Горелка с предварительным смешением газового топлива и воздуха

 

Изобретение относится к стационарным газотурбинным двигателям, в частности к малоэмиссионным камерам сгорания. Горелка с предварительным смешением газового топлива и воздуха содержит корпус с тангенциальными входными щелями, центральное тело, корпус горелки в направлении течения выполнен в форме конфузора, проходная площадь которого меньше площади тангенциальных входных щелей в 1,3 - 2 раза, при этом центральное тело выполнено в форме конуса или конусообразной формы тела вращения с криволинейной образующей, вершина которого направлена в сторону выхода корпуса горелки. Изобретение позволяет снизить токсичность продуктов сгорания, повысить устойчивость работы горелки и ее надежность. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области стационарных газотурбинных двигателей, в частности малоэмиссионных камер сгорания.

Известна конструкция горелки, раскрытой в направлении течения конической формы, состоящей из двух позиционированных между собой отдельных конических тел, центральные оси которых проходят смещенно одна относительно другой в продольном направлении. Благодаря этому смещению по длине горелки образуются тангенциальные входные щели относительно ее внутренней полости. Подвод топлива осуществляют через сопло центрально и в зоне входных щелей - тангенциально по трубопроводам с отверстиями, через которые осуществляют вдув топлива. Выше каждой входной щели образован входной канал, снабженный инжектором, через который проводится дополнительное топливо. Топливо - воздушная смесь с топливом из инжектора и топливом из трубопроводов в виде смеси выходит из сопла [1].

Недостатком известной горелки является возможность проскока пламени во внутреннюю полость горелки, т.е. в зону, где осуществляется смешение топлива с воздухом, а также возможность возникновения пульсационного (вибрационного) горения. Проскок пламени наблюдается на режимах преимущественно частичной мощности газовой турбины, а возникновение при этом горения внутри горелки многократно увеличивает эмиссию оксидов азота и углерода.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция горелки для предварительного смешения газового топлива с воздухом перед поступлением его в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Горелка с щелевым завихрителем имеет цилиндрическую камеру закручивания, в которую воздух поступает через тангенциальные щели, а газовое топливо - через радиальные каналы, в стенках которых для этого имеются усиления. Во внутренней полости корпуса горелки имеется центральное тело с продольным отверстием для стабилизации закрученного потока газовоздушной смеси [2].

Недостатком известной конструкции является возможность проскока пламени во внутреннюю полость горелки, т.е. в зону, где осуществляется смешение газового топлива с воздухом, что повышает эмиссию оксидов азота и снижает надежность работы горелки, приводит к ее прогару. Это объясняется тем, что расход газовоздушной смеси определяется не площадью сопла на выходе, а проходной площадью щелевых каналов. При этом зона обратных токов, образующаяся вниз по течению от среза горелки, преимущественно при частичных нагрузках турбины, не поддерживается высокой скоростью топливо-воздушной смеси, а при ее скорости ниже скорости распространения пламени возможен проскок пламени внутрь горелки, повышенная эмиссия оксидов азота и прогар горелки.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении токсичности продуктов сгорания, в повышении устойчивости работы горелки и ее надежности.

Сущность технического решения заключается в том, что в горелке с предварительным смешением газового топлива и воздуха, содержащей корпус с тангенциальными входными щелями, каналами подачи топлива и центральным телом во внутренней полости, согласно изобретению, корпус горелки в направлении течения выполнен в форме конфузора, проходная площадь которого меньше площади тангенциальных входных щелей в 1,3...2 раза, при этом центральное тело выполнено в форме конуса или конусообразной формы тела вращения с криволинейной образующей, вершина которого направлена в сторону выхода корпуса горелки. Выход корпуса горелки от проходной площади выполнен в форме диффузора, а нижние в направлении течения края тангенциальных входных щелей выполнены не пересекающими проходную площадь конфузора.

Выполнение корпуса горелки в направлении течения в форме конфузора, проходная площадь которого меньше площади тангенциальных входных щелей, а отношение площади входных щелей к проходной площади, т.е. к площади критического сечения, составляет 1,3...2, позволяет разделить поток газовоздушной смеси критическим сечением (проходной площадью) на 2 зоны с образованием в них обратных токов, препятствующих проскоку пламени в полость горения, где осуществляется смешение топлива с воздухом, а также уменьшающих возникновение пульсационного (вибрационного) горения в камере сгорания газотурбинного двигателя. Одна зона обратных токов образуется во внутренней полости корпуса горелки, вторая - вниз по течению от выходного сечения корпуса горелки. Уменьшение проходного сечения сужает линии токов и не допускает соединения циркуляционных зон внутри горелки и зоны, расположенной вниз по течению от выходного сечения его корпуса. При этом циркуляционная зона во внутренней полости корпуса горелки устраняется центральным телом, форма которого рассчитывается таким образом, чтобы вращающийся поток газовоздушной смеси соприкасался с поверхностью центрального тела.

Выполнение центрального тела в форме конуса или конусообразной формы тела вращения с криволинейной образующей, вершина которого направлена в сторону выхода корпуса горелки, позволяет уменьшить потери давления и управлять профилем скорости потоков и структурой течения.

Выполнение выходной площади корпуса горелки больше проходной площади его конфузорной части, а нижних в направлении течения краев тангенциальных входных щелей не пересекающими проходное сечение корпуса горелки позволяет управлять профилем скоростей потоков и структурой течения и тем самым формой выходного сопла влиять на характеристики стабилизации пламени и горения газовоздушной смеси. Это позволяет также устранять пульсационное (вибрационное) горение, расширять диапазон горения по составу смеси и уменьшить эмиссию CO и NO_x.

На фиг. 1 изображена горелка с предварительным смешением газового топлива и воздуха, продольный разрез.

На фиг. 2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - горелка с диффузором за проходным сечением конфузора.

Горелка выполнена в виде корпуса 1 и состоит из фланца 2, скрепленного с двумя смещенными относительно друг друга конфузорами 3 и 4, центральные оси которых 5, 6 смещены одна относительно другой в продольном направлении и образуют тангенциальные входные щели 7, 8. В стенках 9, 10 конфузоров 3, 4 выполнены каналы 11, 12 подачи газового топлива 13. Стрелкой 14 показан вход потока воздуха в тангенциальные входные щели 7, 8. Во внутренней полости 15 корпуса 1 горелки с фланцем 2 соединено центральное тело 16. Корпус 1 горелки в направлении течения 17 выполнен в форме конфузора 3,4 с углом α, проходная площадь S1 которого меньше площади тангенциальных входных щелей 7 и 8, а отношение площади входных щелей 7 и 8 к проходной площади S1 корпуса 1 горелки составляет 1,3...2. Центральное тело 16 выполнено в форме конуса или конусообразной формы тела вращения с криволинейной образующей 18, вершина которого 19 направлена в сторону выхода 20 его корпуса 1. Кроме того, на фиг. 3 показано, что выходная площадь S2 на выходе 20 корпуса горелки 1 больше проходной площади S1 его конфузорной части на длине L, а нижние в направлении течения 17 края 21 тангенциальных входных щелей 7, 8 не пересекают проходное сечение S1 корпуса 1 горелки.

При работе горелки воздух 14 из компрессора поступает через тангенциальные входные щели 7, 8 во внутреннюю полость 15, смешиваясь и закручиваясь со струями газового топлива 13. Для исключения отрыва потока и формирования равномерного профиля скоростей поток газовоздушной смеси удерживается центральным телом 16, а проходя через горловину проходного сечения S1, плавно ускоряется, приобретая в выходном сечении S2 максимальную скорость, которая на всех режимах работы газовой турбины превосходит скорость распространения пламени, благодаря чему исключен проскок пламени во внутреннюю полость 15 горелки. При течении потока 17 газовоздушной смеси во внутренней полости 15 отсутствуют отрывные и застойные зоны, на которых может стабилизироваться факел при кратковременном проскоке пламени. При этом вниз по течению за выходом 20 горелки зона обратных токов удерживается повышенной скоростью течения газовоздушной смеси в зоне проходной площади S1, которая определяет расход, эпюру скоростей и структуру течения потоков. Факел пламени вниз по течению за выходом 20 не может проскочить через обладающую большей, чем скорость распространения пламени, зону проходной площади S1, т.е. горловину сопла. Для обеспечения надежности и длительности ресурса горелки горловина имеет вследствие повышенной скорости лучшее охлаждение и обеспечивает также защиту от теплового проскока пламени, возникающую при определенных условиях, когда вследствие стабилизации факела на расширяющейся части (на диффузоре) поверхность стенки нагревается до температур, превышающих температуру воспламенения газовоздушной смеси внутри подводящих полостей 11, 12. Выполнением тангенциальных входных щелей 7, 8 не на всей длине L, а на ее части, т.е. не пересекая проходного сечения S1, обеспечивается подача части воздуха 14 вдоль стенок 3, 4 (или на диффузорную часть) вниз по течению от горловины S1 в огневое пространство и создается защитная пелена. Расход охлаждающего воздуха очень мал и не влияет на горение газовоздушной смеси на всех режимах работы газовой турбины, при этом повышается устойчивость работы горелки, ее ресурс и многократно снижаются токсичные выбросы NO_X и CO.

Источники информации 1. CH, патент N 680467, F 23 L 17/00, 11/40, 1992 г.

2. US, патент N 5307634, F 02 C 1/00, 1992 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Горелка с предварительным смешением газового топлива и воздуха, содержащая корпус с тангенциальными входными щелями, кагалами подачи топлива и центральным телом во внутренней полости, отличающаяся тем, что корпус горелки в направлении течения выполнен в форме конфузора, проходная площадь которого меньше площади тангенциальных входных щелей в 1,3 - 2 раза, при этом центральное тело выполнено в форме конуса или конусообразной формы тела вращения с криволинейной образующей, вершина которого направлена в сторону выхода корпуса горелки.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что выход корпуса горелки от проходной площади выполнен в форме диффузора, а нижние в направлении течения края тангенциальных входных щелей выполнены не пересекающими проходную площадь конфузора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3