ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к области газотурбинных энергетических установок, работающих на топливном газе.

Известна камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая одну или ряд жаровых труб, в которых ниже по потоку за факелом пламени расположен ряд смесителей, соединенных со стенкой жаровой трубы, при этом каждый смеситель выполнен в виде канала с открытыми торцами и лопатками внутри [1].

Недостатком известной камеры сгорания является возможность "пропуска" продуктов горения первичной зоны жаровой трубы вниз по потоку между стойками каналов, смесителей, а также неполное использование возможностей интенсификации процессов смещения и повышения полноты сгорания топлива. Недостатком известной конструкции является также возможность образования в жаровых трубах камеры сгорания коаксиально потоку воздуха, инжектируемого смесителем в жаровую трубу, слоистых зон обедненных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливовоздушных смесей, преимущественно при работе на топливном газе. Известно, что уровень токсичности выхлопных газов определяется одним из параметров - максимальной локальной температурой в зоне горения. При этом скорость образования основной составляющей токсичности выхлопных газов - окислов азота NO_x - экспоненциально зависит от максимальной локальной температуры в зоне горения и времени пребывания при максимальной температуре. Следствием этого является неизбежность образования окислов азота NO_x и повышенная токсичность выхлопных газов.

Наиболее близкой к заявленной является трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении лобовую стенку, скрепленную со стенкой жаровой трубы и соединенную с газосборником [2].

Недостатком известной камеры сгорания является неполное использование возможностей более эффективного сжигания топлива, при котором наилучшим образом сочетается процесс кинетического горения с быстрым смешением и охлаждением продуктов частичного сжигания переобогащенной смеси, а также недостаточно эффективно организованы циркуляционные зоны горения, не исключаются "пропуски" продуктов частичного сжигания, непрореагировавших с потоком вторичного охлаждающего воздуха, вниз по течению от лобовой стенки. Это неизбежно повышает токсичность выхлопных газов и ухудшает топливную экономичность газовой турбины.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении токсичности выхлопных газов и в повышении топливной экономичности газовой турбины путем интенсификации процессов смешения и повышения полноты сгорания топливного газа.

Сущность технического решения заключается в том, что в трубчато-кольцевой камере сгорания газовой турбины, содержащей жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении лобовую стенку, скрепленную со стенкой жаровой трубы и соединенную с газосборником, согласно изобретению в жаровой трубе выше по потоку от лобовой стенки размещен ряд завихрителей воздуха, от которых стенка жаровой трубы сплошная, при этом завихрители выполнены в виде внутреннего и наружного осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, а в наружном канале завихрителя лопатки расположены относительно обращенной к зоне горения стенки жаровой трубы на меньшем расстоянии, чем во внутреннем канале, при этом направление закрутки лопаток в наружном и внутреннем каналах - противоположное. Ось внутреннего и наружного каналов завихрителя расположена в радиальной плоскости жаровой трубы, проходящей через угол лобовой стенки. Число каналов в завихрителе может быть более двух, а число каналов с лопатками в завихрителе может быть четным или нечетным.

Размещение в жаровой трубе выше по потоку от лобовой стенки ряда завихрителей воздуха в виде внутреннего и наружного осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, от которых стенка жаровой трубы сплошная, позволяет более эффективно использовать технологию смешения газовых и воздушных потоков, а также достигается аэродинамическое торможение их, дожигание несгоревших микрочастиц топлива с образованием зон лавинной активации горения (кинетического горения) при быстром охлаждении (замораживании) несгоревших продуктов горения топливного газа. Принцип организации горения при таком сочетании процессов заключается в создании и горении обогащенной топливовоздушной смести (для этого стенка жаровой трубы сплошная), т. е. диффузионного факела пламени первичной зоны горения, аэродинамического торможения этого потока и обеспечения путем инжекции воздуха через завихрители лавинообразной активации горения с возникновением цепных реакций. В первичной зоне богатого горения α = 0,5 - 0,7, где α - коэффициент избытка воздуха, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива, температура газов снижается за счет устранения подмешивания воздуха на обращенных к зоне горения стенках жаровых труб. В зоне завихрителей воздуха смесь объединяется и сгорает при α = 1,8 - 2,2 с образованием зон лавинной активации горения, обеспечивая полноту сгорания до 99,9%.

Расположением лопаток в наружном канале завихрителя на меньшем расстоянии от обращенной к зоне горения стенки жаровой трубы, чем во внутреннем канале, а также противоположным направлением закрутки лопаток в наружном и внутреннем каналах достигается более полный охват закрученными воздушными потоками продуктов горения первичной зоны, интенсификация перемешивания воздуха с продуктами горения, и "разрушение" образующегося коаксиального следа обедненных и близких к стехиометрическому составу смесей, а также многократно уменьшается вероятность "проскока" непрореагировавших микрочастиц топливного газа вниз по течению от смесителей. Стенкам каналов завихрителей при этом не требуются экраны, т.к. они охлаждаются непрерывным потоком воздуха изнутри и заградительной завесой воздушных вихрей со стороны факела пламени в полости горения и надежно защищены от теплового воздействия продуктов горения.

Расположение осей внутреннего и наружного завихрителей в радиальной плоскости жаровой трубы, проходящей через угол лобовой стенки, позволяет достичь дополнительного эффекта при использовании вторичного охлаждающего воздуха, т.к. вследствие динамического напора, поступающего от компрессора и заторможенного о лобовую стенку вторичного воздуха, повышается его расход, проходящий через внутренний и наружный каналы завихрителей, а следовательно, увеличивается расход воздуха, идущий непосредственно на организацию процесса горения.

Выполнение числа каналов в завихрителе более двух позволяет достичь инжекции воздуха внутренним каналом, например, не имеющим лопаток, на большее расстояние от стенки жаровой трубы, обращенной к полости горения. Этим достигается определенное сочетание воздействия закрученных лопатками и струйных потоков воздуха на факел пламени первичной зоны горения в жаровой трубе, еще более усиливающим эффект смешения, аэродинамическая стабилизация потока продуктов горения, создание зон кинетического горения и направленных течений вниз по потоку за завихрителями воздуха.

Выполнение числа каналов с лопатками в завихрителе четным, например из двух каналов, или нечетным, например из 5 каналов, обеспечивает степень "загромождения" потока первичной зоны горения, преимущественно от 40 до 60%, эффект "внезапного расширения" потока газов при меньших габаритах камеры сгорания, а также усиливает степень полного сгорания топлива.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания вдоль продольной оси одной из жаровых труб и осей двух завихрителей.

На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 изображен разрез Б-Б на фиг. 2.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины содержит жаровые трубы 1, соединенные с газосборником 2, скрепленным с внешним корпусом 3 и внутренним корпусом 4, полость 5 которого образована его собственными кольцевыми стенками, а именно наружной стенкой 6 и внутренней стенкой 7. При этом каждая из жаровых труб 1 содержит на выходе 8 в поперечном потоку 9 направлении лобовую стенку 10, скрепленную со стенкой 11 жаровой трубы 1 и соединенную с газосборником 2 по цилиндрическим пояскам Д1 и Д2, см. фиг. 2. В жаровой трубе 1 выше по потоку 9 от лобовой стенки 10 размещен ряд завихрителей 12 воздуха в виде внутреннего 13 и наружного 14 осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами 15 и 16 у внутреннего канала 13 и открытыми торцами 17 и 18 у наружного канала 14, а также лопатками 19 и 20 внутри. От завихрителей 12 стенка 10 жаровой трубы 1 на длине L сплошная, т. е. не имеет отверстий или щелей, см. фиг. 1. При этом в наружном канале 14 завихрителя 12 лопатки 20 расположены на меньшем расстоянии L1 от обращенной к зоне горения 21 стенки 11 жаровой трубы 1, чем во внутреннем канале 13 - на расстоянии L2 от стенки 11, при этом направление закрутки лопаток 20 в наружном канале 14 и лопаток 19 во внутреннем канале 13 - противоположное. Ось 22 внутреннего канала 13 и наружного канала 14 завихрителя 12 расположена в радиальной плоскости Б-Б жаровой трубы 1, проходящей через угол 23, 24, 25 или 26 лобовой стенки 10, см. фиг. 2, которые образованы пересечением окружных поясков Д1 и Д2 с радиальными плоскостями стыка 23-25, 24-26 смежных лобовых стенок 10. Число каналов 13, 14 в завихрителе 12 может быть больше двух, например три (см. фиг. 1), где добавлен внутренний канал "К" без лопаток в виде трубки, а число каналов 13, 14 в завихрителе 12 может быть четным, см фиг. 1, или нечетным, например три, пять и т.д., на чертеже не показано. Кроме того, на фиг. 1 показан факел пламени 27, форсунка 28, свеча зажигания 29, диффузор 30 с "внезапным расширением", поз. 31 - подвод топливного газа к форсунке 28, поз. 32 - первая ступень соплового аппарата турбины, поз. 33 - продольная ось камеры сгорания, а поз. 34 - поток продуктов горения во внутренней полости 21 жаровой трубы 1.

Камера сгорания работает следующим образом. При запуска двигателя сжатый природный газ 31 подается через форсунку 28, смешиваясь и закручиваясь во фронтовом устройстве завихрителя с потоком 9 небольшого количества сжатого воздуха, поступающего от компрессора через диффузор 30, осуществляя воспламенение топливовоздушной смеси от свечи зажигания 29 во внутренней полости 21 каждой из жаровых труб 1, образуя факел 27 диффузионного горения (α = 0,5 - 0,7) топливовоздушной смеси (с недостатком кислорода), где α - коэффициент избытка воздуха, а также показанный стрелкой 34 поток продуктов горения. При горении обогащенной смеси температура пламени невысока (≈ 750 K) и, следовательно, мала скорость образования окислов азота NO_x на первой стадии сжигания. При этом другая, большая часть воздушного потока 9, поступает внутрь завихрителей 12, закручиваясь в лопатках 20 наружного канала 14 и в лопатках 19 внутреннего канала 13 в противоположных направлениях, вдувается в поток 34 продуктов горения переобогащенной топливовоздушной смеси, способствуя возникновению лавинообразной активации горения с возникновением цепных реакций. При этом в равновесном состоянии существуют зоны диффузионного и кинетического горения. При кинетическом горении многократно возрастает скорость горения, температура продуктов сгорания резко повышается от 750 до 1990 K, смесь продуктов резко обедняется до α = 1,8 - 2,2, а вниз по течению за стенками каналов 13 и 14 завихрителей 12 поток продуктов горения аэродинамически затормаживается и интенсивно перемешивается с охлаждающим воздухом потока 9, повышая полноту сгорания смеси при многократном уменьшении времени пребывания частиц несгоревшего топлива в зонах локальных максимальных температур. Это последовательность процессов позволяет осуществить максимально уменьшенное по времени (внезапное) смешивание продуктов горения ("замораживание") несгоревших частиц топлива с оставшейся частью вторичного воздуха и организовать вторую стадию сжигания топлива. При этом температура горения в локальных зонах при объединении смеси резко повышается (до 1990 K), но зато многократно (в 5-6 раз) уменьшается время нахождения микрочастиц топлива при этих максимальных температурах, а в целом это позволяет управлять локальной температурой газа и снижать ее до требуемого уровня выбросов вредных веществ. Размещение в жаровой трубе с противоположной закруткой потоков воздуха 9 многократно уменьшает вероятность "проскока" непрореагировавших компонентов первичной зоны жаровой трубы вниз по течению от лобовой стенки 10, а, кроме того, при этом "разрушается" образующийся след обедненных и близких к стехиометрическому составу компонентов горючей смеси, что повышает топливную экономичность газовой турбины, многократно уменьшает вероятность условий для образования окислов азота NO_x и снижает токсичность выхлопных газов.

Источники информации:
1. US, патент N 4590769, кл. F 02 C 3/00, 1986.

2. FR, заявка N 2695460, кл. F 23 R 3/28, 1994 - прототип.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины для энергетических установок, работающих на топливном газе, содержит жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками. Каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении лобовую стенку, скрепленную со стенкой жаровой трубы и соединенную с газосборником. Выше по потоку от лобовой стенки размещен ряд завихрителей воздуха, от которых стенка жаровой трубы сплошная. Завихрители выполнены в виде внутреннего и наружного осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри. В наружном канале завихрителя лопатки расположены относительно обращенной к зоне горения стенки жаровой трубы на меньшем расстоянии, чем во внутреннем канале. Направление закрутки лопаток в наружном и внутреннем каналах - противоположное. Ось внутреннего и наружного каналов завихрителя расположена в радиальной плоскости жаровой трубы, проходящей через угол лобовой стенки. Число каналов в завихрителе может быть более двух, а число каналов с лопатками в завихрителе может быть четным или нечетным. Изобретение позволяет снизить токсичность выхлопных газов и повысить топливную экономичность газовой турбины путем интенсификации процессов смешения и повышения полноты сгорания топливного газа. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении лобовую стенку, скрепленную со стенкой жаровой трубы и соединенную с газосборником, отличающаяся тем, что в жаровой трубе выше по потоку от лобовой стенки размещен ряд завихрителей воздуха, от которых стенка жаровой трубы сплошная, при этом завихрители выполнены в виде внутреннего и наружного осевых концентрично расположенных каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, а в наружном канале завихрителя лопатки расположены относительно обращенной к зоне горения стенки жаровой трубы на меньшем расстоянии, чем во внутреннем канале, при этом направление закрутки лопаток в наружном и внутреннем каналах - противоположное. 2. Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины по п.1, отличающаяся тем, что ось внутреннего и наружного каналов завихрителя расположена в радиальной плоскости жаровой трубы, проходящей через угол лобовой стенки. 3. Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины по п.1, отличающаяся тем, что число каналов в завихрителе может быть более двух, а число каналов с лопатками в завихрителе может быть четным или нечетным.