Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки

 

Использование: в газотурбостроении. Сущность изобретения: трубчато-кольцевая камера сгорания содержит жаровые трубы (ЖТ), каждая из которых содержит расположенный во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени смеситель (СМ), соединенный патрубком с лобовой стенкой (ЛС) ЖТ и выполненный в виде днища и оболочки, имеющих ряды отверстий, причем оболочка СМ выполнена в виде усеченного конуса с прямолинейной образующей или образующей в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси ЖТ, причем поверхность оболочки направлена против потока, в днище и оболочке смесителя дополнительно выполнены ряды щелей, а также в стенке ЖТ, в пределах длины выполнены ряды отверстий и щелей. 3 ил.

Изобретение относится к трубчато-кольцевым камерам сгорания газотурбинных энергетических установок, работающих преимущественно на сжатом природном газе с низкими выбросами оксидов азота и углерода.

Известна камера сгорания со ступенчатым горением, включающая в себя коаксиальную трубчатую конструкцию, состояющую из наружного цилиндра и коаксиально расположенного с ним внутреннего цилиндра, при этом внутренний цилиндр по длине короче наружного и располагается в зоне горения на участке восходящего потока в осевом направлении и образует кольцевую зону, ограниченную собственной стенкой и стенкой наружного цилиндра. В стенке наружного цилиндра, которая охватывает внутреннюю кольцевую часть внутреннего цилиндра, выполнен ряд отверстий, а на расстоянии, не меньшем, чем диаметр этого наружного цилиндра, располагается еще один ряд воздухоподводящих отверстий в направлении вниз по потоку относительно первых воздухоподводящих отверстий [1] .

Недостатками известной камеры сгорания являются увеличенные осевые габариты жаровой трубы вследствие ступенчатого горения и малый ресурс работы жаровых труб из-за окантовки воздухоподводящих отверстий в ее стенках. Окантовка воздухоподводящих отверстий в стенках жаровых труб, особенно при наличии вращения в набегающем потоке, приводит к увеличенным перепадам статического давления вокруг втулок и обычно способствует более быстрому прогоранию мест крепления, уменьшая ресурс жаровых труб. Известная конструкция предусматривает также впрыск воды и предназначена главным образом для выносных камер сгорания газотурбинных установок. Однако в случаях использования авиационных газотурбинных двигателей для наземных энергетических установок существует техническая задача обеспечения устойчивого экономического горения с минимальным выбросами оксидов азота и углерода при сжигании природного газа.

Наиболее близкой к заявляемой является трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, каждая из которых содержит расположенный во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени смеситель, соединенный патрубком с лобовой стенкой жаровой трубы и выполненный в виде днища и оболочки, имеющих ряды отверстий [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является неполное использование возможностей осуществления кинетического горения, т.е. возникновения в факеле пламени центров цепных реакций, аэродинамического торможения первичной зоны богатого горения, более интенсивного перемешивания и повышения полноты сгорания топлива с пониженным выбросом вредных веществ.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении устойчивого экономического горения с низким выбросом окислов азота и углерода при сжигании природного газа в камере сгорания газотурбинной энергетической установки путем достижения полноты его сгорания, превышающей 99% на рабочих режимах.

Сущность технического решения заключается в том, что в трубчато-кольцевой камере сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащей жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, каждая из которых содержит расположенный во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени смеситель, соединенный патрубком с лобовой стенкой жаровой трубы и выполненный в виде днища и оболочки, имеющих ряды отверстий, согласно изобретению оболочки смесителя выполнена в виде усеченного конуса с прямолинейной образующей или образующей в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы, причем поверхность оболочки направлена против потока, в днище и оболочке смесителя дополнительно выполнены ряды щелей, а также в стенке жаровой трубы, в пределах длины смесителя выполнены ряды отверстий и щелей, при этом полость газосборника образована собственными кольцевыми стенками.

Принцип организации горения в предлагаемой камере сгорания заключается в том, что при обеспечении лавинной активации горения с возникновением цепных реакций (кинематического горения) предварительно перемешанной смеси выбросы NO_x, CO и HC почти на порядок ниже, чем при горении диффузионного факела, в основе которого лежит теория тепловой активации молекулярных связей. Первичная зона богатого горения ( α_г = 0,5-0,7) снижает температуры газов за счет устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровых труб. В зоне отверстий смесителя смесь обедняется и сгорает при α_г = 1,8-2,2 с образованием зон лавинной активации горения, что повышает скорость и температуру зон горения, обеспечения полноту сгорания до 99,5%. При этом зоны кинетического горения тормозятся воздушным потоком, истекающим из отверстий в стенках жаровых труб и смесителя, обеспечивая требования по температурному полю на выходе из кольцевого газосборника.

Выполнение оболочки смесителя в виде усеченного конуса с прямолинейной образующей или образующей в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы, а поверхность оболочки направлена против потока, позволяет осуществлять торможение факела пламени первичной зоны богатого горения.

Выполнение оболочки смесителя с образующей в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы, более эффективно по сравнению с формой конуса с прямолинейной образующей за счет увеличения угла конусности на распыливающей кромке смесителя, с которой стекает пелена воздуха, разбавляющего поток продуктов сгорания и большего по сравнению с конусной поверхностью смесителя радиального отклонения потока, проходящего через кольцевой канал жаровой трубы, образованной смесителем.

Выполнение в оболочке смесителя дополнительно рядов щелей, а также в стенке жаровой трубы, в пределах длины смесителя выполнение рядов отверстий и щелей, позволяет столбиком (струям) воздуха пронизывать границу факела пламени богатой смеси и способствовать возникновению цепных реакций кинетического горения, а также одновременно воздушной завесой аэродинамически осуществлять торможение факела пламени первичной зоны богатого горения, что позволяет увеличивать скорость перемешивания продуктов сгорания первичной зоны богатого горения.

Выполнение рядов щелей в днище смесителя, преимущественно с закруткой воздушного потока, позволяет направить воздушный поток для "разбавления" продуктов горения в зоне обратных токов ниже по потоку за днищем смесителя, что снижает температурное поле на выходе из жаровых труб.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания; на фиг. 2 - смеситель в виде усеченной конусной оболочки с образующей в форме дуг окружности в увеличенном масштабе; на фиг. 3 - вид А на фиг. 1 (схема расположения жаровых труб относительно оси камеры сгорания).

Камера сгорания газотурбинной энергетической установки содержит жаровые трубы 1, соединенные с газосборником 2, скрепленным с внешним корпусом 3 и внутренним корпусом 4. Каждая из жаровых труб 1 содержит расположенный во внутренней полости 5 ниже по потоку от факела пламени 6 смеситель 7, соединенный патрубком 8 с лобовой стенкой 9 жаровой трубы 1 по торцу 10. При этом торец 10 патрубка 8 направлен навстречу воздушному потоку 11. Смеситель выполнен в виде днища 12 и усеченной конусной оболочки 13 с прямолинейной образующей или образующей в форме дуг окружности 14, 15 (см. фиг. 2), выпуклая сторона которых 16 направлена к оси 17 жаровой трубы 1. Поверхность оболочки 13 направлена против потока 11, а в днище 12 и оболочке смесителя 13, а также в стенке 18 жаровой трубы 1 в пределах длины 19 смесителя 7 выполнены ряды отверстий 20, 21 и щелей 22, причем полость 23 газосборника 2 образована собственными кольцевыми стенками: 24 - внешней стенкой и 25 - внутренней стенкой. Кроме того, на фиг. 1 поз. 26 обозначен топливный коллектор подачи сжатого природного газа 27 и диффузор 28 с "внезапным" расширением, а на фиг. 2 показана схема расположения жаровых труб 1 и смесителей 7 относительно оси 29 камеры сгорания.

Камера сгорания работает следующим образом.

При запуске энергетической установки в камере сгорания сжатый природный газ 27 подается через топливный коллектор 26, далее смешиваясь с потоком воздуха 11, подаваемого через отверстия в лобовой стенке 9 жаровой трубы 1, смесь воспламеняется во внутренней полости 5 жаровой трубы 1, образуя факел 6 диффузионного горения обогащенной ( α_г = 0,5-0,7) топливовоздушной смеси. В первичной зоне богатого горения ( α_г = 0,5-0,7) температура продуктов сгорания пониженная (≈750K) в результате устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках 18 жаровой трубы 1. При этом часть воздушного потока 11 через патрубок 8 направляется во внутреннюю полость смесителя 7, где дополнительно повышается статическое давление воздуха за счет динамического напора, и через ряды отверстий 21 и щелей 22 направляется навстречу фронту диффузионного факела пламени 6 первичной зоны богатого горения.

Другая часть воздушного потока 11 через ряды отверстий 20 в стенке 18 жаровой трубы 1 направляется в поперечном к стенкам 18 направлении. Струи (столбики) воздуха, вытекающие через ряды отверстий 20 и 21, пронизывают границу фронта факела пламени 6 и способствуют возникновению лавинообразной активации горения. При этом температура смеси резко повышается (до 1960K). Для ее снижения часть воздушного потока, вытекающего из отверстий 20, 21 и щелей 22, создает аэродинамическую завесу, способствуя торможению продуктов сгорания и увеличения время нахождения продуктов сгорания в жаровой трубе 1. Поток воздуха 11 вытекает также через ряды щелей 22 из днища 12 смесителя 7, что позволяет увеличить скорость перемешивания продуктов сгорания. При этом газосборник 2, образованный собственными кольцевыми стенками 24, 25, увеличивает дополнительно время нахождения продуктов сгорания в полости газосборника за счет увеличения его объема, а также за счет увеличения траектории движения частиц продуктов сгорания. При выполнении образующей конуса оболочки 13 смесителя 7 в форме дуг 14, 15 траектория движения еще больше отклоняется в радиальном направлении, способствуя еще долее высокой степени смешения продуктов сгорания, что увеличивает время нахождения продуктов сгорания в полости газосборника и понижает поле температур на выходе из камеры сгорания.

Таким образом, предлагаемая камера сгорания позволяет уменьшить время пребывания микрочастиц топлива при высоких температурах, что многократно снижает выбросы окислов азота. Выполнение газосборника таким образом, что полость горения его образована собственными кольцевыми стенками, позволяет увеличивать объем полости газосборника, а также время нахождения продуктов сгорания природного газа, "разбавленного" вторичным воздухом за счет увеличения траектории потока до его поступления к лопаткам турбины, что также понижает поле температур и выравнивает его на выходе из камеры сгорания.

Формула изобретения

Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренними корпусами, каждая из которых содержит расположенный во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени смеситель, соединенный патрубком с лобовой стенкой жаровой трубы и выполненный в виде днища и оболочки, имеющих ряды отверстий, отличающаяся тем, что оболочка смесителя выполнена в виде усеченного конуса с прямолинейной образующей или образующей в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы, причем поверхность оболочки направлена против потока, в днище и оболочке смесителя дополнительно выполнены ряды щелей, а также в стенке жаровой трубы, в пределах длины смесителя выполнены ряды отверстий и щелей, при этом полость газосборника образована собственными кольцевыми стенками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3