Вихревая горелка

Изобретение относится к устройствам, в которых компонентам топлива придается вихревое движение. Горелка предназначена для камер сгорания стационарных газотурбинных двигателей и обеспечивает снижение образования окислов азота NO_x и их выбросов в атмосферу. Вихревая горелка содержит трубопровод подвода газообразного топлива с коаксиально расположенным на нем за его выходом цилиндрическим смесителем топлива и воздуха с воздушным лопаточным завихрителем на входе в смеситель и диффузором на выходе. Трубопровод подвода газообразного топлива снабжен последовательно соединенными топливным коллектором, завихрителем топлива и выходным участком в виде цилиндрической втулки, закрытой с одного торца и сообщенной со стороны другого торца через выходную втулку меньшего диаметра со смесителем топлива и воздуха, цилиндрическая втулка дополнительно соединена через завихритель воды и водяной коллектор с трубопроводом подачи воды, при этом топливный и водяной коллекторы размещены на цилиндрическом смесителе топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихрители топлива и воды выполнены в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутреннему диаметру цилиндрической втулки. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к горелкам, в которых компонентам придается вихревое движение. Горелка предназначена для камер сгорания стационарных газотурбинных двигателей.

Известна вихревая горелка, содержащая трубопровод подвода газообразного топлива с коаксиально расположенным за его выходом цилиндрическим смесителем топлива с воздухом и воздушным лопаточным завихрителем на входе в смеситель и диффузором на выходе (В.П.Лукачев, А.И.Белоусов, А.М.Ланский. "Влияние конструктивных параметров вихревых газовых горелок на характеристики кольцевой авиационной камеры сгорания" // Горение в потоке: Межвузовский сборник. Казань, 1982. Стр. 56-61, стр. 58, рис. 1б).

Недостатком такого устройства является относительно низкая эффективность процесса перемешивания топливного газа и воздуха и, как следствие, невысокая полнота сгорания и наличие значительного количества вредных веществ в продуктах сгорания.

Задачей изобретения является интенсификация процесса перемешивания топлива с воздухом путем подачи в пульсационном режиме топливно-водяной мелкодисперсной аэрозоли в камеру сгорания, ее сгорание под действием акустических колебаний и снижение вредных выбросов оксидов азота NO_х в атмосферу.

Указанная задача достигается тем, что в вихревой горелке, содержащей трубопровод подвода газообразного топлива с коаксиально расположенным за его выходом цилиндрическим смесителем топлива с воздухом и воздушным лопаточным завихрителем на входе в смеситель и диффузором на выходе, трубопровод подвода газообразного топлива снабжен последовательно соединенными топливным коллектором, завихрителем топлива и выходным участком в виде цилиндрической втулки, закрытой с одного торца и сообщенной со стороны другого торца через выходную втулку меньшего диаметра со смесителем топлива и воздуха, цилиндрическая втулка дополнительно соединена через завихритель воды и водяной коллектор с трубопроводом подачи воды, при этом топливный и водяной коллекторы размещены над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихрители топлива и воды выполнены в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутренней поверхности цилиндрической втулки.

Целесообразно, чтобы отношение внутренних диаметров выходной и цилиндрической втулок было выбрано в интервале 0,5÷0,95, а направление закрутки завихрителей газообразного топлива и воды было выбрано в одну сторону.

Кроме того, цилиндрическая втулка может быть дополнительно соединена через завихритель и коллектор с трубопроводом подачи жидкого топлива, при этом коллектор размещен над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихритель жидкого топлива выполнен в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутренней поверхности цилиндрической втулки, а направление закрутки завихрителей жидкого топлива и воды выбрано в одну сторону.

Новым здесь является то, что что трубопровод подвода газообразного топлива снабжен последовательно соединенными топливным коллектором, завихрителем топлива и выходным участком в виде цилиндрической втулки, закрытой с одного торца и сообщенной со стороны другого торца через выходную втулку меньшего диаметра со смесителем топлива и воздуха, цилиндрическая втулка дополнительно соединена через завихритель воды и водяной коллектор с трубопроводом подачи воды, при этом топливный и водяной коллекторы размещены над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихрители топлива и воды выполнены в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутренней поверхности цилиндрической втулки.

Такое выполнение вихревой горелки при ее работе на газообразном топливе с добавлением воды позволит осуществить подачу топливно-водяной смеси для перемешивания с воздухом и горения через "вихревой свисток", так что перемешивание компонентов: топливно-водяной аэрозоли и воздуха, и, далее, горение будет проходить под действием акустических колебаний.

Это интенсифицирует весь процесс, повышает его эффективность и сокращает количество вредных выбросов оксидов азота NO_x в атмосферу.

Новым здесь является и то, что подвод газообразного топлива в смеси с водой в камеру сгорания осуществляется через вихревой свисток. Из уровня техники известны вихревые горелки, которые перемешивают топливо и воздух в пульсационном режиме, используя лопаточные завихрители. Эффективность таких горелок невысока из-за низкого уровня генерируемых колебаний.

Поэтому можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критериям "новизны" и "изобретательского уровня".

Кроме того, новым является и то, что:

а) отношение внутренних диаметров выходной и цилиндрической втулок выбрано в интервале 0,5÷0,95. Такой интервал обеспечивает нормальную работу вихревого свистка;

б) цилиндрическая втулка дополнительно соединена через завихритель и коллектор с трубопроводом подачи жидкого топлива, при этом коллектор размещен над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихритель жидкого топлива выполнен в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутреннему поверхности цилиндрической втулки. Такая дополнительная линия для подачи жидкого топлива позволяет быстро переходить с газообразного на жидкое топливо без дополнительных переделок горелки. Эта способность особенно важна для двигателей, работающих в составе энергетических установок, вырабатывающих электроэнергию;

в) направление закрутки завихрителей газообразного топлива и воды выбрано в одну сторону;

г) направление закрутки завихрителей жидкого топлива и воды выбрано в одну сторону.

На фиг.1 показан продольный разрез вихревой горелки.

На фиг.2 показан поперечный разрез горелки в сечении вихревых завихрителей воды.

На фиг.3 показан поперечный разрез горелки в сечении вихревых завихрителей газообразного топлива.

На фиг.4 показан поперечный разрез горелки в сечении вихревых завихрителей жидкого топлива.

Вихревая горелка содержит трубопровод подвода газообразного топлива 1 с коаксиально расположенным за его выходом цилиндрическим смесителем топлива с воздухом 2 и воздушным лопаточным завихрителем 3 на входе в смеситель 2 и диффузором 4 на выход. Трубопровод подвода газообразного топлива 1 снабжен последовательно соединенными топливным коллектором 5, завихрителем топлива 6 и выходным участком в виде цилиндрической втулки 7, закрытой с одного торца 8 и сообщенной со стороны другого торца 9 через выходную втулку 10 меньшего диаметра со смесителем топлива и воздуха 2. Цилиндрическая втулка 7 дополнительно соединена через завихритель воды 11 и водяной коллектор 12 с трубопроводом подачи воды 13, при этом топливный 5 и водяной 12 коллекторы размещены над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха 2 в районе воздушного лопаточного завихрителя 3. Завихрители топлива 6 и воды 11 выполнены в виде каналов 14 и 15 соответственно в лопатках 16 воздушного завихрителя 3, направленных поперек продольной оси 17 горелки по касательной к внутренней поверхности 18 цилиндрической втулки 7. Отношение внутренних диаметров выходной и цилиндрической втулок выбрано в интервале 0,5÷0,95. Цилиндрическая втулка 7 дополнительно соединена через завихритель 19 и коллектор 20 с трубопроводом подачи жидкого топлива 21, при этом коллектор 20 размещен над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха 2 в районе воздушного лопаточного завихрителя 3. Завихритель жидкого топлива 19 выполнен в виде каналов 22 в лопатках 16 воздушного завихрителя 3, направленных поперек продольной оси 17 горелки по касательной к внутренней поверхности 18 цилиндрической втулки 7. Направление закрутки завихрителей газообразного топлива 6 и воды 11 выбрано в одну сторону. Направление закрутки завихрителей жидкого топлива 19 и воды 11 выбрано в одну сторону.

Работает вихревая горелка следующим образом. Топливный газ из коллектора 9 через тангенциальные каналы 7, расположенные в лопатках воздушного завихрителя 8, поступает в цилиндрическую втулку 5, в нее же из коллектора 10 по аналогичным каналам 7, расположенным также в лопатках воздушного завихрителя 8, поступает вода. Эти два компонента, закручиваясь в цилиндрической втулке 5 и выходя из втулки меньшего диаметра 6 в виде топливно-водяной аэрозоли, смешиваются с воздухом, поступающим через воздушный завихритель 2 на входе в диффузор 3 и далее в нем в колебательном режиме. Далее в камере сгорания также под действием акустических колебаний протекает горение компонентов.

Такое осуществление процесса перемешивания компонентов и горения приводит к быстрому выгоранию топлива с высокой полнотой завершения химических процессов, а участие воды в процессе горения приводит к экономии топлива и снижению вредных выбросов оксидов азота NO_x в атмосферу.

В случае необходимости горелка может работать не только на газообразном топливе, но и на жидком топливе без всяких конструктивных переделок. Просто линия подачи газообразного топлива перекрывается, и открывается линия подачи жидкого топлива. При переходе работы горелки с газообразного на жидкое топливо работа устройства осуществляется аналогичным образом.

1. Вихревая горелка, содержащая трубопровод подвода газообразного топлива с коаксиально расположенным за его выходом цилиндрическим смесителем топлива с воздухом и воздушным лопаточным завихрителем на входе в смеситель и диффузором на выходе, отличающаяся тем, что трубопровод подвода газообразного топлива снабжен последовательно соединенными топливным коллектором, завихрителем топлива и выходным участком в виде цилиндрической втулки, закрытой с одного торца и сообщенной со стороны другого торца через выходную втулку меньшего диаметра со смесителем топлива и воздуха, цилиндрическая втулка дополнительно соединена через завихритель воды и водяной коллектор с трубопроводом подачи воды, при этом топливный и водяной коллекторы размещены над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихрители топлива и воды выполнены в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутренней поверхности цилиндрической втулки.

2. Вихревая горелка по п.1, отличающаяся тем, что отношение внутренних диаметров выходной и цилиндрической втулок выбрано в интервале 0,5÷0,95.

3. Вихревая горелка по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрическая втулка дополнительно соединена через завихритель и коллектор с трубопроводом подачи жидкого топлива, при этом коллектор размещен над цилиндрическим смесителем топлива и воздуха в районе воздушного лопаточного завихрителя, завихритель жидкого топлива выполнен в виде каналов в лопатках воздушного завихрителя, направленных поперек продольной оси горелки по касательной к внутренней поверхности цилиндрической втулки.

4. Вихревая горелка по п.1, отличающаяся тем, что направление закрутки завихрителей газообразного топлива и воды выбрано в одну сторону.

5. Вихревая горелка по п.3, отличающаяся тем, что направление закрутки завихрителей жидкого топлива и воды выбрано в одну сторону.