Двухступенчатая горелка с двухслойным вихревым противоточным течением Российский патент 2023 года по МПК F23C6/04 F23R3/34 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, в частности к вихревым горелкам.

Из уровня техники известно устройство для сжигания топлива, описанное в патенте на изобретение RU 2708011, опубл. 03.12.2019. Устройство содержит три типа устройств подачи топлива. Первый тип устройств подачи топлива выполнен в виде струйных форсунок, расположенных в завихрителе, выходные отверстия проточных каналов которых перпендикулярны к торцевой стенке завихрителя, причем выходные отверстия каналов выходят в минимальном сечении проточных каналов тангенциального соплового закручивающего аппарата. Второй тип устройств содержит не менее одной центробежной форсунки. Третий тип устройств выполнен в виде патрубка, установленного в аксиальном отверстии на торцевой стенке жаровой трубы. Второй и третий типы устройств подачи топлива размещены в противоположном от завихрителя конце жаровой трубы. Изобретение обеспечивает повышение надежности запуска и устойчивую работу на жидком, газообразном и забалластированном как негорючими компонентами, так и водой топливе, а также топливе, включающем измельченные твердые горючие компоненты и их смеси с водой.

Указанное устройство для сжигания топлива является наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и было использовано в качестве прототипа.

Его недостатком является недостаточная эффективность сжигания топлива, обусловленная возникновением существенной окружной неравномерностью распределения подвода воздуха между тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и передней стенкой, и не обеспечивается эффективное дожигание топлива в широком диапазоне режимов эксплуатации, а именно, на частичных нагрузках или режимы вблизи бедного срыва в такой конструкции возможен недопустимый рост выбросов окислов СО. Также применение конструкции трубчатой камеры сгорания в прототипе может быть ограничено, в частности, из-за невозможности применения в газотурбинных установках, в которых воздух должен подаваться равномерно вдоль жаровой трубы, а для соединения с сопловым аппаратом установки требуется установка дополнительного переходного патрубка специальной конфигурации.

Технический результат заявленного изобретения заключается в улучшенном формировании зоны горения и эффективном дожигании топлива в широком диапазоне режимов эксплуатации за счет использования профилированного торца в жаровой трубе и наличия двух зон горения, а также равномерного подвода воздуха в канал между корпусом и жаровой трубой. При этом возможно использование второй секции жаровой трубы в качестве переходного патрубка для соединения с газотурбинной установкой.

Указанный результат достигается тем, что предлагается двухступенчатая горелка с двухслойным вихревым противоточным течением, содержащая корпус горелки и коаксиально установленные в него жаровую трубу, содержащую запальное устройство, и выходное сопло, между корпусом горелки и жаровой трубой имеется воздушный канал с размещенным в нем первым завихрителем, при этом жаровая труба выполнена в виде двух секций, соединенных между собой и между которыми расположено выходное сопло, передняя стенка первой секции имеет тороидальную форму, образующую входное сопло внутри секции, которое соединено с воздушным каналом, во входном сопле расположено первое устройство подачи топлива, внутри каждой секции у выходного сопла расположены второй и третий завихрители, соединенные с воздушным каналом, и второе и третье устройства подачи топлива соответственно.

Торообразная форма передней стенки горелки позволяет уменьшить сопротивление потоку воздуха, проходящему по воздушному каналу во входное сопло, и способствует созданию закрученного приосевого потока и зоны стабилизации горения внутри жаровой трубы. В одном из вариантов исполнения изобретения, расположение первого завихрителя может быть совмещено с входным соплом.

Выполнение жаровой трубы двухсекционной позволяет эффективному дожиганию продуктов горения из первой секции во второй во всем диапазоне режимов эксплуатации за счет создания в каждой секции раздельного вихревого потока течения топливо воздушной смеси и продуктов сгорания: противоточного (в первой секции) и прямоточного (во второй секции). Также такое выполнение трубы позволяет значительно расширить диапазон устойчивой работы камеры сгорания с низкими эмиссионными характеристиками выбросов.

Для возможности использования предложенной горелки в газотурбинных установках, концевая часть второй секции жаровой трубы со стороны выхода продуктов сгорания имеет трапециевидную форму для возможности соединения с сопловым аппаратом турбины газотурбинной установкой

Заявленное изобретение поясняется фигурой, на которой представлена схема конструкции предложенной двухступенчатой горелки.

Горелка двухступенчатая с двухслойным вихревым противоточным течением содержит корпус и жаровую трубу, содержащую запальное устройство и выполненную из двух секций (см. фиг.). Между корпусом и жаровой трубой выполнен воздушный канал, по которому обеспечивается поступление воздушной смеси в жаровую трубу. В этом канале располагается первый завихритель 1, который обеспечивает создание приосевого вихря в жаровой трубе, проходящего по всей ее длине.

Первая секция и вторая секция жаровой трубы соединены между собой и разделены перегородочной стеной, имеющей отверстие, в котором расположено выходное сопло жаровой трубы. Выходное сопло представляет собой цилиндрическое кольцо диаметром Д2 с продольной длиной, превышающей толщину перегородки. Жаровая труба и выходное сопло располагаются коаксиально относительно друг друга. Предпочтительно, основная часть жаровой трубы имеет цилиндрическую форму.

Передняя стенка первой секции имеет тороидальную форму (или W-образный профиль). При этом форма выполнена таким образом, что выступающая внутрь первой секции часть представляет собой входное окно, которое связано с воздушным каналом, который практически повторяет форму передней стенки первой секции и выходит во входное окно. Указанное окно является входным соплом диаметром Д1, через которое поступает воздушный поток для приосевого вихря. Предпочтительно, чтобы первый завихритель располагался или вблизи входного сопла или непосредственно в самом входном сопле. Во входном сопле располагается также первое устройство подачи топлива.

Тороидальная форма передней стенки и соответственно воздушного канала в этой области, способствует плавному развороту движения потока воздуха в обратном направлении и созданию приосевого потока в жаровой трубе. Наличие завихрителя в канале делает такой поток закрученным и эффективным для перемешивания с топливом из первого устройства подачи топлива.

На внутренних поверхностях первой и второй секциях установлены второй завихритель 2 и третий завихритель 3 соответственно, которые соединены с воздушным каналом. Данные завихрители располагаются у перегородочной стены и создают периферийные вихри топливо-воздушных смесей в своих секциях. При этом второй завихритель 2 обеспечивает создание движение вихря в первой секции, направленное противоположно движению приосевохо вихря (создается противоточное течение). А третий завихритель 3 создает приосевой вихрь во второй секции, движущийся однонаправлено с приосевым потоком (создается прямоточное течение).

Второй завихритель 2 и третий завихритель 3 соединены соответственно со вторым и третьим устройствами подачи топлива.

Перегородочная стена между секциями позволяет разделять зоны горения, образуя зону горения 1 и зону горения 2, тем самым способствуя дожиганию остаточных газов из первой секции во второй.

Три устройства подачи топлива обеспечивают увеличение диапазона устойчивой работы заявленной горелки при изменении ее нагрузки. Так в процессе работы двухступенчатой горелки на низких уровнях мощности (менее 30% от максимальной) топливо в третье устройство подачи топлива не подается, дожигание остаточных газов первой секции осуществляется за счет притока воздуха из третьего завихрителя.

В качестве топлива могут быть применяться метан, пропан, бутан, дизельное топливо, керосин или бензин При этом также допустимо в некоторых вариантах работы горелки подачу в третье устройство подачи топлива низкокалорийного топлива, такого как сингаз или пиролизный газ.

Проведенные практические испытания показали, что предложенная конструкция горелки наиболее эффективно работает при значениях диаметра входного сопла Д1, соответствующего 0,2-0,4Д, и диаметра выходного сопла Д2, соответствующего 0,6-0,8Д, где Д - диаметр жаровой трубы.

Для применения предлагаемой двухступенчатой горелки в составе газотурбинной установки вторая секция жаровой трубы имеет профилированную форму, позволяющую присоединиться к сопловому аппарату турбины газотурбинной установки без использования дополнительных переходников в виде патрубков. В таком варианте исполнения вторая секция представляет собой газосборник. Конструктивно она выполнена следующим образом: передняя часть второй секции, присоединяемая к первой секции, имеет цилиндрическое исполнение, а выходная часть, которая соединяется с газотурбинной установкой, имеет трапециевидную форму.

Работа двухступенчатой горелки с двухслойным вихревым противоточным течением осуществляется следующим образом. В воздушный канал подается воздух, который через первый, второй и третий завихрители поступает в соответствующие секции жаровой трубы. В первое и второе устройства подачи топлива подается топливо, которое смешивается с воздухом, образуя топливно-воздушную смесь. Топливно-воздушная смесь из второго завихрителя движется по спирали вдоль внутренней поверхности первой секции, создавая периферийный вихрь, который охлаждает стенки жаровой трубы. Достигая тороидальной стенки, этот вихрь разворачивается и сливается с центральным вихрем, образованным первым завихрителем из входного сопла, формируя устойчивую зону стабилизации горения, которое на режиме запуска воспламеняется запальным устройством, установленным в первой секции. Продукты горения поступают из первой секции во вторую через выходное сопло, где смешиваются с воздушным потоком из третьего завихрителя для дожигания остаточных горючих газов. Наличие трех завихрителей, через которые поступает воздух, позволяет снижать температуру горения и контролировать вредные выбросы оксидов азота и оксидов углерода. При выходе на номинальную мощность работы горелки, возможна подача топлива через третье устройство подачи топлива, которое смешивается с воздушным потоком третьего завихрителя, для образования топливно-воздушной смеси, с последующим возгоранием ее в приосевой зоне второй секции.

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, в частности к вихревым горелкам. Двухступенчатая горелка с двухслойным вихревым противоточным течением содержит корпус горелки и коаксиально установленные в него жаровую трубу, содержащую запальное устройство, и выходное сопло, между корпусом горелки и жаровой трубой имеется воздушный канал с размещенным в нем первым завихрителем. Жаровая труба выполнена из первой секции и второй секции, разделенных перегородочной стеной, содержащей выходное сопло, передняя стенка первой секции имеет тороидальную форму, образующую входное сопло внутри первой секции, которое соединено с воздушным каналом. Во входном сопле расположено первое устройство подачи топлива, внутри первой и второй секций у перегородочной стены расположены второй и третий завихрители, соединенные с воздушным каналом и со вторым и третьим устройствами подачи топлива соответственно. Первый завихритель совмещен с входным соплом. Выходная часть второй секции жаровой трубы имеет трапециевидную форму. Технический результат изобретения заключается в улучшенном формировании зоны горения и эффективном дожигании топлива в широком диапазоне режимов эксплуатации за счет использования профилированного торца в жаровой трубе и наличия двух зон горения, а также равномерного подвода воздуха в канал между корпусом и жаровой трубой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухступенчатая горелка с двухслойным вихревым противоточным течением, содержащая корпус горелки и коаксиально установленные в него жаровую трубу, содержащую запальное устройство, и выходное сопло, между корпусом горелки и жаровой трубой имеется воздушный канал с размещенным в нем первым завихрителем, при этом жаровая труба выполнена из первой секции и второй секции, разделенных перегородочной стеной, содержащей выходное сопло, передняя стенка первой секции имеет тороидальную форму, образующую входное сопло внутри первой секции, которое соединено с воздушным каналом, во входном сопле расположено первое устройство подачи топлива, внутри первой и второй секций у перегородочной стены расположены второй и третий завихрители, соединенные с воздушным каналом и со вторым и третьим устройствами подачи топлива соответственно.

2. Двухступенчатая горелка по п. 1, в которой первый завихритель совмещен с входным соплом.

3. Двухступенчатая горелка по п. 1, в которой выходная часть второй секции жаровой трубы имеет трапециевидную форму.

4. Двухступенчатая горелка по п. 1, в которой диаметр входного сопла соответствует 0,2-0,4Д, а диаметр выходного сопла - 0,6-0,8Д, где Д - диаметр жаровой трубы.