Горелка с предварительным смешиванием

 

Изобретение относится к теплоэнергетике. Двухконусная горелка с предварительным смешиванием состоит в основном из двух полых, конусообразных, вставленных друг в друга в направлении течения тел (111, 112), средние оси (113, 114) которых взаимно смещены. Соседние стенки обоих тел образуют в их продольном направлении тангенциальные щели (20) для воздуха для горения. В стенках обоих тел предусмотрены распределенные в продольном направлении газовпускные отверстия (117). Воздух направляется в тангенциальных щелях (20) завихрителями (9), из которых несколько расположены рядом по щели. Топливо подается в щели (20) в непосредственной зоне завихрителей (9). 6 з. п. ф-лы. 9 ил.

Изобретение относится к двухконусной горелке с предварительным смешиванием, содержащей в основном два полых, конусообразных, вставленных друг в друга в направлении течения тела, средние оси которых взаимно смещены, при этом соседние стенки обоих тел образуют в их продольном направлении тангенциальные щели для воздуха для горения, а в зоне тангенциальных щелей в стенках обоих тел предусмотрены распределенные в продольном направлении газовпускные отверстия.

Известны двухконусные горелки, например, из европейского патента N0321809, изображенные ниже на фиг.1 и 2. Топливо, в данном случае природный газ, подается во входных щелях в поступающий от компрессора воздух для горения через ряд инжекционных сопел, которые, как правило, равномерно распределены по всей щели.

С тем, чтобы достичь надежного воспламенения смеси в подключенной камере сгорания и достаточного сгорания, требуется однородная смесь топлива и воздуха. Хорошее смешивание способствует также воспрепятствованию возникновения так называемых "горячих пятен" в камере сгорания, приводящих среди прочего к образованию нежелательных оксидов азота.

Упомянутая выше подача топлива посредством классических средств, например поперечно-струйных смесителей, затруднена, поскольку само топливо имеет недостаточный импульс для достижения требуемого "грубошкального" распределения и "тонкошкального" смешивания.

В основу изобретения поставлена задача оборудования двухконусной горелки вышеназванного вида устройством, с помощью которого можно в обтекаемой входной щели создать продольные вихри без зоны рециркуляции.

Согласно изобретению, это достигается тем, что воздух направляется в тангенциальных щелях завихрителями, из которых несколько расположены по ширине или периферии обтекаемой щели рядом, предпочтительно без промежутков, и высота которых составляет по меньшей мере 50% высоты обтекаемой щели, и топливо подается в щели в непосредственной зоне завихрителей.

С помощью нового статического смесителя, который представляет собой трехмерные завихрители, можно достичь на входе в горелку чрезвычайно коротких отрезков смешивания при одновременно низкой потере напора. Уже после одного полного оборота вихря происходит грубое перемешивание обоих потоков, в то время как тонкое смешивание, вследствие турбулентности течения, происходит после прохождения отрезка, соответствующего высоте нескольких щелей.

Этот вид смешивания особенно пригоден для примешивания к воздуху для горения топлива с относительно небольшим предварительным сжатием при большом разрежении. Небольшое предварительное сжатие топлива имеет преимущество, в частности при применении средне- и низкокалорийных горючих газов. Необходимая для смешивания энергия отбирается при этом большей частью из энергии течения среды с большим объемным потоком, т.е. воздуха для горения.

Завихритель-генератор отличается тем, что он имеет три свободно обтекаемые плоскости, которые проходят в направлении течения, и одна из которых образует крышу, а обе другие - боковые стенки; боковые стенки соединены с одной и той же стенкой щели и заключают угол α ; крышка прилегает перпендикулярно обтекаемой входной щели гранью к той же стенке щели, что и боковые стенки; продольно-направленные грани крыши, соединенные с входящими в обтекаемую щель продольно-направленными гранями боковых стенок, проходят под углом атаки Θ к стенке щели.

Преимущество такого завихрителя следует усматривать в его особой простоте в любом отношение. Технологически состоящий из трех обтекаемых стенок завихритель совершенно не представляет проблем. Крыша может быть соединена с боковыми стенками самым различным образом. Также фиксация завихрителя на плоских или криволинейных стенках щели может осуществляться в случае применения свариваемых материалов простыми сварными швами. Само собой, завихрители могут быть также отлиты вместе с ограничительными стенками. С точки аэродинамики завихритель имеет при обтекании очень низкую потерю напора и создает вихри без "зоны стоячей воды". Наконец, завихритель благодаря своему, как правило, полому внутреннему пространству может быть охлажден самым различным образом и различными средствами.

При равномерном притоке воздуха для горения во входных щелях уместно выбрать отношение высоты h соединительной грани обеих боковых стенок к высоте H щели так, чтобы созданный вихрь непосредственно за завихрителем заполнял всю высоту щели или всю высоту соответствующей завихрителю части щели.

За счет того, что по ширине обтекаемой входной щели рядом без промежутков расположены несколько завихрителей, уже за завихрителями на небольшом удалении от них вихри полностью нагружают все сечение щели.

При регулировании скорости во входных щелях целесообразно предусмотреть разную высоту расположенных рядом завихрителей таким образом, чтобы абсолютная потеря напора оставалась постоянной вдоль входных щелей.

Если обе заключающие угол α боковые стенки расположены симметрично вокруг оси симметрии, это создает одинаково закрученные вихри.

Другие преимущества изобретения, в частности в связи с расположением завихрителей и подачей топлива, следуют из зависимых пунктов формулы.

На фиг. 1 показан частичный продольный разрез камеры сгорания; на фиг.2, А -сечение горелки с предварительными смешиванием в зоне выхода; на фиг. 2 B -сечение горелки с предварительным смешиванием в зоне вершины конуса; на фиг. 3 -перспективный вид завихрителя; на фиг. 4 -вариант исполнения завихрителя; на фиг. 5 - вариант расположения завихрителя по фиг. 3; на фиг. 6, a-c-групповое расположение завихрителей во входной щели в продольном разрезе, при виде сверху и сзади; на фиг. 7, a-c -вариант группового расположения завихрителей в том же виде, что и на фиг.3, с вариантом подачи топлива; на фиг. 8 -вид спереди входной щели со встроенными завихрителями; на фиг.9 -вариант расположения завихрителей во входной щели.

На чертеже показаны только необходимые для понимания изобретения элементы. Направление течения рабочих сред обозначено стрелками. На разных фигурах одинаковые элементы имеют одинаковые позиции. Не существенные для изобретения элементы, например корпус, крепления, вводы для проводов, подготовка топлива, регуляторы и т.п., опущены.

На фиг. 1, куполообразно замыкая камеру сгорания, в ее стенке 100 установлено несколько горелок 101 с предварительным смешиванием. В качестве топлива используется предпочтительно газ. Воздух для горения подается из кольцеобразного воздуховпускного отверстия 102 во внутреннее пространство 103 корпуса, откуда поступает по стрелке в горелку 101.

У схематично изображенной на фиг. 1 и 2 горелки 101 речь идет о так называемой двухконусный горелке, известной, например, из европейского патента N 0321809. Она состоит в основном из двух полых, конусообразных тел 111, 112, вставленных друг в друга в направлении течения. При этом средние оси 114, 114 обоих тел взаимно смещены. Соседние стенки обоих тел образуют в их продольном направлении тангенциальные щели 20 для воздуха, попадающего таким образом внутрь горелки. Там расположена первая форсунка 116 для жидкого топлива, подаваемого в полые конуса под острым углом. Образующийся конический профиль топлива охватывается тангенциально поступающим воздухом для горения. В осевом направлении концентрация топлива непрерывно уменьшается вследствие смешивания с воздухом. В данном случае горелка работает также на газообразном топливе. Для этого в зоне щелей 20 в стенках обоих тел предусмотрены распределенные в продольном направлении газовпускные отверстия 117. В газовом режиме работы образование смеси с воздухом начинается, следовательно, уже в зоне щелей 20. Понятно, что таким образом, возможен и смешанный режим работы с обоими видами топлива.

На выходе 118 горелки устанавливается максимально однородная концентрация топлива по нагруженному кольцеобразному сечению. На выходе возникает определенная сферическая зона обратного потока, на вершине которой происходит воспламенение.

Такие двухконусные горелки известны из описанного выше патента N0321809. Прежде чем перейти к устройству нового смесительного устройства в горелке, следует сначала описать важные для принципа действия изобретения завихрители.

На фиг. 3-5 собственно входящая щель, обтекаемая изображенным большой стрелкой главным течением, не показана. На этих фигурах завихритель 9 состоит в основном из трех свободно обтекаемых треугольных плоскостей - крыши 10 и двух боковых стенок 11, 13. По своей продольной протяженности эти плоскости расположены под определенными углами в направлении течения.

На всех изображенных примерах стенки 11, 13 расположены вертикально на стенке 21 щели, причем следует отметить, что это необязательно. Боковые стенки, состоящие из прямоугольных треугольников, фиксированы, предпочтительно газонепроницаемо, на стенке 21 своими продольными сторонами. Они ориентированы так, что образуют на узких сторонах стык, заключающий угол α. Стык выполнен в виде острой соединительной грани 16 и расположен также перпендикулярно стенке 21, с которой соединены боковые стенки. Обе заключающие угол α стенки 11, 13 по форме, величине одинаково ориентированы и расположены с обеих сторон от оси симметрии 17 (фиг. 6в, 7, в). Ось 17 соосна с осью щели.

Крыша 10 прилегает очень острой гранью 15, перпендикулярной обтекаемой входной щели, к той же стенке 21, что и стенки 11, 13. Ее продольно-направленные грани 12, 14 соединены с входящими в обтекаемую щель продольно-направленными гранями стенок 11, 13. Крыша 10 проходит под углом атаки к стенке 21. Ее продольные грани 12, 14 образуют вместе с соединительной гранью 16 вершину 18.

Само собой, завихритель может быть снабжен также основанием, которым он закреплен подходящим образом на стенке 21. Подобное основание не находится ни в какой связи с принципом действия завихрителя.

На фиг. 3 грань 16 образует заднюю грань завихрителя. Грань 15 крыши, перпендикулярная обтекаемой входной щели, является таким образом первой гранью, нагружаемой течением в щели.

Принцип действия завихрителя 9 следующий. При обтекании граней 12, 14 главное течение преобразуется в пару встречных вихрей. Их оси лежат на оси главного течения. Возникает нейтральный в отношении закручивания характер течения, у которого направление вращения обоих вихрей возрастает в зоне соединительной грани. Число закручиваний и место обрыва вихрей, если последнее вообще нужно, определяется соответствующим выбором углом α и Θ . С увеличением углов сила вихрей или число закручиваний возрастает и место обрыва вихрей перемещается против течения до зоны самого завихрителя. В зависимости от применения оба угла α и Θ заданы конструктивными мерами и самим процессом. Следует лишь привести в соответствие высоту h грани 16 (фиг. 6,а).

Из фиг. 6,a, 6,b, на которых обтекаемая входная щель обозначена поз. 20, видно, что завихритель может иметь различную высоту по отношению к высоте H щели. Как правило, высоту грани 16 согласуют с высотой H щели так, чтобы созданный вихрь непосредственно за завихрителем уже достигал величины, обеспечивающей заполнение всей высоты H щели. Другим критерием, который может оказать влияние на выбираемое отношение h/H, является падение напора, возникающее при обтекании завихрителя. Понятно, что с увеличением отношения h/H возрастает и коэффициент потери напора.

На фиг.4 изображен так называемый "половинчатый" завихритель 9а на основе завихрителя 9 по фиг. 3, у которого только одна из боковых стенок имеет угол α/2. Другая боковая стенка прямая и ориентирована в направлении течения. В противоположность симметричному завихрителю 9 здесь создается только один вихрь на обозначенной стрелкой стороне. Следовательно, за завихрителем 9а отсутствует нейтральное по отношению к вихрю поле, и течение закручивается, если завихритель 9а один.

В противоположность фиг. 3 на фиг. 5 острая соединительная грань 16 завихрителя 9 является тем местом, которое нагружается течением первым. Завихритель повернут на 180^oC. Как видно, оба встречных вихря изменили направление своего вращения.

На фиг. 6 показано, как по ширине обтекаемой входной щели 20 рядом, без промежутков, расположены три завихрителя 9. Щель 20 имеет в этом случае прямоугольную форму, что, однако, несущественно для изобретения.

Вариант исполнения с двумя полными завихрителями 9 и граничащими с ними с обеих сторон половинчатыми завихрителями 9а изображен на фиг. 7. При той же высоте H щели и том же угле Θ крыши 10, как на фиг. 6, завихрители отличаются, в частности, своей большой высотой h. При этом же угле Θ это неизбежно приводит к увеличению длины h завихрителя и, как следствие из-за такого же шага, к уменьшению угла α . По сравнению с фиг. 6 вихри меньше закручены, однако полностью заполняют сечение щели в течение более короткого времени. Если в обоих случаях планируется обрыв вихрей, например для стабилизации течения, это произойдет у завихрителя на фиг. 7 позже, чем на фиг. 6.

Изображенные на фиг. 6 и 7 каналы представляют собой прямоугольные воздушные каналы низкого давления. Следует еще раз указать на то, что форма обтекаемой входной щели несущественна для принципа действия изобретения. С помощью завихрителей 9, 9а два течения смешиваются между собой. Главное течение в виде воздуха для горения атакует по стрелке поперечно-направленные входные грани 15. Вторичное течение в виде топлива имеет значительно меньший массовый поток, чем главное течение, и вводится в главное течение в непосредственной зоне завихрителей.

На фиг. 6 этот ввод осуществляется через отдельные отверстия 22а в стенке 21а, у которой речь идет о той стенке, на которой установлены завихрители. Отверстия 22а находятся на линии симметрии 17 за соединительной гранью 16 каждого завихрителя. При такой конструкции топливо попадает в уже имеющиеся "грубошкальные" вихри.

На фиг. 7 изображен вариант исполнения входной щели, у которой топливо подается также через отверстия 22b. Они находятся за завихрителями в той стенке 21b, на которой не установлены завихрители, т.е. на противоположной стенке 21a. Отверстия 22 выполнены по центру между соединительными гранями 16 двух соседних завихрителей, как это видно из фиг. 4. Таким образом, топливо попадает в вихри, как на фиг. 6, правда, с тем отличием, что оно не примешивается к вихрям пары, созданной одним и тем же завихрителем, а к двум вихрям двух соседних завихрителей. Поскольку соседние завихрители установлены без промежутков и создают вихревые пары с одинаковым направлением вращения, подача топлива на фиг. 6 и 7 происходит одинаково.

У входной щели на фиг. 8 предполагается, что имеется изменяющееся по величине поле скоростей. На вершине конуса в головке горелки скорость примерно в 1,5-2 раза выше, чем в конце щели вблизи выхода горелки. За счет этого динамический напор в щели изменяется примерно на коэффициент 3. С тем, чтобы не нарушать течение внутри горелки, абсолютная потеря напора должна быть, однако, постоянной вдоль входной щели. Это достигается разной высотой завихрителей на фиг. 8. Разная высота вызывает, само собой, разное падение напора. В результате потеря напора горелки увеличивается лишь на величину потери напора завихрителей. В общей сложности это менее 10% потери напора горелки.

Понятно, что здесь придется отказаться от упоминания абсолютных значений, поскольку из-за своей зависимости от слишком многочисленных параметров они и без этого не являются представительными. В качестве примера следует лишь сказать, что испытания с одной определенной конструктивной формой завихрителей показали, что при данном распределении скорости вдоль прямоугольной щели высота завихрителей, составляющая около 1/4 высоты в головке горелки, приводит примерно к той же потере напора, что и у завихрителей на конце горелки, заполняющих 3/4 высоты щели. В зоне вершины конуса завихрители имеют поэтому высоту, не соответствующую рекомендуемой минимальной высоте 50% высоты щели. Не достигаемое там оптимальное смешивание снова компенсируется дальше в направлении течения на относительно длинном отрезке вплоть до устья горелки. В целом, при неизменном поле течения в горелке можно ожидать безупречного предварительного смешивания.

На фиг. 8 все завихрители имеют одинаковый характер стрелок и одинаковый угол атаки, что на фиг. 2,A, 2,B при данной высоте приводит к разной длине завихрителей. Если подача топлива должна осуществляться по названным относительно фиг. 6 правилам в плоскости соединительных граней, то это приводит, само собой, к неодинаковому расстоянию и следствие этого к неодинаковому диаметру отдельных отверстий.

У входной щели на фиг. 9 предполагается, что имеется изменяющееся по величине и направлению поле скоростей. Наряду с подгонкой падения напора здесь следует обратить внимание на то что угол притока воздуха для горения не изменяется. В соответствии с этим здесь ось симметрии завихрителей проходит в направлении течения, т. е. под определенным углом к продольной оси щели. В этом примере завихрители имеют одинаковый угол α , однако разные углы Θ . Длина всех завихрителей за счет этого одинакова. Отверстия для подачи топлива эквидистантны.

Подаваемое топливо подхватывается вихрями и смешивается с воздухом. Оно повторяет спиралеобразный характер вихрей равномерно мелко распределяется за вихрями внутри горелки. За счет этого уменьшаются, как при обычной радиальной подаче топлива в безвихревое течение, опасность удара струй о противоположную стенку и образование так называемых "горячих пятен".

Поскольку основной процесс смешивания происходит в вихрях, и он в значительной степени невосприимчив к импульсу подачи топлива, подача может осуществляться гибко и приводиться в соответствии с другими граничными условиями. Так, во всем диапазоне нагрузки может быть сохранен одинаковый импульс подачи. Поскольку смешивание определяется геометрией завихрителей, а не нагрузкой двигателя, в данном случае мощностью газовой турбины, горелка такой конструкции работает оптимально и в условиях частичной нагрузки.

Изобретение не ограничено описанными и изображенными примерами. В отношении расположения завихрителей возможны многочисленные комбинации, не выходящие за рамки изобретения. Также ввод вторичного течения в главное течение может осуществляться разнообразно.

Формула изобретения

1. Горелка с предварительным смешиванием по принципу двойного конуса, содержащая в основном два полых, конусообразных, вставленных друг в друга в направлении течения тела (111,112), средние оси (113,114) которых взаимно смещены, причем соседние стенки обоих тел отразуют в их продольном направлении тангенциальные щели (20) для воздуха для горения, а в зоне тангенциальных щелей в стенках обоих тел предусмотрены распределенные в продольном направлении газовпускные отверстия (117), отличающаяся тем, что для направления воздуха в тангенциальных щелях (20) предусмотрены завихрители (9), из которых несколько расположены по ширине или периферии обтекаемой щели рядом, предпочтительно без промежутков, и высота (h) которых составляет по меньшей мере 50% высоты (Н) обтекаемой щели, при этом топливо подается в щели (20) в непосредственной зоне завихрителей (9).

2. Горелка с предварительным смешиванием для газотурбинной установки по п.1, отличающаяся тем, что завихритель (9) - генератор содержит три свободно обтекаемые плоскости, которые проходят в направлении течения, и одна из которых образует крышку (10), а обе другие - боковые стенки (11,13), соединены с одной и той же стенкой (21) щели и заключают угол (α, α/2), причем крыша (10) прилегает гранью, обтекаемой поперек к входной щели (20) к той же стенке (21) щели, что и боковые стенки, при этом продольнонаправленные грани (12,14) крыши, соединены с входящими в обтекаемую щель продольно-направленными гаранями боковых стенок, проходят под углом атаки (Θ) к стенке (21) щели.

3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что отношение высоты (h) завихрителя (9,9а) к высоте (Н) щели выбрано из условия, что созданный вихрь заполняет всю высоту щели непосредственно за завихрителем.

4. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что обе боковые станки (11,13) завихирителя (9), заключающие угол (α), расположены симметрично вокруг оси симметрии (17).

5. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что обе боковые стенки (11,13), заключающие угол ( α ), образуют между собой соединительную грань (16), которая вместе с продольнонаправленными гранями (12,14) крыши (10) образует вершину (18), при этом соединительная грань проходит предпочтительно перпендикулярно той стенке (21) щели, с которой соединены боковые стенки.

6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что соединительная грань (16) и/или прдольнонаправленные грани (12,14) крыши выполнены по меньшей мере приблизительно острыми.

7. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что расположенные рядом в щели (20) завихрители (9) имеют разную высоту (h).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9