ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК F23D14/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Известно горелочное устройство [1], содержащее топливоподводящую трубу, топливный коллектор и смеситель, выполненный в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующих межлопаточные каналы подвода воздуха и топливовоздушной смеси, причем ширина последних больше ширины каналов подвода воздуха, а топливный коллектор выполнен из трубок, установленных перед завихрителем по оси каналов топливовоздушной смеси. Недостатком конструкции является низкая степень однородности состава топливовоздушной смеси, поскольку чередование каналов смеси и чистого воздуха создает на выходе из горелочного устройства поле концентраций топлива с выраженной окружной неравномерностью, при которой сектора с переобогащенной смесью чередуются с секторами, содержащими чистый воздух. В этом случае концентрация NO_x в выхлопных газах будет значительно больше, чем при горении однородной смеси.

Известно также горелочное устройство с предварительной подготовкой смеси [2] , содержащее диффузионную дежурную горелку с топливораспределительной трубкой и воздухоподающей трубкой, камеру предварительного смешения, окружающую дежурную горелку, систему радиальных топливных коллекторов с многочисленными отверстиями, через которые топливо поступает в камеру смешения и завихритель, расположенный вверх по потоку от топливных коллекторов. В этом горелочном устройстве действительно обеспечивается высокое качество подготовки смеси, но лишь в том случае, если процесс горения осуществляется вниз по потоку от среза дежурной горелки. Однако диффузорная форма канала камеры смешения благоприятствует возникновению отрывных течений, что создает опасность проскока пламени в камеру смешения. При этом, даже если не произойдет повреждения элементов горелочного устройства (при оптимальной схеме организации теплозащиты это возможно), то из-за не смешанности топлива с воздухом выбросы NO_x будут чрезмерно высоки. Кроме того, к недостаткам этого решения следует отнести его сложность, особенно в приложении к многогорелочным камерам сгорания.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [3], разработанное специалистами фирмы ABB. Горелочное устройство состоит по крайней мере из двух расположенных друг под другом усеченных полуконусов, расширяющихся в направлении потока, продольные оси которых смещены с образованием тангенциальных каналов для прохода воздуха. Выше каждой входной щели вне образованной отдельными коническими телами горелки располагается канал, в котором размещен инжектор для топлива. Топливо истекает из инжектора и смешивается с воздушным потоком, текущим через каналы.

Фирмой ABB запатентовано еще несколько горелочных устройств, работающих по аналогичному принципу, отличающихся исполнением системы подачи топлива (см. например [4], [5]). Результаты лабораторных испытаний горелочных устройств данного типа обобщены в статье [6].

Конструкция горелочного устройства ABB проста и высокотехнологична, что делает ее предпочтительной для использования в многогорелочных высокофорсированных камерах сгорания. В то же время этой конструкции присущи серьезные недостатки. Качество предварительной подготовки смеси существенно отличается для различных газовых струй в зависимости от расположения труб относительно выходного сечения горелочного устройства. Струи газа, подаваемые вблизи малого диаметра конуса (выше по направлению воздушного потока), к выходному сечению горелочного устройства качественно перемешиваются с воздухом. И напротив, качество смешения газа, подаваемого непосредственно перед выходным сечением является неудовлетворительным из-за малой длины участка смешения. Поле концентраций существенно неравномерное, в отдельных точках локальная концентрация топлива на 40% превышает среднемассовую [6]. Это не может не привести к повышенной эмиссии NO_x.

Кроме того, данное горелочное устройство обладает неудовлетворительной устойчивостью к срыву пламени при обеднении смеси. В частности, при сжигании пропановоздушной смеси при температуре воздуха t_в = 400^oC срыв пламени наступает уже при α = 2,2 [6], в то время, как известно, что для данных условий можно добиться устойчивого горения однородной смеси вплоть до α = 2,5. Очевидно, ранний срыв пламени наступает из-за того, что в приосевой зоне закрученной струи в целом и в зоне обратных токов, в частности, концентрация топлива меньше среднемассовой.

Отмеченные недостатки обуславливают необходимость усложнения конструкции камер сгорания с горелочными устройствами ABB и требуют применения сложных систем регулирования. Для удовлетворения требований по выбросам NO_x, CO и достижения устойчивости горения камеры сгорания ABB состоит из нескольких десятков горелочных устройств, объединенных в отдельные группы, при этом с увеличением нагрузки последовательно включаются отдельные группы горелочных устройств.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является снижение эмиссии окислов азота и повышение устойчивости работы горелочного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем по крайней мере два расположенных друг под другом усеченных полуконуса, расширяющихся в направлении потока, продольные оси которых смещены с образованием тангенциальных каналов для прохода воздуха, причем что перед каждым тангенциальным каналом размещена камера смешения прямоугольного сечения, содержащая два инжектора с системами многочисленных равномерно расположенных по сечению камеры смешения отверстий для подачи газообразного топлива, причем в одном инжекторе отверстия расположены против направления потока воздуха, а во втором соответственно по направлению потока воздуха и по оси горелочного устройства размещена топливоподводящая трубка, охлаждаемая протекающим внутри нее топливом с расположенной на ней струйной форсункой.

Существо конструкции поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема горелочного устройства, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Заявляемое горелочное устройство содержит два сегмента поверхности усеченного конуса 1, 2, размещенных друг относительно друга со смещением с образованием двух тангенциальных каналов 3, 4 для входа воздуха во внутреннюю полость горелочного устройства, два топливных пилона 5, 6, установленных перед каждым тангенциальным каналом в камере смешения 7 прямоугольного сечения с отверстиями 8, расположенными против направления воздушного потока, два топливных пилона 9, 10, установленных за пилонами 5, 6. На пилонах 9, 10 имеются отверстия 11, расположенные против направления воздушного потока. Топливоподающая трубка 12 со струйной форсункой 13, размещены внутри полости горелочного устройства вдоль продольной оси.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает во внутреннюю полость горелочного устройства через входные каналы 3, 4, основной расход газа подается через систему отверстий 11 в топливных пилонах 9, 10. Смешение газа с воздухом осуществляется в камере смешения и в закрученном потоке внутри конической полости. Благодаря этому достигается более высокое качество смешения топлива с воздухом по сравнению с прототипом, и, следовательно, уменьшение выбросов окислов азота. За счет подачи топлива против направления потока из отверстий 7, расположенных на топливных пилонах 5, 6 можно увеличить гидравлическое сопротивление горелочного устройства и уменьшить расход воздуха в горелочное устройство на режимах пониженных нагрузок. Благодаря этому достигается более высокий уровень концентрации топлива в горелочном устройстве на режимах пониженной мощности газовой турбины и тем самым увеличивается диапазон устойчивой работы горелочного устройства в камере сгорания газовой турбины. При этом относительный расход топлива, подаваемого через отверстия, направленные против направления воздушного потока может регулироваться в зависимости от нагрузки камеры сгорания и коэффициента избытка воздуха в зоне горения. Дежурное топливо подается через струйную форсунку 13 непосредственно в зону обратных токов, располагающуюся вблизи среза горелочного устройства, что позволяет существенно повысить устойчивость горения по сравнению с прототипом и увеличить значение коэффициента избытка воздуха, соответствующее бедному срыву пламени. При этом относительный расход дежурного топлива может регулироваться в зависимости от нагрузки камеры сгорания и коэффициента избытка воздуха в зоне горения. На высоких нагрузках (при низких α) расход дежурного топлива можно уменьшить до нуля, поскольку на этих режимах устойчивость горения достаточно высока и без применения дежурного топлива.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве, благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно, размещена камера смешения прямоугольного сечения, содержащая два инжектора с системами многочисленных равномерно расположенных по сечению камеры смешения отверстий для подачи газообразного топлива, причем в одном инжекторе отверстия расположены против направления потока воздуха, а во втором соответственно по направлению потока воздуха и по оси горелочного устройства размещена топливоподводящая трубка, охлаждаемая протекающим внутри нее топливом с расположенной на ней струйной форсункой обеспечивается снижение эмиссии окислов азота и повышается устойчивость работы горелочного устройства.

Источники информации принятые во внимание
1. Патент Российской Федерации RU 2036383 C1, кл. F 23 D 14/02, 1995.

2. Патент ЕПВ(ЕР) N 0421817 A1, кл. F 23 D 14/00, 1985.

3. Патент ЕПВ (ЕР) N 0433790, кл. F 23 D 17/00, 11/00, F 23 C 7/00, 1985.

4. Патент Российской Федерации RU 2011117 С1, кл. F 23 D 11/00, 1989.

5. Патент ЕПВ(ЕР) N 0321809 A1, кл. F 23 D 17/00, 11/40, F 23 R 3/02.

6. TH. Sattelmayer, M. P. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure. 1989.

7. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б. Ахмедова. M.: Энергия, 1977, 240 с.

Горелочное устройство содержит два сегмента 1 и 2 поверхности усеченного конуса, размещенных друг относительно друга со смещением с образованием двух тангенциальных каналов 3 и 4 для входа воздуха во внутреннюю полость горелочного устройства, два топливных пилона 5 и 6, установленных перед каждым тангенциальным каналом в камере смешения 7 прямоугольного сечения с отверстиями 8, расположенными против направления воздушного потока, два топливных пилона 9 и 10, установленных за пилонами 5 и 6. На пилонах 9 и 10 имеются отверстия 11, расположенные против направления воздушного потока. Топливоподающая трубка со струйной форсункой 13 размещены внутри полости горелочного устройства вдоль продольной оси. Технический результат заключается в снижении эмиссии окислов азота и повышении устойчивости работы горелочного устройства. 2 ил.

Горелочное устройство, содержащее по крайней мере два расположенных друг под другом усеченных полуконуса, расширяющихся в направлении потока, продольные оси которых смещены с образованием тангенциальных каналов для прохода воздуха, отличающееся тем, что перед каждым тангенциальным каналом размещена камера смешения прямоугольного сечения, содержащая два инжектора и системами многочисленных равномерно расположенных по сечению камеры смешения отверстий для подачи газообразного топлива, причем в одном инжекторе отверстия расположены против направления потока воздуха, а во втором соответственно по направлению потока воздуха, и по оси горелочного устройства размещена топливоподводящая трубка, охлаждаемая протекающим внутри нее топливом, заканчивающаяся топливной форсункой.