Топливная форсунка, обладающая повышенной долговечностью и стабилизирующая пламя, а также сопловой узел форсунки (варианты)

Топливная форсунка, обладающая повышенной долговечностью и стабилизирующая пламя, а также сопловой узел форсунки (варианты)

Реферат

 

Топливная форсунку 10 для камеры сгорания газотурбинной установки содержит, по меньшей мере, две дугообразные цилиндрические секции 18, образующие радиально наружную границу смесительной камеры 28. Каждая соседняя пара цилиндрических секций образует также впускное окно 36 для впуска потока первичного воздуха для горения тангенциально в смесительную камеру. Секции также содержат распределенное в осевом направлении множество каналов 42 подачи первичного топлива для впрыска первичного топлива в поток первичного воздуха. Центральная вставка 46 топливной форсунки содержит охлаждаемое ударными струями и испарением сопло 50 для подачи вторичного топлива и вторичного воздуха в камеру сгорания. Сопло 50 содержит отбойную пластину 74 с множеством отбойных каналов 76 и концевую крышку 104 с множеством выпускных каналов. Отбойные каналы и выпускные каналы не совпадают друг с другом, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяет в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для обеспечения охлаждения сопла посредством удара струй воздуха и испарения. Изобретение повышает эффективность охлаждения форсунки и ресурс ее работы. 3 с. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Настоящее изобретение относится к топливным форсункам с предварительным смешением для камер сгорания газотурбинных установок и в особенности к форсунке, имеющей улучшенную конструкцию охлаждения, продлевающую срок службы форсунки и повышающую стабильность пламени при сгорании без увеличения содержания окиси углерода в продуктах сгорания.

При сгорании ископаемого топлива образуется ряд нежелательных веществ, включая окислы азота (NO_x) и окись углерода (СО). Разрушение в окружающей среде таких веществ, как NO_x и СО, является предметом возрастающей озабоченности и это усиливает заинтересованность в подавлении образования NO_x и СО в устройствах сжигания топлива.

Одной из основных стратегий для замедления образования NO_x является сжигание топливовоздушной смеси, являющейся одновременно стехиометрически обедненной и тщательно перемешанной. Обедненная стехиометрия и тщательное смешение делают температуру пламени сгорания однородно низкой, что является предпосылкой для замедления образования NO_x. Одним типом топливной форсунки, приготавливающей обедненную, тщательно перемешанную смесь топлива и воздуха, является форсунка с тангенциальным входом. Примеры форсунок с тангенциальным входом для газотурбинных установок описаны в патентах США 5307643, 5402633, 5461865 и 5479773, принадлежащих заявителю настоящей заявки. Эти топливные форсунки содержат смесительную камеру, снаружи радиально ограниченную парой смещенных от оси цилиндрических секций, соответствующих сегментам цилиндра.

Смежные кромки цилиндрических секций образуют воздушные впускные окна (щели) для впуска воздуха тангенциально в смесительную камеру. Множество каналов для инжекции топлива расположены в осевом направлении по длине каждой щели. Центральный компонент (вставка) топливной форсунки проходит от переднего конца форсунки в сторону хвостовой части (выходного конца) и образует радиально внутреннюю границу смесительной камеры. Вставка может содержать средства обеспечения дополнительной подачи топлива в смесительную камеру. Во время работы двигателя поток воздуха для сгорания поступает в смесительную камеру тангенциально через воздушные впускные щели, тогда как топливо впрыскивается в поток воздуха через каждый из каналов подачи топлива. Топливо и воздух образуют вихрь вокруг вставки и тщательно и равномерно перемешиваются друг с другом в смесительной камере. Топливовоздушная смесь течет в осевом направлении в сторону выходного конца и подается в камеру сгорания двигателя, где смесь воспламеняется и сгорает. Тщательное и равномерное предварительное смешение топлива и воздуха в смесительной камере замедляет образование NО_x благодаря обеспечению однородной низкой температуры пламени при сгорании.

Несмотря на многочисленные достоинства, присущие вышеописанным форсункам с тангенциальным входом, они также не свободны и от определенных недостатков. Один из недостатков состоит в том, что нахождение топливовоздушной смеси в смесительной камере может способствовать миграции пламени в смесительную камеру, где пламя быстро разрушает цилиндрические секции и центральную вставку. Второй недостаток относится к тенденции пространственной и временной нестабильности пламени, даже если оно остается за пределами смесительной камеры. Эта нестабильность пламени, которая формально известна как аэротермический акустический резонанс, проявляется во флуктуациях положения пламени и сопровождается низкочастотными колебаниями давления. Повторяющийся характер колебаний давления может оказывать воздействие на камеру сгорания, ставить под угрозу ее конструктивную целостность и снижать срок ее службы. Усовершенствованная конструкция топливной форсунки с тангенциальным входом, направленная на устранение этих недостатков, описана в заявке на патент США 08/991032 от 15 декабря 1997, права на которую принадлежат заявителю настоящей заявки. Описанная форсунка содержит специальный комплект топливораздающих каналов для впрыска топлива в поток воздуха, входящий тангенциально, и центральный компонент (вставку) с аэродинамическим контуром, содержащим плохообтекаемую концевую часть, совмещенную с выходной плоскостью форсунки. Выпускные отверстия топлива и воздуха проходят через концевую часть центральной вставки для подачи потоков топлива и воздуха в камеру сгорания в плоскости выпуска форсунки. Комплект каналов и форма центральной вставки выполнены таким образом, чтобы препятствовать всасыванию пламени и обеспечивать возврат назад переместившегося фронта пламени. Плохообтекаемая концевая часть, к которой подается топливо, создает поверхность для закрепления фронта пламени сгорания, улучшая стабильность пламени, и дополнительно противодействует любому стремлению пламени переместиться в смесительную камеру. Воздух, протекающий через выходные отверстия в концевой части, способствует поддержанию горения и охлаждает концевую часть.

Хотя усовершенствованная форсунка направлена на решение проблемы стабильности пламени и устранения всасывания пламени, срок службы форсунки может быть недостаточным для продолжительной безотказной работы. Так как концевая часть вставки прямо находится под воздействием фронта пламени сгорания, она работает при достаточно высоких температурах, ограничивающих срок ее службы. Скорость и количество охлаждающего воздуха, протекающего через каналы концевой части, могут быть увеличены для улучшения ее температурной стойкости. Однако увеличение количества охлаждающего воздуха и скорости приводит к дестабилизации пламени сгорания из-за ослабления его свойства держаться у концевой части.

Увеличение количества охлаждающего воздуха также нежелательно, так как охлаждающий воздух не только охлаждает концевую часть, но и уменьшает температуру пламени. Хотя при низкой температуре пламени подавляется образование NО_х, пламя низкой температуры также замедляет реакцию сгорания, преобразовывающую окись углерода в более "дружественную" к окружающей среде двуокись углерода. Таким образом, несмотря на то, что содержание NО_х может быть удовлетворительным, содержание СО при этом может быть недопустимо высоким.

Таким образом, то, что требуется, - это усовершенствованная топливная форсунка с предварительным смешением, в которой реализован баланс противоречащих друг другу требований высокой долговечности и очень высокой стабильности пламени без повышения содержания СО в продуктах сгорания.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание топливной форсунки с предварительным смешением, в которой обеспечивается подавление образования NО_х и СО, происходит стабилизация пламени сгорания и обеспечивается очень высокий ресурс работы.

В соответствии с настоящим изобретением топливная форсунка с предварительным смешением содержит центральный компонент (вставку) для стабилизации пламени с выпускным соплом, охлаждаемым посредством удара воздушных струй и испарения. Очень высокая эффективность ударного и испарительного охлаждения улучшает температурную стойкость форсунки, делая ее пригодной для продолжительной безотказной работы. Так как конструкция охлаждения обладает высокой эффективностью, величина скорости охлаждающего воздуха является довольно умеренной для обеспечения стабильности пламени сгорания. Соответственно, требуемое количество охлаждающего воздуха является достаточно умеренным, так что выброс СО остается на приемлемо низком уровне.

Более конкретно топливная форсунка для камеры сгорания газотурбинной установки согласно изобретению содержит:

по меньшей мере две дугообразные цилиндрические секции, каждая из которых имеет ось, расположенную по существу параллельно центральной оси форсунки и радиально смещенную от нее, причем цилиндрические секции образуют радиально наружную границу смесительной камеры, каждая соседняя пара цилиндрических секций образует также впускное окно для впуска потока первичного воздуха в смесительную камеру и по меньшей мере одна из цилиндрических секций содержит распределенные в осевом направлении каналы подачи топлива для впрыска первичного топлива в поток первичного воздуха;

центральную вставку, содержащую основание, сопло, обечайку, расположенную в осевом направлении от основания до сопла, причем центральная вставка образует радиально внутреннюю границу смесительной камеры и радиально наружную границу воздуховода подачи вторичного воздуха, а указанное сопло содержит корпус с бандажной частью, канал подачи вторичного воздуха для направления потока вторичного воздуха во внутреннюю часть корпуса, отбойную пластину, охваченную бандажом корпуса и установленную так, что отбойная пластина преграждает путь вторичного воздуха, содержащую множество отбойных каналов, проходящих через нее;

концевую крышку, содержащую множество серединных выпускных каналов, проходящих через нее, причем отбойные каналы и серединные выпускные каналы расположены с несовпадением, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяется в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для охлаждения сопла.

В предпочтительном варианте выполнения форсунки вторичный воздух испытывает первую потерю полного давления при его протекании через отбойные каналы и вторую потерю полного давления при протекании через серединные выпускные каналы, причем первая потеря давления больше, чем вторая, так что вторичный воздух ударяется в концевую крышку с первой скоростью и выходит из серединных каналов со второй скоростью, причем величина первой скорости выше, чем второй. Предпочтительно первая потеря давления по меньшей мере примерно в четыре раза больше, чем вторая потеря давления.

Оптимальное распределение вторичного топлива в форсунке согласно изобретению предпочтительно достигается благодаря тому, что она содержит топливораспределительную камеру для приема и распределения в пространстве потока вторичного топлива, коллектор вторичного топлива, отделенный от топливораспределительной камеры пластиной с отверстиями, имеющей множество отверстий для сообщения между распределительной камерой и коллектором, и множество топливных выпускных каналов, расположенных по периметру, проходящих от топливного коллектора и через корпус для подачи вторичного топлива в камеру сгорания.

Оптимальная подача вторичного воздуха в форсунке согласно изобретению предпочтительно достигается благодаря тому, что указанный корпус сопла содержит утолщенную в радиальном направлении ободную часть с множеством воздушных выпускных каналов, расположенных по периметру и проходящих сквозь ободную часть, причем каждый воздушный выпускной канал имеет входной конец, сообщающийся с воздуховодом подачи вторичного воздуха, и выходной конец, сообщающийся с камерой сгорания, причем воздушные каналы, расположенные по периметру, расположены в промежутках между топливными выпускными каналами, расположенными по периметру.

Форсунка согласно изобретению может также содержать вкладыш, установленный в указанном корпусе сопла, имеющий ступицу с центральным отверстием, служащим в качестве канала подачи вторичного воздуха, пластину с отверстиями, проходящую между ступицей и корпусом сопла и имеющую множество сквозных отверстий, и удлиненную часть ступицы, также проходящую от ступицы к корпусу сопла; пробку, установленную радиально между ступицей и корпусом сопла и расположенную на некотором расстоянии от пластины с отверстиями в осевом направлении, содержащую отверстие для установки трубы подачи вторичного топлива, подающей вторичное топливо в сопло; причем пробка, вставка и корпус образуют кольцевую топливораспределительную камеру и топливный коллектор с отверстиями, проходящими между камерой и коллектором, а указанный корпус сопла снабжен размещенными по периметру выпускными топливными каналами, проходящими от топливного коллектора и через корпус для подачи вторичного топлива в камеру сгорания.

Задача изобретения решена также благодаря созданию соплового узла для топливной форсунки, содержащего корпус с бандажной частью, имеющей передний конец и хвостовой конец, причем хвостовой конец выполнен в виде утолщенного в радиальном направлении обода, содержащего множество воздушных выпускных каналов, расположенных по периметру и проходящих сквозь ободную часть, корпус содержит также отбойную пластину, ограниченную бандажной частью с множеством отбойных каналов, проходящих сквозь отбойную пластину; вкладыш, установленный внутри корпуса соосно с ним и содержащий ступицу, пластину с отверстиями, выступающую из ступицы в корпус, содержащую множество отверстий, и удлиненную часть ступицы, расширяющуюся в сторону хвостового конца, также выступающую от ступицы к корпусу, причем корпус, пластина с отверстиями и удлиненная часть ступицы образуют кольцевой топливный коллектор, сообщающийся с топливными выпускными каналами, расположенными по периметру, причем корпус содержит центральное отверстие, образующее канал подачи вторичного воздуха для подачи вторичного воздуха в сопло; пробку, установленную радиально между ступицей и корпусом и содержащую отверстие для установки трубы подачи вторичного топлива, подающей вторичное топливо в сопло, причем пробка, пластина с отверстиями, ступица и корпус образуют кольцевую топливораспределительную камеру, сообщающуюся с топливным коллектором через отверстия в пластине; и концевую крышку, ограниченную хвостовым концом корпуса и расположенную на некотором расстоянии в осевом направлении от отбойной пластины с образованием водухораспределительной камеры, содержащую множество серединных выпускных каналов, причем серединные выпускные каналы и отбойные каналы расположены с несовпадением, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяется в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для охлаждения сопла.

В другом варианте выполнения сопловой узел согласно изобретению содержит корпус, канал подачи вторичного воздуха для направления потока вторичного воздуха во внутреннюю часть корпуса, отбойную пластину, преграждающую путь потоку вторичного воздуха и снабженную множеством отбойных каналов, проходящих через пластину, и концевую крышку, содержащую множество серединных выпускных каналов, проходящих через нее, причем отбойные каналы и серединные выпускные каналы расположены с несовпадением, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяется в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для охлаждения сопла.

Вышеуказанные особенности, а также конструкция и работа устройства, выполненного согласно изобретению, станут более понятными в свете нижеследующего описания наиболее предпочтительного варианта выполнения изобретения и прилагаемых чертежей.

Фиг.1 изображает в изометрии топливную форсунку с предварительным смешением и тангенциальным входом, выполненную согласно настоящему изобретению, с частичным вырезом для демонстрации внутренних элементов форсунки.

Фиг.2 изображает форсунку в сечении, проведенном по линии 2-2 на фиг.1.

Фиг.3 изображает в увеличенном масштабе в поперечном разрезе сопло выпуска топлива и воздуха, расположенное в хвостовой части топливной форсунки, изображенной на фиг.1.

Фиг.4 изображает вид сопла в направлении 4-4 на фиг.3, с изображением множества выпускных каналов сопла топливной форсунки.

Фиг.5 изображает сопло в сечении по линии 5-5 на фиг.3, с изображением пластины с отверстиями, содержащей множество сквозных отверстий.

Фиг.6 изображает сопло в сечении по линии 6-6 на фиг.3, с изображением пробки с отверстием для установки трубы подачи вторичного топлива.

Фиг.7 изображает сопло в сечении по линии 7-7 на фиг.3, с изображением отбойной пластины с множеством отбойных портов, проходящих через пластину.

Как показано на фиг.1 и 2, топливная форсунка 10 с предварительным смешением, с центральной осью 12, проходящей в продольном направлении, содержит переднюю торцевую пластину 14 и хвостовую (заднюю) торцевую пластину 16, и по меньшей мере две дугообразные цилиндрические секции 18, расположенные в осевом направлении между торцевыми пластинами. Выпускное отверстие 20 топливной форсунки проходит через заднюю торцевую пластину, и задняя оконечность выпускного отверстия образует выпускную плоскость 22 топливной форсунки, и торцевые пластины формируют смесительную камеру 28, проходящую в осевом направлении к выпускной плоскости, в которой топливо и воздух перемешиваются перед сгоранием в камере сгорания 30, расположенной за выпускной плоскостью 22.

Цилиндрические секции 18 расположены на некотором расстоянии в радиальном направлении от оси 12 форсунки, и каждая секция имеет радиально внутреннюю поверхность 32, обращенную к центральной линии топливной форсунки и образующую радиально наружную границу смесительной камеры. Каждая внутренняя поверхность - это дугообразная поверхность, и в частности - это поверхность, образованная при неполном обороте вокруг соответствующих осей секций (осей 34а, 34b), находящихся внутри смесительной камеры. В данном описании выражение "поверхность, образованная при неполном обороте" подразумевает поверхность, образованную путем вращения линии меньше, чем на один полный оборот вокруг центральных линий 34а, 34b. Оси цилиндрических секций расположены параллельно центральной линии топливной форсунки и радиально эквидистантно смещены от указанной центральной линии, так что каждая соседняя пара секций образует воздушное впускное окно 36 параллельно центральной линии форсунки для впуска потока первичного воздуха в смесительную камеру. Впускные окна проходят радиально от острого края 38 цилиндрической секции к внутренней поверхности 32 соседней цилиндрической секции.

По меньшей мере одна, а предпочтительно все цилиндрические секции содержат магистраль 40 подачи топлива и распределенное в осевом направлении множество по существу радиально расположенных топливоподающих каналов 42 для впрыска первичного топлива (предпочтительно газообразного топлива) в поток первичного воздуха, втекающий в смесительную камеру.

Топливная форсунка также содержит центральный компонент (вставку) 46, проходящий в сторону хвостовой части от передней торцевой пластины. Центральная вставка содержит основание 48, сопло 50 и обечайку 52. Обечайка проходит в осевом направлении от основания к соплу, образуя радиально внутреннюю границу смесительной камеры 28 и радиально наружную границу воздуховода 54 подачи вторичного воздуха. Основание 48 содержит ряд каналов подачи вторичного воздуха, не показанных на чертежах, для впуска вторичного воздуха в воздуховод 54. Хвостовой конец 56 сопла (подробно показан на фиг.3) выполнен в виде плохообтекаемого тела малого удлинения, то есть он выполнен широким и имеет плоскую или отлого закругленную поверхность, и он по существу совмещен с выпускной плоскостью 22.

Труба 60 подачи вторичного топлива проходит через центральную вставку и подает вторичное топливо к соплу. В предпочтительном варианте выполнения вторичным топливом является газообразное топливо. Термопары (не показаны) установлены в гнездах 58 термопар, прикрепленных к внутренней поверхности обечайки вставки. Температурный сигнал, сообщаемый термопарами, выявляет наличие любого пламени внутри смесительной камеры, так что автоматический контроллер может инициировать соответствующее действие по корректировке, например временно изменить величину подачи топлива.

Как показано далее на фиг.3-7, сопло 50 имеет корпус 62, содержащий трубообразную бандажную часть 64, проходящую в осевом направлении от переднего конца 66 к радиально увеличенному ободу 68 у бандажного хвостового конца 70. Воздушные выпускные каналы 78, расположенные по периметру, и топливные выпускные каналы 80, расположенные по периметру, проходят через корпус 62. Как лучше всего видно на фиг.4, шестнадцать воздушных каналов, расположенных по периметру, распределены по окружности вместе с восемью топливными выпускными каналами, расположенными по периметру, с равными угловыми промежутками. Каждый воздушный канал имеет входной конец, соединенный с воздуховодом 54 подачи вторичного воздуха, и выходной конец, сообщающийся с камерой 30 сгорания. Корпус также содержит отбойную пластину 74, ограниченную бандажом. Восемнадцать отбойных каналов 76 проходят через отбойную пластину.

В корпусе 62 соосно установлен вкладыш 82. Вкладыш 82 содержит ступицу 84 с центральным отверстием, служащим в качестве канала 86 подачи вторичного воздуха для впуска потока вторичного воздуха из подающего воздуховода 54 во внутреннюю часть сопла, так что отбойная пластина 74 приостанавливает течение потока вторичного воздуха. Пластина 88 с отверстиями, содержащая шестнадцать отверстий 90, выступает в радиальном направлении от ступицы в корпус. Коническая, расширяющаяся в направлении хвоста удлиненная часть 94 ступицы выступает от ступицы в корпус. Корпус, пластина с отверстиями и удлиненная часть ступицы образуют трубчатый топливный коллектор 96, сообщающийся с топливными выпускными каналами 80, расположенными по периметру.

Пробка 98 установлена радиально между ступицей 84 и корпусом 62 и расположена на некотором расстоянии в осевом направлении от пластины 88 с отверстиями. Пробка содержит отверстие 100 для установки в него трубы 60 подачи топлива для подачи вторичного топлива в сопло. Пробка, корпус, ступица и пластина с отверстиями образуют вместе кольцевую топливораспределительную камеру 102. Топливораспределительная камера в осевом направлении отделена от топливного коллектора пластиной с отверстиями, и перетекание топлива между камерой и коллектором осуществляется через отверстия 90.

Концевая крышка 104, содержащая тридцать три центральных выпускных воздушных канала 106, установлена в корпусе и расположена с некоторым зазором в осевом направлении от отбойной пластины 74, образуя воздухораспределительную камеру 108. Как лучше всего показано на фиг.3, серединные выпускные каналы расположены с несовпадением потока относительно отбойных каналов 76.

В процессе работы поток первичного воздуха поступает в смесительную камеру тангенциально через впускные окна 36. Первичное топливо протекает через каналы 42 подачи первичного топлива и попадает в воздушный поток, направленный тангенциально. Воздушный поток переносит топливо в смесительную камеру 28, где воздух и топливо образуют вихревой поток вокруг вставки 46 и становятся тщательно и равномерно перемешанными. Завихренная топливовоздушная смесь вытекает через выпускное отверстие 20 форсунки и поступает в камеру 30 сгорания, где она воспламеняется и сгорает.

Тем временем поток вторичного воздуха протекает через воздуховод 54 подачи вторичного воздуха и поступает в канал 86, направляющий вторичный воздух во внутреннюю часть корпуса 62 сопла. Вторичный воздух затем расширяется радиально в конической части 87 канала 86, задерживается отбойной пластиной 74 и протекает через отбойные каналы 76. Воздух при протекании через отбойные каналы испытывает большой перепад давления, так что воздух выходит из портов в виде ударяющих с высокой скоростью струй. Струи протекают через воздухораспределительную камеру 108 и ударяются в концевую крышку 104, обеспечивая ударное охлаждение крышки. Затем воздух протекает через серединные каналы 106 выпуска воздуха в концевой крышке 104 для испарительного охлаждения крышки. Потери давления в серединных выпускных каналах составляют только одну четверть потерь давления на отбойных портах. Соответственно, воздух выходит из серединных выпускных каналов со скоростью меньшей, чем скорость ударных реактивных струй. В описываемом варианте выполнения серединные выпускные каналы выполнены по существу параллельными центральной линии 12 топливной форсунки, однако каналы могут быть расположены наклонно для повышения эффективности охлаждения испарением.

Поток вторичного топлива протекает из трубы 60 подачи топлива в топливораспределительную камеру 102 и в конечном итоге поступает в камеру 30 сгорания через отверстия 90, топливный коллектор 96 и каналы 80 выпуска топлива, расположенные по периметру. Отверстия обеспечивают значительное сопротивление потоку топлива, так что топливо становится пространственно (т.е. в окружном направлении) равномерно распределенным в распределительной камере 102 перед протеканием в коллектор 96 и камеру сгорания 30. Если бы пластина 88 с отверстиями отсутствовала, каналы выпуска топлива, расположенные по окружности рядом с подающей трубой, получали бы топливо в первую очередь, тогда как каналы, расположенные по окружности в отдалении от подающей трубы, испытывали бы недостаток топлива. Получаемое в результате неравномерное распределение топлива в камере сгорания способствовало бы образованию NО_х.

Топливная форсунка, выполненная согласно настоящему изобретению, имеет ряд преимуществ по сравнению с более традиционными форсунками, у которых сопла подачи топливовоздушной смеси охлаждаются исключительно испарением. При установке турбины класса в 25 мегаватт, используемой для производства механической или электрической энергии, температура концевой крышки примерно на 38С ниже, чем концевая часть вставки у более традиционной форсунки. Описанная форсунка достигает этого снижения температуры при использовании примерно на 55% меньшего количества охлаждающего воздуха, чем традиционная форсунка. Меньшее количество охлаждающего воздуха обеспечивает умеренное содержание СО в продуктах сгорания (около 2 частей на миллион) при полной мощности турбины и более значительное снижение (около 30 частей на миллион или около 50%) при уровне около 80% от полной мощности. В дополнение, скорость воздуха, выходящего из серединных выпускных каналов, снижена примерно на 68%. Уменьшенная скорость обеспечивает прочное закрепление фронта пламени у концевой части, так что проблемы, связанные с аэротермическим акустическим резонансом, отсутствуют, и предотвращается всасывание пламени в смесительную камеру.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было показано и описано со ссылками на подробный вариант выполнения, специалистам в данной области будет понятно, что возможны различные изменения в форме и деталях устройства, которые не выходят за рамки изобретения, указанные в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Топливная форсунка для камеры сгорания газотурбинной установки, содержащая по меньшей мере две дугообразные цилиндрические секции, каждая из которых имеет ось, расположенную по существу параллельно центральной оси форсунки и радиально смещенную от нее, причем цилиндрические секции образуют радиально наружную границу смесительной камеры, каждая соседняя пара цилиндрических секций образует также впускное окно для впуска потока первичного воздуха в смесительную камеру, по меньшей мере одна из цилиндрических секций содержит распределенные в осевом направлении каналы подачи топлива для впрыска первичного топлива в поток первичного воздуха; центральную вставку, содержащую основание, сопло, обечайку, расположенную в осевом направлении от основания до сопла, причем центральная вставка образует радиально внутреннюю границу смесительной камеры и радиально наружную границу воздуховода подачи вторичного воздуха, а указанное сопло содержит корпус, содержащий бандажную часть; канал подачи вторичного воздуха для направления потока вторичного воздуха во внутреннюю часть корпуса; отбойную пластину, охваченную бандажом корпуса, так, что отбойная пластина приостанавливает течение вторичного воздуха, содержащую множество отбойных каналов, проходящих через нее; и концевую крышку, содержащую множество серединных выпускных каналов, проходящих через нее, причем отбойные каналы и серединные выпускные каналы расположены с несовпадением, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяется в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для охлаждения сопла.

2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что вторичный воздух испытывает первую потерю полного давления при его протекании через отбойные каналы и вторую потерю полного давления при протекании через серединные выпускные каналы, причем первая потеря давления больше, чем вторая, так что вторичный воздух ударяется в концевую крышку с первой скоростью и выходит из серединных каналов со второй скоростью, причем величина первой скорости выше, чем второй.

3. Топливная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что первая потеря давления по меньшей мере примерно в четыре раза больше, чем вторая потеря давления.

4. Топливная форсунка по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что она содержит топливораспределительную камеру для приема и распределения в пространстве потока вторичного топлива; коллектор вторичного топлива, отделенный от топливораспределительной камеры пластиной с отверстиями, имеющей множество отверстий для сообщения между распределительной камерой и коллектором; и множество топливных выпускных каналов, расположенных по периметру, проходящих от топливного коллектора и через корпус для подачи вторичного топлива в камеру сгорания.

5. Топливная форсунка по п.4, отличающаяся тем, что указанный корпус сопла содержит утолщенную в радиальном направлении ободную часть с множеством воздушных выпускных каналов, расположенных по периметру, и проходящих сквозь ободную часть, причем каждый воздушный выпускной канал имеет входной конец, сообщающийся с воздуховодом подачи вторичного воздуха, и выходной конец, сообщающийся с камерой сгорания, причем воздушные каналы, расположенные по периметру, расположены в промежутках между топливными выпускными каналами, расположенными по периметру.

6. Топливная форсунка по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что вторичным топливом является газообразное топливо.

7. Топливная форсунка по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что она содержит: вкладыш, установленный в указанном корпусе сопла, содержащий ступицу с центральным отверстием, служащим в качестве канала подачи вторичного воздуха, пластину с отверстиями, проходящую между ступицей и корпусом сопла и имеющую множество сквозных отверстий, и удлиненную часть ступицы, также проходящую от ступицы к корпусу сопла; пробку, установленную радиально между ступицей и корпусом сопла и расположенную на некотором расстоянии от пластины с отверстиями в осевом направлении, содержащую отверстие для установки трубы подачи вторичного топлива, подающей вторичное топливо в сопло; причем пробка, вставка и корпус образуют кольцевую топливораспределительную камеру и топливный коллектор с отверстиями, проходящими между камерой и коллектором, а указанный корпус сопла снабжен размещенными по периметру выпускными топливными каналами, проходящими от топливного коллектора и через корпус для подачи вторичного топлива в камеру сгорания.

8. Топливная форсунка по п.7, отличающаяся тем, что указанный корпус сопла содержит утолщенную в радиальном направлении ободную часть с множеством воздушных выпускных каналов, расположенных по периметру и проходящих сквозь ободную часть, причем каждый воздушный выпускной канал имеет входной конец, сообщающийся с воздуховодом подачи вторичного воздуха, и выходной конец, сообщающийся с камерой сгорания, причем воздушные каналы, расположенные по периметру, размещены в промежутках между топливными выпускными каналами, расположенными по периметру.

9. Топливная форсунка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что вторичным топливом является газообразное топливо.

10. Топливная форсунка по одному из пп.1-9, отличающаяся тем, что серединные каналы расположены, по существу, параллельно центральной линии форсунки.

11. Сопловой узел для топливной форсунки, содержащий корпус с бандажной частью, имеющей передний конец и хвостовой конец, причем хвостовой конец выполнен в виде утолщенного в радиальном направлении обода, содержащего множество воздушных выпускных каналов, расположенных по периметру и проходящих сквозь ободную часть, корпус содержит также отбойную пластину, ограниченную бандажной частью с множеством отбойных каналов, проходящих сквозь отбойную пластину; вкладыш, установленный внутри корпуса соосно с ним и, содержащий ступицу, пластину с отверстиями, выступающую из ступицы в корпус, содержащую множество отверстий, и удлиненную часть ступицы, расширяющуюся в сторону хвостового конца, также выступающей от ступицы к корпусу, причем корпус, пластина с отверстиями и удлиненная часть ступицы образуют кольцевой топливный коллектор, сообщающийся с топливными выпускными каналами, расположенными по периметру, причем корпус содержит центральное отверстие, образующее канал подачи вторичного воздуха для подачи вторичного воздуха в сопло; пробку, установленную радиально между ступицей и корпусом и содержащую отверстие для установки трубы подачи вторичного топлива, подающей вторичное топливо в сопло, причем пробка, пластина с отверстиями, ступица и корпус образуют кольцевую топливораспределительную камеру, сообщающуюся с топливным коллектором через отверстия в пластине; и концевую крышку, ограниченную хвостовым концом корпуса и расположенную на некотором расстоянии в осевом направлении от отбойной пластины с образованием воздухораспределительной камеры, содержащую множество серединных выпускных каналов, причем серединные выпускные каналы и отбойные каналы расположены с несовпадением, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяется в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для охлаждения сопла.

12. Сопловой узел для топливной форсунки, содержащий корпус; канал подачи вторичного воздуха для направления потока вторичного воздуха во внутреннюю часть корпуса; отбойную пластину, преграждающую путь потоку вторичного воздуха и снабженную множеством отбойных каналов, проходящих через пластину; и концевую крышку, содержащую множество серединных выпускных каналов, проходящих через нее, причем отбойные каналы и серединные выпускные каналы расположены с несовпадением, так что вторичный воздух, выходящий из отбойных каналов, ударяется в концевую крышку и протекает через серединные выпускные каналы для охлаждения сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2,