ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1994 года по МПК F23R3/16 F02C7/22 

Изобретение относится к области энергетического, транспортного и химического машиностроения и энергетики, в частности к камерам сгорания газотурбинных установок.

Известно фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинной установки (ГТУ), содержащее кольцевой лопаточный завихритель и топливораздающий расположенный по оси завихрителя коллектор.

Фронтовое устройство такой конструкции нашло широкое применение в первом поколении энергетических ГТУ, например ГТ-25-700 и ГТ-100-750 производства ПО ЛМЗ.

Как показал опыт длительной эксплуатации, недостатками известного фронтового устройства являются удлиненная зона горения и недостаточные экологические характеристики (содержание оксидов азота в выхлопных газах достигает 250-300 мг/нм³).

За прототип принято фронтовое устройство камеры сгорания ГТУ, в котором содержится два или более концентричных лопаточных завихрителя и по меньшей мере один расположенный между ними кольцевой стабилизатор с топливораздающими каналами, расположенными равномерно по центральной оси стабилизатора, обращенной к огневой зоне.

При работе фронтового устройства, выполненного согласно прототипу, воздух на горение поступает в огневую зону камеры сгорания через лопаточные завихрители, а топливо - через топливораздающие каналы. Непосредственно за кольцевым стабилизатором в его теневой зоне образуется область мелкомасштабных вихрей (стабилизатор является плохо обтекаемым телом). Благодаря высокой степени турбулизации в этой области происходит интенсивный процесс горения топлива, что значительно сокращает (по сравнению с аналогом) длину факела. Укорочение длины факела сокращает время пребывания топлива в огневой зоне и позволяет уменьшить (опять же по сравнению с аналогом) количество оксидов азота, образующихся при горении.

Однако закрученный в лопаточных завихрителях воздушный поток под действием центробежных сил отклоняется на периферию огневой зоны камеры сгорания к стенке внешней жаровой трубы. Одновременно устремляющийся к периферии поток воздуха захватывает часть топлива из теневой зоны стабилизатора (область развитых мелкомасштабных вихрей, где идет интенсивный процесс смесеобразования и горения). Условия выгорания топлива за пределами зоны мелкомасштабных вихрей во много раз хуже. Это обстоятельство удлиняет факел, что приводит к увеличению времени пребывания топлива в высокотемпературной зоне и способствует увеличению образования оксидов азота. Кроме того, на отдельных режимах, в частности при эксплуатации установок ГТН-25, оснащенных горелочными устройствами по прототипу, зафиксирован химический недожог. Последний объясняется резким охлаждением факела в периферийной зоне жаровой трубы и прекращением (преждевременным) горения топлива.

Таким образом, недостатками прототипа являются повышенный химический недожог топлива и повышенное содержание оксидов азота в продуктах сгорания.

Целью изобретения является повышение полноты сгорания топлива и уменьшение токсичности выбросов за счет улучшения условий перемешивания топлива и воздуха путем ускорения начала взаимодействия струй топлива и воздуха.

Поставленная цель достигается тем, что в фронтовом устройстве, содержащем два или больше коаксиальных лопаточных завихрителя и по меньшей мере один расположенный между ними кольцевой стабилизатор с топливораздающими каналами, топливораздающие каналы смещены относительно среднего диаметра стабилизатора в сторону завихрителя меньшего диаметра.

Кроме того, целью изобретения является дополнительное повышение полноты сгорания топлива и уменьшение токсичности выбросов путем улучшения перемешивания топлива и воздуха за счет устранения дискретности струй топлива.

Это достигается тем, что во фронтовом устройстве топливораздающие каналы замкнуты в кольцевую щель.

По сравнению с аналогом наличие кольцевого стабилизатора, расположенного между коаксиальными лопаточными завихрителями, позволяет создать зону с развитыми мелкомасштабными вихрями и сократить длину зоны горения. Последнее приводит к снижению образования оксидов азота в продуктах сгорания.

По сравнению с прототипом изобретение также обладает существенными отличительными признаками, ранее не известными и позволяющими решить поставленную техническую задачу: повысить полноту сгорания топлива и уменьшить токсичность вредных выбросов. Это достигается тем, что все топливораздающие каналы смещены относительно среднего диаметра стабилизатора в сторону завихрителя меньшего диаметра.

В результате такого смещения всех топливораздающих каналов практически устраняется влияние эффекта воздействия центробежных сил на потоки воздуха, проходящие через завихрители. Это связано с тем, что топливо, поступающее в зону мелкомасштабных вихрей, не выносится сразу на периферию, а циркулирует в указанной зоне, хорошо перемешиваясь с воздухом и быстро сгорая вследствие высокой степени турбулизации. Тем самым достигается высокая полнота сгорания топлива и устраняются условия образования большего количества оксидов азота, уменьшается токсичность.

При замыкании топливораздающих каналов в кольцевую щель происходит более равномерное и полное перемешивание. Процесс горения топливовоздушной смеси переходит из области диффузионного горения в область кинетического. Снижается локальная температура горения. Эти факторы позволяют еще более повысить полноту сгорания топлива и уменьшить токсичность продуктов сгорания.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез фронтового устройства; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - вид по стрелке А на фиг. 1.

Фронтовое устройство содержит три коаксиальных лопаточных завихрителя 1 и расположенные между ними кольцевые стабилизаторы 2 с топливораздающими каналами 3, которые смещены относительно среднего диаметра стабилизаторов 2 в сторону каждого лопаточного завихрителя 1 меньшего диаметра. Топливораздающие каналы 3 замкнуты в кольцевую щель 9 (фиг. 4).

Устройство работает следующим образом. Воздух через коаксиальные концентричные лопаточные завихрители 1 поступает в объем 4, ограниченный стенками 5 внутренней жаровой трубы 6 и наружной жаровой трубы 7. Сюда же (в объем 4) через каналы 3 поступает топливо. Непосредственно за торцевыми стенками 8 стабилизаторов 2, как за плохо обтекаемыми телами, образуются мелкомасштабные вихри (зоны повышенной турбулизации потоков). В результате закрутки в лопаточных завихрителях 1 под действием центробежных сил потоки воздуха приобретают общее направление от центральной оси камеры сгорания к периферии (к стенкам 5 трубы 7). Вследствие того, что каналы 3 расположены непосредственно со стороны каждого внутреннего завихрителя 1, топливные струи практически сразу начинают перемешиваться в потоках воздуха, распространяющихся к периферии, причем топливо не выносится сразу из зоны затенения кольцевых стабилизаторов (зоны мелкомасштабных вихрей), а имеет возможность перемешиваться с воздухом и гореть на всей ширине указанной зоны. Это создает улучшенные условия для процесса горения и позволяет повысить полноту сгорания и уменьшить содержание образующихся при горении в продуктах сгорания оксидов азота.

Экономический эффект от использования изобретения получается в результате экономии топлива при повышении полноты его сгорания.

Использование: в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Сущность изобретения: фронтовое устройство содержит два или более коаксиальных лопаточных завихрителя и по крайней мере один расположенный между ними кольцевой стабилизатор с топливораздающими каналами, смещенными относительно среднего диаметра стабилизатора в сторону завихрителя меньшего диаметра. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, содержащее два или более коаксиальных лопаточных завихрителя и по меньшей мере один расположенный между ними кольцевой стабилизатор с топливораздающими каналами, отличающееся тем, что, с целью повышения полноты сгорания топлива и уменьшения токсичности выбросов, топливораздающие каналы выполнены со смещением относительно среднего диаметра стабилизатора в сторону завихрителя меньшего диаметра. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что топливораздающие каналы соединены друг с другом в окружном направлении с образованием кольцевой щели.