ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕР СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F23R3/14 

Изобретение относится к машиностроению, конкретно к газотурбостроению, и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД).

Известны горелочные устройства, содержащие лопаточный завихритель, пилоны подачи топлива и центральную горелку или форсунку. (Например, горелочные устройства ГТУ фирмы Сименс - Modern Power Systems, November 1995, стр. 13), а также Radian Corporation (стр. 27, фиг. 2, там же). В отечественных ГТУ нашли применение горелочные устройства предварительного смешения топлива с воздухом (Тухбатуллин Ф.Г., Кашапов Р.С. Малотоксичные горелочные устройства газотурбинных установок, Уфа, 1994, стр. 118-119, Рис. 4.10-4.11).

Их назначение - предотвращение эмиссии вредных веществ в камерах сгорания, таких как оксиды азота (NO_x) и окись углерода (CO).

Недостатком названных устройств является существование опасности проникновения пламени ("проскока", "обратного броска") из зоны горения в зону предварительного смешения топлива с воздухом с последующим выходом из строя горелочного устройства. Последнее может оказаться труднопреодолимым препятствием для их использования в ГТУ при определенной размерности и режимах работы.

Наиболее близким конструктивным прототипом предлагаемого изобретения является газовая горелка камеры сгорания газотурбинной установки фирмы Броун Бовери (Швейцария), осуществленная в 1950 г (Г.И. Моисеев, Л.З. Мееров "Конструкции стационарных газотурбинных установок", Госэнергоиздат, Москва, 1962, стр. 70, рис. 3-25). Основная газовая горелка состоит из наружного цилиндра, соединенного с двухстенной трубкой десятью полыми лопатками, газ подводится к трубке и, проходя через полые лопатки, смешивается с первичным воздухом. Лопатки, установленные под углом 45^o, образуют завихритель, в котором воздух получает необходимую закрутку.

Дежурная горелка расположена в центре основной. Горелка обеспечивала хорошую равномерность температур за камерой сгорания. О ее экологических характеристиках не сообщалось, возможно из-за отсутствия этой проблемы при верхних температурах термодинамического цикла того времени - 600^oC.

Можно с уверенностью полагать, что описанный прототип был лишен недостатков, присущих названным ранее конструкциям. Его несовершенство в части экологических характеристик для камер сгорания высокотемпературных ГТУ будет заключаться в незавершенности конструкции, а именно:
- в загрязняющем действии вспомогательной центральной горелки диффузионного типа из-за проникновения отдельных струй ее топлива в основной поток;
- недостаточной однородности топливовоздушной смеси из-за отсутствия специального закона распределения топлива и воздуха после лопаточного завихрителя;
- увеличенной длины факела дежурной горелки при использовании устройства во встроенных камерах сгорания (трубчатого и кольцевого типа).

Целью предлагаемого изобретения является экологически чистое сжигание топлива при сохранении безопасного процесса и устойчивого горения во всем диапазоне режимов ГТУ.

Поставленная цель достигается тем, что горелочное устройство камеры сгорания содержит вспомогательную центральную горелку и основную внешнюю горелку в виде лопаточного завихрителя воздуха, разделенного со стороны зоны горения посредством кольцевого экрана на два яруса - внутренний и внешний. Внутренний ярус образует камеру вспомогательной горелки. Его лопатки выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Образуемый в этой зоне диффузионный факел устойчив в широком диапазоне режимов. В основной горелке отношение площадей щелей для топлива в выходных кромках внешнего яруса завихрителя к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным.

Такое выполнение горелочного устройства позволяет при работе только центральной горелки производить запуск и набор до 40% нагрузки ГТУ, при открытии основного (регулирующего) клапана и совместной работе вспомогательной и основной горелок осуществлять набор нагрузки сверх 40%. При нагрузках более 50-70% дежурная горелка может отключаться по топливу.

Хорошие экологические характеристики камер сгорания с предлагаемым горелочным устройством на частичных нагрузках обеспечиваются пониженным в ней уровнем температур, при высоких режимах - ограничением области загрязняющего действия диффузионного факела или полным его гашением.

Исключение обратного проскока пламени достигается отсутствием в конструкции протяженной области предварительного смешения. (Перемешивание топлива и воздуха заменено дозированной равномерной раздачей топлива в поперечном сечении потока воздуха).

Срывы факела на пониженных режимах ГТУ при увеличенных средних избытках первичного воздуха предотвращаются работой вспомогательной горелки диффузионного типа.

На фиг. 1 представлено сечение горелочного устройства, на фиг. 2 - вид на элемент устройства со стороны выхода воздуха и топлива.

Горелочное устройство содержит наружный обод 1, наружную трубу основного топлива 2, внутреннюю трубу дежурного топлива 3, лопаточные завихрители воздуха 4 и 5, вспомогательную горелку топлива 6 с отверстиями 7 и кольцевой экран 8. Площадь щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса определяется произведением ширин щели δ на их радиальную длину Δr, а проходные сечения межлопаточных каналов для воздуха - произведением ширины узких сечений "а" на радиальную протяженность Δr. Внешний ярус лопаточного завихрителя выполнен так, что отношение площадей
( ) вдоль радиуса или df/dr = 0.

При запуске ГТУ (ГТД) топливо подается во внутреннюю трубку 3 центральной горелки 6 и через отверстия 7 в воздушный поток, закрученный внутренним ярусом 5 лопаточного завихрителя и отделенный от основного потока воздуха экраном 8. Диффузионная центральная горелка обеспечивает надежное воспламенение топлива, а возникающая в центре вихря зона обратных токов - устойчивое горение на малых режимах работы ГТУ. Повышенные местные концентрации топлива в дежурной зоне вызывают образование в ней оксидов азота (NO_x), но их общее количество ограничено малым объемом зоны реакции, тогда как область основного потока воздуха (за внешним завихрителем 4) защищена экраном 8 от проникновения в нее отдельных струй топлива повышенной дальнобойности.

На режимах ГТУ более 20% от номинальной нагрузки в трубу 2 начинает подаваться основное топливо, поступающее внутрь лопаточного завихрителя, откуда оно выпускается в воздушный поток через щели в выходных кромках внешнего яруса. До установления устойчивого горения (определяется типом ГТУ), приблизительно до 40% от номинального режима, в работе остаются обе горелки - вспомогательная и основная.

При дальнейшем увеличении нагрузки подача топлива во вспомогательную горелку 6 перекрывается, в работе сохраняется лишь основная горелка 4. Низкий уровень эмиссии оксидов азота (NO_x) обеспечивается высокой однородностью топливовоздушной смеси, достигаемой равномерной в окружном и радиальном направлениях раздачей топлива по поперечному сечению воздушного потока. Исключение обратного броска пламени достигается подготовкой горючей смеси непосредственно перед фронтом пламени.

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных установок. Горелочное устройство содержит вспомогательную центральную горелку диффузионного типа, отделанную со стороны горения от основной кольцевым экраном, лопаточный завихритель с полыми лопатками, у которых во внешнем ярусе выполнены щели для раздачи топлива. Лопатки внутреннего яруса лопаточного завихрителя выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Отношение площадей щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным. Изобретение обеспечивает получение однородной топливовоздушной смеси в окружном и радиальном направлениях перед фронтом пламени. 2 ил.

Горелочное устройство камер сгорания, содержащее вспомогательную центральную горелку и основную внешнюю горелку в виде завихрителя воздуха с полыми лопатками и щелями в выходных кромках для раздачи топлива, отличающееся тем, что лопаточный завихритель со стороны зоны горения разделен посредством кольцевого экрана на два яруса так, что внутренний образует камеру вспомогательной горелки, а его лопатки выполнены со сплошными стенками и выходными кромками, при этом отношение площадей щелей для топлива в выходных кромках к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу внешнего яруса завихрителя постоянным.