Горелка

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению, может быть использовано в газотурбинных установках и позволяет улучшить экологические характеристики и повысить надежность работы газотурбинной установки. Указанный технический результат достигается в горелке,содержащей наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство в виде коллекторов с отверстиями для подачи топлива в предкамеру, тем,что согласно изобретению, завихритель воздуха выполнен в виде полого конуса, а воздухонаправляющие каналы выполнены в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, при этом топливораздающее устройство выполнено в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, а отверстия для подачи топлива в предкамеру распределены по длине коллекторов. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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

Известна горелка, которая содержит наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, причем перед завихрителем по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде кольцевого ряда радиально расположенных трубок-коллекторов с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру (см., например, RU №2099639 Mкл. F23R 3/28, опубл. 20.12.1997) [1].

В данной горелке воздухонаправляющие каналы образованы радиально расположенными лопатками, перед которыми имеется топливораздающее устройство. Радиальное расположение трубок-коллекторов с распределенными по их длине отверстиями в известной горелке приводит к тому, что все топливо подается в предкамеру сосредоточенно в одном сечении. Задержка времени от момента подачи топлива в предкамеру до его сгорания во многих случаях является причиной возникновения пульсаций давления в потоке, частота которых обратно пропорциональна длительности этой задержки, приводящих к серьезным авариям. В случае сосредоточенной в одном сечении подачи топлива в предкамеру длительность задержки для всего топлива одинакова, и амплитуда пульсаций давления соответствующей частоты максимальна. Низкая устойчивость процесса горения, проявляющаяся в пульсациях давления в потоке, является серьезным недостатком известной горелки.

Другой недостаток данной горелки состоит в низкой надежности из-за возможности проскока пламени и его стабилизации в зонах отрыва потока за топливораздающими трубками-коллекторами. При расположении трубок перед завихрителем скорость обтекающего их потока низка (по сравнению со скоростью за завихрителем), что создает условия для стабилизации фронта пламени в зонах отрыва потока за топливораздающими трубками. При работе камеры сгорания не исключены кратковременные нерасчетные режимы, на которых вероятен проскок пламени к топливораздающим трубкам. Стабилизация пламени за трубками после такого проскока неизбежно приведет к прожогу лопаток завихрителя и аварии.

Последнего недостатка лишена горелка, принятая за прототип (см., например, RU 2137042 М Кл. F23D 14/20, опубл. 10.09.1999) [2].

Эта горелка содержит наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство в виде коллекторов с отверстиями для подачи топлива в предкамеру. В этой горелке воздухонаправляющие каналы также образованы радиальными лопатками, но топливораздающее устройство расположено на выходе из воздухонаправляющих каналов и выполнено в виде по меньшей мере одного кольцевого ряда радиальных трубок с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру.

Вместе с тем, этой горелке присущ другой описанный выше недостаток - низкая устойчивость процесса горения, проявляющаяся в пульсациях давления в потоке. Поскольку топливо в горелке-прототипе подается в предкамеру сосредоточенно в одном (при одном ряде топливораздающих трубок) или большими порциями в нескольких (в случае нескольких рядов топливораздающих трубок) сечениях, рассмотренный выше механизм возникновения пульсаций давления работает и здесь.

Следует отметить еще один недостаток в большей или меньшей степени присущий обеим описанным горелкам. Радиальные топливораздающие трубки частично перекрывают проходное сечение кольцевой предкамеры. Как правило, топливораздающие трубки соединены с втулкой горелки, по внутренним каналам которой к ним подводится топливо. Очевидно, что загромождение проходного сечения трубками у втулки больше, чем на периферии предкамеры. Вследствие этого появляется неравномерность поля скоростей воздушного потока, которая приводит к неравномерности поля концентраций топливовоздушной смеси на выходе из предкамеры и соответствующему ухудшению экологических характеристик горелки. Этот недостаток в большей мере проявляется у горелки-прототипа [2], поскольку в горелке [1] скоростное поле частично выравнивается при прохождении воздушного потока через узкое сечение завихрителя.

Задачами, на решение которых направлена заявляемая горелка, являются снижение неравномерности поля концентраций на выходе из предкамеры и повышение устойчивости процесса горения за счет исключения возможности возникновения пульсаций давления с высокими амплитудами.

Технический результат от применения (использования) предлагаемой горелки состоит в улучшении экологических характеристик и повышении надежности работы газотурбинной установки. Указанный результат достигается тем, что в известной горелке, содержащей наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, согласно изобретению завихритель воздуха выполнен в виде полого конуса, а воздухонаправляющие каналы выполнены в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, при этом топливораздающее устройство выполнено в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, а отверстия для подачи топлива в предкамеру соответствующим образом распределены по длине коллекторов.

Кроме того, коллекторы выполнены в виде трубок круглого сечения.

Кроме того, полый конус завихрителя выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток, между которыми имеются одинаковые тангенциальные щели.

Кроме того, лопатки выполнены поворотными так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток так, чтобы все тангенциальные щели оставались одинаковыми.

Кроме того, полый конус завихрителя выполнен двустенным с подвижной и неподвижной стенками так, что при вращении подвижной стенки вокруг оси конуса изменяется высота тангенциальных щелей.

Кроме того, на выходе наружной осесимметричной обечайки установлен конический пережим, а конец втулки завихрителя выступает за пределы этого пережима.

Это объясняется следующим. Известно, что задержка времени Т от момента подачи в поток воздуха топлива до момента его сгорания с выделением тепловой энергии может привести к неустойчивости процесса горения, выражающейся в пульсациях давления с частотой f=1/(2T).

Физический механизм этого 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, приводит к тому, что в зоне горения топливовоздушной смеси фазы колебаний тепловыделения и концентрации смеси совпадают и возникает резонанс. При радиальном расположении топливораздающих трубок в предкамере, как это сделано в прототипе, все топливо (в случае одного ряда трубок) или значительная доля топлива (в случае нескольких рядов) подается в поток воздуха сосредоточенно в одном сечении предкамеры. Задержка времени между моментом подачи топлива в поток воздуха и моментом его сгорания с выделением тепловой энергии, как сказано выше, может послужить причиной возникновения опасных пульсаций давления в потоке, которые приводят к разрушению конструкционных элементов машины.

Очевидно, что амплитуда пульсаций давления тем выше, чем большая доля топлива подается в одном сечении предкамеры. При выполнении завихрителя воздуха в виде полого конуса, а воздухонаправляющих каналов в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, эти щели имеют существенную протяженность в осевом направлении. В свою очередь, топливораздающее устройство, выполненное в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, с отверстиями для подачи топлива в предкамеру, соответствующим образом распределенными по длине коллекторов, подает топливо в воздушный поток малыми порциями, распределенными по всей длине тангенциальных щелей, что исключает возможность возникновения пульсаций давления в потоке и повышает надежность работы газотурбинной установки.

Выбор соответствующего закона распределения отверстий для подачи топлива в предкамеру по длине коллекторов зависит от конкретных условий: геометрических параметров тангенциальных щелей, условий подвода воздуха, геометрических параметров предкамеры и др. В зависимости от поставленной задачи закон распределения может быть определен расчетным или экспериментальным путем.

Как известно, в низкотоксичных горелках предкамера служит для предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей топливовоздушной смеси в зону горения. Чем выше качество смешения (равномерность поля концентраций топлива в смеси), тем лучше экологические характеристики горелки. В заявляемой горелке воздух в предкамеру поступает по воздухонаправляющим каналам, выполненным в виде тангенциальных щелей. Поскольку тангенциальные щели, как отмечалось выше, имеют существенную протяженность в осевом направлении, их высота сравнительно невелика. Это способствует проникновению струй топлива, вытекающих из отверстий, в воздушный поток на всю высоту щели, обеспечивает высокую равномерность раздачи топлива и интенсифицирует процесс смешения топлива с воздухом, в результате чего улучшаются экологические характеристики горелки.

Вариант горелки, в котором коллекторы выполнены в виде трубок круглого сечения, а также вариант, в котором полый конус завихрителя выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток, между которыми имеются одинаковые тангенциальные щели, имеют технологические преимущества при достаточно больших размерах горелки: уменьшается трудоемкость изготовления, снижается материалоемкость.

Вариант горелки, в котором лопатки выполнены поворотными так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток так, чтобы все тангенциальные щели оставались одинаковыми, позволяет улучшить экологические характеристики газотурбинной установки в широком диапазоне режимов ее работы. Известно, что для обеспечения низкотоксичного сжигания предварительно подготовленной смеси топлива с воздухом необходимо поддерживать концентрацию этой смеси в достаточно узком диапазоне, который на порядок уже диапазона возможного изменения соотношения воздух - топливо при работе газотурбинной установки. Рассматриваемый вариант позволяет изменять гидравлическое сопротивление воздушного тракта горелки за счет изменения ее проходного сечения (изменения высоты тангенциальных щелей), перераспределяя воздух между трактами камеры сгорания и поддерживая необходимую концентрацию смеси в горелке на всех режимах работы газотурбинной установки.

Улучшить экологические характеристики газотурбинной установки в широком диапазоне режимов ее работы позволяет также вариант горелки, в котором полый конус завихрителя воздуха выполнен двустенным с подвижной и неподвижной стенками так, что при вращении подвижной стенки вокруг оси конуса изменяется высота тангенциальных щелей. По сути, он аналогичен предыдущему варианту.

Вариант горелки, в котором на выходе наружной осесимметричной обечайки установлен конический пережим, а конец втулки завихрителя выступает за пределы этого пережима, позволяет повысить надежность работы газотурбинной установки за счет снижения вероятности проскока пламени в предкамеру. При течении в пережиме скорость потока возрастает и на выходе из него значительно превосходит скорость распространения пламени, что препятствует проскоку пламени в предкамеру. Втулка завихрителя, выступая за пределы пережима, препятствует образованию обратных токов, характерных для закрученных потоков, в осевой зоне предкамеры. Такие обратные токи также могут явиться причиной проскока пламени в предкамеру.

На фиг.1 изображена горелка с завихрителем воздуха в виде полого двустенного конуса; на фиг.2 - горелка с завихрителем воздуха в виде кольцевого ряда плоских изогнутых поворотных лопаток; на фиг.3 - поперечное сечение горелки с завихрителем воздуха в виде кольцевого ряда плоских изогнутых поворотных лопаток.

Горелка (см. фиг.1), содержит наружную осесимметричную обечайку 1, коаксиальный этой обечайке 1 завихритель воздуха, выполненный в виде полого конуса с подвижной 2 и неподвижной 3 стенками. Завихритель воздуха имеет воздухонаправляющие каналы, выполненные в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей 4, расположенных по образующим конуса. Наружная осесимметричная обечайка 1 совместно с втулкой 5 завихрителя образуют кольцевую предкамеру 6, на входе в которую имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде коллекторов 7, параллельных щелям 4, с отверстиями 8 для подачи топлива в предкамеру 6, соответствующим образом распределенными по длине коллекторов 7. На выходе наружной осесимметричной обечайки 1 установлен конический пережим 9, при этом конец втулки 5 завихрителя выступает за пределы этого пережима 9. Коллекторы 7 соединены с полостью 10 втулки 5 завихрителя, которая, в свою очередь, соединена с топливоподводящей трубой 11.

У варианта горелки, изображенного на фиг.2, полый конус завихрителя воздуха выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток 12, между которыми имеются воздухонаправляющие каналы - одинаковые тангенциальные щели 4. Топливораздающее устройство в этом варианте исполнения горелки состоит из коллекторов, выполненных в виде трубок 13 круглого сечения с отверстиями 8 для подачи топлива в предкамеру 6. Лопатки 12 выполнены поворотными (в данном варианте конструкции оси поворота лопаток 12 совпадают с осями трубок 13 круглого сечения) так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей 4, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток 12 так, чтобы все тангенциальные щели 4 оставались одинаковыми. Вариант приводного устройства, изображенный на фиг.2, включает поворотное кольцо 14 с направляющими прорезями 15, в которые вставлены шпонки 16, соединенные с лопатками 12.

Горелка работает следующим образом.

Поток воздуха подается во внутреннюю полость конического завихрителя воздуха и через тангенциальные щели 4 поступает в кольцевую предкамеру 6, приобретая при этом закрутку. Топливо по трубе 11 подводится в полость втулки 5 завихрителя, из которой поступает в коллекторы 7 (трубки 13 на фиг.2 и фиг.3), и через отверстия 8 направляется в предкамеру 6, соответствующим образом распределяясь в закрученном потоке воздуха. При течении потока в предкамере 6 происходит интенсивное смешение топлива с воздухом благодаря высокой турбулентности и вторичным течениям закрученного потока воздуха. После выхода из предкамеры 6 топливовоздушная смесь, имеющая высокую равномерность поля концентраций топлива, сгорает в огневом пространстве камеры сгорания с низкой эмиссией вредных веществ.

Изменение гидравлического сопротивления воздушного тракта горелки за счет изменения ее проходного сечения (изменения высоты тангенциальных щелей 4), для перераспределения воздуха между трактами камеры сгорания и поддержания необходимой концентрации смеси в горелке на всех режимах работы газотурбинной установки, осуществляется следующим образом. Для уменьшения проходного сечения горелки подвижную 2 стенку (см. фиг.1) полого конуса поворачивают против часовой стрелки относительно неподвижной 3 стенки на определенный угол так, чтобы высота Н тангенциальных щелей 4 уменьшилась до заданной величины.

В варианте горелки, изображенном на фиг.2, для уменьшения проходного сечения горелки поворотное кольцо 14 поворачивают на определенный угол по часовой стрелке. При этом шпонки 16 перемещаются в направляющих прорезях 15 в направлении оси горелки, а лопатки 12 поворачиваются на некоторый угол против часовой стрелки относительно осей трубок 13 так, чтобы высота Н тангенциальных щелей 4 уменьшилась до заданной величины.

Возможность реализации заявляемой горелки не вызывает сомнений, поскольку для этого используются широко распространенные элементы и устройства, например, такие как трубы, цилиндрические и конические воздухонаправляющие обечайки, плоские и изогнутые лопатки, топливораздающие коллекторы и т.п.

1. Горелка, содержащая наружную осесимметричную обечайку, коаксиальный этой обечайке завихритель воздуха с воздухонаправляющими каналами и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, на входе в которую имеется топливораздающее устройство в виде коллекторов с отверстиями для подачи топлива в предкамеру, отличающаяся тем, что завихритель воздуха выполнен в виде полого конуса, а воздухонаправляющие каналы выполнены в виде кольцевого ряда тангенциальных щелей, расположенных по образующим этого конуса, при этом топливораздающее устройство выполнено в виде коллекторов, параллельных упомянутым щелям, а отверстия для подачи топлива в предкамеру распределены по длине коллекторов.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что коллекторы выполнены в виде трубок круглого сечения.

3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что полый конус завихрителя выполнен в виде кольцевого ряда плоских изогнутых лопаток, между которыми имеются одинаковые тангенциальные щели.

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что лопатки выполнены поворотными так, что при их повороте изменяется высота тангенциальных щелей, а завихритель имеет приводное устройство, обеспечивающее синхронный поворот всех лопаток так, чтобы все тангенциальные щели оставались одинаковыми.

5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что полый конус завихрителя выполнен двустенным с подвижной и неподвижной стенками так, что при вращении подвижной стенки вокруг оси конуса изменяется высота тангенциальных щелей.

6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что на выходе наружной осесимметричной обечайки установлен конический пережим, а конец втулки завихрителя выступает за пределы этого пережима.