшим проходным сечением для потока топлива и, следовательно, меньшей глубиной проникновения топлива, тогда как второй класс c₂ характеризуется большим проходным сечением для потока топлива и большей глубиной проникновения топлива. Каждый из восьми каналов класса c₁ впрыскивает около 3,4% первичного топлива, а каждый из семи каналов класса с₂ впрыскивает около 10,4% первичного топлива. Распределение каналов по классов в пределах заднего отрезка впускной щели 36 является биполярным, а более конкретно - чередующимся.

Использование каналов различных классов, а также их распределение служат не только улучшению пространственной однородности топливовоздушной смеси на выходе форсунки, но также предотвращению проникновения первичного топлива в пограничный слой текучей среды, примыкающий к центральному компоненту. Предотвращение проникновения топлива в медленно движущийся пограничный слой улучшает устойчивость форсунки к всасыванию пламени и улучшает ее способность выбрасывания любого пламени в случае его всасывания. В общем случае для того чтобы предотвратить проникновение первичного топлива в пограничный слой текучей среды, примыкающий к центральной вставке, максимальная глубина проникновения топлива, обеспечиваемая набором топливораздающих каналов, должна быть достаточно малой. Вероятность проникновения первичного топлива в пограничный слой текучей среды наиболее высока в зоне криволинейного участка 70 вставки 48, поскольку криволинейный участок расположен ближе к каналам 42 в радиальном направлении. По этой причине на переднем участке 96 впускной щели 36 (который в продольном направлении соответствует криволинейному участку 70 вставки 48) каналы большого проходного сечения, обеспечивающие большую глубину проникновения, не используются. Таким образом, в приведенном варианте применения двух классов каналов на переднем участке 96 впускной щели 36 имеются только каналы малого проходного сечения, относящиеся к классу c₁ и обеспечивающие малую глубину проникновения.

Для того чтобы обеспечить полное смешение топлива и при этом предотвратить его проникновение в пограничный слой вблизи вставки, глубина d проникновения должна составлять не менее 30%, но не более 80% ширины Н впускной щели 36, предпочтительно не менее 40%, но не более 70% Н. Вместе с тем, было обнаружено, что если глубина проникновения топлива сконцентрирована в интервале от 45 до 60% ширины впускной щели 36, то однородность топливовоздушной смеси на выходе форсунки хотя и является приемлемой, но все же неоптимальна. Соответственно рекомендуемая минимальная глубина проникновения топлива составляет не менее 40%, но не более 45% ширины впускной щели, а рекомендуемая максимальная глубина проникновения топлива - не менее 60%, но не более 70% ширины щели.

В процессе работы форсунки, т.е. при осуществлении способа по настоящему изобретению, первичный воздух от компрессора газотурбинного двигателя подают в смесительную камеру 26 тангенциально через впускные щели 36. Первичное топливо, которое одновременно впрыскивают неравномерно по длине впускной щели через топливораздающие каналы 42, начинает смешиваться с первичным воздухом. Топливовоздушная смесь, образующаяся непосредственно вблизи основания 52 вставки 48, направляется наклонными поверхностями 76 внутри смесительной камеры форсунки на криволинейный участок 70 вставки. Криволинейный участок служит в качестве плавной поверхности перехода, которая переориентирует смесь, поступающую в тангенциальном направлении, вдоль продольной оси в сторону конического участка. Благодаря соответствующему выбору формы цилиндрических секций 18 первичная топливовоздушная смесь формирует кольцевой поток, который закручивается вокруг вставки 48, так что топливо и воздух продолжают смешиваться по мере подачи кольцевого потока в продольном направлении в сторону выпускной плоскости 22. В результате придания центральному компоненту 48 соответствующей формы продольная скорость кольцевого потока топлива и воздуха остается достаточно высокой для того, чтобы предотвратить миграцию пламени из камеры сгорания в смесительную камеру 28, т.е. существование пламени внутри смесительной камеры, и обеспечить его сжигание за выходной плоскостью 22 в пламени, зафиксированном на выпускной плоскости, т. е. на наружной поверхности 62 центральной вставки 48.

В варианте осуществления изобретения по фиг. 1 одновременно через топливоподающую трубу 80 производят подачу горючей текучей среды, т.е. вторичного топлива, которое поступает в камеру сгорания через сопла 84 в наконечнике 54 центральной вставки 48. Воздух от компрессора двигателя проходит через каналы 66 для воздуха и впускные отверстия 64 в трубу 86 вторичного воздуха. Вторичный воздух выходит из форсунки через отверстия 92 подачи воздуха в наконечнике 54 вставки 48. В альтернативном варианте осуществления изобретения по фиг. 4 вторичное топливо из топливного копья 81 поступает в полый стержень 83 топливоподающей трубы 80' вторичного топлива, тогда как вторичный воздух поступает через воздухозаборники 87. Топливо и воздух смешиваются внутри стержня, так что через сопла 84' впрыскивается топливовоздушная смесь. Часть вторичного воздуха проходит по внутренним каналам 88' и через отверстия 92' подачи воздуха. В любом из этих вариантов осуществления наконечник 54 выполнен притупленным и, таким образом, он по определению способен фиксировать на себе факел, т.е. пламя в камере сгорания. Подача топлива и воздуха через отверстия в притупленном наконечнике способствует фиксации пламени на наконечнике 54. Поскольку в продольном направлении положение притупленного наконечника совпадает с положением выпускной плоскости 22 форсунки, сжигание горючей текучей среды происходит вместе с первичным топливом за выпускной плоскостью 22, а не внутри форсунки, где присутствие пламени быстро привело бы к повреждению форсунки. Пространственная стабильность фиксированного пламени вносит значительный вклад в улучшение акустических характеристик процесса сгорания.

Использование настоящего изобретения удлиняет срок жизни вставки 48 путем существенного увеличения осевой скорости топливовоздушной смеси, закручивающейся вокруг вставки, а также путем обеспечения того, что топливо не попадает в медленно движущийся пограничный слой вблизи вставки. Увеличение осевой скорости достигается наличием криволинейного участка 70, который не дает воздуху, попадающему в смесительную камеру 28 через впускные щели 36 в зоне, непосредственно прилегающей к основанию 52, рециркулировать с малой или нулевой скоростью в продольном направлении, а также наличием конического участка 72, который позволяет удерживать скорость кольцевого потока в продольном направлении в области значений, предотвращающих фиксацию пламени на центральной вставке 48 и способствующих выбрасыванию пламени, если оно и достигнет вставки. Способность выбрасывания пламени и сопротивляемость всасыванию пламени усиливаются подбором классов радиальных топливораздающих каналов 42 и их распределением по длине щели таким образом, чтобы предотвратить проникновение топлива в пограничной слой у вставки.

Увеличение срока службы форсунки связано и с тем, что положение притупленной вставки в продольном направлении согласовано с положением выпускной плоскости 22 и в ней выполнены отверстия для впрыска топлива в камеру сгорания. Притупленная вставка служит в качестве поверхности, способной зафиксировать пламя, так что сгорание топлива происходит вне форсунки, а не внутри нее. Притупленная вставка увеличивает также срок службы камеры сгорания тем, что способствует локализации пламени на наконечнике, в результате чего снижаются акустические колебания. Срок службы камеры сгорания увеличивается и благодаря неравномерности впрыска первичного топлива в продольном направлении, за счет чего повышается однородность первичной топливовоздушной смеси, впрыскиваемой через выпускной канал, и, следовательно, улучшается стабильность пламени при соответствующем ослаблении акустических колебаний.

Хотя настоящее изобретение было представлено на чертежах и описано на примерах предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены различные изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения, определяемые прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Топливная форсунка с тангенциальной подачей и предварительным смешением топлива и воздуха для камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит пару цилиндрических секций, смещенных относительно продольной оси форсунки, кромки которых формируют пару впускных щелей для подачи первичного воздуха тангенциально в смесительную камеру, ограниченную цилиндрическими секциями и торцевыми пластинами, пространственно разделенными в продольном направлении. Набор топливораздающих каналов размещен по длине впускных щелей. Этот набор сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечить неравномерный впрыск топлива по длине впускных щелей и управлять глубиной d проникновения топлива, измеряемой в долях ширины Н впускной щели. Форсунка содержит также центральную вставку для выбрасывания пламени, торец которой выполнен в форме притупленного наконечника, положение которого согласовано с положением выпускной плоскости форсунки, и топливоподающую трубу, проходящую через вставку и обеспечивающую подачу вторичной горючей текучей среды, предпочтительно газообразного топлива через сопла впрыска в наконечнике. Центральная насадка повышает срок службы форсунки, препятствуя всасыванию пламени из камеры сгорания в смесительную камеру, и с высокой надежностью выбрасывает любое пламя, которое было всосано. Контроль за глубиной проникновения топлива усиливает способность выбрасывания пламени, поскольку препятствует проникновению топлива в медленно текущий пограничный слой, связанный с центральной вставкой. Притупленная форма вставки в сочетании согласования ее кромки с выпускной плоскостью форсунки позволяет фиксировать пламя на кромке вставки, так что сгорания топлива происходит за выпускной плоскостью при малой вероятности повреждения цилиндрических секций или вставки. Впрыск топлива или топлива и воздуха через сопла в притупленном наконечнике способствует фиксации пламени на наконечнике и тем самым пространственно стабилизирует пламя, что дополнительно снижает уровень акустических колебаний и повышает срок службы форсунки. Неравномерность впрыска топлива по длине впускной щели компенсирует любые неоднородности, обусловленные наличием вставки, и тем самым повышает стабильность пламени. Форсунка и реализуемый с ее использованием способ предварительного смешения топлива и воздуха препятствуют формированию оксидов азота и увеличивают срок службы не только форсунки, но и камеры сгорания. 9 с. и 28 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула