Горелка

 

Использование: в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении, в частности в газотурбостроении. Сущность изобретения: в горелке, содержащей аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой и примыкающей к нему кольцевой предкамерой, образованной упомянутой втулкой и цилиндрической обечайкой, сужающее устройство, установленное на выходе цилиндрической обечайки, выполнено в виде конического пережима, втулка завихрителя проходит через него, выходя за пределы кольцевой предкамеры, а длина кольцевой предкамеры является функцией от высоты лопатки и угла закрутки потока в завихрителе. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок.

Известна горелка, содержащая топливораздающее устройство, аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой и примыкающую к нему кольцевую предкамеру, образованную упомянутой втулкой и цилиндрической обечайкой, расположенной коаксиально с ней и охватывающей лопатки завихрителя, а также сужающее устройство, установленное на выходе цилиндрической обечайки, причем топливораздающее устройство расположено между аксиальным лопаточным завихрителем и выходом кольцевой предкамеры. (См. Turbomachinery Technology Seminar, Gas Turbine Combustion System Technology. Caterpillar. Solar Turbines TTS 52/492 1992, p. 52 2, Figure 2). Кольцевая предкамера здесь предназначена для осуществления процесса смешения топлива с воздухом и получения обедненной гомогенной топливовоздушной смеси с последующим ее сжиганием за пределами предкамеры. Такой способ сжигания топлива позволяет значительно снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания, в частности, оксидов азота.

Однако при работе данной горелки на определенных режимах наблюдается явление проскока пламени, т.е. горение топлива внутри предкамеры. Проскок допускать нельзя, поскольку при этом в несколько раз повышается эмиссия оксидов азота.

Известна горелка, содержащая топливораздающее устройство, аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой и примыкающую к нему кольцевую предкамеру, образованную упомянутой втулкой и цилиндрической обечайкой, расположенной коаксиально с ней и охватывающей лопатки завихрителя, а также сужающее устройство, установленное на выходе из цилиндрической обечайки и выполненное в виде плоской диаграммы, которая расположена с зазором к торцевой поверхности втулки завихрителя. (См. Development of Dry Low-NO_x Combustor at Kawasaki Diesel and Turbine Worldwide, June 1994, p. 20).

В этой горелке, принятой нами за прототип, в сужающем устройстве на выходе из предкамеры на всех режимах работы горелки поддерживается высокая скорость топливовоздушной смеси, которая выше скорости распространения пламени, что препятствует проскоку пламени внутрь предкамеры.

Вместе с тем описанная горелка имеет ряд недостатков. Во-первых, внутри предкамеры вблизи диафрагмы (в углу на стыке диафрагмы с цилиндрической обечайкой) имеется застойная зона с низкими скоростями топливовоздушной смеси. С наружной же стороны диафрагмы, вследствие отрыва потока, постоянно поддерживается торообразный вихрь, т.е. имеется зона обратных токов, способствующая стабилизации факела вблизи диафрагмы. При определенных условиях совместное протекание этих двух процессов приводит к так называемому "тепловому" проскоку пламени, когда вследствие стабилизации факела на наружной поверхности диафрагмы она нагревается до температур, превышающих температуру воспламенения топливовоздушной смеси внутри предкамеры и смесь загорается. При воспламенении топливовоздушной смеси застойная зона будет постоянно поддерживать процесс горения в предкамере. О недопустимости проскока пламени в предкамеру было сказано выше.

Во-вторых, диафрагма направляет закрученную струю топливовоздушной смеси из предкамеры вдоль торцевой конической поверхности втулки завихрителя в приосевую зону. При этом значительно сокращаются объем и длина приосевой зоны обратных токов, а это в свою очередь снижает устойчивость факела. Учитывая, что горелки с предварительным смешением топлива с воздухом имеют более узкий диапазон устойчивости факела по сравнению с диффузионными горелками, указанный недостаток рассматриваемой горелки является существенным.

Третьим недостатком рассматриваемой горелки является то, что топливораздающее устройство расположено за завихрителем (по направлению воздушного потока). Для обеспечения гомогенности топливовоздушной смеси на выходе из предкамеры и сокращения длины предкамеры необходимо распределить топливо с помощью топливораздающего устройства по сечению предкамеры пропорционально расходу воздуха. Другими словами, при распределении топлива необходимо учитывать радиальный профиль скоростей воздуха в сечении топливораздающего устройства. В непосредственной близости за завихрителем радиальный профиль скорости воздуха имеет сложную форму, зависящую от многих параметров. В настоящее время отсутствуют обобщенные зависимости, позволяющие описать распределение скоростей воздуха вблизи завихрителя. Поэтому оптимальное распределение топлива за завихрителем требует длительной экспериментальной обработки в каждом конкретном случае. Кроме того, за топливораздающим устройством (в рассматриваемой горелке это ряд перфорированных радиальных трубок) в предкамере образуются аэродинамические следы зоны обработанных токов, на которых может стабилизироваться факел в случае проскока пламени в предкамеру. Даже если проскока не происходит, из-за наличия аэродинамических следов, для выравнивания поля концентрации топливовоздушной смеси требуется предкамера большой длины.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании новой конструкции горелки, позволяющей снизить токсичность продуктов сгорания и повысить устойчивость работы горелки и ее надежность.

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении заявляемого изобретения, является обеспечение токсичности выхлопа газотурбинных установок в пределах действующих стандартов.

Поставленная задача решена тем, что в известной горелке, содержащей топливораздающее устройство, аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой и примыкающую к нему кольцевую предкамеру, образованную упомянутой втулкой и цилиндрической обечайкой, расположенной коаксиально с ней и охватывающей лопатки завихрителя, а также сужающее устройство, установленное на выходе цилиндрической обечайки, согласно настоящему изобретению сужающее устройство выполнено в виде конического пережима, а втулка завихрителя проходит сквозь него, выходя за пределы кольцевой предкамеры.

Возможен вариант, когда аксиальный лопаточный завихритель установлен между топливораздающим устройством и выходом кольцевой предкамеры, при этом длина кольцевой предкамеры определяется по следующей формуле: l = k·h·cosϕ, где k эмпирический коэффициент ( K 2,3-2,9); h высота лопатки завихрителя; v угол закрутки потока в завихрителе.

Еще есть вариант, когда выступающий за пределы предкамеры конец втулки завихрителя выполнен с перфорированной торцевой стенкой, а внутри втулки имеется примыкающая к этом стенке полость, сообщенная с каналом, у которого входное отверстие расположено перед завихрителем воздуха.

Суть заявляемого изобретения состоит в том, что благодаря выполнению сужающего устройства в виде конического пережима внутри предкамеры отсутствуют застойные зоны с низкими скоростями топливовоздушной смеси, в которых может стабилизироваться горение в случае проскока пламени, а сам пережим хорошо охлаждается высокоскоростным потоком топливовоздушной смеси, и его температура всегда ниже температуры воспламенение смеси. Снаружи за пережимом отсутствует выраженный торообразный вихрь, как это имеет место в прототипе, и факел стабилизируется только в приосевой зоне горелки. Благодаря этому температура пережима значительно ниже, чем температура плоской диафрагмы у прототипа, и тепловой проскок отсутствует.

Поскольку цилиндрическая втулка завихрителя проходит сквозь конический пережим, выступая за пределы предкамеры, кольцевая закрученная струя топливовоздушной смеси выходит из предкамеры в осевом направлении, а не под углом к оси, как в прототипе. При этом зона обратных токов вблизи оси имеет значительно большие объем и длину, что положительно сказывается на устойчивости факела и расширяет диапазон рабочих режимов горелки.

Расположение топливораздающего устройства перед лопаточным завихрителем воздуха позволяет распределить топливо в соответствии с распределением воздуха в данном сечении, поскольку профиль скоростей воздуха перед завихрителем достаточно равномерный. В результате этого на выходе из предкамеры достигается более равномерное поле концентраций топливовоздушной смеси и, соответственно, снижается эмиссия оксидов азота. Расположение топливораздающего устройства перед завихрителем воздуха позволяет также сократить длину предкамеры (по сравнению с прототипом) при неизменной эмиссии оксидов азота.

При расположении топливораздающего устройства перед завихрителем в предкамере отсутствуют аэродинамические следы от его элементов, что, с одной стороны, делает поле концентраций топливовоздушной смеси на выходе из предкамеры более равномерным, а с другой, отсутствие следов снижает вероятность проскока пламени в предкамеру.

Исследования натуральной горелки, проведенные на огневом стенде, показали, что при установке топливораздающего устройства перед завихрителем предкамеры может быть достаточно короткой, а ее длина определяется из соотношения (1). При длине предкамеры меньшей, чем следует из формулы (1), эффективность смесеобразования в предкамере снижается и эмиссия оксидов азота резко возрастает. Делать предкамеру большей длины нецелесообразно, поскольку эмиссия оксидов азота при этом практически не изменяется, а габариты горелки и, следовательно, камеры сгорания, растут.

В отличие от прототипа, где торцевая конусная поверхность втулки завихрителя охлаждается омывающей ее закрученной струей топливовоздушной смеси, в заявляемой горелке втулка завихрителя выступает за пределы предкамеры и является стабилизатором факела, улучшающим устойчивость работы горелки. Однако для надежной работы горелки необходимо охлаждать торцевую поверхность втулки завихрителя, поскольку она находится в непосредственном контакте с горячими продуктами сгорания. Именно для охлаждения и обеспечения надежности работы горелки торцевая поверхность втулки завихрителя воздуха выполнена перфорированной, а внутри втулки имеются каналы для подачи воздуха через эту перфорацию, сообщенные с воздушным пространством перед завихрителем воздуха. За счет перепада давлений на завихрителе и предкамере, воздух поступает по каналам во втулке и через перфорацию к торцевой поверхности втулки завихрителя, снижая ее температуру.

На фиг. 1 изображен продольный разрез горелки; на фиг. 2 сечение горелки непосредственно за топливораздающим устройством; на фиг. 3 и 4 показан вариант конструктивного выполнения топливораздающего устройства.

Горелка содержит топливораздающее устройство 1, аксиальный лопаточный завихритель 2 воздуха с лопатками 3 и втулкой 4 и примыкающую к нему кольцевую предкамеру 5, образованную упомянутой втулкой 4 и цилиндрической обечайкой 6, расположенной коаксиально с ней и охватывающей лопатки 3 завихрителя 2, а также сужающее устройство, выполненное в виде конического пережима 7 и установленное на выходе цилиндрической обечайки 6 (фиг. 1). Причем втулка 4 завихрителя 2 проходит сквозь конический пережим 7 и выходит за пределы кольцевой предкамеры 5. Выходящий конец втулки 4 завихрителя 2 выполнен с перфорированной торцевой стенкой 8.

Внутри упомянутой втулки 4 имеется полость 9, примыкающая к перфорированной ее торцевой стенке 8 и сообщенная с каналом 10, у которого входное отверстие расположено перед завихрителем 2 воздуха.

Аксиальный лопаточный завихритель 2 установлен между топливораздающим устройством 1 и выходом кольцевой предкамеры 5, при этом длина предкамеры 5 определяется по следующей формуле: l = k·h·cosϕ, где k эмпирический коэффициент (k2,3-2,9); h высота лопатки завихрителя; v угол закрутки в завихрителе.

Следует заметить, что топливораздающее устройство 1 может иметь различные варианты конструктивного оформления. Так, на фиг. 1 и фиг. 2 изображено топливораздающее устройство 1 в виде перфорированных радиальных труб 11, как это сделано в прототипе и аналоге. На фиг. 3 и 4, для примера, представлено топливораздающее устройство 1 в виде трех сообщенных друг с другом кольцевых коллекторов 12. Возможны и другие конструкции.

При работе горелки воздух подается на вход обечайки 5 (см. стрелки на фиг. 1). Для исключения отрыва потока и формирования равномерного профиля скорости входной участок обечайки 5 выполнен в виде плавного закругленного конфузора. Далее воздушный поток натекает на топливораздающее устройство 1, через отверстия 11 которого в поток подается топливный газ. Диаметр и шаг отверстий 11 может быть выбран, например, так, что расход топлива пропорционален квадрату расстояния от оси горелки, т.е. расходы воздуха и топлива на соответствующих радиусах пропорциональны друг другу. Затем топливовоздушная смесь проходит через лопатки 3 завихрителя 2 воздуха и попадает в предкамеру 5 в виде кольцевой закрученной струи. При движении закрученной струи в предкамере 5 под действием массовых сил за счет интенсивного турбулентного переноса происходит эффективное перемешивание топлива с воздухом, и на выходе из предкамеры 5 длина которой определяется из упомянутой формулы, топливовоздушный поток имеет достаточно равномерное поле концентраций, чем и обеспечивается низкая эмиссия оксидов азота при последующем сжигании смеси. Проходя через конический пережим 7, топливовоздушный поток плавно ускоряется, приобретая в выходном сечении пережима максимальную скорость, которая на всех режимах работы горелки превосходит скорость распространения пламени, благодаря чему исключен проскок пламени в предкамеру. При течении потока в предкамере 5 отсутствуют отрывные и застойные зоны, на которых может стабилизироваться факел при кратковременном проскоке пламени в предкамеру (на нерасчетных режимах). Внутренняя поверхность пережима 7 омывается высокоскоростной закрученной струей холодной топливовоздушной смеси, чем достигается эффективное охлаждение пережима 7 и исключается тепловой проскок. После выхода за пределы предкамеры 5 закрученная струя топливовоздушной смеси продолжает движение в осевом направлении вдоль втулки 4 завихрителя 2, формируя за ее торцевой стенкой 8 развитую зону обратных токов, которая обеспечивает хорошую стабилизацию факела в широком диапазоне режимов работы горелки.

Для обеспечения надежности и длительности ресурса работы горелки торцевая стенка 8 втулки 4 завихрителя 5 выполнена охлаждаемой. Часть воздуха из воздушного пространства перед завихрителем по каналам 10 через отверстия перфорации в стенке 8 поступает в огневое пространство, создавая вблизи нее защитную пелену. Расход охлаждающего воздуха сравнительно мал и не влияет на горение топливовоздушной смеси.

Как видно из фигур и описания, заявляемая горелка содержит широко применяемые в этих устройствах элементы: цилиндрические и конические обечайки, трубы, лопаточный завихритель. Поэтому ее реализация не вызывает каких-либо технических проблем.

Формула изобретения

1. Горелка, содержащая топливораздающее устройство, аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой и примыкающую к нему кольцевую предкамеру, образованную упомянутой втулкой и цилиндрической обечайкой, расположенной коаксиально с ней и охватывающей лопатки завихрителя, а также сужающее устройство, установленное на выходе цилиндрической обечайки, отличающаяся тем, что сужающее устройство выполнено в виде конического пережима, втулка завихрителя проходит сквозь него, выходя за пределы кольцевой предкамеры, а длина последней является функцией высоты лопатки и угла закрутки потока завихрителя.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что аксиальный лопаточный завихритель установлен между топливораздающим устройством и выходом кольцевой предкамеры, при этом функциональная зависимость длины кольцевой предкамеры от высоты лопатки и угла закрутки потока определяется по следующей формуле:
l = k·h·cosϕ,
где k эмпирический коэффициент (k 2,3 2,9);
h высота лопатки завихрителя;
ϕ - угол закрутки потока в завихрителе.

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что выступающий за пределы предкамеры конец втулки завихрителя выполнен с перфорированной торцевой стенкой, а внутри втулки имеется примыкающая к этой стенке полость, сообщенная с каналом, у которого входное отверстие расположено перед завихрителем воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4