4.3.3. Топливные форсунки

Устойчивость горения, экономичность и надежность ГТД во многом определяется совершенством процесса горения топлива, а следовательно, процессом смесеобразования и распыла топлива.

Подача топлива в жаровую трубу может осуществляться в паровой или жидкой фазе испарительными или распыливающими форсунками.

В основном используются распыливающие форсунки. Существуют два типа распиливающих форсунок струйные и центробежные. Центробежные форсунки имеют меньшую длину факела распыла, меньшую мелкость распы­ла, что и предопределило их широкое использование в качестве пусковых и рабочих.

В центробежной форсунке (рис. 4.18) топливо из канала завихрителя 3 поступает в камеру завихрения 2, где за счет тангенциального входа приоб­ретает закрутку. На выходе из сопла 1 поток движется по сложной траекто­рии с осевой составляющей скорости V_a^' и окружной V_t образуя кольцевой конус факела распыла с углом а. В сопле 1 также образуется кольцевое, жи­вое сечение 4.

Рис.4.18 Схема работы нерегулируемой одноканалыюй форсунки: 1 – сопло; 2- камера; 3 - канал подвода; 4 - живое сечение

Количества топлива m_ф, которое проходит через форсунку, определя­ется коэффициентом расхода μ, площадью сопла форсунки F_ф, плотностью топлива и перепадом давления ΔР_ф на входе в форсунку и камере сгорания:

Для одноканальной нерегулируемой форсунки при работе на малом га­зе μ = 0,3...0,5; на максимальном режиме μ = 0,15...0,3.

Минимальный перепад давления ΔР_ф, обеспечивающий хороший распыл, составляет (0,4...0,6) МПа, а максимальный — не должен превышать (8...9) МПа. Диаметры сопел d_c в зависимости от значения максимального расхода выполняют 0,25...0,3 мм. Закрутка потока перед соплом может быть обеспечена также и тангенциальными пазами (шнеками).

Конструкция нерегулируемой одноканальной форсунки с тангенци­альными пазами в распылителе 6 приведена на рис. 4.19.

Расход топлива у ГТД на максимальном режиме в 8... 10 раз превыша­ет расход на малом газе. Такое увеличение расхода при неизменной площади сопла потребовало бы увеличить перепад давления на форсунках до (30...60) МПа, что нежелательно.

Изменение расхода топлива в таком диапазоне возможно при исполь­зовании регулируемых двухканальных центробежных форсунок В таких форсунках изменение расхода обеспечивается не только за счет ΔР_ф, но и за счет изменения μ и d_c. В соответствии с этим различают форсунки с регулированием площади сопел (двухсопловые форсунки) и с регулируемым коэф­фициентом расхода (двухступенчатые форсунки).

Рис. 4.19 Нерегулируемая одноканальная форсунка:1 — уплотнительные кольца; 2 — корпус; 3 — топлив­ный фильтр; 4 — фланец крепления форсунки; 5 — ко­жух; 6 — распылитель с соплом; 7 — отверстие для воздуха; 8 — камера завихрения

Двухсопловая форсунка (рис.4.20) состоит из двух концентрично распо­ложенных нерегулируемых форсунок. Внутренняя форсунка запитывается от топливного насоса по контуру низкого давления. По каналу 2 через тангенци­альные пазы 14 в распылителе первого контура 9 топливо поступает во внут­реннее сопло и камеру сгорания. Расход топлива m_ф1 по мере роста ΔР_ф увеличивается как у нерегулируемой форсунки. В канал 3 второго контура топливо поступает через автоматический распределитель топлива (APT) толь­ко при достижении определенного давления. Топливо через тангенциальные пазы 14 распылителя второго контура, поступает в сопло второго контура. В работающих форсунках площадь сопла второго контура в 2,2...5,5 раз больше, чем площадь сопла первого контура. Коэффициенты расходов сопла малого контура 0,075 ..0,125, а второго — 0,1 ...0,75. Диапазон расходов расширяется в 15...20 раз. Второй контур включается при (1...2) МПа.

Недостатком двухсопловых форсунок является большая разница (10...20) % в расходе топлива между форсунками, расположенными в верх­ней и нижней частях коллектора в момент включения второго контура.

Рис.4.20. Двухсопловая форсунка: 1 — корпус форсунки; 2 — канал первого контура; 3 — канал второго контура; 4 — гайка; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — стакан; 7 — кожух; 8 — переходник; 9 — распылитель первого контура; 10 — распылитель второго контура; 11 — уплотнительная шайба; 12 — кольцевая щель для прохода воздуха; 13.14 — тангенциальные пазы

Двухступенчатая однокамерная форсунка (рис.4.21) имеет два канала подвода топлива. Первоначально топливо по каналу 2 поступает в кольцевую полость переходника 13 и по сверлениям в проточку завихрителя 12 с тан­генциальными пазами и далее в сопло. При включении второго контура топ­ливо проходит в проточку 5 и шлицевые пазы 6, выполненные на наружной поверхности переходника 13 и завихрителя 12 первого контура. Далее топли­во попадает в проточку распылителя 8, откуда по тангенциальным пазам вто­рого контура выходит в камеру завихрения и закручивается в ту же сторону, что и топливо первого контура, смешиваясь с ним и выходя через сопло в камеру сгорания. При увеличении количества топлива, поступающего в камеру завихрения, закрутка топлива уменьшается, что приводит к увеличению коэффициента расхода. Недостатком однокамерных двухступенчатых форсунок является большая разница в расходе отдельных форсунок в момент включения второго контура, которая может достигать 40...50 % сверх расчетного.

Рис.4.21 Двухступенчатая однокамерная форсунка: 1 — корпус форсунки; 2 — канал первого контура; 3 — канал вто­рого контура; 4 —лицевые пазы кожуха; 5, 6 — проточка и шли­цевые пазы второго контура; 7 — отверстия для выхода охлаждающего воздуха; 8 — распылитель; 9 — уплотнительная шайба; 10 — уплотнительное кольцо; 11 — кожух; 12 — завихритель первого контура; 13 — переходник; 14 — замок

От этого не­достатка свободны двухступенчатые двухкамерные форсунки (рис.4.22). В этих форсунках камера завихрения разделена на две — первого и второго контура. При этом давление в камере завихрения второго контура в момент ею включения равно давлению в камере сгорания и не зависит от дав­ления в камере завихрения первого контура. При давлении примерно до 2...2,5 МПа топливо поступает по первому контуру через фильтр 1, канал 7, кольцевой канал вокруг тонкой трубки 4 и через тангенциальные отверстия во втулке 3 поступает в камеру завихрения первого контура, затем через сопло в камеру сгорания. При увеличении давления вступает в работу второй контур. Топливо через фильтр 1, канал 5, трубку 4 и радиальные отверстия во втулке 2 поступает в камеру завихрения второго контура, выходя через сопло 2 в каме­ру завихрения первого контура и далее через сопло 3 в камеру сгорания.

В современных конструкциях камер сгорания все больше устанавли­ваются топливные форсунки с низконапорной системой топливоподачи и аэродинамическим (воздушным) распылом топлива.

Рис. 4.22 Двухступенчатая двухкамерная форсунка: 1 — фильтры; 2 — сопло второго контура; 3 — сопло пер­вого контора; 4 — разделительная трубка; 5 — канал второ­го контура; 6 — корпус форсунки; 7 — канал первою контура

Преимуществом низконапорных форсунок с аэродинамическим рас­пылом топлива является повышение количества распыла и смешения топлива с воздухом во фронтовом устройстве, что улучшает эмиссионные характери­стики и снижает лучистый поток тепла от зоны горения.

Рис.4.23. Форсунка с аэродинамиче­ским распылом топлива: 1 — воздушный поток через наружный и внутренний завихрители; 2 — подача топлива

Низконапорные системы топливоподачи снижают массу агрегатов, повышают ресурс и надежность топливных насосов.

В качестве топливных форсунок во фронтальных устройствах с аэродинамическим распылом используются

центробежные или струйные одно­контурные форсунки. Диапазон регулирования в таких форсунках можно получить за счет их последовательного включения в работу.

Форсунка с аэродинамическим распылом топлива (рис.4.23) состоит из наружной кольцевой завихрительной камеры воздуха 1, внутренней завихрительной камеры воздуха 2 и кольцевого канала подачи топлива 3, расположенного между наружным и внутрен­ним воздушными завихрителями. Направ­ление вращения воздушного потока в завихрителе наружного и внутреннего контуров противоположное. Топливная пелена распыливается скоростным пото­ком воздуха на границе раздела противо­положно вращающихся воздушных потоков.

Другой способ подготовки топлива для горения является нагрев жидкого топ­лива и его испарения в специальном уст­ройстве (см. рис.4.11). В испарительном устройстве отношение расхода воздуха к расходу топлива около 3-х при скорости воздуха 40 м/с. Процесс горения формируется вокруг испарительных трубок и за ними.