RU2195574C2

RU2195574C2 - Центральная часть для форсунки с двухпоточным тангенциальным входом

Info

Publication number: RU2195574C2
Application number: RU97121005/06A
Authority: RU
Inventors: Стефен К. КРАМЕР (US); Стефен К. КРАМЕР; Питер Ф. ХАУК (US); Питер Ф. ХАУК
Original assignee: Юнайтед Текнолоджис Корпорейшн (корпорация штата Делавэр)
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2002-12-27
Also published as: JPH10196956A; US5908160A; CA2225360A1

Abstract

Форсунка с центральной частью предназначена для использования в энергетике. Центральная часть включает в себя основание, имеющее по меньшей мере одно проходящее через него отверстие для подачи воздуха, наружную в радиальном направлении поверхность, имеющую участок усеченной фигуры и цилиндрический участок, внутренний канал, сообщающийся с внутренней камерой через завихритель, и трубку для подачи топлива, проходящую через основание, внутреннюю камеру, завихритель и заканчивающуюся во втором цилиндрическом канале. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной долговечности. 3 ил.

Description

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

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

Одним из решений 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_x. Топливная форсунка, работающая 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, соединенными 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_x 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, обусловленную соединением факела пламени с центральной частью форсунки. В результате этого топливные форсунки с тангенциальным входом не нашли практического применения в газотурбинных двигателях, выпускаемых на промышленной основе.

Таким образом, существует насущная необходимость в центральной части для топливных форсунок с тангенциальным входом, которая при использовании в газотурбинных двигателях обладала бы 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 NO_x, т.е. 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_x, которая при применении в газотурбинных двигателях будет обладать значительно большей эксплуатационной долговечностью, чем центральные части топливных форсунок предшествующего уровня техники.

Другим техническим результатом, достигаемым в процессе реализации настоящего изобретения, является выполнение 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, содержит основание, имеющее, по меньшей мере, одно проходящее через него отверстие для подачи воздуха, наружную в радиальном направлении поверхность, содержащую участок усеченной фигуры и цилиндрический участок, внутренний канал, сообщающийся с внутренней камерой через завихритель, и трубку для подачи топлива, проходящую через основание, внутреннюю камеру и завихритель и заканчивающуюся во втором цилиндрическом канале.

На фиг.1 изображен 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, имеющее, 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 содержит также внутренний канал 20, ориентированный 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, выходное отверстие 36 которого имеет диаметр, равный диаметру первого цилиндрического канала 22, и входное отверстие 38, имеющее диаметр, равный 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 расположено в одной плоскости 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, ориентированную коаксиально продольной оси 18 и расширяющуюся по направлению к основанию 12, и цилиндрический участок 46, который составляет одно целое с участком 44 усеченной фигуры, ограничивает поверхность цилиндра и ориентирован также коаксиально продольной оси 18. В предпочтительном варианте осуществления изобретения цилиндрический участок 46 заканчивается в плоскости, в которой расположено выходное отверстие 40, при этом диаметр участка 44 усеченной фигуры в основании 12 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 основание 12 сопрягается с участком 44 усеченной фигуры и плоскостью, в которой расположена вершина участка 44 усеченной фигуры) в 1,3 раза больше диаметра участка 44 усеченной фигуры на основании 12. Цилиндрический участок 46 расположен между участком 44 усеченной фигуры и выходным отверстием 40. 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 цилиндрическому участку 46 и сопрягался с началом цилиндрического участка 46. Как показано на фиг.2, основание участка 44 усеченной фигуры соответствует окружности 50, имеющей свой центр 52 на продольной оси 18.

Как следует из фиг. 3, внутренняя камера 58 расположена в центральной части 10 между основанием 12 и входным отверстием 32 второго цилиндрического канала 28. Отверстия 14, 16 для подачи воздуха, выполненные в основании 12, сообщаются с камерой 58, которая в свою очередь сообщается с внутренним каналом 20 через входное отверстие 32 второго цилиндрического канала 28. Завихритель 60, предпочтительно известной конструкции с радиальным входом, ориентирован коаксиально продольной оси 18 и расположен в камере 58, непосредственно прилегая к входному отверстию 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 подачи топлива ориентирована также коаксиально продольной оси 18, проходит через основание 12, камеру 58 и завихритель 60 во второй цилиндрический канал 28 внутреннего канала 20. Трубка 62 для подачи 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 подачи топлива имеет внутренний канал 64 и топливные жиклеры 66, выполненные в трубке 62 для подачи топлива и обеспечивающие проход из внутреннего канала 64 для сообщения с внутренним каналом 20.

Испытания центральной части 10, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, показали значительное увеличение ее эксплуатационной долговечности по сравнению с центральными частями форсунок 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.

Claims

Центральная часть для топливной форсунки с двухпоточным тангенциальным входом, имеющая собственно центральную часть с продольной осью, содержащую 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, ориентированную коаксиально продольной оси и расширяющуюся к основанию усеченной фигуры, и цилиндрический участок, составляющий одно целое с участком усеченной фигуры и предпочтительно ограничивающий наружную поверхность цилиндра, упомянутый участок усеченной фигуры своим меньшим основанием сопряжен с торцом входного отверстия упомянутого цилиндрического участка; внутренний канал, ориентированный коаксиально продольной оси и содержащий первый цилиндрический канал, второй цилиндрический канал и сужающийся канал, выполненный в форме усеченного конуса, причем каждый канал имеет входное отверстие и выходное отверстие, 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 второго цилиндрического канала, упомянутое выходное отверстие сужающегося канала имеет диаметр, равный диаметру 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, а 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, проходящую через упомянутое основание центральной части, упомянутую внутреннюю камеру и упомянутый завихритель и заканчивающуюся в упомянутом втором цилиндрическом канале.