Горелочное устройство с предварительным смешением

 

Использование: в горелочных устройствах с предварительным смешением, предназначенных для камер сгорания газотурбинных установок, работающих на природном газе или легком жидком топливе. Сущность изобретения: горелочное устройство содержит обечайку 1, охватывающую, по меньшей мере, один аэродинамический стабилизатор 3, с расположенным внутри него топливным коллектором 7. Устройство снабжено обтекателем 2, установленным перед обтекателем 3, например на одной оси с промежутком 4 между ними, причем внутренняя поверхность обечайки 1 выполнена повторяющей форму наружной поверхности обтекателя 2 и стабилизатора 3, образуя между обечайкой 1, обтекателем 2 и стабилизатором 3 каналы 5, пересекающиеся в зоне указанного промежутка и образующие камеру смешения 4, при этом топливные коллекторы 6 и 7 обтекателя и стабилизатора соединены как с каналами 5 так и с зоной аэродинамической тени 10, расположенной за стабилизатором 3 посредством системы калиброванных отверстий 8 и 9, выполненных в корпусах обтекателя 2 и стабилизатора 3. В каналах 5 между обечайкой 1 и обтекателем 2 установлены завихрители воздуха 11. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению и касается горелочных устройств с предварительным смешением, предназначенных для камер сгорания газотурбинных установок (ГТУ), работающих на природном газе или легком жидком топливе. Подобные устройства могут быть использованы в энергетическом, химическом, и транспортном машиностроении.

Как известно, причиной образования оксидов азота в камерах сгорания ГТУ, работающих на природном газе или легком жидком топливе, является окисление атмосферного азота. Их концентрации определяются температурой в факеле; они резко (экспоненциально) возрастают с повышением температуры. На образование оксидов азота влияют также давление, продолжительность пребывания реагирующей смеси в камере сгорания и вид топлива.

Для подавления оксидов азота в камеру сгорания вводят воду или пар, но вода должна быть обессоленной. В таких камерах снижается в 2-4 раза ресурс деталей камеры сгорания из-за возрастающих динамических нагрузок. Кроме того, подготовка обессоленной воды требуемого качества, а также пережег топлива требуют дополнительных расходов. Эти недостатки стимулируют разработки "сухих" малотоксичных камер сгорания со сжиганием при пониженных температурах переобедненной (с большими избытками воздуха) предварительно подготовленной топливовоздушной смеси. Основным элементом таких камер сгорания, образующим топливовоздушную смесь и формирующим низкотемпературный факел, является горелочное устройство с предварительным смешением.

Наиболее близким к заявляемому, взятым за прототип, является горелочное устройство с предварительным смешением, содержащее обечайку, охватывающую, по меньшей мере один аэродинамический стабилизатор, внутри которого расположен топливный коллектор. Горелочное устройство снабжено лопатками. Данное горелочное устройство является основным элементом камер сгорания типа ГТ-25-700-1, в котором образуется топливовоздушная смесь и формируется низкотемпературный факел (см. книгу В.А. Христич, Н.Г. Тумановский "Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды", г.Киев, 1983, стр. 34, рис. 8а).

Известное горелочное устройство обладает тем недостатком, что воздушная струя непрерывно срезает с лопаток и уносит порции топлива в воздушной оболочке без активного их взаимного перемешивания до попадания в зону горения, что значительно снижает степень однородности топливовоздушной смеси и тем самым не устраняет образование локальных высокотемпературных зон, способствующих образованию оксидов азота.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение устойчивого экономичного сжигания предварительно подготовленной топливовоздушной смеси с минимальными недожогом и выбросами оксидов азота не только на расчетном, но и на переходных режимах при пуске.

Задача решается за счет того, что горелочное устройство с предварительным смешением, содержащее обечайку, охватывающую, по меньшей мере один аэродинамический стабилизатор, внутри которого размещен топливный коллектор, снабжено обтекателем, установленным перед стабилизатором, например на одной оси с промежутком между ними, при этом внутренняя поверхность обечайки выполнена повторяющей форму наружной поверхности обтекателя и стабилизатора, образуя между обечайкой, обтекателем и стабилизатором каналы, пересекающиеся в зоне указанного промежутка и образующие камеру смешения, причем топливные коллекторы, размещенные внутри обтекателя и стабилизатора соединены как с каналами, так и с зоной аэродинамической тени, расположенной за стабилизатором, посредством системы калиброванных отверстий, имеющихся в корпусах обтекателя и стабилизатора. В каналах между обтекателем и обечайкой могут быть установлены лопаточные завихрители воздуха.

Новизна предлагаемого решения состоит в новой совокупности известных признаков. Изобретательский уровень подтверждается тем, что взаимодействие между собой признаков новой совокупности позволяет получить новое свойство, выраженное в том, что благодаря данной конструкции воздушные потоки, двигаясь по каналам уносят порции топлива, поступающего через отверстия в обтекателе. Пересекаясь в камере смешения они образуют, вследствие взаимного проникновения и турбулизации, однородную топливовоздушную смесь. Двигаясь далее эта смесь разделяется аэродинамическим стабилизатором горения, образуя за ним аэродинамическую тень и, как следствие, зону обратных токов, что благоприятно сказывается на устойчивости горения на переменных режимах работы.

Таким образом, появляется возможность регулировать подачу топлива на переменных режимах. При пуске установки камера сгорания будет работать в режиме диффузионной горелки, т. е. топливо подается только в зону обратных токов (аэродинамической тени) через стабилизатор. Далее подача топливо частично или полностью переключается на контур обтекателя, т. е. камера сгорания будет работать в режиме предварительного смешения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено предлагаемое устройство.

Предлагаемое горелочное устройство содержит обечайку 1, охватывающую, по меньшей мере, один аэродинамический обтекатель 2, имеющий форму лимона и расположенный с ним на одной оси аэродинамический стабилизатор горения 3. Но стабилизатор 3 может быть установлен и со смещением относительно оси обтекателя 2. Между обтекателем 2 и стабилизатором 3 имеется промежуток, образующий камеру смешения 4. Внутренняя поверхность обечайки 1 выполнена повторяющей форму наружной поверхности обтекателя 2 и стабилизатора 3, образуя между обечайкой 1, обтекателем 2 и стабилизатором 3 каналы, пересекающиеся в зоне камеры смешения 4. Внутри обтекателя 2 и стабилизатора 3 размещены соответственно контуры топливных коллекторов 6 и 7. Контуры коллекторов 6 и 7 сообщаются через системы калиброванных отверстий 8 и 9, выполненных соответственно в корпусах обтекателя 2 и стабилизатора 3 с каналами 5, камерой смешения 4 и зоной обратных токов (аэродинамической тени) 10, расположенной за стабилизатором горения 3. Таким образом, топливо может подаваться как в каналы 5, так и непосредственно в зону обратных токов 10. В каналах 5 между обечайкой 1 и обтекателем 2 установлены завихрители воздуха 11. Движение воздуха, топлива и топливовоздушной смеси показано на чертеже стрелками.

Воздушные потоки входят в устройство со стороны обтекателя 2, проходят по каналам 5. Через отверстия 8 в обтекателе 2 из топливного коллектора 6 топливо поступает в каналы 5 и камеру смешения 4. Пересекаясь в камере смешения 4 они образуют, вследствие взаимного проникновения и турбулизации, однородную топливовоздушную смесь. Двигаясь далее эта смесь разделяется аэродинамическим стабилизатором горения 3, образуя за ним аэродинамическую тень и, как следствие, зону обратных токов, что благоприятно сказывается на устойчивости горения на переменных режимах работы.

С целью улучшения процесса смесеобразования, а также во избежание проскока пламени в зону подготовки топливовоздушной смеси, в криволинейных каналах могут быть установлены завихрители воздуха 11.

Для снижения гидравлического сопротивления горелочного устройства обечайка 1 на входе развернута вдоль осевой скорости воздушного потока и вместе с обтекателем 2 образует конфузор.

Подача топлива в контуры регулируется на переменных режимах. Так при пуске установки камера сгорания будет работать в режиме диффузионной горелки, т. е. топливо подается только в контур стабилизатора. Далее топливо частично или полностью переключается на контур обтекателя.

Преимущества данного предложения состоит в улучшении качества получаемой топливовоздушной смеси за счет лучшего перемешивания топлива с воздухом.

Формула изобретения

1. Горелочное устройство с предварительным смешением, содержащее обечайку, охватывающую по меньшей мере один аэродинамический стабилизатор с расположенным внутри него топливным коллектором, отличающееся тем, что устройство снабжено обтекателем, установленным перед стабилизатором, например, на одной оси с промежутком между ними, причем внутренняя поверхность обечайки выполнена повторяющей форму наружной поверхности обтекателя и стабилизатора, образуя между обечайкой, обтекателем и стабилизатором каналы, пересекающиеся в зоне промежутка и образующие камеру смешения, при этом топливные коллекторы обтекателя и стабилизатора соединены как с каналами, так и с зоной аэродинамической тени, расположенной за стабилизатором, посредством системы калиброванных отверстий, выполненных в корпусах обтекателя и стабилизатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каналах между обечайкой и обтекателем установлены лопаточные завихрители воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1