СПОСОБ СЖИГАНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННОЙ "БЕДНОЙ" ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ДВУХКОНТУРНОЙ МАЛОЭМИССИОННОЙ ГОРЕЛКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИФФУЗИОННОГО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО ФАКЕЛА Российский патент 2015 года по МПК F23D14/62 F23D14/78 

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС), в частности к созданию малоэмиссионных камер сгорания (МКС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) на базе малоэмиссионных горелок (МГ) с предварительной подготовкой и сжиганием «бедных» смесей жидких или газообразных топлив и воздуха.

Известно [1] (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. 566 с.), что процесс горения ТВС стехиометрического состава происходит при максимальной температуре с образованием максимальных концентраций оксидов азота [NO_x]. Для уменьшения эмиссии NO_x стремятся уменьшить температуру процесса за счет сжигания «бедных» ТВС. Однако при этом ухудшается устойчивость сгорания «бедной» смеси и обычно сопровождается пульсациями давления. Поэтому при сжигании «бедных» ТВС на первое место выдвигается проблема устойчивости их горения. Если «бедная» ТВС остается еще реакционноспособной, но движется с большой скоростью, превышающей скорость распространения пламени, то цель стабилизации пламени состоит в том, чтобы за пределами высокоскоростного газового потока создать область со скоростью, меньшей, чем скорость распространения пламени в этой смеси.

Среди устройств, применяемых для стабилизации пламени в потоке реакционноспособной ТВС при разработке МГ, плохообтекаемые тела и лопаточные завихрители, несомненно, получили преимущественное распространение и поэтому их характеристики наиболее исследованы [1], [2] (Б.В. Раушенбах, С.А. Белых, И.В. Беспалов и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1964. 526 с.) и [3] (Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982. 200 с.). Причем лопаточные завихрители могут выполнять различные роли: обеспечивать предварительную подготовку ТВС, препятствовать проскоку пламени в зону смешения и создавать циркуляционную зону с возвратным течением, где происходит устойчивое горение этой смеси.

Так как плохообтекаемые тела, изготовленные из тугоплавких металлов, при горении стехиометрической ТВС находятся в зоне очень высоких температур, превышающих температуру их плавления, то для обеспечения работоспособности и ресурса работы они требуют охлаждения.

Проблемы обеспечения устойчивости горения «бедной» ТВС, а также работоспособности и ресурса работы плохообтекаемых тел при создании МГ должны решаться одновременно. Однако в известных способах, реализованных при создании МГ, эти проблемы решаются либо частично, либо не достаточно эффективно. Многообразие форм и размеров плохообтекаемых тел и способов подачи пилотного топлива с целью организации устойчивого горения «бедной» ТВС и обеспечения ресурса работы плохообтекаемых тел порождают многообразие технических решений их реализации, не всегда достаточно эффективных.

Попытки значительно уменьшить эмиссию окислов азота привели к использованию очень «бедных» ТВС, которые не способны гореть из-за низких концентраций топлива в смеси. Цель стабилизации пламени в данном случае состоит не только в том, чтобы создать область со скоростью, меньшей, чем скорость распространения пламени, но и изменить в этой области состав «бедной» ТВС так, чтобы повысить в ней концентрацию топлива до реакционноспособного состава путем подачи в область стабилизации некоторого количества пилотного топлива. Иными словами, создать «дежурный» факел устойчивого сжигания реакционноспособной ТВС во втором (дополнительном) контуре МГ.

При значительном «обеднении» ТВС все труднее обеспечить ее однородность из-за значительного уменьшения в ней концентрации топлива и локального способа его подачи. Поэтому значительно «обедненная» ТВС становится неоднородной. В ее чередующихся локальных зонах образуется менее «обедненная» и «переобедненная» ТВС. Сжигание такой ТВС, несмотря на то, что средняя адиабатическая температура горения снижается, сопровождается увеличениями температуры горения смеси и эмиссии окислов азота в менее «обедненных» локальных зонах, а также уменьшением температуры горения смеси и ростом неполноты сгорания топлива и эмиссии окиси углерода и углеводородов в локальных «переобедненных» зонах. Обусловленная неоднородностью температуры горения смеси неоднородность плотности среды генерирует в ней неоднородность давления. Пульсации давления, в свою очередь, приводят к колебаниям перепада давления и изменениям расхода топлива, что приводит к дополнительному росту амплитуды пульсаций давления и т.д.

Способы сжигания «бедной» ТВС, в которых для повышения устойчивости ее горения применяется «дежурный» («пилотный») факел, можно разделить на два класса:

- способы, в соответствии с которыми в зону горения «дежурного» факела подается предварительно подготовленная и реакционноспособная ТВС;

- способы, в соответствии с которыми пилотное топливо подается непосредственно в зону горения «дежурного» факела и сжигается диффузионным образом.

В МГ со сжиганием «бедной» ТВС по способу первого класса расход пилотного топлива ограничен коэффициентом избытка воздуха (α) и расходом пилотного воздуха, который зависит от режима работы двигателя. Для получения реакционноспособной ТВС α изменяется в узких пределах 0.6≤α≤1.3 в зависимости от вида топлива. Для экономии топлива обычно используется только «бедная» ветвь этого диапазона (1.0≤α≤1.3). Невозможность широкого и независимого от расхода воздуха регулирования расхода пилотного топлива отрицательно сказывается на экологических характеристиках МГ.

В МГ со сжиганием «бедной» ТВС по способу второго класса расход воздуха, вовлекаемого в зону горения «дежурного» факела, будет определяться расходом пилотного топлива.

Рассмотрим известные способы повышения надежности воспламенения, ресурса работы и устойчивости горения предварительно подготовленной «бедной» ТВС.

Известно устройство для сжигания газообразного, жидкого, а также средне- или низкокалорийного топлива [4] (Патент ER №908671, кл. 6 F23D 17/00, 1990), содержащее камеру смешения, завихритель, вход подачи воздуха в камеру смешения, первый и второй входы подачи газообразного топлива, первый и второй входы подачи жидкого топлива.

В устройстве обеспечивается недостаточно хорошее качество смешения газообразного и жидкого топлива с воздухом, что приводит к возникновению пульсаций концентраций топлива и, как следствие, к повышенному уровню эмиссии оксидов азота.

Недостатки известного устройства [4] частично устраняются в устройстве для сжигания жидкого или газообразного топлива [5], содержащего, установленные последовательно перед входом потока в камеру сгорания, устройство подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени (патент США №6880340, МПК F02C 1/00, 2005). Устойчивость горения ТВС в данном устройстве [5] достигается путем организации циркуляционной зоны за стабилизатором пламени. В потоке воздуха установлена перфорированная перегородка. Поток воздуха вначале пропускают через перфорированную перегородку, а затем подают в него топливо. Такой способ смешения компонентов позволяет:

- сократить зону горения и уменьшить тепловую нагрузку на жаровую трубу камеры сгорания, так как подготовка ТВС вынесена за пределы зоны горения и осуществляется предварительно;

- получить более однородную ТВС, чем при отсутствии перфорированной перегородки, и уменьшить неравномерность распределения топлива;

- уменьшить эмиссию окислов азота и уровень пульсаций давления.

Однако установка перфорированной перегородки значительно увеличивает гидравлическое сопротивление потока. Поэтому для сохранения расхода воздуха необходимо повысить напор, что снижает эффективность работы устройства.

Еще одним недостатком данного технического решения является то, что повышенной турбулизации подвергается только один компонент - воздух, а другой компонент - топливо - подается обычным способом.

Недостатком данного устройства является также отсутствие охлаждения теплонапряженных элементов стабилизатора и его небольшой ресурс работы.

Известны устройства для сжигания жидкого или газообразного топлива [6] (Патент РФ №2270402, МПК F23R 3/00, 2006) и [7] (Патент РФ №2324117, МПК F23R 3/42, F23D 17/00, 2006), которые содержат устройство подачи жидкого и/или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока, конический входной диффузор жаровой трубы, в котором установлен стабилизатор пламени, цилиндрическую среднюю часть жаровой трубы и сужающуюся к выходу часть жаровой трубы с критическим сечением. Гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени установлены последовательно. Завихритель потока расположен между гомогенизатором и коническим входным диффузором жаровой трубы, а стабилизатор пламени установлен в коническом диффузоре с образованием кольцеобразного канала. Причем в устройстве [7] соотношение площадей на выходе и на входе этого канала, отнесенное к относительной длине этого канала, не превышает 0,3. Угол поворота лопаток завихрителя относительно направления потока смеси в гомогенизаторе составляет не менее 30°.

Утверждается, что «улучшается смесеобразование за счет исключения из процесса перемешивания центральной низкоскоростной части потока путем размещения в ней стабилизатора пламени, увеличивается осредненная скорость потока и исключается возникновение его вращающегося ядра с малой относительной скоростью движения газов». Однако не указывается, какими средствами обеспечивается низкоскоростная часть потока на выходе из завихрителя, которая затем исключается из процесса перемешивания компонентов путем размещения в коническом входном диффузоре жаровой трубы стабилизатора пламени.

Утверждается также, что «при указанном соотношении площадей на выходе и входе конического кольцеобразного канала площадь задней торцевой поверхности стабилизатора пламени, определяющей объем зоны рециркуляции, можно выбрать практически любой, достаточной для подогрева, воспламенения и устойчивого горения «обедненной» смеси на всех режимах работы устройства, незначительно изменяя радиальные габариты камеры сгорания и конусность стабилизатора пламени». Однако не дается рекомендаций в отношении размеров площади задней торцевой поверхности стабилизатора пламени, которая обеспечивала бы достаточный подогрев, воспламенение и устойчивое горение «обедненной» смеси на всех режимах работы устройства, и какую долю она должна составлять от площади конического входного диффузора жаровой трубы, чтобы обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление стабилизатора пламени.

При движении вращающего потока смеси вдоль кольцеобразного канала возникает кориолисова сила, которая действует в направлении, обратном вращению, изменяя планируемое направление движения этого потока в канале при ее отсутствии [8] (Астрономический сайт «Галактика», 2004 г.). Поэтому не понятно, как «за счет кориолисовых сил отдельные объемы смеси перемещаются от середины потока к периферии и наоборот, достигая высокой эффективности перемешивания компонентов при малых гидравлических потерях». То есть не понятно, как может одна и та же кориолисова сила действовать не на весь поток смеси, а только на его отдельные «объемы» (правильнее сказать, отдельные частицы потока) и в различных направлениях.

Кроме того, на наш взгляд, является ошибочным утверждение о том, что «при этом достигается максимализация осредненной скорости движения потока и его турбулизации при минимальных потерях кинетической энергии на создание указанной траектории движения потока». Как известно, гидравлические потери давления и кинетическая энергия пропорциональны квадрату скорости [2] и [9] (В.Ф. Голубев. Основы теоретической механики. Физмат-лит. 2001) соответственно.

Следует обратить внимание на то, что на пусковых режимах охлаждение кромок стабилизатора обеспечивается пилотным топливом, а на режимах при выключенном пилотном топливе кромки стабилизатора будут перегреваться, снижая ресурс работы устройства.

Известен способ, реализованный в двухконтурных МГ {[10] (Патент РФ №2107869 C1, 6 F23R 3/00, 1998), [11] (Патент РФ №2143642 C1, 6 F23R 3/34, 1999), [12] (Патент РФ №2170391 C1, 7 F23R 3/14, 2001), [13] (Патент США GB №2179435 A, F23R 3/28, 1987), [14] (Патент РФ №2267710 C1, F23R 3/20, 2006), [15] (Патент РФ №2227247 С2, 7 F23C 11/00, 2004)}, в соответствии с которым пилотное топливо подается в сносящий поток воздуха в виде отдельных струй через системы отверстий, расположенные либо перед лопаточным завихрителем, как в патентах [10], [11], [14] и [15], либо после лопаточного завихрителя, как в патентах [12] и [13], и предварительно смешивается с воздухом для получения реакционно-способной ТВС до подачи ее в зону горения «дежурного» факела. Для устойчивого сгорания этой ТВС с помощью лопаточных завихрителей и плохообтекаемых тел организуется циркуляционная зона с обратными токами «бедной» ТВС.

Такой способ не допускает глубокого регулирования расхода пилотного топлива по причинам, изложенным выше. Кроме того, создает относительно большую по объему «дежурную» зону, в которой горение ТВС происходит при очень высоких температурах, поэтому не может обеспечить значительное уменьшение эмиссии NO_x. Во всех этих патентах не предусмотрено также специальное охлаждение теплонапряженных элементов МГ.

Представляет интерес способ охлаждения теплонапряженных элементов одноконтурной горелки, выполненной по патенту [16] (Патент США №5355668, 1994, F02C 7/00). В соответствии с этим способом циркуляционная зона устойчивого сгорания ТВС создается с помощью радиально-лопаточного завихрителя и полого конусного стабилизатора. Охлаждение стабилизатора обеспечивается за счет подачи на его внешнюю поверхность струй воздуха из отверстий, выполненных в другом конусе, который установлен соосно со стабилизатором на небольшом расстоянии против потока с образованием регулярной щели между конусами. Такой струйный способ охлаждения стабилизатора имеет очень высокие коэффициенты теплоотдачи при малом расходе воздуха, поэтому является эффективным. Однако его реализация усложняет конструкцию горелки.

Недостатки известных способов устраняются в способе [17] (Патент РФ №2451878, F23R 3/00, 2012), который принят авторами в качестве прототипа.

Устройство, в котором реализован данный способ [17], содержит установленные последовательно: входной лопаточный аппарат, где производится струйная подача основного газообразного топлива в сносящий поток воздуха, проницаемый элемент, аксиально-лопаточный завихритель (АЛЗ) и конический стабилизатор. Пилотное топливо подается непосредственно в зону горения «дежурного» факела и сжигается диффузионным образом.

В отличие от известного одноступенчатого способа предварительной подготовки ТВС в данном способе применяется двухступенчатый способ смешения газообразного топлива и воздуха:

- в первой ступени так же, как и в известных способах, применяется струйное смешение газообразного топлива и воздуха;

- во второй ступени, в отличие от известных способов, образовавшаяся в первой ступени ТВС дополнительно пропускается через микроканалы пористого тела проницаемого элемента. При взаимодействии турбулентных пульсаций всех параметров потока (скорости, температуры, давления и концентраций топлива), соизмеримых по амплитуде с размерами микроячеек пористого тела, со стенками ячеек происходит усреднение амплитуд («срезание» стенками ячеек локально больших амплитуд) и достигается практически полная однородность всех параметров потока.

Пилотное топливо подают в виде одиночных струй через систему дозирующих отверстий, выполненных в днище полого конуса. Однако из-за небольших размеров днища полого конуса не удается разместить необходимое количество отверстий и на режимах больших нагрузок пилотное топливо приходится подавать с большими скоростями, намного превосходящими скорость потока «бедной» ТВС, движущегося навстречу пилотному топливу. Если скорости движения пилотного топлива слишком велики, то струи топлива могут пронизать всю дополнительную циркуляционную зону без смешения с «бедной» ТВС или частично смешиваясь с ней. С другой стороны, на режимах малых нагрузок и режиме запуска камеры сгорания приходится подавать такое количество пилотного топлива, при котором в дополнительной циркуляционной зоне образуется очень «богатая» ТВС. Горение такой ТВС сопровождается образованием большого количества сажи, которая из-за холодных стенок полого конуса не может сублимировать и откладывается на его днище, препятствуя поступлению пилотного топлива в «дежурную» зону.

Охлаждение теплонапряженной кромки стабилизатора обеспечивается «бедной» ТВС, подаваемой в виде струй через систему отверстий, выполненных в стенке стабилизатора, и через коническую щель, образованную внутренней конической поверхностью стабилизатора и внешней конической поверхностью полого конуса. За пределами полого конуса охлаждающая среда движется далее как пристеночная пленка вдоль внутренней поверхности стабилизатора, хладоресурс которой расходуется почти полностью. Необходимо отметить, что одна часть этой охлаждающей «бедной» ТВС участвует в процессе смешения с пилотным топливом, а другая ее часть уносится эжектирующим потоком в основную циркуляционную зону. Пленочное охлаждение теплонапряженных элементов хорошо зарекомендовало себя в камерах сгорания ГТД и ГТУ. Однако подача охлаждающей «бедной» ТВС в дополнительную циркуляционную зону, кроме пилотного топлива, снижает степень разрежения за стабилизатором, интенсивность дополнительной вихревой зоны и уменьшает количество вовлекаемой в эту зону «бедной» ТВС в виде возвратного потока для смешения с пилотным топливом. Что отрицательно сказывается на устойчивости «дежурного» факела.

Задачами данного изобретения являются:

- увеличение эффективности сжигания пилотного топлива;

- повышение устойчивости горения «бедной» ТВС с концентрацией топлива в ней ниже «бедного» концентрационного предела;

- снижение эмиссии окислов азота;

- повышение надежности и ресурса работы МГ.

Выполнение поставленных задач обеспечивается с помощью следующих технических решений.

Способ сжигания предварительно подготовленной «бедной» топливовоздушной смеси в малоэмиссионной горелке, включающей открытую с обоих концов кольцевую внешнюю втулку, проницаемый элемент с заданными значениями пористости и дисперсности, выполненный из металла, аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа, расположенный за проницаемым элементом, и центральное тело, выполненное в виде центральной втулки, которая на выходе из малоэмиссионной горелки завершается полым коническим стабилизатором, центральное тело имеет такую длину, при которой полый конический стабилизатор располагается за аксиально-лопаточным завихрителем, центральное тело имеет сквозное осевое отверстие и разделяет малоэмиссионную горелку на два соосных контура: внешний и внутренний, причем внешний контур охватывает внутренний контур, внешний контур образует проточную часть малоэмиссионной горелки, каждая втулка (внешняя и центральная) содержит кольцевой топливный ресивер, каждый из которых расположен вблизи входа в горелку, внешняя втулка содержит, кроме того, подводящий топливный патрубок, полый конический стабилизатор представляет собой круговой усеченный конус, мнимая вершина которого направлена против потока, со стороны входа в горелку стабилизатор закрыт днищем, в котором выполнено сквозное осевое отверстие, а со стороны выхода из горелки стабилизатор открыт, топливо разделяют на основное и пилотное, в качестве основного и пилотного топлив используют преимущественно газообразное топливо, в потоке воздуха перед проницаемым элементом между внешней и центральной втулками расположена полая кольцевая обечайка, соединенная с ними с помощью полых радиальных лопаток, количество лопаток, соединяющих обечайку с центральной втулкой, ограничено возможностью их размещения на центральной втулке, количество лопаток, соединяющих обечайку с внешней втулкой, может быть больше, чем количество таких лопаток, соединяющих обечайку с центральной втулкой, профиль обечайки и профили радиальных лопаток в соответствующих перпендикулярных сечениях выполнены в форме аэродинамически совершенного симметричного профиля, обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную, причем отношение расходов воздуха, идущих через периферийную и центральную проточную части внешнего контура, примерно равно отношению их периметров, внутренняя полость обечайки, внутренние полости радиальных лопаток и внутренние полости центрального и внешнего топливных ресиверов образуют единую топливную полость, все элементы которой имеют дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива, диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяют пропорционально изменению глубины канала, в котором движется воздух, если значение отношения глубины канала к диаметру этого отверстия меньше 20, в противном случае диаметр отверстий для подачи основного топлива сохраняют одним и тем же независимо от изменения глубины канала, относительный шаг между отверстиями перфорации для подачи основного топлива выполнен не меньше 2.5-3.0, за полым коническим стабилизатором установлен соосно с ним и на некотором осевом расстоянии от него по потоку полый усеченный конус с мнимой вершиной, направленной против потока, так, что между внутренней поверхностью стабилизатора и внешней поверхностью полого конуса образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель, передний конец полого конуса закрыт днищем, а его задний конец открыт, причем основание полого конуса смещено в осевом направлении против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние, соответствующее 15-20 калибрам минимальной кольцевой щели, так, что часть внутренней конической поверхности стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми, полый конический стабилизатор со стороны входа в горелку имеет днище, в котором выполнено сквозное отверстие, а со стороны выхода из горелки он открыт, в соответствии с которым весь воздух подают только во внешний контур под давлением, основное топливо и воздух предварительно смешивают путем подачи топлива в сносящий поток воздуха под избыточным давлением через подводящий топливный патрубок и отверстия дозирующей перфорации топливных коллекторов, обечайки и радиальных лопаток с целью сокращения пути смешения и повышения однородности смеси, причем струи основного топлива подают под спутными углами 30°-60° к сносящему воздушному потоку, далее поток образовавшейся «бедной» топливовоздушной смеси пропускают через проницаемый элемент, где происходит основное смешение компонентов с образованием однородной топливовоздушной смеси, максимальную действительную скорость движения «бедной» топливовоздушной смеси на входе в проницаемый элемент поддерживают не больше (40-60) м/с за счет соответствующего выбора размера площади поверхности проницаемого элемента, затем поток ускоряют и закручивают с целью образования основной циркуляционной зоны за малоэмиссионной горелкой путем пропускания потока «бедной» смеси через аксиально-лопаточный завихритель, за стабилизатором, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона, путем подачи потока «бедной» топливовоздушной смеси на этот стабилизатор, пилотное топливо подают в дополнительную циркуляционную зону по осевому отверстию центрального тела, расход пилотного топлива регулируют на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива, при этом относительный расход пилотного топлива регулируют на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива из условия получения минимальной концентрации оксидов азота при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне.

Предпочтительно, что относительный расход пилотного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного топлива к сумме расходов пилотного и основного топлива, уменьшают с увеличением температуры воздуха и температуры «бедной» топливовоздушной смеси при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне.

Предпочтительно, что кольцевую щель соединяют со сквозным осевым отверстием центрального тела, например, с помощью дозирующих радиальных отверстий, выполненных равномерно по окружности в цилиндрической части полого конуса, пилотное топливо вначале пропускают через дозирующие радиальные отверстия, далее его подают по кольцевой щели, пропускают через выпускные отверстия, образованные, например, пазами, выполненными в основании полого конуса, и внутренней поверхностью конического стабилизатора, а затем подают в виде пристеночной струи вдоль открытой внутренней конической поверхности стабилизатора под избыточным давлением в дополнительную циркуляционную зону, где происходит диффузионное смешение этого топлива с находящейся в ней «бедной» топливовоздушной смесью.

Предпочтительно, что суммарную площадь выпускных отверстий для подачи пилотного топлива выбирают такой, что при заданном расходе пилотного топлива его максимальная скорость на выходе из этих отверстий не превышает (5-10) м/с.

Предпочтительно, что используют конический стабилизатор с углом при вершине, близким к 30°.

Способ поясняется следующими фигурами.

Фиг.1. Изображение продольного разреза МГ по сечению А-А, указанному на изображении фиг.2.

Фиг.2. Изображение вида спереди на МГ по стрелке А, указанной на изображении продольного разреза МГ (фиг.1).

Фиг.3. Изображение вида по стрелке Б, указанной на изображении продольного разреза МГ (фиг.1), на выпускные отверстия (пазы 20), выполненные в основании полого конуса 16.

Фиг.4. Изображение дозирующих радиальных отверстий 17 полого конуса 16 в сечении Д-Д, указанном на продольном разрезе МГ (фиг.1).

Фиг.5. Изображение симметричного профиля полой радиальной лопатки в сечениях Б-Б и С-С, указанных на изображении продольного разреза МГ (фиг.1).

Фиг.6. Изображение развертки АЛЗ турбинного типа 13 в сечении В-В, указанном на продольном разрезе МГ (фиг.1).

Фиг.7. Изображение симметричного профиля полой обечайки в сечении Г-Г, указанном на изображении вида спереди на МГ (фиг.2).

Приведем обоснования технических решений, представленных выше.

1. Для устойчивого горения «дежурного» факела в дополнительной циркуляционной зоне состав реакционноспособной ТВС должен быть близким к стехиометрическому составу, но для экономии пилотного топлива должен соответствовать «бедной» ветви ТВС. Горение такой ТВС происходит при очень высоких температурах и сопровождается максимальной эмиссией оксидов азота. Поэтому для уменьшения эмиссии NO_x необходимо стремиться к уменьшению размеров дополнительной циркуляционной зоны. При диффузионном сжигании пилотного топлива, как в двухконтурных МГ согласно предлагаемому способу, размер «дежурного» факела дополнительной циркуляционной зоны практически полностью определяется расходом пилотного топлива, содержащегося в образовавшемся слое смешения с такими составами ТВС, которые ограничены нижним и верхним пределами распространения пламени.

2. Следует подчеркнуть, что при переходе на номинальный режим работы камеры сгорания, из-за соответствующего увеличения температуры воздуха и температуры «бедной» ТВС, границы устойчивого горения этой ТВС расширяются из-за соответствующего увеличения нормальной скорости распространения пламени. Поэтому диапазон регулирования относительного расхода пилотного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного топлива к сумме расходов пилотного и основного топлив, на номинальных режимах работы камеры сгорания расширяется при сохранении устойчивости горения в «дежурном» факеле. Эту благоприятную тенденцию в расширении устойчивости горения ТВС при работе камеры сгорания на номинальном режиме необходимо использовать для максимального уменьшения относительного расхода пилотного топлива и эмиссии NO_x.

3. В прототипе охлаждение полого конуса и конического стабилизатора горелки обеспечивается «бедной» ТВС путем пропускания ее вначале по конической щели, образованной коническим стабилизатором и полым конусом, а затем вдоль внутренней поверхности конического стабилизатора в виде пристеночной струи. Движение этой смеси вдоль внешней поверхности полого конуса, разогретой тепловыми потоками от дополнительной циркуляционной зоны горения до ~ (700-800)°С, неизбежно приведет к интенсификации реакций окисления углеводородных компонентов смеси с выделением сажи и отложением ее на внешней поверхности полого конуса, что отрицательно скажется на пропускной способности щели и, в итоге, на эффективности охлаждения полого конуса и конического стабилизатора. В качестве охладителя вместо «бедной» ТВС в предложенном способе используется газообразное углеводородное пилотное топливо путем его пропускания вначале через дозирующие радиальные отверстия, выполненные в цилиндрической части полого конуса, далее по упомянутой выше кольцевой щели, через выпускные отверстия, образованные, например, пазами, выполненными в основании полого конуса, и внутренней поверхностью конического стабилизатора, и вдоль внутренней поверхности конического стабилизатора за пределами полого конуса, а затем подают пилотное топливо в дополнительную циркуляционную зону с целью получения реакционноспособной смеси при его смешении с «бедной» ТВС. Хороши известно, что термическое разложение метана и других газообразных углеводородных топлив на сажу и водород начинается при ~ 1125°С [18] (Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин и др. - М.: Химия, 1989. 672 с.). Поэтому между реальной температурой полого конуса (700-800°С) и температурой термического разложения метана и других газообразных углеводородных топлив (~ 1125°С) имеется значительный запас, гарантирующий отсутствие образования сажи и ее отложений на внешней поверхности полого конуса.

4. Если скорости истечения пилотного топлива в зону обратных токов в области за стабилизатором, особенно на номинальных режимах работы камеры сгорания, где расходы пилотного топлива максимальные, значительно превышают скорость встречного потока «бедной» ТВС, то процесс диффузионного смешения компонентов с целью получения реакционноспособной ТВС ухудшается и диапазон устойчивого горения образовавшейся ТВС сужается. Для увеличения эффективности процесса диффузионного смешения компонентов и расширения диапазона устойчивого горения ТВС в дополнительной циркуляционной зоне необходимо задать скорость истечения пилотного топлива в зону горения «дежурного» факела путем выбора суммарной площади дозирующих выпускных отверстий.

Результаты экспериментальных исследований устойчивости горения ТВС в МГ показывают, что при истечении пилотного топлива со скоростью, которая не превышает (5-10) м/с, устойчивость горения ТВС в дополнительной циркуляционной зоне МГ оказывается максимальной.

При выборе скорости истечения пилотного топлива в зону горения учитывался также тот факт, что скорости потока, превышающие (5-10) м/с, ухудшают предел срыва пламени.

5. Чем больше отклоняется вектор скорости потока, обтекающего конический стабилизатор, от осевого направления, тем больше ширина закромочного следа, разрежение в закромочной области, размеры зоны обратных токов с большим временем пребывания в них ТВС и устойчивость горения ТВС. Одновременно с этим растет сопротивление стабилизатора потоку. Из экспериментальных данных, полученных в работах [1] и [2], следует, что оптимальным углом при вершине конического стабилизатора, обеспечивающим достаточное разрежение в его закромочной области для устойчивого горения ТВС и допустимое сопротивление потоку, является угол, близкий к 30°.

Изображения МГ, в которой реализуется предложенный способ сжигания предварительно подготовленной «бедной» ТВС, приведены на рисунках (фиг.1 - фиг.7).

МГ, изображение продольного разреза которой приведено на фиг.1, содержит подводящий топливный патрубок 21, открытую с обоих концов внешнюю втулку 11 (не обязательно цилиндрическую), включающую внешний топливный ресивер 2, выполненный вблизи входа в МГ, и дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1, центральное тело, включающее полый конический стабилизатор 15 и центральную втулку 12, установленную соосно с внешней втулкой и включающую центральный топливный ресивер 3, выполненный вблизи входа в МГ, и дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1, проницаемый элемент (ПЭ) 10, установленный за входным лопаточным аппаратом между внешней и центральной втулками соосно с ними, АЛЗ 13, установленный за ПЭ между внешней и центральной втулками соосно с ними, полые радиальные лопатки 14, соединяющие внешнюю втулку 11 и полую кольцевую обечайку 22, полые радиальные лопатки 23, соединяющие центральную втулку 12 и полую кольцевую обечайку 22, а также соединяющие между собой полости кольцевой обечайки 22 и ресиверов 2 и 3 внешней и центральной втулок соответственно, образуя единую топливную полость.

Кольцевое пространство между внешней втулкой 11 и центральным телом, в котором выполнено сквозное отверстие 24, образует проточную часть МГ. Центральная втулка 12 центрального тела выбрана такой длины, что полый конический стабилизатор 15 располагается за АЛЗ соосно с ним.

Полый конический стабилизатор 15 представляет собой круговой усеченный конус, мнимая вершина которого направлена против потока. Спереди, т.е. со стороны входа в МГ, он имеет днище, в котором выполнено сквозное отверстие 24, а сзади, т.е. со стороны выхода из МГ, он открыт.

Внутри полого конического стабилизатора 15 установлен соосно с ним еще один полый конус 16 на некотором осевом расстоянии от конического стабилизатора так, что между внутренней поверхностью полого конического стабилизатора и внешней поверхностью полого конуса образуется кольцевая коническая щель 19. Полый конус 16 представляет собой круговой усеченный конус, мнимая вершина которого направлена против потока. Основание полого конуса 16 смещено против потока относительно основания полого конического стабилизатора на расстояние L так, что часть внутренней поверхности конического стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми. Расстояние L соответствует расстоянию, которое не превышает 15-20 калибров ширины щели 19, измеренной в перпендикулярном к оси сечении, проходящем через основание полого конуса 16. В цилиндрической части полого конуса 16 выполнены равномерно по окружности дозирующие радиальные отверстия 17, соединяющие центральное отверстие 24 с конической кольцевой щелью 19. В основании полого конуса выполнены пазы, которые в месте с внутренней поверхностью конического стабилизатора образуют выпускные отверстия 20.

На изображении вида на МГ (фиг.2) по стрелке A, указанной на изображении продольного разреза МГ (фиг.1), показан пример расположения радиальных лопаток 14, соединяющих обечайку 22 с внешней втулкой 11, и радиальных лопаток 23, соединяющих обечайку 22 с центральной втулкой 12, а также пример выполнения дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1 в обечайке 22, радиальных лопатках 14 и 23 и во втулках 11 и 12 соответственно. Обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную части. Причем она делит расход воздуха между периферийной и центральной проточными частями пропорционально периметру, занимаемому этими проточными частями. По существу это означает, что количество отверстий перфорации пропорционально расходу воздуха. На местном разрезе (фиг.2) дополнительно к изображению продольного разреза МГ (фиг.1) показано, что полость обечайки 22, полости радиальных лопаток 14 и 23 и полости топливных ресиверов (внешнего 2 и центрального 3) образуют единую топливную полость.

На фиг.3 приведено изображение, полученное по стрелке Б на полый конус 16, где показан пример выполнения пазов в основании полого конуса, образующих вместе с внутренней поверхностью стабилизатора выпускные отверстия.

Пример выполнения дозирующих радиальных отверстий 17 в полом конусе 16 приведено на изображении фиг.4.

На фиг.5 показано изображение симметричного профиля полых радиальных лопаток 14 и 23 в сечениях Б-Б и С-С, указанных на изображении продольного разреза МГ (фиг.1). Симметричный профиль выполнен в относительных размерах. Там же (на фиг.5) показаны отверстия дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1, выполненные под острым углом α к подстилающей поверхности. Угол α находится в диапазоне 30°≤α≤60°.

На фиг.6 показано изображение развертки АЛЗ турбинного типа 13 в сечении В-В, которое указано на изображении продольного разреза МГ (фиг.1).

Изображение симметричного профиля полой обечайки 22 в сечении Г-Г, указанном на изображении вида спереди на МГ (фиг.2), приведено на фиг.7. Там же (на фиг.7) показаны отверстия дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1, выполненные под острым углом α к подстилающей поверхности. Угол α находится в диапазоне 30°≤α≤60°.

В данном примере выполнения МГ взято минимальное количество полых радиальных лопаток. МГ может содержать больше полых радиальных лопаток. Причем количество полых радиальных лопаток 23 ограничено возможностью их размещения на центральной втулке 12. Количество полых радиальных лопаток 14, расположенных в периферийной проточной части внешнего контура МГ, может быть больше, чем количество лопаток 23, расположенных в центральной проточной части внешнего контура МГ.

Реализация предложенного способа в МГ различных вариантов (фиг.1 - фиг.7) осуществляется следующим образом.

Воздух под давлением поступает во внешний контур МГ. Основное топливо 1 по подводящему патрубку 21 поступает вначале во внешний топливный ресивер 2, далее по полым радиальным лопаткам 14 подается в кольцевую обечайку 22, а по полым радиальным лопаткам 23 - в центральный топливный ресивер 3 (см. фиг.1). Основное топливо 1 поступает в сносящий поток воздуха под избыточным давлением в виде струй через дозирующую перфорацию 4, выполненную во внешней и центральной втулках 11 и 12 соответственно, в кольцевой обечайке 22 и в лопатках 14 и 23, под спутными углами к сносящему потоку воздуха 6. В результате струйного смешения основного топлива 1 с воздухом 6 в первой ступени МГ образуется «бедная» ТВС 5, не обладающая достаточной концентрационной однородностью. Поэтому основное топливо и воздух дополнительно смешивают во второй ступени путем пропускания «бедной» ТВС 5 через ПЭ 10, где происходит образование качественной (однородной) «бедной» ТВС.

Затем формируют основную циркуляционную зону 8 путем пропускания «бедной» ТВС 5 через АЛЗ турбинного типа 13 и дополнительную циркуляционную зону 9 существенно меньших размеров путем подачи «бедной» ТВС 5 на конический стабилизатор 15 так же, как за плохообтекаемым телом.

Пилотное топливо 7 подают по осевому отверстию 24 центральной втулки 12, далее его подают через дозирующие радиальные отверстия 17, выполненные равномерно по окружности в цилиндрической части полого конуса 16, по конической кольцевой щели 19 и через выпускные отверстия 20, а затем подают под избыточным давлением в виде пристеночной струи 18 вдоль внутренней поверхности конического стабилизатора 15, защищая его от воздействия конвективного потока продуктов сгорания и лучистых потоков «дежурного» факела, в дополнительную циркуляционную зону 9, где оно смешивается с «бедной» ТВС 5.

Пилотное топливо 7 регулируют независимо от основного топлива 1 из условия достижения минимальной эмиссии NO_x при сохранении устойчивого горения ТВС в «дежурном» факеле дополнительной циркуляционной зоны 9. Причем при увеличении температуры воздуха и температуры «бедной» ТВС относительный расход пилотного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного топлива к сумме расходов пилотного и основного топлива, уменьшают, сохраняя устойчивость горения реакционноспособной ТВС в дополнительной циркуляционной зоне 9. Заметим, что при сжатии воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя одновременно растет и температура воздуха.

Воспламенение ТВС, находящейся в дополнительной циркуляционной зоне 9, осуществляют от внешнего источника.

Можно отметить следующие преимущества предложенного способа, реализованного в МГ различных вариантов (фиг.1 - фиг.7), по сравнению со способом прототипа на основании приведенных выше технических решений:

- увеличение эффективности и полноты сжигания основного и пилотного топлива;

- повышение устойчивости горения «бедной» ТВС с концентрацией топлива в ней ниже «бедного» концентрационного предела;

- снижение эмиссии оксидов азота;

- повышение надежности и ресурса работы МГ.

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы смешения различных жидкостей и газов, в том числе процессы смесеобразования различных топлив с воздухом и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси. Сущность изобретения заключается: в регулировании расхода пилотного топлива независимо от расхода основного топлива из условия минимальной эмиссии оксидов азота с учетом температуры воздуха и температуры «бедной» ТВС; в ограничении скорости подачи пилотного топлива в дополнительную циркуляционную зону МГ не более (5-10) м/с за счет выбора суммарной площади дозирующих выпускных отверстий и последующего диффузионного сжигания пилотного топлива в «дежурном» факеле дополнительной циркуляционной зоны; в использовании пилотного топлива для охлаждения теплонапряженного полого конуса и выходного торца полого конического стабилизатора; в применении в качестве плохообтекаемого тела полого конического стабилизатора с углом при вершине 30°. Изобретение позволяют увеличить диапазон устойчивого горения «бедной» ТВС, надежность и ресурс работы МГ, уменьшить сопротивление конического стабилизатора и эмиссию оксидов азота, подтверждая преимущества заявленного способа по сравнению со способом прототипа. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ сжигания предварительно подготовленной «бедной» топливовоздушной смеси в малоэмиссионной горелке, включающей открытую с обоих концов кольцевую внешнюю втулку, проницаемый элемент с заданными значениями пористости и дисперсности, выполненный из металла, аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа, расположенный за проницаемым элементом, и центральное тело, выполненное в виде центральной втулки, которая на выходе из малоэмиссионной горелки завершается полым коническим стабилизатором, центральное тело имеет такую длину, при которой полый конический стабилизатор располагается за аксиально-лопаточным завихрителем, центральное тело имеет сквозное осевое отверстие и разделяет малоэмиссионную горелку на два соосных контура: внешний и внутренний, причем внешний контур охватывает внутренний контур, внешний контур образует проточную часть малоэмиссионной горелки, каждая втулка (внешняя и центральная) содержит кольцевой топливный ресивер, каждый из которых расположен вблизи входа в горелку, внешняя втулка содержит, кроме того, подводящий топливный патрубок, полый конический стабилизатор представляет собой круговой усеченный конус, мнимая вершина которого направлена против потока, со стороны входа в горелку стабилизатор закрыт днищем, в котором выполнено сквозное осевое отверстие, а со стороны выхода из горелки стабилизатор открыт, топливо разделяют на основное и пилотное, в качестве основного и пилотного топлив используют преимущественно газообразное топливо, в потоке воздуха перед проницаемым элементом между внешней и центральной втулками расположена полая кольцевая обечайка, соединенная с ними с помощью полых радиальных лопаток, количество лопаток, соединяющих обечайку с центральной втулкой, ограничено возможностью их размещения на центральной втулке, количество лопаток, соединяющих обечайку с внешней втулкой, может быть больше, чем количество таких лопаток, соединяющих обечайку с центральной втулкой, профиль обечайки и профили радиальных лопаток в соответствующих перпендикулярных сечениях выполнены в форме аэродинамически совершенного симметричного профиля, обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную, причем отношение расходов воздуха, идущих через периферийную и центральную проточную части внешнего контура, примерно равно отношению их периметров, внутренняя полость обечайки, внутренние полости радиальных лопаток и внутренние полости центрального и внешнего топливных ресиверов образуют единую топливную полость, все элементы которой имеют дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива, диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяют пропорционально изменению глубины канала, в котором движется воздух, если значение отношения глубины канала к диаметру этого отверстия меньше 20, в противном случае диаметр отверстий для подачи основного топлива сохраняют одним и тем же независимо от изменения глубины канала, относительный шаг между отверстиями перфорации для подачи основного топлива выполнен не меньше 2.5-3.0, за полым коническим стабилизатором установлен соосно с ним и на некотором осевом расстоянии от него по потоку полый усеченный конус с мнимой вершиной, направленной против потока, так, что между внутренней поверхностью стабилизатора и внешней поверхностью полого конуса образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель, передний конец полого конуса закрыт днищем, а его задний конец открыт, причем основание полого конуса смещено в осевом направлении против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние, соответствующее 15-20 калибрам минимальной кольцевой щели, так, что часть внутренней конической поверхности стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми, полый конический стабилизатор со стороны входа в горелку имеет днище, в котором выполнено сквозное отверстие, а со стороны выхода из горелки он открыт, в соответствии с которым весь воздух подают только во внешний контур под давлением, основное топливо и воздух предварительно смешивают путем подачи топлива в сносящий поток воздуха под избыточным давлением через подводящий топливный патрубок и отверстия дозирующей перфорации топливных коллекторов, обечайки и радиальных лопаток с целью сокращения пути смешения и повышения однородности смеси, причем струи основного топлива подают под спутными углами 30°-60° к сносящему воздушному потоку, далее поток образовавшейся «бедной» топливовоздушной смеси пропускают через проницаемый элемент, где происходит основное смешение компонентов с образованием однородной топливовоздушной смеси, максимальную действительную скорость движения «бедной» топливовоздушной смеси на входе в проницаемый элемент поддерживают не больше (40-60) м/с за счет соответствующего выбора размера площади поверхности проницаемого элемента, затем поток ускоряют и закручивают с целью образования основной циркуляционной зоны за малоэмиссионной горелкой путем пропускания потока «бедной» смеси через аксиально-лопаточный завихритель, за стабилизатором, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона, путем подачи потока «бедной» топливовоздушной смеси на этот стабилизатор, пилотное топливо подают в дополнительную циркуляционную зону по осевому отверстию центрального тела, расход пилотного топлива регулируют на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива, отличающийся тем, что относительный расход пилотного топлива регулируют на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива из условия получения минимальной концентрации оксидов азота при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что относительный расход пилотного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного топлива к сумме расходов пилотного и основного топлива, уменьшают с увеличением температуры воздуха и температуры «бедной» топливовоздушной смеси при сохранении устойчивости горения топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что кольцевую щель соединяют со сквозным осевым отверстием центрального тела, например, с помощью дозирующих радиальных отверстий, выполненных равномерно по окружности в цилиндрической части полого конуса, пилотное топливо вначале пропускают через дозирующие радиальные отверстия, далее его подают по кольцевой щели, пропускают через выпускные отверстия, образованные, например, пазами, выполненными в основании полого конуса, и внутренней поверхностью конического стабилизатора, а затем подают в виде пристеночной струи вдоль открытой внутренней конической поверхности стабилизатора под избыточным давлением в дополнительную циркуляционную зону, где происходит диффузионное смешение этого топлива с находящейся в ней «бедной» топливовоздушной смесью.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что суммарную площадь выпускных отверстий для подачи пилотного топлива выбирают такой, что при заданном расходе пилотного топлива его максимальная скорость на выходе из этих отверстий не превышает (5-10) м/с.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют конический стабилизатор с углом при вершине, близким к 30°.