ГОРЕЛКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F23R3/20 F23D14/24 

Изобретение относится к области стационарных газотурбинных двигателей, в частности малоэмиссионных камер сгорания, работающих на газообразном топливе.

Известна конструкция фронтового устройства камеры сгорания, содержащая корпус, установленный вокруг топливной форсунки и снабженный множеством стерженьков, расположенных на его наружной поверхности [1].

Известное устройство в зоне стабилизации пламени на участке обратных токов создает повышенную микротурбулентность, сокращает размеры зоны горения, понижает выброс оксидов азота и углерода и снижает дымность продуктов сгорания. Однако недостатком известной конструкции является низкая интенсивность перемешивания газообразного топлива с воздухом, приводящая к образованию "длинных факелов", а также незащищенность штырьков корпуса форсунки от больших тепловых потоков зоны горения камеры сгорания, что приводит к нагарообразованию и коксованию горелок, а также к прогару штырьков. Кроме того, внешняя часть потока беспрепятственно проходит мимо стерженьков, не подвергаясь турбулизации, в зону горения камеры сгорания, что снижает интенсивность перемешивания газообразного топлива с воздухом, приводит к образованию "длинных факелов", снижает надежность работы камеры сгорания и приводит к повышенным выбросам токсичных продуктов сгорания, преимущественно оксидов азота и углерода.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция камеры сгорания, содержащая топливную форсунку и тангенциальный закручивающий аппарат в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри и рядом стержней, установленных в межлопаточных каналах [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является то, что газообразное топливо распыливается отверстиями, расположенными на поверхности стержней, а сами стержни расположены далеко от центральной форсунки в радиально-осевых каналах. Это приводит к затуханию турбулентности, приходящей в зону горения камеры сгорания. Кроме того, поперечная подача (поперек потока) газообразного топлива значительно уменьшает турбулентность в следе за стержнями, что уменьшает ее влияние на процесс смешения, снижает интенсивность перемешивания газообразного топлива с воздухом, приводит к образованию "длинных факелов" и к повышенным выбросам токсичных продуктов сгорания, в основном оксидов азота и углерода (NOx и СО).

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении токсичности продуктов сгорания, в уменьшении нагаро- и сажеобразования за счет образования микротурбулентности в зоне смешения струй газообразного топлива с вращающимся потоком воздуха.

Сущность технического решения заключается в том, что в горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливную форсунку и тангенциальный закручивающий аппарат в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри и рядом стержней, установленных в межлопаточных каналах, согласно изобретению каждый стержень установлен ниже по потоку от выходной кромки соответствующей ему лопатки, число стержней равно числу лопаток, а диаметр описанной окружности стержня превышает толщину поперечного сечения лопатки, при этом поперечное сечение каждого стержня расположено симметрично поверхности выходной кромки соответствующей ему лопатки, обращенной поверхностью к смежному стержню, а диаметр описанной окружности стержня составляет 0,25 - 0,5 от расстояния между выходными кромками смежных лопаток или от шага смежных стержней. Каждый стержень соединен с выходной кромкой соответствующей ему лопатки. Каждый стержень от выходной кромки соответствующей ему лопатки установлен на расстоянии, не превышающем половины шага смежных стержней.

Установка каждого стержня ниже по потоку от выходной кромки соответствующей ему лопатки, выполнение числа стержней равным числу лопаток, а диаметра описанной окружности стержня превышающим толщину поперечного сечения лопатки повышает микротурбулентность и приближает ее к зоне горения камеры сгорания. Кроме того, микротурбулентность повышается за счет встречной подачи газообразного топлива, т. е. навстречу потоку вихрей, которые не прошли мимо стержней, не подвергаясь турбулизации, в зону горения камеры сгорания.

Выполнение диаметра описанной окружности стержня превышающим поперечное сечение лопатки, поперечного сечения каждого стержня расположенным симметрично поверхности выходной кромки соответствующей ему лопатки, обращенной к смежному стержню, а диаметра описанной окружности стержня составляющим 0,25 - 0,5 от расстояния между выходными кромками лопаток или от шага смежных стержней позволяет управлять профилем скоростей и структурой течения и тем самым влиять на характеристики стабилизации пламени и горения газовоздушной смеси. Это позволяет также расширить диапазон горения по составу смеси и уменьшить эмиссию СО и NОх.

Выполнение каждого стержня соединенным с выходной кромкой соответствующей ему лопатки повышает тепловую защиту выходных кромок лопаток от теплового проскока пламени, возникающего при определенных условиях, когда вследствие стабилизации факела поверхность стержней нагревается до температур, превышающих температуру воспламенения газовоздушной смеси, что повышает надежность и ресурс закручивающего аппарата горелки.

Установка каждого стержня от выходной кромки соответствующей ему лопатки на определенном расстоянии, не превышающем половины шага смежных стержней, позволяет управлять профилем скоростей потоков и структурой течения и тем самым влиять на характеристики стабилизации пламени и горения газовоздушной смеси. Это позволяет также устранить пульсационное (вибрационное) горение, расширить диапазон горения по составу смеси и уменьшить эмиссию СО и NOx.

На фиг. 1 изображена горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, продольный разрез.

На фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1, стержни соединены с выходными кромками лопаток.

На фиг.3 - элемент I на фиг.2, стержни установлены на расстоянии от выходных кромок лопаток.

Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку 1 и тангенциальный закручивающий аппарат 2 в виде каналов 3 с открытыми торцами 4, 5, лопатками 6 внутри и рядом стержней 7, установленных в межлопаточных каналах 3. Каждый стержень 7 установлен ниже по потоку 8 от выходной кромки 9 соответствующей ему лопатки 6, поз.10 - входная кромка лопатки 6. Число стержней 7 равно числу лопаток 6, а диаметр описанной окружности 11 стержня 7 превышает толщину 12 поперечного сечения лопатки 6. Поперечное сечение 11 каждого стержня 7 расположено симметрично поверхности D выходной кромки 9 соответствующей ему лопатки 6, обращенной поверхностью DI, т. е. стороной давления, к смежному стержню 7. Диаметр описанной окружности 11 стержня 7 составляет 0,25...0,5 от расстояния L между выходными кромками 9 смежных лопаток 6 или от шага t смежных стержней 7 (см. фиг.2, 3). Каждый стержень 7 может быть соединен с выходной кромкой 9 соответствующей ему лопатки 6 (см. фиг.2). Каждый стержень 7 от выходной кромки 9 соответствующей лопатки 6 может быть установлен на расстоянии К, не превышающем половины шага t смежных стержней 7 (см. фиг.3). Кроме того, поз.13 - газообразное топливо, поз.14 - зона горения камеры сгорания, поз.15 - сквозная смесительная трубка форсунки 1.

При работе горелки воздух 8 из компрессора поступает в межлопаточные каналы 3 тангенциального закручивающего аппарата 2 и в сквозную смесительную трубку 15 форсунки 1. Смешиваясь и закручиваясь со струями газового топлива 13, газовоздушная смесь подается далее в зону горения 14 камеры сгорания. При этом весь поток воздуха 8, проходя в межлопаточных каналах 3, натекает на стержни 7, подвергаясь турбулизации. Симметричное стороне давления DI расположение лопаток 6 стержней 7 управляет профилем скоростей потока воздуха 8 и структурой течения, влияя на характер смешивания потока воздуха 8 и струй газа 13, которые подаются навстречу потоку воздуха 8 из каналов топливной форсунки 1. При расположении стержней 7 на определенном расстоянии К от выходных кромок 9 лопаток 6 поток воздуха 8 в межлопаточных каналах 3 натекает на стержни 7 симметрично стороне давления DI лопаток 6. При соединении стержней 7 с выходной кромкой 9 соответствующих лопаток 6 поток воздуха 8 подвергается турбулизации дополнительно за счет закрутки потоков в выходном сечении косого среза 5, образованного стержнями 7. Зона горения 14 камеры сгорания при повышенной турбулизации значительно сокращается, "длинные факелы", при которых возможны наибольшие выбросы NOx и СО, предотвращаются. Определенным соотношением диаметра и шага стержней устраняется пульсационное (детонационное) горение, уменьшается нагаро- и сажеобразование, расширяется диапазон горения по составу смеси и снижается эмиссия оксидов азота и углерода.

Источники информации
1. Патент GB N 2049915, F 23 R 3/14, 1980 г.

2. Патент US N 5479782, F 02 C 9/20, 1994 г. - прототип.

Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку и тангенциальный закручивающий аппарат в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри и рядом стержней, установленных в межлопаточных каналах. Каждый стержень установлен ниже по потоку от выходной кромки соответствующей ему лопатки. Число стержней равно числу лопаток. Диаметр описанной окружности стержня превышает толщину поперечного сечения лопатки. Поперечное сечение каждого стержня расположено симметрично поверхности выходной кромки соответствующей ему лопатки, обращенной поверхностью к смежному стержню. Диаметр описанной окружности стержня составляет 0,25-0,5 от расстояния между выходными кромками смежных лопаток или от шага смежных стержней. Каждый стержень соединен с выходной кромкой соответствующей ему лопатки. Каждый стержень от выходной кромки соответствующей ему лопатки установлен на расстоянии, не превышающем половины шага смежных стержней. Изобретение позволяет снизить токсичность продуктов сгорания, уменьшить нагаро- и сажеобразование за счет образования микротурбулентности в зоне смешения струй газообразного топлива с вращающимся потоком воздуха. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку и тангенциальный закручивающий аппарат в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри и рядом стержней, установленных в межлопаточных каналах, отличающаяся тем, что каждый стержень установлен ниже по потоку от выходной кромки соответствующей ему лопатки, число стержней равно числу лопаток, а диаметр описанной окружности стрежня превышает толщину поперечного сечения лопатки, при этом поперечное сечение каждого стержня расположено симметрично поверхности выходной кромки соответствующей ему лопатки, обращенной поверхностью к смежному стержню, а диаметр описанной окружности стержня составляет 0,25-0,5 от расстояния между выходными кромками смежных лопаток или от шага смежных стержней. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый стержень соединен с выходной кромкой соответствующей ему лопатки. 3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый стержень от выходной кромки соответствующей ему лопатки установлен на расстоянии, не превышающем половины шага смежных стержней.