Малоэмиссионная двухконтурная горелка Российский патент 2024 года по МПК F23R3/14 F23D14/02 

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для сжигания топливного газа в камерах сгорания стационарных газотурбинных установок.

Из существующего уровня техники известна конструкция малоэмиссионной горелки по полезной модели к патенту RU № 198755, содержащая форсунку, корпус с соплом и штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения; уступ-турбулизатор, расположенный перед завихрителем воздуха, завихритель воздуха, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива, центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в дежурную зону, элементы конструкции горелки, подверженные высокотемпературной эрозии: топливная форсунка, насадок центрального тела, выполнены съемными, и детали горелки соединяются между собой посредством посадок с натягом и резьбовых пар, уступ-турбулизатор выполнен съемным, а сопло крепится на жаровую трубу камеры сгорания и сопрягается с корпусом горелки посредством телескопического соединения.

Недостатками известной малоэмиссионной горелки является то, что не обеспечивает надежность из-за возникновения локального перегрева носика форсунки под воздействием рабочих температур, что приводит к прогару горелки.

Не обеспечивает жаростойкость центрального тела в случае увеличения температуры возле форсунки.

Не обеспечивает оптимальность расстояния от диффузора камеры сгорания до завихрителя в условиях ограниченного пространства между компрессором и турбиной, так как горелка содержит корпус, отлитый совместно со штоком, в котором завихритель и шток находится на одной оси.

Не обеспечивает технологичность сборки.

Происходит неустойчивый процесс горения, так как в соединении сопла и корпуса горелки формирует уступ, при прохождении которого топливно-воздушная смесь на выходе из горелки получает отрыв потока.

Не обеспечивает герметичность в стыке между завихрителем и корпусом горелки.

Из исследованного уровня техники выявлено техническое решение, совпадающее с заявленным техническим решением по совокупности признаков и достигаемому техническому результату, взятый за прототип по патенту на изобретение RU № 2442932, сущность заключается в том, что малоэмиссионная горелка содержит корпус соплом; завихритель с полыми лопатками с отверстиями подачи топлива в основную зону; плохообтекаемое центральное тело с отверстиями подачи топлива в дежурную зону и отверстиями подачи воздуха в дежурную зону; шток с каналами подвода топлива в основную и дежурную зоны и выполненный на входе в воздушный канал горелки перед завихрителем попутный уступ-турбулизатор воздуха высотой от 15 до 20% от высоты канала.

Недостатками известной малоэмиссионной горелки являются то, что локальный перегрев носика форсунки под воздействием рабочих температур приводит к прогару горелки.

Не обеспечивает равномерность температур в зоне горения в результате не постоянного проходного сечения завихрителей в комплекте горелок.

Не обеспечивает ремонтопригодность горелок по причине неразборности ее элементов, которые выходят их из строя в результате воздействия рабочих тепловых нагрузок.

Не обеспечивает жаростойкость центрального тела в случае увеличения температуры возле форсунки.

Не обеспечивает оптимальность расстояния от диффузора камеры сгорания в условиях ограниченного пространства между компрессором и турбиной.

Не обеспечивает герметичность внутренних каналов в комплекте горелок на одну камеру сгорания.

Не обеспечивает оптимальную скорость топливовоздушной смеси для формирования высокой полноты сгорания при различных режимах работы газотурбинной установки.

Не имеет возможности регулировать объем зоны обратных токов в дежурной зоне.

Задачей заявленного изобретения является создание горелки надежной в эксплуатации и легкой в обслуживании, что обеспечивает устранение недостатков прототипа;

Сущностью заявленного технического решения является малоэмиссионная горелка, содержащая корпус, завихритель с полыми лопатками и отверстиями подачи топлива в основную зону, содержащий центральное тело, в которое установлена форсунка с каналами подвода топлива в основную и дежурную зоны, при этом топливная форсунка состоит из втулки и распылителя с угловыми пазами и радиальными секторными выступами, распылитель и втулка стыкуются друг с другом посредствам резьбового соединения с установкой между ними уплотнительного кольца, форсунка жестко фиксируется в завихрителе резьбовой гайкой путем завальцовки, центральное тело имеет керамический насадок с возможностью его замены на насадок с увеличенным диаметром, установленный при помощи распорных колец расположенных в проточках центрального тела, завихритель установлен в корпус, в котором размещены уплотнительные кольца и жестко зафиксирован при помощи гайки завальцовкой, на завихрителе установлен обтекатель съемной конструкции, устанавливаемый путем точечной приварки, корпус горелки выполнен с переходным участком от штока к цилиндрической обойме.

Выполнение на распылителе форсунки девяти угловых пазов дает возможность отодвинуть зону горения от носика форсунки, что позволяет исключить локальный перегрев носика форсунки под воздействием рабочих температур.

Установка обтекателя съемной конструкции точечной приваркой на завихрителе позволяет обеспечить равномерность температур в зоне горения за счет постоянного проходного сечения завихрителей в комплекте горелок.

Установка керамической насадки в центральное плохообтекаемое тело позволяет обеспечить жаростойкость центрального тела в случае увеличения температуры возле форсунки.

Смещение оси установки горелки и места расположения завихрителя в переходном участке корпуса горелки позволяет обеспечить оптимальное расстояние от диффузора камеры сгорания до завихрителя горелки в условиях ограниченного пространства между компрессором и турбиной.

Установка между стыкуемыми элементами уплотнительных колец позволяет обеспечить герметичность внутренних каналов в комплекте горелок.

Установка обтекателя съемной конструкции на завихрителе позволяет сформировать переход с меньшей его площади со входа на большую площадь при выходе, тем самым снизив скорость потока, что позволяет обеспечить оптимальную скорость топливовоздушной смеси для формирования высокой полноты сгорания при различных режимах работы стационарной газотурбинной установки.

Размещение керамической насадки в центральном теле диаметр, которого может меняться в комплекте горелок для организации необходимого объема зоны обратных токов, позволяет обеспечить регулирование объема зоны обратных токов в дежурной зоне.

Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из исследованного заявителем уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизны» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

Фиг. 1 общий вид с продольным разрезом малоэмиссионной двухконтурной горелки.

Фиг. 2 сечение А-А.

1 - корпус; 2 - шток; 3 - переходной участок; 4, 5 - каналы подвода топлива; 6 - цилиндрическая обойма; 7 - завихритель; 8 - лопаток; 9 - центральное тело; 10 - форсунка; 11 - канал подвода топлива; 12 - керамический насадок; 13 - распорные кольца; 14 - проточки; 15 - втулки; 16 - распылитель; 17 - уплотнительное кольцо; 18 - резьбовая гайка; 19 - обтекатель; 20 - гайка; 21 - паз; 22 - уплотнительные кольца; 23 - уплотнительные кольца; 24 - угловые пазы; 25 - отверстия; 26 - отверстия; 27 - секторные выступы; 28 - пазы.

Малоэмиссионная горелка содержит корпус 1, состоящий из штока 2, переходного участка 3, в которых выполнены каналы 4, 5 подвода топлива и цилиндрической обоймы 6, в которую устанавливается завихритель 7. Для обеспечения герметичности в трех стыках между завихрителем 7 и цилиндрической обоймой 6 установлены уплотнительные кольца 22. Завихритель 7 зафиксирован в цилиндрической обойме 6 при помощи гайки 20, завальцованной в специальный паз 21, выполненный на наружной части завихрителя 7.

Переходный участок 3 позволяет разнести ось установки горелки идущий в штоке 2 и место расположения цилиндрической обоймы 6, что необходимо для обеспечения оптимального расстояния от диффузора камеры сгорания (на рисунке не показан) в условиях ограниченного пространства между компрессором и турбиной (на рисунке не показан). Завихритель 7 с полыми лопатками 8, содержащими отверстия 26 и центральное тело 9, в который установлена форсунка 10 с каналом 11 подвода топлива к отверстиям 25, подводящим топливо в дежурную зону. Центральное тело 9 имеет керамический насадок 12 с пазами 28, установленный при помощи распорных колец 13, расположенных в проточках 14. Форсунка 10 состоит из втулки 15 и распылителя 16 с отверстиями 25 и девятью угловыми пазами 24, что дает возможность отодвинуть зону горения от носика форсунки. Распылитель 16, имеющий радиальные секторные выступы 27, стыкуется со втулкой 15 посредствам резьбового соединения с установкой между ними уплотнительного кольца 17. Форсунка 10 фиксируется в завихрителе 7 резьбовой гайкой 18 путем завальцовки и заводится радиальными секторными выступами 27 в пазы 28 для исключения проворота. В стыке форсунки 10 и завихрителя 7 устанавливаются уплотнительные кольца 23.

На входе в воздушный канал горелки перед завихрителем 7 установлен обтекатель 19 путем выполнения точечной приварки, что позволяет обеспечить постоянную площадь проходного сечения от входа в завихритель 7 до лопаток 8 завихрителя 7 и далее сформировать переход с меньшей площади на большую в выходной части завихрителя 7, тем самым снизив скорость потока топливно-воздушной смеси на выходе из горелки.

При работе предложенной малоэмиссионной двухконтурной горелки реализуется способ сжигания «обедненой», предварительно подготовленной топливно-воздушной смеси, в основной зоне горения и формирования дежурной зоны горения составляющим диффузионное пламя. Топливные струйки через отверстия 25 форсунки 10 попадают в закрученный поток, формируемый девятью угловыми пазами 24, что обеспечивает диффузионное горение дежурной зоны. Топливо основного контура через отверстия 26 в полых лопатках 8 завихрителя 7 поступает в поток воздуха, прошедший через обтекатель 19 в завихритель 7 горелки. На выходе из завихрителя 7 формируется «бедная» перемешанная топливно-воздушная смесь со сниженной скоростью идущая в основную зону горения. Горение топливно-воздушной смеси основной зоны в закрученной струе обеспечивается постоянным подводом тепла от горения дежурного факела, сформированного за центральным телом. В результате организации дежурного факела, сформированного за центральным телом на выходе из девяти угловых пазов 24, и горения со сниженной скоростью топливно-воздушной смеси основной зоны, обеспечивается устойчивый процесс горения на всех режимах работы газотурбинного двигателя, позволяющий обеспечить высокую полноту сгорания. Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий.

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для сжигания топливного газа в камерах сгорания стационарных газотурбинных установок. Малоэмиссионная горелка содержит корпус (1), завихритель (7) с полыми лопатками (8) и отверстиями (26) подачи топлива в основную зону, содержащий центральное тело (9), в которое установлена форсунка (10) с каналами подвода топлива (4, 5) в основную и дежурную зоны. При этом топливная форсунка (10) состоит из втулки (15) и распылителя (16) с угловыми пазами (24) и радиальными секторными выступами (27). Распылитель (16) и втулка (15) стыкуются друг с другом посредствам резьбового соединения с установкой между ними уплотнительного кольца (17). Форсунка (10) фиксируется в завихрителе (7) резьбовой гайкой (18) путем завальцовки. Центральное тело (9) имеет керамический насадок (12) с возможностью его замены на насадок с увеличенным диаметром, установленный при помощи распорных колец (13), расположенных в проточках (14) центрального тела (9). Завихритель (7) установлен в цилиндрическую обойму (6) корпуса (1), в которой размещены уплотнительные кольца (22), и зафиксирован при помощи гайки (20) завальцовкой. На завихрителе (7) установлен обтекатель (19) съемной конструкции, устанавливаемый путем точечной приварки, корпус (1) горелки выполнен с переходным участком (3) от штока (2) к цилиндрической обойме (6). Изобретение позволяет обеспечить технологичность сборки, повысить эффективность сжигания топлива, ремонтопригодность, герметичность внутренних каналов, организацию оптимальных скоростей топливовоздушной смеси и исключения локального перегрева носика форсунки. 2 ил.

Малоэмиссионная горелка, содержащая корпус, завихритель с полыми лопатками и отверстиями подачи топлива в основную зону, содержащий центральное тело, в которое установлена форсунка с каналами подвода топлива в основную и дежурную зоны, отличающаяся тем, что топливная форсунка состоит из втулки и распылителя с угловыми пазами и радиальными секторными выступами, распылитель и втулка стыкуются друг с другом посредствам резьбового соединения с установкой между ними уплотнительного кольца, форсунка жестко фиксируется в завихрителе резьбовой гайкой путем завальцовки, центральное тело имеет керамический насадок с возможностью его замены на насадок с увеличенным диаметром, установленный при помощи распорных колец, расположенных в проточках центрального тела, завихритель установлен в цилиндрическую обойму корпуса, в которой размещены уплотнительные кольца и жестко зафиксирован при помощи гайки завальцовкой, на завихрителе установлен обтекатель съемной конструкции, устанавливаемый путем точечной приварки, корпус горелки выполнен с переходным участком от штока к цилиндрической обойме.