Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток

Авторы патента:


Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток
Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток
Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток
Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток

 


Владельцы патента RU 2633475:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Изобретение относится к области энергетики. Горелка (1), имеющая выполненный в поперечном сечении по существу кольцевой канал (4) подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой (5) и втулкой (6) и в котором установлено несколько лопаток (7) завихрителя, распространяющихся от втулки (6) до наружной оболочки (5) в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность, отличающаяся тем, что лишь в радиальной наружной области лопаток (7) завихрителя угол (α) схода потока относительно основного направления потока на конце схода потока направляющей поверхности в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается. На находящемся радиально внутри конце схода потока направляющей поверхности угол (α1) схода потока лежит между углом (α3) схода потока конца схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом (α2) схода потока конца схода потока, находящегося между ними. Соседние лопатки (7) завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов (α) схода потока. Лопатки (7) завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия (8) для топлива. Изобретение позволяет улучшить качество перемешивания воздуха и топлива. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение касается горелки, имеющей подмешивающие топливо завихрители, и, в частности, локального улучшения перемешивания воздуха и топлива.

Равномерное подмешивание топлива к топочному воздуху является центральной конструкторской задачей при разработке горелок, которые эксплуатируются в области так называемого сгорания бедных предварительно перемешанных смесей. Диапазон температуры сгорания бедных, предварительно перемешанных смесей в газовых турбинах предлагается специально из-за обусловленного материалом ограничения выходной температуры топочной камеры для контроля выбросов окислов азота. Трудностью при сгорании предварительно перемешанных смесей, в частности, под давлением, является устранение неконтролируемых явлений сгорания/самовоспламенений в пределах участка предварительного перемешивания, которые, как правило, связаны с разрушением участка предварительного перемешивания.

В качестве основного правила может быть принято, что результатом наиболее гомогенного возможного перемешивания являются также минимальные выбросы NOx.

Как правило, технические горелки сконструированы примерно вращательно-симметрично и часто имеют один или несколько концентрично расположенных друг вокруг друга завихрителей. Между тем уровнем техники является выполнение лопаток завихрителей в виде полых лопаток и одновременно использование в качестве элементов для впрыскивания топлива, см., например, WO 2011/023669. Такие системы чаще всего приводят к тому, что имеется значительное отличие расстояния между двумя соседними лопатками на втулке по сравнению с наружным сечением, т.е. лопатки со стороны втулки, как правило, находятся значительно ближе друг к другу, чем снаружи. При этом возникает проблема впрыскивания топлива, прежде всего радиально наружу, достаточно далеко в промежуток между двумя лопатками для достижения наилучшего возможного перемешивания, в то время как со стороны втулки достичь этого значительно легче.

Есть предложения решения этой проблемы. Но, как правило, улучшение получается не очень большим.

Примеры:

- увеличение диаметра топливного отверстия изнутри наружу. Тем самым, хотя и удается достичь частичного, пусть даже не совсем достаточного улучшения глубины проникновения струй топлива, но одновременно увеличивается необходимый участок перемешивания (примерно пропорционально диаметру топливного отверстия);

- увеличение количества лопаток. В конструктивном и аэродинамическом отношении это ограничено имеющимся в распоряжении местом на втулке и увеличивающейся блокировкой воздушного потока со стороны втулки;

- использование сильно 3-мерных профилей лопаток с толщиной лопатки, увеличивающейся с возрастающим расстоянием до втулки. При этом также возникают проблемы, касающиеся аэродинамического контура лопатки, на этот раз в наружном сечении, чтобы от большой толщины лопатки в плоскости топливных отверстий снова прийти к очень тонкому концу лопатки, т.е. лопатки снаружи стали бы тогда очень длинными.

Задачей изобретения является предоставить горелку вышеназванного рода, которая обеспечит возможность улучшенного перемешивания воздуха и топлива, в частности в находящихся радиально снаружи областях участка предварительного перемешивания.

Изобретение решает эту задачу, предусматривая, что у такого рода горелки, имеющей выполненный в поперечном сечении по существу кольцевым канал подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой и втулкой, и в котором установлено несколько лопаток завихрителя, распространяющихся от втулки до наружной оболочки в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность, в радиальной наружной области лопаток завихрителя угол схода потока относительно основного направления потока на конце схода потока направляющей поверхности в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается.

Изобретение исходит из того известного факта, что локально имеющаяся интенсивность турбулентности представляет собой дополнительный параметр воздействия на подмешивание топлива к воздуху. Повышение интенсивности турбулентности оказывает действие, способствующее перемешиванию.

Поэтому предлагается, в частности, в наружном сечении повышать интенсивность турбулентности или, соответственно, создавать вихревые дорожки, способствующие перемешиванию.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления угол α1 схода потока на находящемся радиально внутри конце схода потока направляющей поверхности лежит между углом α3 схода потока конца схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом α2 схода потока конца схода потока, находящегося между ними. Тогда в зонах среза областей с разными углами схода потока из-за среза турбулентность локально повышается в виде вихревой дорожки.

При этом может быть целесообразно, если соседние лопатки завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов α2 схода потока.

Предпочтительно лопатки завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия для топлива.

Целесообразно, если канал подачи воздуха и предварительного перемешивания концентрически окружает центральную систему запальной горелки.

Локальное применение турбулентности, способствующей перемешиванию, за счет «скрещенных» друг относительно друга концов лопаток, улучшает качество перемешивания в наружном сечении, без сильного влияния на области, находящиеся внутри. Кроме того, качество перемешивания становится менее зависимым от условий эксплуатации.

Изобретение поясняется более подробно на примерах с помощью чертежей. Показано без соблюдения масштаба:

фиг. 1 - горелка на сильно схематизированном принципиальном эскизе;

фиг. 2 - вид сверху развернутой части системы главной горелки;

фиг. 3 - вид сверху лопатки завихрителя и

фиг. 4 - сечения лопатки завихрителя, смещенные в радиальном направлении от втулки к наружной оболочке.

Показанная на фиг. 1 горелка 1, которая при необходимости может применяться в сочетании с несколькими однотипными горелками, например, в топочной камере газотурбинной установки, включает в себя внутреннюю систему 2 запальной горелки и концентрически окружающую эту внутреннюю систему 2 запальной горелки систему 3 главной горелки. Как система 2 запальной горелки, так и система 3 главной горелки могут эксплуатироваться, на выбор, с газообразными и/или жидкими топливами, такими как, например, природный газ или жидкое топливо.

Система 3 главной горелки включает в себя радиальный наружный канал 4 подачи воздуха и предварительного перемешивания, называемый также кольцевым воздушным каналом, который образован наружной оболочкой 5 и втулкой 6 и через который распространяются лопатки 7 завихрителя лопаточного аппарата завихрителя. Эти лопатки 7 завихрителя имеют выпускные отверстия 8 для топлива, через которые горючий газ может впрыскиваться в воздух, втекающий по каналу 4 подачи воздуха и предварительного перемешивания.

На фиг. 2 показана развернутая часть системы 3 главной горелки на виде сверху, имеющей лопатки 7 завихрителя, и пояснены области хорошего 9 и плохого подмешивания 10 топлива к воздуху. Радиально внутри, то есть вблизи втулки 6, лопатки 7 стоят сравнительно плотно друг к другу, так что топливо может впрыскиваться достаточно далеко в промежуток между двумя лопатками 7 для достижения наилучшего возможного перемешивания. Радиально снаружи, вблизи наружной оболочки 5, лопатки 7 соответственно больше удалены друг от друга, вследствие чего достаточно далекое впрыскивание топлива в воздух затруднено.

На фиг. 3 показан вид направляющей поверхности 11 лопатки 7 завихрителя горелки 1 в соответствии с изобретением. Лопатка 7 завихрителя распространяется в горелке 1 от находящейся радиально внутри втулки 6 (справа, не показано) до находящейся радиально снаружи наружной оболочки 5 (слева, не показано). Кроме того, лопатка 7 завихрителя в примере осуществления фиг. 3 выполнена в виде полой лопатки, имеющей выпускные отверстия 8 для топлива. Для лучшего понимания изобретения в области конца 12 схода потока направляющей поверхности 11 обозначены три области 101, 102 и 103, при этом области 102 и 103 следует отнести к радиальной наружной области лопатки 7.

На фиг. 4 показаны три сделанных последовательно сечения областей 101, 102 и 103 лопатки 7 завихрителя фиг. 3 в направлении взгляда от втулки 6 к наружной оболочке 5. Видно, что на конце 12 направляющей поверхности 11, находящемся радиально внутри, т.е. в сечении области 101, угол α1 схода потока относительно основного направления 13 потока лежит между углом α3 схода потока конца 12 схода потока, находящегося радиально снаружи, т.е. в сечении области 103, и углом α2 схода потока конца схода потока, находящегося между ними, т.е. в сечении области 102. Другие варианты осуществления лопатки 7 завихрителя, у которой в радиальной наружной области угол α схода потока относительно главного направления 13 потока на конце 12 схода потока направляющей поверхности 11 в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается, также возможны, пока в наружной области лопатки 7 завихрителя, т.е. вблизи наружной оболочки 5, на конце лопатки создается своего рода перекрещивание, так что там, в зоне среза, возникающей при эксплуатации, создается перемешивающая вихревая дорожка.

1. Горелка (1), имеющая выполненный в поперечном сечении по существу кольцевым канал (4) подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой (5) и втулкой (6) и в котором установлено несколько лопаток (7) завихрителя, распространяющихся от втулки (6) до наружной оболочки (5) в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность (11), отличающаяся тем, что лишь в радиальной наружной области лопаток (7) завихрителя угол (α) схода потока относительно основного направления (13) потока на конце (12) схода потока направляющей поверхности (11) в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается.

2. Горелка (1) по п. 1, при этом на находящемся радиально внутри конце (12) схода потока направляющей поверхности (11) угол (α1) схода потока лежит между углом (α3) схода потока конца (12) схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом (α2) схода потока конца (12) схода потока, находящегося между ними.

3. Горелка (1) по одному из пп. 1 или 2, при этом соседние лопатки (7) завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов (α) схода потока.

4. Горелка (1) по одному из пп. 1 или 2, при этом лопатки (7) завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия (8) для топлива.

5. Горелка (1) по одному из пп. 1 или 2, при этом канал (4) подачи воздуха и предварительного перемешивания концентрически окружает центральную систему (2) запальной горелки.



 

Похожие патенты:

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус, топливовоздушный канал с топливной форсункой и свечой. Камера сгорания выполнена прямоточной.

Горелка // 2624421
Изобретение относится к энергетике. Горелка газовой турбины проходит вдоль оси (X) и содержит в осевом порядке: секцию (SW) завихрения, смесительную секцию (МХ), выходную секцию (ОТ), основную зону (CZ) горения.

Изобретение относится к энергетике. Камера сгорания для газотурбинного двигателя имеет переднюю концевую часть, которая поддерживает по меньшей мере одну топливовоздушную форсунку.

Изобретение относится к энергетике. Топливная форсунка для камеры сгорания содержит топочную трубу и кольцевой центральный элемент, расположенный концентрически в указанной топочной трубе.

Группа изобретений относится к топливным форсункам. Топливная форсунка с осевым потоком для газовой турбины содержит кольцевые каналы, предназначенные для доставки продуктов для сжигания.

Завихритель воздуха, имеющий форму диска и включающий множество входных каналов тангенциальной подачи воздуха, отличающийся тем, что выполнен из множества соединительных панелей, каждая из которых сложена z-образно и имеет верхнюю соединительную часть, промежуточную часть и нижнюю соединительную часть, соединенных с образованием между каждыми двумя соединительными панелями входного канала тангенциальной подачи воздуха, сужающегося с таким углом, что сумма углов всех сужающихся входных тангенциальных каналов равна 360°.

Изобретение относится к энергетике. Устройство (2) впрыска воздуха и топлива для камеры сгорания турбомашины, содержащее топливную форсунку, по меньшей мере один первый элемент (21), установленный на топливной форсунке, и по меньшей мере один второй элемент (27, 28), установленный на донной стенке (6) камеры сгорания.

Изобретение относится к энергетике. Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая внешний корпус, жаровую трубу и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и топливный коллектор, соединенный с плитой и установленный в воздушной полости перед форсуночной плитой, полость которого соединена с одной стороны с топливопроводом, а с другой топливными каналами с форсуночными модулями, содержащими струйную топливную форсунку и каналы подвода и закрутки воздуха.

Кольцевая камера сгорания для турбомашины содержит соосные кольцевые внутреннюю стенку и внешнюю стенку, соединенные на своих расположенных выше по потоку концах посредством кольцевой стенки, образующей дно камеры, кольцевой ряд топливных форсунок, головки которых вставлены в системы впрыска топлива, установленные в отверстиях стенки дна камеры.

Способ впрыска топлива осуществляют посредством системы воздушно-топливного смешения, имеющей геометрическую ось центральной симметрии (X′X), в камеру сгорания газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к области энергетики. Разделительное устройство содержит завихритель (1, 20, 30) из листового материала, содержащий множество изогнутых лопаток (4), имеющих кромку (6) со стороны входа потока, образующую входной угол (α), и кромку (8) со стороны выхода потока, образующую выходной угол (β), при этом кромка со стороны входа потока и кромка со стороны выхода потока проходят от центрального участка (3) к периферийной кромке (9), причем периферийная кромка проходит между конечными точками кромки со стороны входа потока и кромки со стороны выхода потока, а входной угол больше, чем выходной угол, при этом периферийная кромка изогнутых лопаток выполнена на виде сверху круговой.

Изобретение относится к области энергетики. Горелка для использования в камере горения печи или форкамере содержит элемент подачи газа для подачи газообразного окислителя, элемент подачи топлива для подачи топлива, имеющий участок, расположенный во внутреннем пространстве элемента подачи газа и смещенный от продольной оси элемента подачи газа, а также фланцевый узел, механически связанный с элементами подачи газа и топлива, при этом фланцевый узел содержит газовый фланцевый участок, соединенный с элементом подачи газа и содержащий первое множество отверстий, продолжающихся через него вокруг указанного газового фланцевого участка, топливный фланцевый участок, соединенный с элементом подачи топлива и содержащий второе множество отверстий, продолжающихся через него вокруг указанного топливного фланцевого участка, при этом газовый и топливный фланцевые участки выполнены подвижными относительно друг друга для выравнивания первого и второго множеств отверстий для выставления относительно друг друга для закрепления с возможностью разъема газового и топливного фланцевых участков для соответствующих элементов подачи газа и топлива друг к другу для создания пятна пламени в выбранном местоположении в камере горения.

Изобретение относится к области энергетики. Устройство смесителя для горелок горючего газа содержит блок (6) вентилятора с крыльчаткой (7), имеющей радиальные лопасти (8), приводимой в движение вокруг оси (X) вращения, и с осевой впускной секцией (9) и радиально противоположной выпускной секцией (10), трубопровод (11) для размещения крыльчатки упомянутого вентилятора, первый канал (15) для подачи потока воздуха во впускную секцию, при этом упомянутый первый канал является соосным с осью (X) вращения и имеет концевую часть (15a), сходящуюся вблизи от впускной секции (9), второй трубчатый канал (16) для подачи потока газа на конце концевой части (15a), имеющей наименьшее поперечное сечение, при этом второй трубчатый канал является соосным с первым каналом (15) так, что поток воздуха смешивается с потоком газа по потоку до впускной секции (9) вентилятора, лопасти (8) крыльчатки, выступающие из базовой поверхности (12) крыльчатки, при этом каждая лопасть (8) имеет переднюю кромку (13), расположенную во впускной секции (9), и эти передние кромки образуют входные отверстия соответствующих лопастных каналов между смежными парами лопастей, проходящих между впускной секцией (9) и выпускной секцией (10) вентилятора, трубопровод (11), имеющий профиль (14) передней поверхности, расположенный перед лопастями (8) крыльчатки и отстоящий от них.

Изобретение относится к области энергетики. Высокоэффективная горелка содержит предсопловую камеру, имеющую входное отверстие для подачи воздуха горения, камеру горения, сообщающуюся с указанной предсопловой камерой, по меньшей мере, одну трубу, подводящую первичный отработавший газ, которая проходит через предсопловую камеру и заканчивается в камере горения, обеспечивая подачу первичного отработавшего газа в указанную камеру горения, и трубопровод, подводящий первичное газообразное топливо, который проходит через указанную предсопловую камеру и обеспечивает подачу первичного газообразного топлива в указанную камеру горения, в результате чего обеспечивается улучшенное смешивание потоков текучей среды.

Изобретение относится к электролизно-водному аппарату, содержащему электролизер, блок электропитания, узлы подготовки газовой смеси и инжекционную или равного давления горелку, работающую на смеси водорода с кислородом.

Изобретение относится к энергетике. Завихритель (31, 131, 231) содержит центральный топливораспределительный элемент (37), наружную стенку (39), окружающую центральный топливораспределительный элемент (37) и ограничивающую осевой проточный канал (41) для воздуха, предназначенного для горения, завихряющие лопатки (47), проходящие в радиальном направлении до наружной стенки (39) и придающие протекающему воздуху для горения тангенциальную составляющую течения, а также окружающую центральный топливораспределительный элемент (37) и расположенную радиально внутри наружной стенки (39) перегородку (42, 142), разделяющую проточный канал (41) на радиально внутренний участок (43) и радиально внешний участок (45), радиально внутренний участок (43) канала обеспечивает протекание воздуха для горения без придания тангенциальной составляющей течения, причем через радиально внутренний участок (43) канала к завихряющим лопаткам (47) на радиально внешнем участке (45) канала проходят топливопроводы (49).

Изобретение относится к производству ацетилена. Горелка для получения ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана содержит блочное газораспределительное устройство с каналами для подачи газовой смеси и каналами для подачи стабилизирующего кислорода, соединенными с коллектором подачи стабилизирующего кислорода, газораспределительное устройство выполнено в виде совокупно направляющего газораспределительного моноблока с цельно выфрезированными в нем каналами для подачи газовой смеси, стабилизирующего кислорода и коллектора подачи стабилизирующего кислорода; входы в газовые каналы выполнены плавно сужающимися.

Изобретение относится к процессу получения ацетилена окислительным пиролизом углеводородов, например метана, и может быть использовано в нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к топливной форсунке для использования в камере сгорания газотурбинного двигателя. .
Наверх