ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК F23D14/02 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено, например, в камерах сгорания газотурбинных установок и в нагревательных печах.

Известны диффузионные горелочные устройства [1] содержащие топливоподводящую трубку, топливную форсунку типа "грибок", размещенную по центру лопаточного завихрителя.

Недостатком этих горелочных устройств является высокий уровень эмиссии окислов азота даже при работе на бедных смесях, поскольку смешение топлива и воздуха происходит за счет турбулентной диффузии в объеме камеры сгорания и всегда существуют локальные горячие области с околостехиометрическим составом смеси.

Известны горелочные устройства с полным предварительным смешением [2] содержащие топливоподводящую трубку, смеситель и завихритель.

Недостатком этих устройств является низкая надежность при работе на пониженных расходах топлива и воздуха, а также при высоких давлениях и температурах воздуха. На таких режимах скорость распространения пламени приближается к скорости течения топливовоздушной смеси, и может произойти проскок пламени в смеситель, приводящий к разрушению элементов смесителя и завихрителя.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство камеры сгорания ГТД [3] содержащее топливоподводящую трубку, кольцевой топливный коллектор, смеситель и форсунку, установленную в центре горелочного устройства.

Недостатком этой конструкции является достаточно высокий уровень эмиссии окислов азота, так как часть топлива смешивается с воздухом в объеме камеры сгорания за счет турбулентной диффузии и всегда существуют локальные области с околостехиометрическими составами смеси, а также низкая надежность вследствие того, что при снижении нагрузки и работе при высоких давлениях и температурах воздуха возможен проскок пламени в смеситель, приводящий к его разрушению.

Таким образом, можно заключить, что известные горелочные устройства не обладают необходимым экологическим совершенством в сочетании с надежностью работы. Диффузионные горелочные устройства [1] надежны, но отличаются высокими уровнями эмиссии окислов азота, горелочные устройства с полным предварительным смешением [2] неработоспособны на пониженных нагрузках, при высоких давлениях и температурах воздуха из-за опасности проскока пламени в смеситель, в результате чего не существует примеров удачного применения этого типа горелочных устройств в камерах сгорания промышленных газотурбинных установок.

Горелочные устройства с частичным предварительным смешением типа [3] по своим экологическим и эксплуатационным характеристикам занимают промежуточное положение, сочетая в равной степени преимущества и недостатки первых двух видов горелочных устройств.

Целью изобретения является снижение эмиссии окислов азота и повышение надежности работы горелочного устройства.

Цель достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем топливоподводящую трубку, топливный коллектор и смеситель, смеситель выполнен в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы для подачи охлаждающего воздуха, топливный коллектор выполнен трубчатым, при этом трубки топливного коллектора установлены перед лопаточным завихрителем по оси широких межлопаточных каналов.

В заявляемом горелочном устройстве происходит снижение эмиссии окислов азота за счет предварительного смешения топлива с воздухом в широких межлопаточных каналах аксиального лопаточного завихрителя с одновременным охлаждением лопаток завихрителя воздухом, проходящим через узкие межлопаточные каналы, что в известных в настоящее время конструкциях горелочных устройств не производилось.

Выполнение горелочного устройства заявляемой конструкции позволяет осуществить процесс сжигания обедненной топливовоздушной смеси в камере сгорания без локальных областей с околостехиометрическим составом, в которых скорость окисления азота наиболее высока, и одновременно обеспечивает сохранность завихрителя при проскоках пламени, что повышает надежность работы горелочного устройства в сравнении с известными в настоящее время техническими решениями с частичным или полным предварительным смешением топлива.

Таким образом, заявляемое горелочное устройство предназначено для сжигания газообразного, парообразного и аэрозольного топлива с избытком окислителя и в процессе работы позволяет получить новые, неизвестные ранее свойства.

На фиг. 1 изображено предлагаемое горелочное устройство; на фиг. 2 то же, вид сбоку.

Горелочное устройство содержит топливоподводящую трубку 1, на которой установлены трубки топливного коллектора 2, расположенные перед аксиальным лопаточным завихрителем 3, изогнутые лопатки 4 которого имеют прямой удлиненный входной участок в радиальной плоскости и размещены в лопаточном завихрителе 3 с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы 5 для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы 6 для подачи охлаждающего воздуха, при этом трубки топливного коллектора 2 расположены равномерно в плоскости, перпендикулярной оси топливоподводящей трубки 1, и в них выполнены отверстия для подачи топлива, размещенные по оси широких межлопаточных каналов 5.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом.

Топливо поступает в топливоподводящую трубку 1, охлаждает обращенные к пламени поверхности топливоподводящей трубки 1 и аксиального лопаточного завихрителя 3 и через отверстия в трубках топливного коллектора 2 впрыскивается в широкие межлопаточные каналы 5, образованные изогнутыми лопатками 4, установленными с переменным чередующимся угловым шагом. Воздух поступает в широкие 5 и узкие 6 межлопаточные каналы. В широких межлопаточных каналах 5 осуществляется смешение топлива с воздухом. Длина прямого удлиненного входного участка межлопаточного канала выбирается из условия полного смешения топлива с воздухом (исходя из опыта создания эжекционных горелочных устройств, эта длина должна составлять 8-12 гидравлических диаметров канала).

Воздух, проходящий в узких межлопаточных каналах 6, охлаждает лопатки, что предотвращает их разрушение в случае проскока пламени. Поджигание топливовоздушной смеси осуществляется посторонним источником воспламенения, например электроискровой свечой. Стабилизация пламени осуществляется за счет зоны рециркуляции, создаваемой лопаточным завихрителем 3.

Горелочное устройство работает на обедненной предварительно перемешанной топливовоздушной смеси, в результате чего уровень эмиссии окислов азота очень незначителен. Происходящий при сильном уменьшении нагрузки проскок пламени не приводит к разрушению горелочного устройства благодаря применению в заявляемом устройстве охлаждаемых воздухом лопаток завихрителя 3.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве благодаря выполнению новых отличительных конструктивных признаков, а именно выполнению смесителя в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы для подачи охлаждающего воздуха, а также выполнению топливного коллектора трубчатым, причем трубки топливного коллектора установлены перед лопаточным завихрителем по оси широких межлопаточных каналов, обеспечивается снижение эмиссии окислов азота и повышается надежность работы горелочного устройства.

Использование: в камерах сгорания газотурбинных установок и в нагревательных печах. Сущность изобретения: в горелочном устройстве, содержащем топливоподводящую трубку, топливный коллектор и смеситель, с целью снижения эмиссии окислов азота и повышения надежности работы, смеситель выполнен в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы для подачи охлаждающего воздуха. Топливный коллектор выполнен трубчатым, при этом трубки топливного коллектора установлены перед лопаточным завихрителем по оси широких межлопаточных каналов. 2 ил.

ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее топливоподводящую трубку, топливный коллектор и смеситель, отличающееся тем, что смеситель выполнен в виде аксиального лопаточного завихрителя с криволинейными лопатками, установленными с переменным чередующимся угловым шагом, образующим межлопаточные каналы подвода воздуха и топливовоздушной смеси, причем ширина последних больше каналов подвода воздуха, а топливный коллектор выполнен из трубок, установленных перед завихрителем по оси каналов топливовоздушной смеси.