Коническая центральная часть для форсунки с двухпоточным тангенциальным входом

Коническая центральная часть для форсунки с двухпоточным тангенциальным входом

Реферат

 

Форсунка с центральной частью предназначена для использования в энергетике. Центральная часть имеет продольную ось и наружную в радиальном направлении поверхность, включающую в себя участок усеченной фигуры, ограничивающий наружную поверхность усеченной фигуры, коаксиальной продольной оси и расширяющейся по направлению к ее основанию, и изогнутый участок, составляющий одно целое с участком усеченной фигуры и ограничивающий часть поверхности, получаемой вращением вокруг продольной оси окружности, тангенциальной к участку усеченной фигуры и имеющей центр, расположенный в радиальном направлении наружу от него. Центральная часть имеет основание с по меньшей мере одним отверстием для подачи воздуха и внутренний канал. Участок усеченной фигуры сужается по направлению к выходному отверстию внутреннего канала и заканчивается в плоскости, в которой расположено выходное отверстие. Трубка для подачи топлива, коаксиальная оси, проходит через основание и заканчивается во внутреннем канале. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной долговечности. 3 ил.

Изобретение относится к топливным форсункам с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающим низкое выделение NO_х, и, в частности, к центральным частям, предназначенным для применения в таких форсунках.

Выделение закисей азота (называемых ниже "NO_х") имеет место в результате горения при высоких температурах. NO_х является загрязняющим веществом и в результате к камерам сгорания, генерирующим NO_х, всегда предъявляют более строгие требования в отношении выделений таких загрязняющих веществ. В соответствии с этим было приложено много усилий для уменьшения образования NO_х в камерах сгорания.

Одним решением этой проблемы было предварительное смешение топлива с избытком воздуха для того, чтобы горение проходило с локально большим избытком воздуха, давая в результате относительно низкую температуру горения и, благодаря этому, минимизируя образование NO_х. Топливная форсунка, которая работает таким образом, описана в патенте США 5307634, в котором иллюстрируется спиральный завихритель с конической центральной частью. Этот тип топливной форсунки известен как топливная форсунка с тангенциальным входом и содержит два смещенных спиральных элемента с цилиндрическими сводами, соединенных с двумя торцевыми пластинами. Воздух для горения поступает в завихритель через две прямоугольные прорези, образованные смещенными спиральными элементами, а выходит через входное отверстие камеры сгорания в одной торцевой пластине и входит в камеру сгорания. Линейная матрица отверстий, расположенная на наружном спиральном элементе против внутренней задней кромки, инжектирует топливо в воздушный поток на каждой входной прорези из магистрали для получения равномерной смеси топлива с воздухом перед входом в камеру сгорания.

Предварительно смешивающие топливные форсунки с тангенциальным входом отличались низкими выделениями NO_х по сравнению с топливными форсунками предшествующего уровня техники. К сожалению, топливные форсунки, описанные, например, в вышеупомянутом патенте, имеют недопустимо низкую эксплуатационную долговечность при использовании в газотурбинных двигателях, связанную с соединением факела пламени с центральной частью форсунки. По этой причине топливные форсунки с тангенциальным входом не нашли практического применения в газотурбинных двигателях, выпускаемых на промышленной основе.

Таким образом, существует реальная необходимость в центральной части для топливных форсунок с тангенциальным входом, которая при использовании в газотурбинных двигателях будет обладать значительно большей эксплуатационной долговечностью, чем центральные части топливных форсунок предшествующего уровня техники.

Задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание центральной части для топливных форсунок с низким выделением NOx, свободной от перечисленных выше недостатков, присущих техническим решениям, характеризующим известный уровень техники.

Техническим результатом, достигаемым в процессе реализации настоящего изобретения, является создание такой центральной части для топливных форсунок с низким выделением NO_х, которая при применении в газотурбинных двигателях будет обладать значительно большей эксплуатационной долговечностью, чем центральные части топливных форсунок предшествующего уровня техники.

Другим техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение центральной части для топливных форсунок с тангенциальным входом, которая значительно уменьшает склонность факела пламени соединяться с центральной частью.

В соответствии с этим центральная часть, соответствующая настоящему изобретению, имеет продольную ось и наружную в радиальном направлении поверхность, включающую в себя участок усеченной фигуры, ограничивающий наружную поверхность усеченной фигуры, которая ориентирована коаксиально продольной оси и расширяется по направлению к ее основанию, и изогнутый участок, который составляет одно целое с участком усеченной фигуры и предпочтительно ограничивает часть поверхности, образуемой вращением вокруг продольной оси окружности, которая тангенциальна к участку усеченной фигуры и имеет центр, расположенный в радиальном направлении наружу от тангенциального участка. Центральная часть имеет также основание, которое имеет, по меньшей мере, одно, проходящее через него, отверстие для подачи воздуха и внутренний канал. Участок усеченной фигуры сужается по направлению к выходному отверстию внутреннего канала и заканчивается в плоскости, в которой расположено выходное отверстие. Трубка для вдувания топлива, ориентированная коаксиально оси, проходит через упомянутое основание и заканчивается во внутреннем канале, предназначена для подачи топлива в воздушный поток в центральной части.

На фиг. 1 показан продольный разрез центральной части, соответствующей настоящему изобретению.

На фиг.2 - разрез по линии 2-2, показанной на фиг.1.

На фиг. 3 - продольный разрез центральной части, соответствующей настоящему изобретению, по линии 3-3, показанной на фиг.2.

Как следует из фиг.1, центральная часть 10, соответствующая настоящему изобретению, содержит основание 12, которое имеет, по меньшей мере, одно, а предпочтительно множество, проходящих через него отверстий 14, 16 для подачи воздуха, при этом основание 12 ориентировано перпендикулярно продольной оси 18 центральной части 10. Центральная часть 10 имеет также внутренний канал 20, который ориентирован также коаксиально продольной оси 18. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний канал 20 включает в себя первый цилиндрический канал 22, имеющий выходное отверстие 24 и входное отверстие 26, и второй цилиндрический канал 28, имеющий больший диаметр, чем у первого цилиндрического канала 22 и аналогичным образом имеющий выходное отверстие 30 и входное отверстие 32. Второй цилиндрический канал 28 сообщается с первым цилиндрическим каналом 22 через сужающийся канал 34, выполненный в форме усеченного конуса, имеющего выходное отверстие 36 с диаметром, равным диаметру первого цилиндрического канала 22, и входное отверстие 38 с диаметром, равным диаметру второго цилиндрического канала 28. Каждый из каналов 22, 28, 34 ориентирован коаксиально продольной оси 18, а выходное отверстие 36 сужающегося канала 34 составляет одно целое с входным отверстием 26 первого цилиндрического канала 22, тогда как входное отверстие 38 сужающегося канала 34 составляет одно целое с выходным отверстием 30 второго цилиндрического канала 28. Первый цилиндрический канал 22 имеет выходное отверстие 40, которое является круглым, ориентировано коаксиально продольной оси 18 и совмещено с выходным отверстием 24 первого цилиндрического канала 22.

Наружная в радиальном направлении поверхность 42 центральной части 10 содержит участок 44 усеченной фигуры, который ограничивает наружную поверхность усеченной фигуры, которая ориентирована коаксиально продольной оси 18 и расширяется по направлению к основанию 12, и изогнутый участок 46, составляющий одно целое с участком 44 усеченной фигуры и предпочтительно ограничивает часть поверхности, образуемой вращением вокруг продольной оси 18 окружности, которая ориентирована тангенциально участку 44 усеченной фигуры и имеет центр, расположенный в радиальном направлении наружу от упомянутого тангенциального участка. В предпочтительном варианте осуществления участок 44 усеченной фигуры заканчивается в плоскости, в которой расположено выходное отверстие 40, диаметр основания (не путать с основанием 12 центральной части) участка 44 усеченной фигуры в 2,65 раза больше диаметра участка 44 усеченной фигуры в его вершине, а высота 48 участка 44 усеченной фигуры (расстояние между плоскостью, в которой расположено основание участка 44 усеченной фигуры, и плоскостью, в которой расположена вершина участка 44 усеченной фигуры) в 1,9 раза больше диаметра участка 44 усеченной фигуры в его основании. При использовании с топливной форсункой с тангенциальным входом упомянутый изогнутый участок 46, который расположен между основанием 12 и участком 44 усеченной фигуры, обеспечивает плавную переходную поверхность, которая направляет воздух для горения, поступающий в топливную форсунку 10 с тангенциальным входом смежно основанию 12. Внутренний канал 20 расположен в радиальном направлении внутрь от наружной в радиальном направлении поверхности 42 центральной части 10, участок 44 усеченной фигуры ориентирован коаксиально продольной оси 18, а центральная часть 10 соединена с основанием 12 так, чтобы участок 44 усеченной фигуры сужался по направлению к выходному отверстию 40 первого цилиндрического канала 22 и заканчивался у него.

Как показано на фиг. 2, основание участка 44 усеченной фигуры соответствует окружности 50, имеющей свой центр 52 на продольной оси 18. Как вполне очевидно квалифицированному специалисту в этой области техники, поскольку зона смешения топливной форсунки с тангенциальным входом не является круглой в поперечном сечении, изогнутый участок 46 должен быть пригнан к ней. Наклонные части 54 и 56 размещены на изогнутом участке 46 там, где упомянутый изогнутый участок 46 проходит в каждую входную прорезь форсунки с тангенциальным входом, и эта часть механически обработана для образования аэродинамически профилированного наклона, который направляет воздух, подающийся во входную прорезь от основания 12 на изогнутый участок 46.

Как следует из фиг.3, внутренняя камера 58 расположена в центральной части 10 между основанием 12 и вторым концом 32 второго цилиндрического канала 28, который заканчивается в камере 58. Отверстия 14, 16 для подачи воздуха в основании 12 сообщаются с камерой 58, которая в свою очередь сообщается с внутренним каналом 20 через второй конец 32 второго цилиндрического канала 28. Завихритель 60 предпочтительно известной конструкции с радиальным входом коаксиален продольной оси 18 и расположен в камере 58, непосредственно прилегая ко второму концу 32 второго цилиндрического канала 28 так, чтобы внутренний канал 20 сообщался с камерой 58 через завихритель 60. Однако в связи с тем, что и камера 58, и завихритель 60 ориентированы коаксиально продольной оси 18, а их одноименные торцевые поверхности лежат в одной плоскости вместе с входным отверстием 32 второго цилиндрического канала 28, то, следовательно, и камера 58, и завихритель 60 непосредственно прилегают к входному отверстию 32 второго цилиндрического канала 28.

Трубка 62 для вдувания топлива, которая также ориентирована коаксиально продольной оси 18, проходит через основание 12, камеру 58 и завихритель 60 во второй цилиндрический канал 28 внутреннего канала 20. Трубка 62 для вдувания топлива имеет диаметр меньше, чем диаметр второго цилиндрического канала 28, входит во второй цилиндрический канал 28 так, чтобы площадь поперечного сечения потока во втором цилиндрическом канале 28 была по существу равна площади поперечного сечения первого цилиндрического канала 22. Трубка 62 для вдувания топлива имеет внутренний канал 64, и топливные жиклеры 66, расположенные в трубке 62 для вдувания топлива, обеспечивают проход подаваемого топлива из внутреннего канала 64 к внутреннему каналу 20.

Испытания центральной части 10, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, показали значительное увеличение ее эксплуатационной долговечности по сравнению с центральными частями предшествующего уровня техники при применении в газотурбинных двигателях благодаря уменьшению склонности факела пламени присоединяться к центральной части 10. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает решение проблемы, которая препятствовала широкому применению топливных форсунок с тангенциальным входом в газотурбинных двигателях.

Хотя настоящее изобретение описано и показано на примере его предпочтительного варианта осуществления, квалифицированному в этой области техники специалисту будет очевидно, что без отклонения от сущности и объема заявляемого изобретения могут быть, в общем и в частности, сделаны различные изменения.

Формула изобретения

Центральная часть топливной форсунки с тангенциальным входом, содержащая центральную часть с продольной осью, основание центральной части, имеющее по меньшей мере одно проходящее через него отверстие для подачи воздуха, наружную в радиальном направлении поверхность, содержащую участок усеченной фигуры, ограничивающий наружную поверхность усеченной фигуры, ориентированной коаксиально продольной оси и расширяющейся к основанию усеченной фигуры, и изогнутый участок, составляющий одно целое с участком усеченной фигуры и предпочтительно ограничивающий часть поверхности, образованной вращением вокруг продольной оси окружности, которая ориентирована тангенциально участку усеченной фигуры и имеет центр, расположенный в радиальном направлении наружу от тангенциального участка; внутренний канал, ориентированный коаксиально продольной оси и содержащий первый и второй цилиндрические каналы и сужающийся канал, причем каждый канал имеет входное и выходное отверстия, упомянутый второй цилиндрический канал имеет диаметр, который больше диаметра упомянутого первого цилиндрического канала, упомянутый второй цилиндрический канал сообщается с упомянутым первым цилиндрическим каналом через упомянутый сужающийся канал, упомянутое выходное отверстие упомянутого сужающегося канала составляет одно целое с упомянутым входным отверстием упомянутого первого цилиндрического канала, упомянутое входное отверстие упомянутого сужающегося канала составляет одно целое с упомянутым выходным отверстием упомянутого второго цилиндрического канала, упомянутое выходное отверстие упомянутого сужающегося канала имеет диаметр, равный диаметру упомянутого входного отверстия первого цилиндрического канала, а упомянутое входное отверстие упомянутого сужающегося канала имеет диаметр, равный диаметру упомянутого выходного отверстия второго цилиндрического канала, при этом каждый из упомянутых каналов ориентирован коаксиально продольной оси, упомянутый первый цилиндрический канал имеет выходное отверстие, которое является круглым, ориентировано коаксиально продольной оси и расположено в одной плоскости с выходным отверстием упомянутого первого цилиндрического канала; внутреннюю камеру, расположенную между упомянутым основанием центральной части и упомянутым входным отверстием упомянутого второго цилиндрического канала, причем упомянутые отверстия для подачи воздуха сообщаются с упомянутым вторым цилиндрическим каналом через упомянутую камеру; завихритель, ориентированный коаксиально продольной оси и расположенный в камере, непосредственно прилегающей к входному отверстию второго цилиндрического канала, и трубку для подачи топлива, ориентированную коаксиально упомянутой продольной оси и проходящую через упомянутое основание центральной части, упомянутую внутреннюю камеру и упомянутый завихритель и заканчивающуюся в упомянутом втором цилиндрическом канале.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3