ГОРЕЛКА Российский патент 2009 года по МПК F23D14/20 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Известна горелка, которая содержит наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, причем перед завихрителем по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде кольцевого ряда радиально расположенных трубок-коллекторов с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру (см., например, RU №2099639 Mкл. F23R 3/28, опубл. 20.12.1997) [1].

В данной горелке воздухонаправляющие каналы образованы радиально расположенными лопатками, перед которыми имеется топливораздающее устройство. Радиальное расположение трубок-коллекторов с распределенными по их длине отверстиями в известной горелке приводит к тому, что все топливо подается в предкамеру сосредоточенно в одном сечении. Задержка времени от момента подачи топлива в предкамеру до его сгорания во многих случаях является причиной возникновения пульсаций давления в потоке, частота которых обратно пропорциональна длительности этой задержки, приводящих к серьезным авариям. В случае сосредоточенной в одном сечении подачи топлива в предкамеру длительность задержки для всего топлива одинакова, и амплитуда пульсаций давления соответствующей частоты максимальна. Низкая устойчивость процесса горения, проявляющаяся в пульсациях давления в потоке, является серьезным недостатком известной горелки.

Другой недостаток данной горелки состоит в низкой надежности из-за возможности проскока пламени и его стабилизации в зонах отрыва потока за топливораздающими трубками-коллекторами. При расположении трубок перед завихрителем скорость обтекающего их потока низка (по сравнению со скоростью за завихрителем), что создает условия для стабилизации фронта пламени в зонах отрыва потока за топливораздающими трубками. При работе камеры сгорания не исключены кратковременные нерасчетные режимы, на которых вероятен проскок пламени к топливораздающим трубкам. Стабилизация пламени за трубками после такого проскока неизбежно приведет к прожогу лопаток завихрителя и аварии.

Последнего недостатка лишена горелка, принятая за прототип (см., например, RU 2137042 М Кл. F23D 14/20, опубл. 10.09.1999) [2].

Эта горелка содержит наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство в виде коллекторов с отверстиями для подачи топлива в предкамеру. В этой горелке воздухонаправляющие каналы также образованы радиальными лопатками, но топливораздающее устройство расположено на выходе из воздухонаправляющих каналов и выполнено в виде по меньшей мере одного кольцевого ряда радиальных трубок с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру.

Вместе с тем, этой горелке присущ другой описанный выше недостаток - низкая устойчивость процесса горения, проявляющаяся в пульсациях давления в потоке. Поскольку топливо в горелке-прототипе подается в предкамеру сосредоточенно в одном (при одном ряде топливораздающих трубок) или большими порциями в нескольких (в случае нескольких рядов топливораздающих трубок) сечениях, рассмотренный выше механизм возникновения пульсаций давления работает и здесь.

Следует отметить еще один недостаток в большей или меньшей степени присущий обеим описанным горелкам. Радиальные топливораздающие трубки частично перекрывают проходное сечение кольцевой предкамеры. Как правило, топливораздающие трубки соединены с втулкой горелки, по внутренним каналам которой к ним подводится топливо. Очевидно, что загромождение проходного сечения трубками у втулки больше, чем на периферии предкамеры. Вследствие этого появляется неравномерность поля скоростей воздушного потока, которая приводит к неравномерности поля концентраций топливовоздушной смеси на выходе из предкамеры и соответствующему ухудшению экологических характеристик горелки. Этот недостаток в большей мере проявляется у горелки-прототипа [2], поскольку в горелке [1] скоростное поле частично выравнивается при прохождении воздушного потока через узкое сечение завихрителя.

Задачами, на решение которых направлена заявляемая горелка, являются снижение неравномерности поля концентраций на выходе из предкамеры и повышение устойчивости процесса горения за счет исключения возможности возникновения пульсаций давления с высокими амплитудами.

Технический результат от применения (использования) предлагаемой горелки состоит в улучшении экологических характеристик и повышении надежности работы газотурбинной установки. Указанный результат достигается тем, что в известной горелке, содержащей наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, согласно изобретению завихритель воздуха выполнен в виде полого конуса, а воздухонаправляющие каналы выполнены в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, при этом топливораздающее устройство выполнено в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, а отверстия для подачи топлива в предкамеру соответствующим образом распределены по длине коллекторов.

Кроме того, коллекторы выполнены в виде трубок круглого сечения.

Кроме того, полый конус завихрителя выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток, между которыми имеются одинаковые тангенциальные щели.

Кроме того, лопатки выполнены поворотными так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток так, чтобы все тангенциальные щели оставались одинаковыми.

Кроме того, полый конус завихрителя выполнен двустенным с подвижной и неподвижной стенками так, что при вращении подвижной стенки вокруг оси конуса изменяется высота тангенциальных щелей.

Кроме того, на выходе наружной осесимметричной обечайки установлен конический пережим, а конец втулки завихрителя выступает за пределы этого пережима.

Это объясняется следующим. Известно, что задержка времени Т от момента подачи в поток воздуха топлива до момента его сгорания с выделением тепловой энергии может привести к неустойчивости процесса горения, выражающейся в пульсациях давления с частотой f=1/(2T).

Физический механизм этого явления состоит в том, что при возникновении в потоке топливовоздушной смеси слабых возмущений с частотой f, фазовый сдвиг между колебаниями расхода, давления и тепловыделения, обусловленный в данном случае задержкой времени Т, приводит к тому, что в зоне горения топливовоздушной смеси фазы колебаний тепловыделения и концентрации смеси совпадают и возникает резонанс. При радиальном расположении топливораздающих трубок в предкамере, как это сделано в прототипе, все топливо (в случае одного ряда трубок) или значительная доля топлива (в случае нескольких рядов) подается в поток воздуха сосредоточенно в одном сечении предкамеры. Задержка времени между моментом подачи топлива в поток воздуха и моментом его сгорания с выделением тепловой энергии, как сказано выше, может послужить причиной возникновения опасных пульсаций давления в потоке, которые приводят к разрушению конструкционных элементов машины.

Очевидно, что амплитуда пульсаций давления тем выше, чем большая доля топлива подается в одном сечении предкамеры. При выполнении завихрителя воздуха в виде полого конуса, а воздухонаправляющих каналов в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, эти щели имеют существенную протяженность в осевом направлении. В свою очередь, топливораздающее устройство, выполненное в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, с отверстиями для подачи топлива в предкамеру, соответствующим образом распределенными по длине коллекторов, подает топливо в воздушный поток малыми порциями, распределенными по всей длине тангенциальных щелей, что исключает возможность возникновения пульсаций давления в потоке и повышает надежность работы газотурбинной установки.

Выбор соответствующего закона распределения отверстий для подачи топлива в предкамеру по длине коллекторов зависит от конкретных условий: геометрических параметров тангенциальных щелей, условий подвода воздуха, геометрических параметров предкамеры и др. В зависимости от поставленной задачи закон распределения может быть определен расчетным или экспериментальным путем.

Как известно, в низкотоксичных горелках предкамера служит для предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей топливовоздушной смеси в зону горения. Чем выше качество смешения (равномерность поля концентраций топлива в смеси), тем лучше экологические характеристики горелки. В заявляемой горелке воздух в предкамеру поступает по воздухонаправляющим каналам, выполненным в виде тангенциальных щелей. Поскольку тангенциальные щели, как отмечалось выше, имеют существенную протяженность в осевом направлении, их высота сравнительно невелика. Это способствует проникновению струй топлива, вытекающих из отверстий, в воздушный поток на всю высоту щели, обеспечивает высокую равномерность раздачи топлива и интенсифицирует процесс смешения топлива с воздухом, в результате чего улучшаются экологические характеристики горелки.

Вариант горелки, в котором коллекторы выполнены в виде трубок круглого сечения, а также вариант, в котором полый конус завихрителя выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток, между которыми имеются одинаковые тангенциальные щели, имеют технологические преимущества при достаточно больших размерах горелки: уменьшается трудоемкость изготовления, снижается материалоемкость.

Вариант горелки, в котором лопатки выполнены поворотными так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток так, чтобы все тангенциальные щели оставались одинаковыми, позволяет улучшить экологические характеристики газотурбинной установки в широком диапазоне режимов ее работы. Известно, что для обеспечения низкотоксичного сжигания предварительно подготовленной смеси топлива с воздухом необходимо поддерживать концентрацию этой смеси в достаточно узком диапазоне, который на порядок уже диапазона возможного изменения соотношения воздух - топливо при работе газотурбинной установки. Рассматриваемый вариант позволяет изменять гидравлическое сопротивление воздушного тракта горелки за счет изменения ее проходного сечения (изменения высоты тангенциальных щелей), перераспределяя воздух между трактами камеры сгорания и поддерживая необходимую концентрацию смеси в горелке на всех режимах работы газотурбинной установки.

Улучшить экологические характеристики газотурбинной установки в широком диапазоне режимов ее работы позволяет также вариант горелки, в котором полый конус завихрителя воздуха выполнен двустенным с подвижной и неподвижной стенками так, что при вращении подвижной стенки вокруг оси конуса изменяется высота тангенциальных щелей. По сути, он аналогичен предыдущему варианту.

Вариант горелки, в котором на выходе наружной осесимметричной обечайки установлен конический пережим, а конец втулки завихрителя выступает за пределы этого пережима, позволяет повысить надежность работы газотурбинной установки за счет снижения вероятности проскока пламени в предкамеру. При течении в пережиме скорость потока возрастает и на выходе из него значительно превосходит скорость распространения пламени, что препятствует проскоку пламени в предкамеру. Втулка завихрителя, выступая за пределы пережима, препятствует образованию обратных токов, характерных для закрученных потоков, в осевой зоне предкамеры. Такие обратные токи также могут явиться причиной проскока пламени в предкамеру.

На фиг.1 изображена горелка с завихрителем воздуха в виде полого двустенного конуса; на фиг.2 - горелка с завихрителем воздуха в виде кольцевого ряда плоских изогнутых поворотных лопаток; на фиг.3 - поперечное сечение горелки с завихрителем воздуха в виде кольцевого ряда плоских изогнутых поворотных лопаток.

Горелка (см. фиг.1), содержит наружную осесимметричную обечайку 1, коаксиальный этой обечайке 1 завихритель воздуха, выполненный в виде полого конуса с подвижной 2 и неподвижной 3 стенками. Завихритель воздуха имеет воздухонаправляющие каналы, выполненные в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей 4, расположенных по образующим конуса. Наружная осесимметричная обечайка 1 совместно с втулкой 5 завихрителя образуют кольцевую предкамеру 6, на входе в которую имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде коллекторов 7, параллельных щелям 4, с отверстиями 8 для подачи топлива в предкамеру 6, соответствующим образом распределенными по длине коллекторов 7. На выходе наружной осесимметричной обечайки 1 установлен конический пережим 9, при этом конец втулки 5 завихрителя выступает за пределы этого пережима 9. Коллекторы 7 соединены с полостью 10 втулки 5 завихрителя, которая, в свою очередь, соединена с топливоподводящей трубой 11.

У варианта горелки, изображенного на фиг.2, полый конус завихрителя воздуха выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток 12, между которыми имеются воздухонаправляющие каналы - одинаковые тангенциальные щели 4. Топливораздающее устройство в этом варианте исполнения горелки состоит из коллекторов, выполненных в виде трубок 13 круглого сечения с отверстиями 8 для подачи топлива в предкамеру 6. Лопатки 12 выполнены поворотными (в данном варианте конструкции оси поворота лопаток 12 совпадают с осями трубок 13 круглого сечения) так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей 4, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток 12 так, чтобы все тангенциальные щели 4 оставались одинаковыми. Вариант приводного устройства, изображенный на фиг.2, включает поворотное кольцо 14 с направляющими прорезями 15, в которые вставлены шпонки 16, соединенные с лопатками 12.

Горелка работает следующим образом.

Поток воздуха подается во внутреннюю полость конического завихрителя воздуха и через тангенциальные щели 4 поступает в кольцевую предкамеру 6, приобретая при этом закрутку. Топливо по трубе 11 подводится в полость втулки 5 завихрителя, из которой поступает в коллекторы 7 (трубки 13 на фиг.2 и фиг.3), и через отверстия 8 направляется в предкамеру 6, соответствующим образом распределяясь в закрученном потоке воздуха. При течении потока в предкамере 6 происходит интенсивное смешение топлива с воздухом благодаря высокой турбулентности и вторичным течениям закрученного потока воздуха. После выхода из предкамеры 6 топливовоздушная смесь, имеющая высокую равномерность поля концентраций топлива, сгорает в огневом пространстве камеры сгорания с низкой эмиссией вредных веществ.

Изменение гидравлического сопротивления воздушного тракта горелки за счет изменения ее проходного сечения (изменения высоты тангенциальных щелей 4), для перераспределения воздуха между трактами камеры сгорания и поддержания необходимой концентрации смеси в горелке на всех режимах работы газотурбинной установки, осуществляется следующим образом. Для уменьшения проходного сечения горелки подвижную 2 стенку (см. фиг.1) полого конуса поворачивают против часовой стрелки относительно неподвижной 3 стенки на определенный угол так, чтобы высота Н тангенциальных щелей 4 уменьшилась до заданной величины.

В варианте горелки, изображенном на фиг.2, для уменьшения проходного сечения горелки поворотное кольцо 14 поворачивают на определенный угол по часовой стрелке. При этом шпонки 16 перемещаются в направляющих прорезях 15 в направлении оси горелки, а лопатки 12 поворачиваются на некоторый угол против часовой стрелки относительно осей трубок 13 так, чтобы высота Н тангенциальных щелей 4 уменьшилась до заданной величины.

Возможность реализации заявляемой горелки не вызывает сомнений, поскольку для этого используются широко распространенные элементы и устройства, например, такие как трубы, цилиндрические и конические воздухонаправляющие обечайки, плоские и изогнутые лопатки, топливораздающие коллекторы и т.п.

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению, может быть использовано в газотурбинных установках и позволяет улучшить экологические характеристики и повысить надежность работы газотурбинной установки. Указанный технический результат достигается в горелке,содержащей наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство в виде коллекторов с отверстиями для подачи топлива в предкамеру, тем,что согласно изобретению, завихритель воздуха выполнен в виде полого конуса, а воздухонаправляющие каналы выполнены в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, при этом топливораздающее устройство выполнено в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, а отверстия для подачи топлива в предкамеру распределены по длине коллекторов. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Горелка, содержащая наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство в виде коллекторов с отверстиями для подачи топлива в предкамеру, отличающаяся тем, что завихритель воздуха выполнен в виде полого конуса, а воздухонаправляющие каналы выполнены в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, при этом топливораздающее устройство выполнено в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, а отверстия для подачи топлива в предкамеру распределены по длине коллекторов.2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что коллекторы выполнены в виде трубок круглого сечения.3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что полый конус завихрителя выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток, между которыми имеются одинаковые тангенциальные щели.4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что лопатки выполнены поворотными так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток так, чтобы все тангенциальные щели оставались одинаковыми.5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что полый конус завихрителя выполнен двустенным с подвижной и неподвижной стенками так, что при вращении подвижной стенки вокруг оси конуса изменяется высота тангенциальных щелей.6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что на выходе наружной осесимметричной обечайки установлен конический пережим, а конец втулки завихрителя выступает за пределы этого пережима.