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 цилиндрическую обечайку, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, которая образует совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, в которой за лопатками по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде по меньшей мере одного кольцевого ряда трубок с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру, тем, что, согласно изобретению, трубки расположены параллельно оси горелки, а их длина определяется по соотношению геометрических характеристик горелки. 4 ил.

 

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

Известна горелка, которая содержит наружную цилиндрическую обечайку, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, которая образует совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, в которой перед лопатками по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде кольцевого ряда радиально расположенных трубок с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру (см., например, RU №2099639 M. Кл. F23R 3/28, опубл. 20.12.1997) [1].

Радиальное расположение трубок 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. Пульсации давления в потоке, как правило, приводят 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 в предкамеру и его стабилизации в зонах отрыва потока за топливораздающими трубками. 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 цилиндрическую обечайку, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, которая образует совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, в которой за лопатками по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде по меньшей мере одного кольцевого ряда 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 сечении (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 [1], [2]. 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 соответствующего ухудшения 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 цилиндрическую обечайку, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, в которой за лопатками по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде по меньшей мере одного кольцевого ряда трубок с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру, согласно изобретению, трубки расположены параллельно оси горелки, а активная длина L участка трубки, на котором расположены отверстия для подачи топлива в предкамеру, определяется по формуле:

L=k·π·D·(n-1)/(n·N·tgϕ),

где D - диаметр, на котором расположен ряд трубок,

N - количество трубок в ряду,

n - количество топливораздающих отверстий в каждой трубке,

ϕ - угол закрутки потока воздуха лопатками завихрителя,

k - коэффициент.

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 расположении топливораздающих трубок параллельно оси горелки топливо подается в воздушный поток малыми порциями, распределенными по всей длине трубок, что исключает возможность возникновения пульсаций давления в потоке и повышает надежность работы газотурбинной установки.

Как известно, в низкотоксичных горелках предкамера служит для предварительного смешения топлива с воздухом перед подачей топливовздушной смеси в зону горения. Чем выше качество смешения (равномерность поля концентраций топлива в смеси), тем лучше экологические характеристики горелки.

При радиальном расположении топливораздающих трубок в предкамере, как это сделано в прототипе, всегда имеет место определенная окружная неравномерность поля концентраций топливовоздушной смеси, обусловленная конечным количеством расположенных по окружности предкамеры топливораздающих трубок. В предлагаемой горелке топливораздающие трубки расположены параллельно оси горелки, а длина L участка трубки определяется по формуле:

L=k·π·D·(n-1)/(n·N·tgϕ),

где D - диаметр, на котором расположен ряд трубок,

N - количество трубок в ряду,

n - количество топливораздающих отверстий в каждой трубке,

ϕ - угол закрутки потока воздуха лопатками завихрителя,

k - коэффициент.

В данном случае, как видно из развертки сечения предкамеры по осям топливораздающих трубок (см. Фиг.2), топливо раздается равномерно по окружности предкамеры, что улучшает экологические характеристики горелки, а следовательно, и газотурбинной установки в целом.

Коэффициент k в формуле учитывает некоторую кривизну линий тока на развертке, связанную с уменьшением угла закрутки воздушного потока по длине предкамеры, обусловленную действием сил трения, а также влиянием топливораздающих трубок на поток. Его величина может быть определена экспериментально или расчетным путем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен продольный разрез горелки;

на фиг.2 - вид горелки со стороны зоны горения;

на фиг.3 - развертка сечения предкамеры по осям топливораздающих трубок;

на фиг.4 - увеличенный фрагмент этой развертки.

Горелка содержит наружную цилиндрическую обечайку 1, коаксиальный этой обечайке 1 лопаточный завихритель воздуха с лопатками 2 и втулкой 3, которая образует совместно с упомянутой наружной обечайкой 1 кольцевую предкамеру 4, в которой за лопатками 2 по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде кольцевого ряда трубок 5 с распределенными по активной длине L отверстиями 6 для подачи топлива в предкамеру. Трубки 5 расположены параллельно оси горелки, проходят сквозь лопатки 2 завихрителя воздуха и присоединены к топливному коллектору, которым, в данном случае, является втулка 3 завихрителя. Активная длина L участка трубок 5, на котором расположены отверстия 6 для подачи топлива в предкамеру 4, определяется по формуле:

L=k·π·D·(n-1)/(n·N·tgϕ),

где D - диаметр, на котором расположен ряд трубок,

N - количество трубок в ряду,

n - количество топливораздающих отверстий в каждой трубке,

ϕ - угол закрутки потока воздуха лопатками завихрителя,

k - коэффициент.

Суть этой формулы понятна из развертки сечения предкамеры 4 по осям топливораздающих трубок 6 (см. фиг.3 и фиг.4). Естественно, что под длиной трубок 5 в формуле подразумевается их активная длина, то есть длина L участка трубки 5, на котором расположены отверстия 6 для подачи топлива в предкамеру 4.

В некоторых случаях, когда горелка имеет достаточно большие размеры, может быть два или более кольцевых рядов топливораздающих трубок 5, расположенных в предкамере 4 на разных диаметрах параллельно оси горелки.

Горелка работает следующим образом.

Поток воздуха закручивается лопатками 2 завихрителя воздуха и поступает в кольцевую предкамеру 4. Топливо подводится к трубкам 5 по внутреннему каналу втулки 3 завихрителя воздуха и через отверстия 6 подается в предкамеру 4, равномерно распределяясь в закрученном потоке воздуха. На участке предкамеры 4 от концов трубок 5 до выходного сечения происходит интенсивное смешение топлива с воздухом благодаря высокой турбулентности и вторичным течениям закрученного потока воздуха. После выхода из предкамеры 4 топливовоздушная смесь, имеющая высокую равномерность поля концентраций топлива, сгорает в огневом пространстве камеры сгорания с низкой эмиссией вредных веществ.

Возможность реализации заявляемой горелки 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.

Горелка, содержащая наружную цилиндрическую обечайку, коаксиальный этой обечайке лопаточный завихритель воздуха с лопатками и втулкой, образующей совместно с упомянутой наружной обечайкой кольцевую предкамеру, в которой за лопатками по ходу потока воздуха имеется топливораздающее устройство, выполненное в виде по меньшей мере одного кольцевого ряда трубок с распределенными по их длине отверстиями для подачи топлива в предкамеру, отличающаяся тем, что трубки расположены параллельно оси горелки, а активная длина L участка трубки, на котором расположены отверстия для подачи топлива в предкамеру определяется по формуле

L=k·π·D·(n-1)/(n·N·tgϕ);

где D - диаметр, на котором расположен ряд трубок;

N - количество трубок в ряду;

n - количество топливораздающих отверстий в каждой трубке;

ϕ - угол закрутки потока воздуха лопатками завихрителя;

k - коэффициент.