Способ сжигания топлива и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках. Способ сжигания топлива, в котором поток топлива разделяется по меньшей мере на три струи, которые подаются последовательно в разных сечениях в поток воздуха, после чего топливо и воздух смешиваются в потоке до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, которая затем подается в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное пространство, где указанная смесь сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла, отличается тем, что подачу струй топлива в поток воздуха осуществляют таким образом, чтобы соблюдалось определенное соотношение характерных времен. Горелка для осуществления способа сжигания топлива содержит наружную цилиндрическую обечайку, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха, кольцевую предкамеру, на входе которой имеется топливораздающее устройство. Предлагаемое изобретение позволяет повысить устойчивость процесса горения. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Известен способ сжигания топлива [1], который осуществляется в устройстве [2]. Известный способ [1] заключается в том, что поток топлива разделяется на струи (или группы струй), которые подаются в поток воздуха, после чего топливо и воздух смешиваются в потоке в течение времени Т_см до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, а затем полученная смесь подается в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство, где в течение времени Т_гор смесь сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла. Известное устройство [2], которое используется для осуществления способа [1], представляет собой горелку, содержащую наружную цилиндрическую обечайку диаметра D, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую устанавливается топливораздающее устройство с отверстиями для подачи топлива в предкамеру. Наличие в известном способе задержки по времени между моментом подачи топлива в поток и моментом выделения тепловой энергии длительностью Т_см+Т_гор приводит к определенному фазовому сдвигу между колебаниями расхода, давления и тепловыделения, в результате чего в потоке могут возникать и поддерживаться пульсации давления. Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является невысокая устойчивость процесса горения, проявляющаяся в пульсациях давления, которые часто развиваются до опасных амплитуд, что приводит к сокращению ресурса и механическим повреждениям топливосжигающих устройств.

Указанных недостатков в значительной мере лишен принятый нами за прототип способ сжигания топлива [3], который осуществляется в устройстве [4], также принятом за прототип. Способ по прототипу заключается в том, что поток топлива разделяется на по меньшей мере три струи (или три группы струй) и подается последовательно в разных сечениях в поток воздуха, при этом путь от сечения, в которое подается первая струя (или первая группа струй), до сечения, в которое подается последняя струя (или последняя группа струй) топлива, поток проходит за время Т_подв, после чего топливо и воздух смешиваются в потоке в течение времени Т_см до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, а затем полученная смесь подается в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство, где в течение времени Т_гор смесь сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла. Известное устройство [4], для осуществления способа [3], горелка для сжигания топлива содержит наружную цилиндрическую обечайку диаметра D, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, образующий совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую устанавливается топливораздающее устройство с по меньшей мере тремя отверстиями (или тремя группами отверстий) для подачи топлива в предкамеру, отверстия (группы отверстий) располагаются со смещением друг относительно друга вдоль оси горелки, а осевые расстояния от ближнего и дальнего отверстий (групп отверстий) до выхода из предкамеры соответственно равны L1 и L2. При разделении потока топлива на струи (или группы струй) и подаче их последовательно в разных сечениях в поток воздуха для каждой струи (или группы струй) существует своя задержка по времени между моментом подачи топлива в поток и моментом выделения тепловой энергии, в результате чего может возбуждаться ряд пульсационных процессов с различными частотами. Однако амплитуды пульсаций давления отдельных частот в этом случае будут значительно меньше, чем в известном способе [1] сжигания топлива, который осуществляется в известном устройстве [2], так как энергия пульсаций тепловыделения, ограниченная сверху некоторой долей теплоты сгорания топлива, будет распределяться между всеми пульсационными процессами этого ряда. Недостатком способа по прототипу является недостаточная устойчивость процесса горения. Это проявляется в том, что вероятность возникновения на отдельных частотах пульсаций давления с опасными амплитудами остается достаточно высокой из-за того, что при некоторых соотношениях Т_подв, Т_см и Т_гор в упомянутом выше ряде пульсационных процессов возможны совпадения частот одних пульсаций с гармониками (кратными частотами) других пульсаций и возникновение резонанса. Кроме того, при относительно малых величинах Т_подв данный способ сжигания топлива приближается к первому из описанных выше способу и соответственно имеет низкую устойчивость горения. Устройство по прототипу - горелка для сжигания топлива обладает присущим способу по прототипу недостатком: она не обеспечивает высокую устойчивость процесса горения. Геометрические характеристики горелки D, L1 и L2 определяют (при постоянном расходе) характерные интервалы времени Т_подв, Т_см и Т_гор в способе сжигания топлива. Следовательно, по аналогии со способом по прототипу, при некоторых соотношениях указанных геометрических характеристик устойчивость процесса горения будет недостаточна.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ сжигания топлива, является повышение устойчивости процесса горения за счет исключения возможности возникновения пульсаций давления с высокими амплитудами. Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является осуществление предлагаемого способа сжигания топлива, а именно создание такой конструкции горелки, которая позволила бы исключить возможность возникновения пульсаций давления с высокими амплитудами.

Поставленная задача решается следующим образом.

В известном способе сжигания топлива, в котором поток топлива разделяется на по меньшей мере три струи (или три группы струй), которые подаются последовательно в разных сечениях в поток воздуха, при этом путь от сечения, в которое подается первая струя (первая группа струй), до сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива, поток проходит за время Т_подв, после чего топливо и воздух смешиваются в потоке в течение времени Т_см до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, которая затем подается в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство, где в течение времени Т_гор указанная смесь сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла, подачу струй (групп струй) топлива в поток воздуха осуществляют таким образом, чтобы соблюдалось соотношение

где Т_подв - время, за которое поток проходит путь от сечения, в которое подается первая струя (первая группа струй), до сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива, с;

Т_см - время, за которое поток проходит путь от сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива до входа в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство, с;

Т_гор - время горения смеси, с.

При этом в некоторых случаях поток топлива разделяют на струи (группы струй) с неравными расходами, при этом струи (группы струй), подаваемые ниже по потоку воздуха, имеют меньший расход.

В известном устройстве для осуществления известного способа сжигания топлива, горелке, которая содержит наружную цилиндрическую обечайку диаметра D, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, которая образует совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство, с по меньшей мере тремя отверстиями (или тремя группами отверстий) для подачи топлива в предкамеру, которые располагаются со смещением друг относительно друга вдоль оси горелки, с осевыми расстояниями от ближнего и дальнего отверстий (групп отверстий) до выхода из предкамеры, соответственно равными L1 и L2, отверстия (группы отверстий) для подачи топлива в предкамеру расположены таким образом, что

где L2 - осевое расстояние от дальнего отверстия (дальней группы отверстий) до выхода из предкамеры, м;

К - эмпирический коэффициент;

D - диаметр наружной цилиндрической обечайки, м;

L1 - осевое расстояние от ближнего отверстия (ближней группы отверстий) до выхода из предкамеры, м.

При этом в некоторых случаях отверстия для подачи топлива в предкамеру, расположенные ближе к выходу из нее, выполнены меньших диаметров.

Технический результат от применения предлагаемого способа и устройства для его осуществления состоит в повышении устойчивости процесса горения за счет исключения возможности возникновения пульсаций давления с высокими амплитудами.

Указанный результат достигается тем, что подача струй (групп струй) топлива в поток воздуха осуществляется так, чтобы соблюдалось соотношение (1). Это объясняется следующим. Известно что задержка времени Т между моментом подачи в поток воздуха топлива и моментом его сгорания с выделением тепловой энергии может привести к неустойчивости процесса горения, выражающейся в пульсациях давления с частотой, определяемой следующим соотношением

где f - частота, Гц;

Т - время между моментом подачи в поток воздуха топлива и моментом его сгорания, с.

Физический механизм указанного явления состоит в том, что при возникновении в потоке топливовоздушной смеси слабых возмущений с частотой f, фазовый сдвиг между колебаниями расхода, давления и тепловыделения, обусловленный в данном случае задержкой времени Т, может привести к тому, что в зоне горения топливовоздушной смеси фазы колебаний тепловыделения и концентрации смеси совпадут. При этом возникает резонанс. В контексте описанного механизма возникновения и поддержания пульсационного процесса под временем Т_гор следует понимать интервал времени от момента поступления топливовоздушной смеси в затопленное полуограниченное пространство до момента, когда тепловыделение при горении достигнет максимума. На практике Т_гор может быть определено расчетным путем с помощью известных методов численного моделирования реагирующих потоков или экспериментально. При разделении потока топлива на струи (или группы струй) и подаче их последовательно в разных сечениях в поток воздуха, как это сделано в прототипе, каждая из них может генерировать пульсации давления определенной частоты. Амплитуды этих пульсаций будут меньше, чем в случае единовременной подачи всего топлива в поток воздуха, так как энергия колебательного процесса, являющаяся функцией мощности тепловыделения при горении топливовоздушной смеси, распределяется на ряд этих пульсационных процессов. Первая струя (группа струй) топлива, подаваемая в поток воздуха, генерирует пульсации с наиболее низкой частотой:

где f_min - низшая частота пульсаций, Гц.

Последняя - с наиболее высокой частотой:

где f_max - высшая частота пульсаций, Гц.

В общем случае (прототип) в ряду частот, генерируемых соответствующими струями топлива в диапазоне от fmin до fmax могут существовать частоты, гармоники (кратные частоты) которых совпадают с другими частотами указанного ряда. Такие совпадения могут привести к опасному увеличению амплитуды пульсаций давления на данной частоте и поэтому их необходимо исключить. Это достигается в заявляемом способе описанной выше подачей струй топлива в поток воздуха, при которой соблюдается соотношение:

Если диапазон частот от fmin до fmax, в котором осуществляется распределение энергии колебаний на ряд пульсационных процессов, слишком узок:

то рассматриваемый механизм подавления пульсаций давления малоэффективен, поскольку при этом данный способ сжигания топлива приближается к способу [1], и соответственно приобретает его недостатки, описанные выше.

Заявляемое устройство, горелка, обеспечивает осуществление заявляемого способа и, следовательно, достигает того же технического результата. Действительно, входящие в соотношение (2) осевые расстояния L1 и L2 соответственно от ближнего и дальнего отверстий (групп отверстий) до выхода из предкамеры и обеспечивающие осуществление способа сжигания топлива, можно определить, зная основные геометрические размеры горелки и расход воздуха на нее. Рассчитав по этим исходным данным среднюю осевую скорость потока воздуха в предкамере Woc, определяем L1 и L2:

где W_oc - средняя осевая скорость потока воздуха в предкамере. м/с.

А эмпирический коэффициент К, обеспечивающий осуществление способа сжигания топлива, можно определить по формуле:

Подстановка значений L1, L2 и К в соотношение (2) приводит к соотношению (1), то есть к осуществлению заявляемого способа сжигания топлива.

Технический результат от применения варианта предлагаемого способа и устройства для его осуществления состоит в повышении степени однородности топливовоздушной смеси, что очень важно при создании низкотоксичных топливосжигающих устройств.

Указанный результат достигается также следующим. Известно что чем больше время смешения топлива с воздухом, тем лучше качество смеси, то есть тем равномернее поле концентраций смеси и выше степень ее однородности. Учитывая вышесказанное, для повышения степени однородности топливовоздушной смеси в варианте заявляемого способа поток топлива разделяется на струи (группы струй) с неравными расходами, при этом струи (группы струй), подаваемые ниже по потоку воздуха, имеют меньший расход. Для достижения того же технического результата в варианте заявляемой горелки отверстия для подачи топлива в предкамеру, расположенные ближе к выходу из нее, выполняются меньшего диаметра.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами фиг.1, 2, 3 и 4. На чертежах схематически изображено: на фиг.1 - одномерная схема реализации заявляемого способа; на фиг.2 - одномерная схема реализации варианта заявляемого способа; на фиг.3 - горелка, топливораздающее устройство которой выполнено в виде радиальных пилонов; на фиг.4 - горелка, топливораздающее устройство которой выполнено в виде спирального раздающего коллектора.

На чертежах показано: 1 - поток топлива; 2 - струи топлива; 3 - поток воздуха; 4 - затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство; 5 - наружная цилиндрическая обечайка; 6 - лопаточный завихритель воздуха; 7 - лопатки завихрителя; 8 - втулка завихрителя; 9 - кольцевая предкамера; 10 - топливораздающее устройство; 11 - отверстия для подачи топлива в предкамеру.

Сущность предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в следующем. Поток топлива 1 (см. фиг.1, 2) разделяется на по меньшей мере три струи (или три группы струй) 2 и подается последовательно в разных сечениях в поток воздуха 3, при этом путь от сечения, в которое подается первая струя (первая группа струй), до сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива, поток проходит за время Т_подв, после чего топливо и воздух смешиваются в потоке в течение времени Т_см до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, а затем полученная смесь подается в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство 4, где в течение времени Т_гор смесь сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла, причем, в отличие от прототипа, подача струй (групп струй) топлива в поток воздуха осуществляется так, чтобы соблюдалось соотношение (1). В варианте заявляемого способа (см. фиг.2) поток топлива разделяется на три струи с неравными расходами, при этом струи, подаваемые ниже по потоку воздуха, имеют меньший расход, что позволяет повысить степень однородности топливовоздушной смеси.

Горелка, реализующая способ сжигания топлива (см. фиг.3, 4), содержит наружную цилиндрическую обечайку 5 диаметра D, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха 6 с лопатками 7 и втулкой 8, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру 9, на входе в которую имеется топливораздающее устройство 10 с отверстиями 11 для подачи топлива в предкамеру. Топливораздающее устройство может иметь разнообразные конструкции. Так у горелки, изображенной на фиг.3, топливораздающее устройство располагается на выходе из лопаточного завихрителя воздуха и выполняется в виде радиальных пилонов, установленных на различных расстояниях от выхода из предкамеры и имеющих по три топливораздающих отверстия. Горелка на фиг.4 имеет топливораздающее устройство в виде пространственного спирального коллектора, установленного перед завихрителем воздуха, огибающего втулку и имеющего топливораздающие отверстия, каждое из которых располагается на своем расстоянии от выхода из предкамеры. Топливораздающие отверстия на фиг.4 (группы отверстий на фиг.3) располагаются со смещением друг относительно друга вдоль оси горелки, а осевые расстояния от ближнего и дальнего отверстий (групп отверстий) до выхода из предкамеры соответственно равны L1 и L2, причем, в отличие от прототипа, геометрические размеры горелки D, L1 и L2 связаны соотношением (2).

Горелка работает следующим образом.

Поток топлива по каналу во втулке 8 подводится к топливораздающему устройству 10 и с помощью отверстий 11 разделяется на струи (или группы струй) и подается последовательно в разных сечениях в поток воздуха, движущийся в кольцевой предкамере 9. После этого топливо и воздух смешиваются с помощью лопаточного завихрителя воздуха 6 в потоке до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, а затем полученная смесь подается из предкамеры 9 в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство 4, где она сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла. В качестве стенки, которая ограничивает упомянутое затопленное пространство (на чертежах не показана), обычно используется металлическая жаровая труба, на входе в которую устанавливается горелка.

Возможность реализации заявляемых способа и устройства не вызывает сомнений, поскольку для этого используются широко распространенные элементы и устройства, например, такие как трубопроводы, цилиндрические и конические воздухонаправляющие обечайки, лопаточные завихрители воздуха, топливораздающие коллекторы, топливные пилоны, жаровые трубы.

Источники информации

1. D.W.Bahr "Gas Turbine Combustion and Emission Abatement Technology Current and Projected Status", IGTC' 99 Kobe KS-3, Proceedings of the International Gas Turbine Congress. 1999, Kobe, Japan.

2. Патент РФ №2099639, опубл. 20.12.1997, Бюл. №35.

3. Т.Scarinci, Ch.Freeman, I.Day "Passive Control of Combustion Instability in a Low Emissions Aeroderivative Gas Turbine", GT - 2004 - 53767, Proceedings of ASME Turbo Expo 2004, Vienna, Austria.

4. Патент РФ №2137042, опубл. 10.09.1999, Бюл. №25.

1. Способ сжигания топлива, в котором поток топлива разделяется, по меньшей мере, на три струи (или три группы струй), которые подаются последовательно в разных сечениях в поток воздуха, при этом путь от сечения, в которое подается первая струя (первая группа струй), до сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива, поток проходит за время Т_подв, после чего топливо и воздух смешиваются в потоке в течение времени Т_см до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, которая затем подается в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство, где в течение времени Т_гор указанная смесь сгорает с образованием продуктов сгорания и выделением тепла, отличающийся тем, что подачу струй (групп струй) топлива в поток воздуха осуществляют таким образом, чтобы соблюдалось соотношение

где Т_подв - время, за которое поток проходит путь от сечения, в которое подается первая струя (первая группа струй), до сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива, с;

Т_см - время, за которое поток проходит путь от сечения, в которое подается последняя струя (последняя группа струй) топлива до входа в затопленное горячими продуктами сгорания полуограниченное (с одним открытым концом) пространство, с;

Т_гор - время горения смеси, с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток топлива разделяют на струи (группы струй) с неравными расходами, при этом струи (группы струй), подаваемые ниже по потоку воздуха, имеют меньший расход.

3. Горелка для сжигания топлива, которая содержит наружную цилиндрическую обечайку диаметра D, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, которая образует совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство, по меньшей мере, с тремя отверстиями (или, по меньшей мере, тремя группами отверстий) для подачи топлива в предкамеру, которые располагаются со смещением друг относительно друга вдоль оси горелки с осевыми расстояниями от ближнего и дальнего отверстий (групп отверстий) до выхода из предкамеры соответственно равными L1 и L2, отличающаяся тем, что отверстия (группы отверстий) для подачи топлива в предкамеру расположены таким образом, что

где L2 - осевое расстояние от дальнего отверстия (дальней группы отверстий) до выхода из предкамеры, м;

К - эмпирический коэффициент;

D - диаметр наружной цилиндрической обечайки, м;

L1 - осевое расстояние от ближнего отверстия (ближней группы отверстий) до выхода из предкамеры, м.

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что отверстия для подачи топлива в предкамеру, расположенные ближе к выходу из нее, выполнены меньших диаметров.