Изобретение относится к горелке для турбины, имеющей множество криволинейных завихрительных каналов, через которые подвергается завихрению топливно-воздушная смесь, протекающая по завихрительным каналам, а также к способу изготовления такой горелки.
Горелки, например, для газовых турбин, используют газ в качестве топлива, в результате чего в горелках в основном сгорает газовоздушная смесь или, как правило, топливно-воздушная смесь.
В принципе возможно также использование в горелке жидкого топлива.
Горелки с низким уровнем выбросов обычно смешивают воздух и топливо перед горением, чтобы избежать температурных пиков и, следовательно, выбросов загрязняющих веществ.
Для этой цели в предшествующем уровне техники обычно используются горелки, выполненные в виде горелок с вихревым потоком, которые используют радиальные или осевые вихревые каскады для придания завихрения топливно-воздушной смеси.
В случае высококалорийного топлива, такого как, например, водород, сгорание с низким содержанием вредных веществ затруднено, поскольку топливно-воздушная смесь сгорает так быстро, что происходит обратное зажигание пламени. По этой причине такие виды топлива или такие смеси часто сжигают без предварительного смешивания.
Иногда для сжигания высококалорийного топлива используются горелки, также называемые струйными горелками. В таких струйных горелках отсутствует вихревой каскад или вообще завихрение смеси, а пламя стабилизируется на свободных струях.
Это имеет преимущества в отношении устойчивости к обратному удару пламени, но это преимущество достигается в ущерб стабильности пламени и выбросов. В данном случае воздух протекает через отдельные трубки, расположенные идеально прямо и параллельно друг другу, и смешивается с топливом в трубках. На выходе из горелки топливо сгорает в многочисленных небольших струях. Струйная горелка имеет более значительную устойчивость к обратному удару пламени, поскольку весь воздух или смесь подаются в осевом направлении.
Не говоря уже о том, что время задержки по сравнению с горелкой с вихревым потоком является более коротким, а выбросы NOx при очень высоких температурах более низкими.
Напротив, горелка с вихревым потоком обеспечивает значительно лучшую стабильность и меньшие выбросы при частичной нагрузке. Смесительные секции горелок с завихряющимся потоком зачастую более длинные, что обеспечивает хорошее смешивание воздуха и топлива.
Таким образом, изобретение основано на задаче преодоления вышеупомянутых недостатков и создания горелки, которая обеспечивает как высокую устойчивость к обратному удару пламени, так и хорошее смешивание воздуха с топливом, и в то же время имеет стабильное поведение во время горения, в результате чего, в частности водород или газообразный водород, также можно сжигать в качестве топлива с низким уровнем выбросов.
Эта задача решается посредством совокупностей признаков согласно пункту 1 формулы изобретения.
Таким образом, согласно изобретению, предлагается горелка с пространством сгорания и множеством завихрительных каналов, причём завихрительный канал содержит по меньшей мере одну топливную форсунку для введения топлива в соответствующий завихрительный канал. В данном случае множество завихрительных каналов образует, в частности совместно, завихрительный генератор. Каждый из завихрительных каналов проходит от впускной стороны, на которой топливо из соответствующей топливной форсунки способно вводиться в соответствующий завихрительный канал, к выпускной стороне, ведущей в пространство сгорания. Пространство сгорания, которое также можно назвать зоной сгорания, может быть окружено или ограничено камерой сгорания. Кроме того, пространство сгорания, по существу, определяет только объем, в котором происходит сгорание топливно-воздушной смеси или газовоздушной смеси. Каждый из завихрительных каналов способен пропускать по пути потока, проходящему от впускной стороны к выпускной стороне, топливно-воздушную смесь из топлива и воздуха, протекающую в завихрительный канал.
В такой горелке завихрительный канал, множество завихрительных каналов, или все завихрительные каналы могут содержать одну или множество топливных форсунок.
Топливом является жидкое топливо или газ. Газ предпочтительно представляет собой водород или газообразный водород.
Кроме того, горелка содержит центральную ось, проходящую через пространство сгорания. Согласно изобретению, существенным является то, что завихрительные каналы, исходящие от стороны выпуска, по меньшей мере частично закручены по спирали вокруг центральной оси. Альтернативно, спиральное формирование завихрительных каналов по меньшей мере частично может быть раскрыто так, что каждый из завихрительных каналов и/или путей потока, определяемых завихрительными каналами, выполнен спирально или в виде спирали, по меньшей мере частично. Таким образом, завихрительные каналы также можно назвать криволинейными завихрительными каналами. Выходящие от впускной стороны проточные каналы или определяемые ими пути потока, закрученные на выпускной стороне или наклонённые относительно центральной оси, ведут в пространство сгорания. Это приводит к тому, что топливно-воздушная смесь, протекающая от впускной стороны вдоль пути потока к выпускной стороне, в каждом случае подвергается завихрению с помощью спирально закрученных частей завихрительных каналов и втекает в пространство сгорания в завихренном виде. Таким образом, топливно-воздушная смесь, подвергнутая завихрению, предпочтительно протекает через каждый отдельный из завихрительных каналов.
В процессе работы множество отдельных или свободных струй создаются посредством завихрительных каналов на выпускной стороне или в пространстве сгорания, однако эти струи уже были подвергнуты завихрению посредством завихрения или закручивания вокруг центральной оси.
Таким образом, вихревые камеры с помощью спирального закручивания вокруг центральной оси уже имеют кривизну, которая при прохождении воздуха или топливно-воздушной смеси через проточные каналы придаёт им составляющую вращения.
На выпуске из горелки или при выходе топливно-воздушной смеси из завихрительных каналов в пространство сгорания возникает структура горения, подобная горелке с завихряющимся потоком, при которой вихрь, материализующийся из свободных струй, раскрывается и стабилизирует пламя в пространстве горения в сдвиговых слоях вихря.
Ввиду того факта, что горелка содержит множество завихрительных каналов, которые в совокупности также могут называться вихревыми генераторами, топливно-воздушная смесь подаётся в камеру сгорания не через отдельный питающий трубопровод, а через множество завихрительных каналов, выполненных, например, в виде трубок, в результате чего горелка, согласно изобретению, имеет такую же хорошую устойчивость к обратному удару пламени или такую же хорошую сопротивляемость к обратному удару пламени, что и струйные горелки, известные из существующего уровня техники, при этом благодаря применению вихревого принципа сохраняется низкий уровень выбросов продуктов горения.
Поскольку на впускной стороне топливо, и предпочтительно также воздух, вводятся в завихрительные каналы, топливо и воздух смешиваются вдоль путей потока через завихрительные каналы с образованием требуемой топливно-воздушной смеси.
С помощью обеспечения множества каналов завихрения, образующих генератор завихрения, каждый из которых выполнен спиральным по меньшей мере на отдельных участках, генератор завихрения формируется в виде множественной спирали, которая имеет количество витков, соответствующее количеству завихрительных каналов. Витки или завихрительные каналы могут быть дополнительно выполнены в виде слоёв или плоскостей, перекрывающих друг друга, в результате чего, например, внутренняя плоскость завихрительных каналов может быть окружена внешней плоскостью завихрительных каналов. При этом завихрительные каналы могут быть как левостороннего, так и правостороннего типа.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения обеспечивает то, что каждый из путей потока и/или центральных линий завихрительных каналов на участке завихрительных каналов, проходящем по спирали вокруг центральной оси, имеет угол поворота больше 0° и меньше 90°, в частности больше, чем 60° и меньше, чем 90°, далее, в частности, точно равный 60°.
Угол поворота завихрительных каналов или путей потока и/или центральных линий завихрительных каналов определяется в соответствии с углом поворота спирали.
Кроме того, все пути потока и/или центральные линии предпочтительно имеют одинаковый угол поворота.
Если завихрительные каналы изготавливаются способом аддитивного производства, таким как, например, селективное лазерное плавление (СЛП), максимальный или минимальный шаг или угол поворота могут быть ограничены техническими ограничениями способа изготовления. Например, по меньшей мере на момент применения, способом СЛП невозможно создать завихрительные каналы с углом поворота менее 40°, или это потребует больших затрат.
Кроме того, предпочтительный вариант горелки обеспечивает то, что каждый завихрительный канал содержит на выпускной стороне участок, закрученный по спирали вокруг центральной оси, а на впускной стороне содержит участок, проходящий параллельно центральной оси. В данном случае каждый из завихрительных каналов имеет переходный участок между спирально закрученным или криволинейным участком и участком, проходящим параллельно центральной оси, т.е. прямым участком, который является плавным, в результате чего топливно-воздушная смесь, протекающая через завихрительные каналы от участка, который является прямым или параллельным центральной оси, к спирально закрученному или криволинейному участку, отклоняется непрерывно или равномерно, а не внезапно вдоль или в области переходного участка.
Кроме того, предпочтительно обеспечено то, что каждый завихрительный канал имеет кольцевое поперечное сечение и выполнен в виде завихрительной трубки.
Также предпочтительным является вариант, в котором каждая топливная форсунка проходит в соответствующий завихрительный канал на впускной стороне.
При этом предпочтительно, в варианте осуществления изобретения дополнительно обеспечено то, что каждая из завихрительных камер на впускной стороне содержит, в частности, воронкообразный впускной участок, в который проходят соответствующие топливные форсунки, при этом между внешней поверхностью соответствующей топливной форсунки и внутренней поверхностью соответствующего завихрительного канала в его приточной части образован воздушный проход, который предпочтительно определяется кольцевой формой в поперечном сечении, через который воздух способен протекать в соответствующий завихрительный канал.
Кроме того, для оптимизации потока в завихрительных каналах и/или на топливных форсунках могут иметься направляющие текучую среду элементы, выполненные, в частности, в виде крыльев.
Направляющие текучую среду элементы спроектированы для воздействия на поток протекающей через них текучей среды предварительно определенным образом. Например, направляющие текучую среду элементы могут быть обеспечены аэродинамическим профилем на топливных форсунках в области воздушного прохода, который направляет воздух, протекающий через воздушный проход, предварительно определенным образом в топливо, впрыскиваемое или вводимое топливными форсунками, чтобы тем самым улучшить смешивание воздуха с топливом.
Предпочтительно, каждый из завихрительных каналов проходит в предварительно определенной плоскости или в пределах внутренней и внешней боковой поверхности полого цилиндра. Соответственно, может быть обеспечено то, что завихрительные каналы или их центральные линии/пути потока расположены по меньшей мере на одной кольцевой траектории, соосной центральной оси. Соответственно, также может иметься множество траекторий, каждая из которых является кольцевой и является соосной центральной оси, при этом на каждой из траекторий проходит множество путей потока.
Чтобы обеспечить как можно больше завихрительных каналов, завихрительные каналы из множества завихрительных каналов прилегают друг к другу. Следовательно, завихрительные каналы, которые непосредственно примыкают друг к другу, прилегают друг к другу, например, наружными поверхностями своих стенок.
В частности, когда завихрительные каналы или образованные ими завихрительные генераторы изготавливают способом аддитивного производства, может быть дополнительно обеспечено то, что завихрительные каналы не просто прилегают друг к другу, но частично формируются как одно целое друг с другом. Каждый из завихрительных каналов имеет стенку, ограничивающую соответствующий завихрительный канал в радиальном направлении. При этом обеспечено то, что стенки завихрительных каналов, прилегающие друг к другу или примыкающие друг к другу, выполнены как одно целое и/или как одна деталь.
Для улучшения смешивания топлива и воздуха можно дополнительно обеспечить то, чтобы топливные форсунки были выполнены с возможностью введения топлива на впускной стороне, по существу, поперечно в соответствующий завихрительный канал.
Как уже упоминалось, предпочтительно обеспечено то, чтобы завихрительные каналы были изготовлены из металла способом селективного лазерного плавления (СЛП).
Дополнительный аспект изобретения относится к способу изготовления горелки согласно изобретению. В данном случае завихрительные каналы изготавливают способом селективного лазерного плавления (СЛП), т.е. способом аддитивного производства, из металлического порошка, который для формирования завихрительных каналов или генераторов завихрения, образованных завихрительными каналами, плавят послойно. В данном случае завихрительные каналы изготавливаются отдельно и образуют генератор завихрения, расположенный вокруг центральной оси. Альтернативно этому, завихрительные каналы также могут быть изготовлены соединенными в группы за одно целое и/или в виде одной детали, и группы завихрительных каналов, соединённых друг с другом, расположены вокруг центральной оси для создания генератора завихрения. В качестве альтернативы изготовлению отдельных вихревых каналов и в качестве альтернативы изготовлению групп соединённых вихревых каналов, весь генератор завихрения, т.е. все завихрительные каналы, можно изготовить соединёнными как одно целое и/или в виде одной детали и расположенными вокруг центральной оси.
Раскрытые выше особенности можно комбинировать по желанию, если это технически возможно, и если они не противоречат друг другу.
Другие предпочтительные дальнейшие разработки изобретения отмечены в пунктах формулы изобретения или представлены более подробно посредством фигур вместе с описанием предпочтительного варианта осуществления изобретения.
На фиг. 1 показан вариант горелки;
на фиг. 2 - выделенная часть варианта горелки.
Чертежи являются показательными и выполнены схематично. Одни и те же ссылочные номера позиций на фигурах указывают на одни и те же функциональные и/или конструктивные признаки.
На фиг. 1 показана горелка, которая содержит генератор завихрения, содержащий множество завихрительных каналов 2, которые в данном случае выполнены в виде завихрительных трубок, расположенных вокруг центральной продольной оси X, и в которые на впускной стороне 21 каждой из трубок проходит топливная форсунка 3, через которую топливо G может впрыскиваться в завихрительные каналы 2. В данном случае каждый из завихрительных каналов 2 на впускной стороне содержит воронкообразный впускной участок 27, в котором между внутренней стенкой или внутренней поверхностью соответствующего завихрительного канала 2 и внешней стенкой или внешней поверхностью соответствующей топливной форсунки 3 формируется воздушный проход 28, через который воздух L способен протекать в соответствующий завихрительный канал 2, по существу, параллельно топливу G. Топливо G и воздух L смешиваются в завихрительных каналах 2 и протекают в виде топливно-воздушной смеси вдоль соответствующего пути 23 потока от впускной стороны 21 к выпускной стороне 22 соответствующего завихрительного канала 2.
В данном случае топливно-воздушная смесь первоначально протекает через участок 24 (прямой участок 24), первоначально проходящий параллельно центральной оси соответствующего завихрительного канала 2, который посредством устойчивого плавного переходного участка 25 объединяется с участком 26, закрученным по спирали вокруг центральной оси X, который также можно назвать криволинейным участком 26.
В этом процессе топливно-воздушной смеси при прохождении через криволинейный участок 26 придаётся завихрение или вращение, в результате чего каждый поток топливно-воздушной смеси, выходящий из завихрительного канала 2 в пространство 1 сгорания с выпускной стороны, подвергается завихрению. В данном случае поток топливно-воздушной смеси через единственный завихрительный канал 2 образует только часть от всего потока топливно-воздушной смеси, протекающего через завихрительные каналы 2.
В пространстве 1 сгорания сгорает топливно-воздушная смесь, протекающая вместе со всем потоком топливно-воздушной смеси, причём посредством завихрения отдельной части потока весь поток подвергается завихрению, что приводит к сгоранию с низким уровнем выбросов, при этом благодаря множеству завихрительных каналов 2, проходящих вдоль центральной оси X, одновременно достигается высокая устойчивость к обратному удару пламени, в результате чего пламя во время горения, по существу, не выбрасывается обратно из пространства 1 сгорания в завихрительные каналы 2.
На фиг. 2 показан увеличенный фрагмент участка 24 горелки, проходящего параллельно центральной оси, которая может представлять собой горелку согласно фиг. 1. По меньшей мере одна часть завихрительных каналов 2 дополнительно показана в половинном разрезе, таким образом сечение проходит через стенки 29 части завихрительных каналов 2, в результате чего видны, в частности, топливные форсунки 3 в области впускных участков 27, выполненных в виде воронки.
Как описано выше, воздушный проход 28, каждый из которых проходит кольцеобразно вокруг топливной форсунки 3, образован между внешними поверхностями 27 топливных форсунок и внутренними поверхностями завихрительных каналов 2 в области впускных участков 27, через которые воздух L протекает в соответствующий завихрительный канал 2. Там на топливных форсунках 3 имеется по меньшей мере один направляющий текучую среду элемент 4, каждый из которых имеет аэродинамический профиль, этот элемент проходит в кольцевой воздушный проход 28 и направляет входящий воздух L в соответствующий завихрительный канал 2 оптимизированным по потоку образом.
Список ссылочных обозначений
1 Пространство сгорания
2 Завихрительный канал
3 Топливная форсунка
21 Впускная сторона
22 Выпускная сторона
23 Путь потока
24 Прямой участок/участок, идущий параллельно центральной оси
25 Переход
26 Криволинейный участок/участок со спиральной намоткой
27 Впускной участок
28 Воздушный проход
29 Стенка
X Центральная ось
G Топливо
L Воздух
Изобретение относится к области энергетики. Горелка имеет пространство (1) сгорания, множество завихрительных каналов (2), при этом завихрительный канал (2) содержит по меньшей мере одну топливную форсунку (3) для введения топлива (G) в соответствующий завихрительный канал (2), при этом каждый завихрительный канал (2) проходит от впускной стороны (21), на которой топливо (G) из соответствующей топливной форсунки (3) способно вводиться в завихрительный канал (2), к выпускной стороне (22), ведущей в пространство (1) сгорания, и каждый из завихрительных каналов (2) способен пропускать по пути (23) потока, проходящему от впускной стороны (21) к выпускной стороне (22), топливно-воздушную смесь из топлива (G) и воздуха (L), протекающую в завихрительный канал (2), при этом горелка имеет центральную ось (X), проходящую через пространство (1) сгорания, и завихрительные каналы (2), исходящие от выпускной стороны (22), спирально закручены вокруг центральной оси (X) по меньшей мере частично так, что топливно-воздушная смесь, протекающая от впускной стороны (21) по пути (23) потока к выпускной стороне (22), подвергается в каждом случае завихрению посредством завихрительных каналов (2) и протекает в пространство (1) сгорания в завихренном виде, причем каждый завихрительный канал (2) имеет кольцевое поперечное сечение и выполнен в виде завихрительной трубки, завихрительные каналы (2) из множества завихрительных каналов (2) прилегают друг к другу, каждый из завихрительных каналов (2) содержит стенку, ограничивающую соответствующий завихрительный канал (2) в радиальном направлении, и стенки завихрительных каналов (2), прилегающие друг к другу, выполнены как одно целое и/или в виде одной детали. Изобретение позволят обеспечить высокую устойчивость к обратному удару пламени, хорошее смешивание воздуха с топливом, снизить уровень выбросов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
1. Горелка, имеющая пространство (1) сгорания, множество завихрительных каналов (2), при этом завихрительный канал (2) содержит по меньшей мере одну топливную форсунку (3) для введения топлива (G) в соответствующий завихрительный канал (2),
при этом каждый завихрительный канал (2) проходит от впускной стороны (21), на которой топливо (G) из соответствующей топливной форсунки (3) способно вводиться в завихрительный канал (2), к выпускной стороне (22), ведущей в пространство (1) сгорания,
и каждый из завихрительных каналов (2) способен пропускать по пути (23) потока, проходящему от впускной стороны (21) к выпускной стороне (22), топливно-воздушную смесь из топлива (G) и воздуха (L), протекающую в завихрительный канал (2),
при этом горелка имеет центральную ось (X), проходящую через пространство (1) сгорания, и завихрительные каналы (2), исходящие от выпускной стороны (22), спирально закручены вокруг центральной оси (X) по меньшей мере частично так, что топливно-воздушная смесь, протекающая от впускной стороны (21) по пути (23) потока к выпускной стороне (22), подвергается в каждом случае завихрению посредством завихрительных каналов (2) и протекает в пространство (1) сгорания в завихренном виде,
причем каждый завихрительный канал (2) имеет кольцевое поперечное сечение и выполнен в виде завихрительной трубки,
завихрительные каналы (2) из множества завихрительных каналов (2) прилегают друг к другу,
каждый из завихрительных каналов (2) содержит стенку (29), ограничивающую соответствующий завихрительный канал (2) в радиальном направлении, и стенки (29) завихрительных каналов (2), прилегающие друг к другу, выполнены как одно целое и/или в виде одной детали.
2. Горелка по п. 1, в которой на участке (26) завихрительных каналов, проходящем по спирали вокруг центральной оси (X), пути (23) потока и/или центральные линии каждого из завихрительных каналов (2) имеют угол (α) поворота, который больше 0° и меньше 90°, в частности больше 60° и меньше 90°, дополнительно, в частности, равен точно 60°.
3. Горелка по п. 1 или 2, в которой каждый из завихрительных каналов (2) содержит на выпускной стороне участок (26), закрученный по спирали вокруг центральной оси, и на впускной стороне участок (24), проходящий параллельно центральной оси, при этом соответствующий переходный участок (25) между спирально закрученным участком (26) и участком (24), проходящим параллельно центральной оси, является плавным.
4. Горелка по любому из пп. 1-3, в которой каждая из топливных форсунок (3) на впускной стороне проходит в соответствующий завихрительный канал (2).
5. Горелка по любому из пп. 1-4, в которой каждый из завихрительных каналов (2) на впускной стороне содержит, в частности, воронкообразный впускной участок (27), в который проходит соответствующая топливная форсунка (3), при этом между внешней поверхностью соответствующей топливной форсунки (3) и внутренней поверхностью соответствующего завихрительного канала (2) воздушный проход (28), проходящий в поперечном сечении, в частности, кольцеобразно вокруг топливной форсунки (3), определен в его впускном участке (27), через который воздух (L) способен протекать в соответствующий завихрительный канал (2).
6. Горелка по любому из пп. 1-5, в которой в завихрительных каналах (2) и/или на топливных форсунках (3) имеются направляющие текучую среду элементы (4) для оптимизации потока.
7. Горелка по любому из пп. 1-6, в которой завихрительные каналы (2) расположены по меньшей мере на одной кольцевой траектории, соосной центральной оси (X).
8. Горелка по любому из пп. 1-7, в которой топливные форсунки (3) выполнены с возможностью впрыска топлива (G) на впускной стороне, по существу, поперечно в соответствующий завихрительный канал (2).
9. Горелка по любому из пп. 1-8, в которой завихрительные каналы (2) изготовлены из металла посредством селективного лазерного плавления.
10. Способ изготовления горелки по п. 9,
в котором завихрительные каналы (2) изготавливают из металлического порошка способом селективного лазерного плавления;
и завихрительные каналы (2) изготавливают по отдельности и размещают вокруг центральной оси (X);
или завихрительные каналы (2) изготавливают группами, соединёнными как единое целое и/или в виде одной детали, и группы завихрительных каналов (2), соединённых друг с другом, размещают вокруг центральной оси (X);
или все завихрительные каналы (2) изготавливают соединёнными как одно целое и/или как одна деталь и размещают вокруг центральной оси (X).
| JP 2011058775 A, 24.03.2011 | |||
| US 20160186662 A1, 30.06.2016 | |||
| US 20160146469 A1, 26.05.2016 | |||
| US 20190186749 A1, 20.06.2019 | |||
| US 5596873 A1, 28.01.1997 | |||
| US 4222232 A1, 16.09.1980 | |||
| US 8281595 B2, 09.10.2012 | |||
| RU 204328 U1, 20.05.2021. |
