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

Изобретение относится к трубчато-кольцевым камерам сгорания стационарных газовых турбин, работающих на сжатом природном газе с низкой токсичностью выхлопных газов.

Известна акустическая инжекционная горелка высокого давления со встроенным газоструйным генератором ультразвука, работающая на энергии высокого давления природного газа [1].

Недостатками известной инжекционной горелки являются низкие уровни излучаемой энергии и малые пределы регулирования, чувствительность к противодавлению в камере сгорания, уменьшение коэффициента избытка воздуха α. Кроме того, известные инжекционные акустические горелки работают, как правило, в режиме наложения акустических колебаний на турбулентный диффузионный поток инжектируемого аэрозоля, что увеличивает протяженность зоны горения за счет ухудшения условий воспламенения, а максимальное возмущающее воздействие звукового поля на процесс горения в известных камерах сгорания имеет место при коэффициенте избытка окислителя α ≈ 1 и уменьшается при 1 < α < 1.
Наиболее близкой к заявляемой является трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки, 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, в жаровой трубе в плоскости лобовой стенки, обращенной к потоку по периметру стенки жаровой трубы выполнены каналы. [2].

Недостатком известной камеры сгорания является неполное использование возможностей организации кинетического горения переобогащенной топливо-воздушной смеси с образованием циркуляционных зон и частичным сжиганием топлива при значительном избытке воздуха, а также низкая надежность и ресурс жаровых труб при использовании сжатого природного газа. К недостаткам известной камеры сгорания следует отнести также низкую интенсивность перемешивания топлива с воздухом, приводящую к образованию длинных факелов и длительному пребыванию продуктов горения в зоне максимальных локальных температур, вследствие отсутствия элементов стабилизации пламени в жаровой трубе, и как следствие - к повышенной токсичности выхлопных газов 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 генераторами звуковых колебаний и повышения полноты сгорания топлива.

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, выше по потоку от лобовой стенки во внешнем и внутреннем корпусах размещены генераторы звуковых колебаний, а в каждой из жаровых труб выполнен ряд отверстий, от которых стенка жаровой трубы сплошная, при этом генераторы звуковых колебаний во внешнем и внутреннем корпусах и отверстия в стенках каждой из жаровых труб расположены в одной плоскости, а последняя параллельна плоскости лобовой стенки.

Размещение выше по потоку от лобовой стенки во внешнем и внутреннем корпусах камеры сгорания генераторов звуковых колебаний и выполнение в каждой из жаровых труб ряда отверстий, от которых стенка жаровой трубы сплошная, позволяет достичь более эффективного сочетания технологии смешивания газовых и воздушных потоков, аэродинамического торможения их, дожигания несгоревших микрочастиц топлива с образованием зон лавинной активации горения при резком (внезапном) охлаждении несгоревших частиц топлива. Принцип организации горения при таком сочетании процессов заключается в создании и горении обогащенной топливо-воздушной смеси (для этого стенка жаровой трубы сплошная), т. е. диффузионного факела пламени первичной зоны горения, аэродинамического торможения этого потока, обеспечения путем вдува струйных потоков вторичного воздуха и организации акустических резонансных колебаний и лавинной 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 внутренних стенках жаровых труб. В зоне отверстий смесь обедняется и сгорает при α = 1,8-2,2 с образованием зон лавинной активации горения, обеспечивая полноту сгорания до 99,9%. При этом звуковые генераторы интенсифицируют процесс смешения струйных потоков воздуха и продуктов горения, обеспечивая уровень звукового давления в зоне горения жаровой трубы от 90 до 160 дБ, т.е. воздействуют на струйные потоки вторичного воздуха и зоны кинетического горения в зоне быстрого разбавления продуктов горения, а не на входе в жаровую трубу, как в известных технических решениях. Результирующий поток вниз по течению от плоскости отверстий в стенках жаровых труб становится трехмерным, что многократно повышает эффективность смешения и горения газовых компонентов, полноту сгорания топлива и ресурс работы жаровых труб.

Расположение генераторов звуковых колебаний во внешнем и внутреннем корпусах, а также отверстий в стенках каждой из жаровых труб в одной плоскости, которая параллельна плоскости лобовой стенки, позволяет достичь устойчивости воздействия акустического поля и резонансных эффектов, усиливающих интенсификацию процесса сжигания компонентов топлива в зоне быстрого разбавления продуктов горения в жаровых трубах. При таком выполнении камеры сгорания, взаимодействии процессов смешения, звукового давления и горения многократно уменьшается также число локальных зон (течений) бедных и близких к стехиометрическому составу смесей, обладающих повышенной локальной температурой в зонах горения, причем от величины этих температур экспоненциально зависит уровень окислов азота NO_x и токсичность продуктов сгорания. При этом уменьшается время нахождения микрочастиц топлива в локальных зонах повышенных температур и одновременно увеличивается время нахождения продуктов сгорания в полости жаровых труб и снижается температурное поле перед турбиной, что также уменьшает уровень выброса окислов азота NO_x и токсичность выхлопных газов турбины. В выхлопных газах турбин энергетических стационарных установок окислы азота NO_x составляют до 95% общего уровня вредных веществ и являются основным наиболее токсичным веществом и активатором коррозии, содержащимся в продуктах сгорания.

Совокупность существенных признаков заявляемой трубчато-кольцевой камеры сгорания в целом позволяет снизить токсичность выхлопных газов турбины и повысить ее топливную экономичность.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания вдоль продольных осей одной из жаровых труб и двух генераторов звуковых колебаний.

На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1 (поперек жаровых труб в плоскости генераторов звуковых колебаний в уменьшенном масштабе).

Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины содержит жаровые трубы 1, соединенные с газосборником 2, скрепленным с внешним корпусом 3 и внутренним корпусом 4. Каждая из жаровых труб 1 содержит на выходе 5 в поперечном потоку воздуха 6 направлении лобовую стенку 7 толщиной h, скрепленную со стенкой 8 жаровой трубы 1, например, при помощи сварки, и соединенную с газосборником 2, например, с возможностью перемещения вдоль оси 9 жаровой трубы 1 по пояскам Д1 и Д2, см. фиг. 2. Выше по потоку 6 от лобовой стенки 7 во внешнем корпусе 3 и внутреннем корпусе 4 размещены генераторы 10 звуковых колебаний, а в каждой из жаровых труб 1 выполнен ряд отверстий 11, от которых стенка 8 жаровой трубы 1 сплошная на длине L, т.е. не имеет отверстий или щелей, см. фиг. 1. При этом генераторы 10 звуковых колебаний во внешнем корпусе 3 и внутреннем корпусе 4, и отверстия 11 в стенках 8 каждой из жаровых труб 1 расположены в одной плоскости А-А, а последняя параллельна плоскости K лобовой стенки 7 каждой из жаровых труб 1, обращенной к потоку 6 воздуха. Кроме того, на фиг. 1 изображено соединений жаровых труб 1 с кольцевым газосборником 2, состоящим из наружной кольцевой оболочки 12 и внутренней кольцевой оболочки 13, а также изображена форсунка 14, свеча зажигания 15, диффузор 16 с внезапным расширением, поз. 17 - подвод сжатого природного газа к форсунке 14, поз. 18 - факел пламени первичной зоны, в данном случае обогащенной топливом, протекающей на длине L, поз. 19 - первая ступень соплового аппарата турбины, и поз. 20 - продольная ось камеры сгорания.

Камера сгорания работает следующим образом. При запуске двигателя сжатый природный газ 17 подается через форсунки 14, смешиваясь и закручиваясь во фронтовом устройстве завихрителя с потоком 6 небольшого количества сжатого воздуха, поступающего от компрессора через диффузор 16, осуществляя воспламенение топливо-воздушной смеси от свечи зажигания 15 во внутренней полости каждой из жаровых труб 1, образуя факел 18 диффузионного горения α = 0,5-0,7) топливо-воздушной смеси (с недостатком воздуха), где α - коэффициент избытка воздуха. 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 6 поступает через отверстия 11 и инжектируется струйными потоками во фронтовую часть потока 18 продуктов горения переобогащенной топливом воздушной смеси первичной зоны горения, простирающейся на длине L. Воздействие на корневую часть струйных потоков воздуха 6, инжектируемых внутрь жаровой трубы 1 через отверстия 11 звуковым давлением генераторов 10 турбулизирует эти струйные потоки воздуха, способствуя возникновению и поддержанию лавинообразной активации горения с возникновением цепных реакций. При этом, отраженные от поверхности 7 лобовой стенки звуковые импульсы улучшают устойчивость и возмущающее воздействие резонансных звуковых колебаний на процесс горения. В равновесном состоянии вблизи плоскости А-А быстрого разбавления продуктов горения в жаровых трубах 1 существуют зоны диффузионного и кинетического горения. При кинетическом горении многократно возрастает скорость горения, температура продуктов горения резко повышается от 750 до 1990^oК, смесь продуктов сгорания резко обедняется до α = 1,8-2,2, а вниз по течению от плоскости А-А поток продуктов сгорания аэродинамически затормаживается и интенсивно перемешивается с охлаждающим (вторичным) воздухом 6, повышая полноту сгорания смеси при многократном уменьшении времени пребывания частиц несгоревшего топлива в зонах максимальных локальных температур. Эта последовательность процессов позволяет осуществить максимально уменьшенное по времени (внезапное) смешение 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 обеднении смеси резко повышается (до 1990^oК), а время нахождения микрочастиц топлива при максимальных локальных температурах многократно (в 5-7 раз) уменьшается.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет управлять локальной температурой газа в зоне быстрого разбавления продуктов горения первичной зоны в жаровых трубах камеры сгорания, снижает токсичность выхлопных газов и повышает топливную экономичность газовой турбины.

Источники информации:
1. А. С. Иссерлин "Теория и практика сжигания газа", Ленинград, Недра, 1972 г., стр. 224, рис.1 - акустическая горелка высокого давления.

2. FR, заявка, 2695460, кл. F 23 H 3/28, 1994 г. - прототип.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины, работающей на сжатом природном газе с низкой токсичностью выхлопных газов, 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 во внешнем и внутреннем корпусах размещены генераторы звуковых колебаний. В каждой из жаровых труб выполнен ряд отверстий, от которых стенка жаровой трубы сплошная. Генераторы звуковых колебаний во внешнем и внутреннем корпусах и отверстия в стенках каждой из жаровых труб расположены в одной плоскости, а последняя параллельна плоскости лобовой стенки. Изобретение позволяет снизить токсичность выхлопных газов и повысить топливную экономичность газовой турбины путем интенсификации процессов смешения генераторами звуковых колебаний и повышения полноты сгорания топлива. 2 ил.

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 выше по потоку от лобовой стенки во внешнем и внутреннем корпусах размещены генераторы звуковых колебаний, а в каждой из жаровых труб выполнен ряд отверстий, от которых стенка жаровой трубы сплошная, при этом генераторы звуковых колебаний во внешнем и внутреннем корпусах и отверстия в стенках каждой из жаровых труб расположены в одной плоскости, а последняя параллельна плоскости лобовой стенки.