ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК F23D14/20 

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

Известно горелочное устройство [Патент Российской Федерации N 2036383, кл. F 23 D 14/02, 1995] , 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 горелочное устройство [Патент ЕПВ(EP) N 0433790, кл. F 23 D 17/00, 1989, 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 тангециальных 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 патенты: Российской Федерации N 2011117, кл. F 23 D 11/00, 1989, ЕПВ(EP) N 0321809, кл. F 23 D 17/00, 11/40, F 23 R 3/02). Результаты лабораторных испытаний горелочных устройств данного типа обобщены в статье [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].

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 [TH. Sattelmayer, М. 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]. Это не может не привести к повышенной эмиссии NOx.

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 [TH. Sattelmayer, М. 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], 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.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство с предварительной подготовкой смеси [Патент ЕПВ(ЕР) N 0488566 кл. F 23 R 3/34, 1990, 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 наличие дежурной горелки, что создает дополнительные конструктивные сложности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшения экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, в отличие от прототипа выполнено по меньшей мере два ряда газовых сопел, установленные за аксиальным лопаточным завихрителем с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющие по одному осевому отверстию, выполнено соотношение расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5.

В горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, в отличие от прототипа выполнено по меньшей мере два ряда газовых сопел, установленные за аксиальным лопаточным завихрителем с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющие по одному осевому отверстию, выполнено соотношение расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5, кроме того имеется дополнительная магистраль подвода топлива, система отверстий расположенных на цилиндрической втулке вблизи концевого сечения цилиндрической втулки.

В горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, в отличие от прототипа, выполнено по меньшей мере два ряда газовых сопел, установленные за аксиальным лопаточным завихрителем, с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющие по одному осевому отверстию, выполнено соотношение расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5, кроме того установлен струевыпрямитель, содержащий систему отверстий, установленный между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой на входе в горелочное устройство.

В горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, в отличие от прототипа выполнено по меньшей мере два ряда газовых сопел, установленные за аксиальным лопаточным завихрителем с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющие по одному осевому отверстию, выполнено соотношение расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5, кроме того имеется дополнительная магистраль подвода топлива, система отверстий расположенных на цилиндрической втулке вблизи концевого сечения цилиндрической втулки, пережим с уменьшающимся проходным сечением, являющийся продолжением внешнего цилиндрического кожуха.

Существо конструкции поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема заявляемого горелочного устройства.

На фиг. 2 изображена диаграмма зависимости приведенной концентрации в зависимости от безразмерного радиуса.

Заявляемое горелочное устройство содержит внешний цилиндрический кожух 1 и цилиндрическую втулку 2, расположенную внутри внешнего цилиндрического кожуха, образующих проточную полость 3, магистраль подвода топлива 4, расположенную внутри цилиндрической втулки, аксиальный лопаточный завихритель 5, установленный между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой, по меньшей мере два ряда газовых сопел 6, 7, расположенных с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющих по одному цилиндрическому осевому отверстию 8, также может содержать дополнительную топливную магистраль 9, расположенную внутри цилиндрической втулки, систему отверстий 10, расположенных на цилиндрической втулке вблизи концевого сечения цилиндрической втулки, струевыпрямитель 11, содержащий систему отверстий 12 и расположенный между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой на входе в горелочное устройство, пережим 13 с уменьшающимся проходным сечением, являющийся продолжением внешнего цилиндрического кожуха.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает в проточную полость 3 горелочного устройства через отверстия 12 струевыпрямителя 11, за счет чего поле скоростей принимает определенную форму, закручивается проходя через аксиальный лопаточный завихритель 5 и далее попадает в первичную зону смешения. Газ, проходя по магистрали подвода топлива 4 и охлаждая цилиндрическую втулку 2, газовыми соплами 6, 7 через осевые отверстия 8 подается в зону смешения перпендикулярно оси горлочного устройства. Далее топливовоздушная смесь поступает во вторичную зону смешения. Топливо проходя по дополнительной топливной магистрали 9 через систему отверстий 10 подается во вторичную зону смешения. Известно, что глубина проникновения струи в перпендикулярном сносящем потоке зависит от отношения скоростных напоров струи и сносящего потока [Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства, 2-е изд., М.: Недра, 1972. -276 стр.]. Исходя из чего геометрические размеры газовых сопел подобраны таким образом, что на режиме максимальной нагрузки приведенная концентрация топлива C(r)/C_ср в конце зоны смешения вдоль радиального направления r/R остается постоянной см. фиг 2 (где С(r)- текущее значение концентрации. C_ср - среднее значение концентрации, r - текущее значение радиуса, R - внутренний радиус внешнего цилиндрического кожуха). При уменьшении расхода топлива, скорость истечения газа из газовых сопел уменьшается, при этом глубина проникновения газовых струй также уменьшается, что ведет к обогащению топливом смеси в привтулочной зоне и обеспечивает устойчивое горение при увеличении значения α смеси, то есть благодаря подобной конструкции и местоположению, газовых сопел, имеет место саморегулирующееся распределение топлива по радиусу кольцевого канала горелочного устройства. Известно, из работы [Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика: В 10 т Т. VI. Гидродинамика. - 4-е изд., М.: Наука, 1988. - 736 с.], что плоский фронт пламени не устойчив, кроме того, возможен проскок пламени внутрь горелочного устройства по привтулочному пограничному слою. Во избежание вышеперечисленных явлений из многочисленных опытов получено следующее соотношение: отношение расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5, что обеспечивает устойчивое горение. При этом известно из работы [Сторожук Я.П. Камеры стационарных газотурбинных и парогазовых установок. Расчет и проектирование. - Л.: Машиностроение, 1978. - 232 стр.], что оптимальное отношение диаметра втулки к внутреннему диаметру кожуха горелочного устройства d/D ≈ 0,4 - 0,5.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве, благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно, выполнению системы газовых сопел, установленных за аксиальным лопаточным завихрителем с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства, имеющих по одному цилиндрическому осевому отверстию, выполнению соотношения расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5, а также возможной установке дополнительной топливной магистрали размешенной внутри цилиндрической втулки, системы отверстий, размещенных на цилиндрической втулке вблизи концевого сечения цилиндрической втулки, струевыпрямителя с системой отверстий на входе в горелочное устройство, пережима с уменьшающимся проходным сечением, являющегося продолжением внешнего цилиндрического кожуха, обеспечивается улучшение экологических характеристик и увеличивается диапазон устойчивой работы горелочного устройства.

Изобретение предназначено для использования в камерах сгорания газотурбинных двигателей и позволяет улучшить экологические характеристики и увеличить диапазон устойчивой работы горелочного устройства. Устройство содержит внешний цилиндрический кожух 1 и цилиндрическую втулку 2, образующие проточную полость 3, магистраль подвода топлива 4, расположенную внутри цилиндрической втулки 2, аксиальный лопаточный завихритель 5, установленный между внешним цилиндрическим кожухом 1 и цилиндрической втулкой 2, по меньшей мере два ряда газовых сопел 6, 7, расположенных с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки 2, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющих по одному цилиндрическому осевому отверстию 8, также может содержать дополнительную топливную магистраль 9, расположенную внутри цилиндрической втулки 2, систему отверстий 10, расположенных на цилиндрической втулке 2 вблизи концевого сечения, струевыпрямитель 11, содержащий систему отверстий 12 и расположенный между внешним цилиндрическим кожухом 1 и цилиндрической втулкой 2 на входе в горелочное устройство, пережим 13 с уменьшающимся проходным сечением, являющийся продолжением внешнего цилиндрического кожуха 1. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Горелочное устройство, содержащее внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие кольцевой канал для прохода воздуха, и аксиальный лопаточный завихритель, отличающееся тем, что выполнены по меньшей мере два ряда газовых сопел, установленных за аксиальным лопаточным завихрителем с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства, и имеющих по одному осевому отверстию, при этом соотношение расстояния между торцом цилиндрической втулки и выходной кромкой горелочного устройства к внутреннему радиусу внешнего цилиндрического кожуха L/R > 0,5. 2. Горелочное устройство по п.1, отличающееся тем, что имеется дополнительная топливная магистраль и система отверстий, расположенных на цилиндрической втулке вблизи концевого сечения цилиндрической втулки. 3. Горелочное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что установлен струевыпрямитель, содержащий систему отверстий, установленный между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой на входе в горелочное устройство. 4. Горелочное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что установлен пережим с уменьшающимся проходным сечением, являющийся продолжением внешнего цилиндрического кожуха.