УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК F23R3/34 

Изобретение относится к устройствам для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в различные зоны горения камер сгорания газотурбинных установок и двигателей, работающих на жидком или газообразном топливе.

Известно устройство для подачи топлива и воздуха в камеру сгорания газотурбинной установки, содержащее коаксиально размещенные центральную топливную форсунку и воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе [1].

К недостаткам такого устройства следует отнести то, что камера сгорания с вышеупомянутым устройством не обеспечивает низкого содержания вредных выбросов оксидов азота NO_x. Это объясняется тем, что топливовоздушная смесь образуется непосредственно в камере сгорания и горение происходит при соотношениях топлива и воздуха, близких к стехиометрии с высокой температурой. Высокая температура горения в камере сгорания приводит к резкому увеличению содержания NO_x в продуктах сгорания (см. [3]). С учетом современных требований по экологии к газотурбинным установкам - область применения таких устройств весьма ограничена.

Известно также устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки, содержащее коаксиально размещенные центральную топливную форсунку, воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе, топливовоздушный канал с топливоподводящим устройством в районе его входа и завихрителем на выходе и наружный канал с воздушным подводом и завихрителем на выходе [2].

В этом устройстве уже производится предварительное смешение топлива и воздуха в топливовоздушном канале. В камеру сгорания из этого устройства поступает предварительно подготовленная топливовоздушная смесь, что снижает температуру горения в камере сгорания, а это уменьшает содержание NO_x в продуктах сгорания [3]. Однако, учитывая осевой струйный подвод топлива и малую скорость воздуха, смешение топлива и воздуха в топливовоздушном канале организовано недостаточно эффективно. Кроме того, завихритель наружного воздушного канала, который используется для повышения устойчивости процесса горения, в снижении NO_x играет незначительную роль. Следовательно, уменьшение NO_x в продуктах сгорания будет небольшим. Поэтому эта форсунка определена как "пилотная" и используется в камерах сгорания для создания "дежурного" факела, что также является ее недостатком.

Задача изобретения уменьшить содержание вредных выбросов NO_x в продуктах сгорания при неувеличении содержания в них окиси углерода CO, путем оптимального распределения топлива и воздуха и улучшения смешения топлива и воздуха внутри устройства до поступления этой смеси в зону горения камеры сгорания. Дополнительная задача - использование предлагаемого устройства в качестве основного, а не только в качестве "пилотного".

Указанные задачи достигаются тем, что в устройстве для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки, содержащем коаксиально размещенные центральную топливную форсунку, воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе, топливовоздушный канал с топливоподводящим устройством в районе его входа и завихрителем, и наружный канал с воздушным подводом, в нем завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе, наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством, а выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями.

Кроме того, может быть следующее:
а) воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен конфузорным;
б) кольцевой козырек выполнен в продольном сечении клиновидным, своей вершиной повернутым ко входу;
в) на торце козырька выполнена кольцевая проточка;
г) воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен диффузорным;
д) завихритель топливовоздушного канала выполнен осевым или радиальным (тангенциальным);
е) топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде отверстий в стенке его завихрителя или в виде пилонов, размещенных в топливовоздушном канале за (перед) его завихрителем, с отверстиями в этих пилонах для подвода топлива;
ж) на входе в наружный канал установлен завихритель, который может быть осевым или радиальным (тангенциальным);
з) отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены тангенциальными;
и) оси отверстий, соединяющих выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены под острым углом к продольной оси устройства;
к) отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены прямоугольными или эллиптическими;
л) отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, размещены, по меньшей мере, в один ряд.

Новым здесь является то, что завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе, наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством, а выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями.

Установив завихритель топливовоздуного канала на его входе, мы значительно улучшаем смешение топлива и воздуха в этом канале и на выходе получаем гомогенную топливовоздушную смесь, что связано с увеличением пути смешения топлива и воздуха в закрученном потоке с большими скоростями и высокой турбулентностью в зоне смешения. Это позволяет организовать горение в камере сгорания при более низкой, оптимальной температуре горения, обеспечивающей минимальные значения вредных выбросов NO_x и CO. Экспериментальные данные показывают, что хорошая подготовка топливовоздушной смеси перед поступлением ее в камеру сгорания снижает содержание CO в продуктах сгорания [4]. Низкое содержание в продуктах сгорания NO_x и CO позволяют использовать это устройство в камере сгорания в качестве основного, а не только в качестве "пилотное" для создания "дежурного" факела.

Снабдив наружный канал на его входе топливопитающим устройством, мы используем и этот канал для смешения топлива и воздуха и последующей подачи этой смеси в камеру сгорания. Это позволяет оптимальным образом распределить топливо и воздух по каналам предлагаемого устройства.

Соединив выход наружного канала с выходом топливовоздушного канала отверстиями, мы, за счет дополнительного расхода смеси, увеличиваем скорость истечения топливовоздушной смеси из топливовоздушного канала. Тем самым исключается возможность проскока пламени из зоны горения в топливовоздушный канал, где имеется хорошо подготовленная топливовоздушная смесь. Кроме того струи топливовоздушной смеси, вытекающие из этих отверстий, улучшают стабилизацию пламени.

Кроме того новым в изобретении может являться и то, что:
а) воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен конфузорным;
б) кольцевой козырек выполнен в продольном сечении клиновидным, своей вершиной повернутым ко входу;
в) на торце козырька выполнена кольцевая проточка.

Выполнение воздушного канала в районе кольцевого козырька конфузорным позволяет улучшать условия подготовки топливовоздушной смеси на выходе из центральной, дежурной зоны устройства. Для этого же служит и кольцевой козырек, который выполнен в продольном сечении клиновидным, своей вершиной повернутым ко входу, на торце которого имеется кольцевая проточка. Это позволяет снизить выбросы NO_x в зоне "дежурного" факела и улучшить показатели камеры в целом. Клиновидный козырек и кольцевая проточка в нем улучшают устойчивость процесса горения в камере сгорания.

Кроме того, новым в изобретении может являться и то, что:
г) воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен диффузорным.

Выполнение воздушного канала в районе кольцевого козырька диффузорным обеспечивает более благоприятные условия для стабилизации пламени в центральной, дежурной зоне устройства.

Кроме того, новым в изобретении может являться и то, что:
д) завихритель топливовоздушного канала выполнен осевым или радиальным (тангенциальным).

Выбор конкретного завихрителя осевым или радиальным в большой степени определяется конструкцией камеры сгорания.

Кроме того, новым в изобретении может являться и то, что:
е) топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде отверстий в стенке его завихрителя или (и) в виде пилонов с отверстиями в этих пилонах для подвода топлива, размещенных в топливовоздушном канале за (перед) его завихрителем.

Выполнив топливоподводящее устройство топливовоздушного канала в виде отверстий в стенке его завихрителя мы используем завихритель по новому назначению, а именно для топливоподвода.

Выполнив топливоподводящие отверстия топливовоздушнного канала за его осевым завихрителем, мы имеем возможность подавать топливо в сильно турбулентный поток и улучшить смесеобразование.

Выполнив топливоподводящие отверстия топливовоздушного канала в виде пилонов, размещенных в топливовоздушном канале за (перед) его завихрителем, с отверстиями в этих пилонах для подвода топлива, мы добиваемся оптимального распределения топлива по высоте канала.

Кроме того новым в изобретении может являться и то, что:
ж) на входе в наружный канал установлен завихритель, который может быть осевым или радиальным.

Установив на входе в наружный канал завихритель - осевой или радиальный, мы улучшаем эффективность смешения топлива и воздуха в закрученном потоке и на выходе из этого канала получаем гомогенную топливовоздушную смесь.

Кроме того, новым в изобретении может являться и то, что:
з) отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены тангенциальными;
и) оси отверстий, соединяющих выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены под острым углом к продольной оси устройства;
к) отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены прямоугольными или эллиптическими.

Выполнив отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов тангенциальными или под острым углом к продольной оси устройства, мы имеем возможность влиять на скорость истечения топливовоздушной смеси из топливовоздушного канала и на пространственное распределение струй в топливовоздушном канале. С этой же целью эти отверстия могут быть прямоугольными или эллиптическими. Струи топливовоздушной смеси, вытекающие из этих отверстий, улучшают стабилизацию горения в камере сгорания.

Кроме того, новым в изобретении может являться и то, что:
л) отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов размещены, по меньшей мере, в один ряд.

Разместив отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов в виде нескольких рядов, мы имеем дополнительную возможность влиять на процесс смешения и стабилизации горения в камере сгорания.

Из уровня техники неизвестны технические решения, у которых завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе, наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством, а выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями, что позволяет нам сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям "новизны" и "изобретательского уровня".

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства;
на фиг. 2 показан продольный разрез устройства, у которого на торце козырька имеется кольцевая проточка;
на фиг. 3 показан продольный разрез устройства, у которого воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен диффузорным;
на фиг. 4 показан продольный разрез устройства, у которого завихритель топливовоздушного канала выполнен радиальным;
на фиг. 5 показан продольный разрез устройства, у которого топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде пилонов, размещенных за осевым завихрителем;
на фиг. 6 показан продольный разрез устройства, у которого топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде пилонов, размещенных в топливовоздушном канале перед осевым завихрителем;
на фиг. 7 показан поперечный разрез устройства, у которого на входе в наружный канал установлен осевой завихритель;
на фиг. 8 показан поперечный разрез устройства, у которого на входе в наружный канал установлен радиальный завихритель;
на фиг. 9 показан поперечный разрез А-А устройства по тангенциальным отверстиям, соединяющим выходы наружного и топливовоздушного каналов;
на фиг. 10 показан продольный разрез устройства, у которого оси отверстий, соединяющих выходы наружного и топливовоздушного каналов выполнены под острым углом к продольной оси устройства;
на фиг. 11 и 12 показан вид Б на отверстия различной формы, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов.

Устройство для подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки содержит коаксиально размещенные центральную топливную форсунку 1, воздушный канал 2 с осевым завихрителем 3 и кольцевым козырьком 4, формирующим на выходе конфузорный канал, топливовоздушный канал 5 с осевым завихрителем 6 на его входе и топливоподводящим устройством, выполненным в виде отверстий 7 в наружной стенке 8 осевого завихрителя 6, и наружный канал 9 с воздушными подводящими отверстиями 10. У наружного канала 9 на его входе имеется топливопитающее устройство в виде отверстий 11, а его выход соединен с выходом топливовоздушного канала 5 одним рядом отверстий 12. Кольцевой козырек 4 выполнен в продольном сечении клиновидным, своей вершиной повернутым ко входу.

Кроме того возможно, что: на торце 13 козырька 4 выполнена кольцевая проточка 14; выход воздушного канала 2 в районе кольцевого козырька 4 выполнен диффузорным 15; завихритель топливовоздушного канала выполнен радиальным (тангенциальным) 16; топливоподводящее устройство выполнено в виде пилонов 17 и 18 с отверстиями 19 и 20 соответственно, размещенных в топливовоздушном канале 5 за или перед его осевым завихрителем 6; на входе в наружный канал 9 установлен осевой 21 или радиальный 22 завихрители; оси отверстия 12 могут быть тангенциальными (фиг. 9) ил выполнены под острым углом к продольной оси устройства (фиг. 10), а форма отверстий может быть прямоугольной (фиг. 11) или эллиптической (фиг. 12).

Устройство работает следующим образом.

При работе камеры сгорания газотурбинной установки центральная топливная форсунка 1 и осевой завихритель 3 воздушного канала 2 создают на выходе из кольцевого козырька 4 топливовоздушную смесь, служащую для надежной устойчивой работы "дежурного факела". Соотношение топлива и воздуха здесь выбирается исходя из условия обеспечения надежного горения "дежурного" факела и поддержания горения гомогенной смеси. В топливовоздушном канале 5 с помощью установки осевого завихрителя 6 на его входе и подачи газообразного топлива в этот канала в районе этого завихрителя создаются хорошие условия для получения гомогенной топливовоздушной смеси. Соотношение топлива и воздуха здесь выбирается исходя из условия получения низкой температуры горения в камере сгорания и достижения оптимальных условий для низких значений NO_x и CO в продуктах сгорания. В наружном канале 9 создается топливовоздушная смесь с параметрами, близкими к смеси, получаемой в топливовоздушном канале 5. Предварительно подготовленная топливовоздушная смесь, поступающая из каналов 5 и 9, сгорает в камере сгорания и обеспечивает низкие значения вредных выбросов NO_x и CO.

Анализ элементов устройства показал, что каждый из них в отдельности известен в науке и технике, поэтому мы можем сделать вывод о соответствии нашего предложения критерию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1969 г., стр. 411, рис. 9.21.

2. Патент США N 4982570, фиг. 3, НКИ 60 - 733, опубл. 1991 г.

3. Патент США N 5487266, фиг. 2, НКИ 60-39.06, опубл. 1996 г.

4. А.Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986 г.

Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки содержит коаксиально размещенные центральную топливную форсунку, воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе, топливовоздушный канал с топливоподводящим устройством в районе его входа и завихрителем и наружный канал с воздушным подводом. Завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе. Наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством. Выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями. Изобретение позволяет уменьшить содержание выбросов NO_x в продуктах сгорания при неувеличении содержания в них окиси углерода. 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки, содержащее коаксиально размещенные центральную топливную форсунку, воздушный канал с осевым завихрителем и кольцевым козырьком на выходе, топливовоздушный канал с топливоподводящим устройством в районе его входа и завихрителем и наружный канал с воздушным подводом, отличающееся тем, что завихритель топливовоздушного канала установлен на его входе, наружный канал в районе его входа снабжен топливопитающим устройством, а выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями. 2. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен конфузорным. 3. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по пп.1 и 2, отличающееся тем, что кольцевой козырек выполнен в продольном сечении клиновидным, своей вершиной повернутым ко входу. 4. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по пп.1 - 3, отличающееся тем, что на торце козырька выполнена кольцевая проточка. 5. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что воздушный канал в районе кольцевого козырька выполнен диффузорным. 6. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что завихритель топливовоздушного канала выполнен осевым. 7. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что завихритель топливовоздушного канала выполнен радиальным (тангенциальным). 8. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде отверстий в стенке его завихрителя. 9. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде пилонов, размещенных в топливовоздушном канале за его завихрителем, с отверстиями в этих пилонах для подвода топлива. 10. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что топливоподводящее устройство топливовоздушного канала выполнено в виде пилонов, размещенных в топливовоздушном канале перед его завихрителем, с отверстиями в этих пилонах для подвода топлива. 11. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что на выходе в наружный канал установлен завихритель. 12. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по пп.1 и 11, отличающееся тем, что завихритель выполнен осевым. 13. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по пп.1 и 11, отличающееся тем, что завихритель выполнен радиальным (тангенциальным). 14. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены тангенциальными. 15. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что оси отверстий, соединяющих выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены под острым углом к продольной оси устройства. 16. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены прямоугольными. 17. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, выполнены эллиптическими. 18. Устройство для подготовки и подачи топливовоздушной смеси по п.1, отличающееся тем, что отверстия, соединяющие выходы наружного и топливовоздушного каналов, размещены по меньшей мере в один ряд.