Горелочное устройство камер сгорания

 

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных установок. Горелочное устройство содержит вспомогательную центральную горелку диффузионного типа, отделанную со стороны горения от основной кольцевым экраном, лопаточный завихритель с полыми лопатками, у которых во внешнем ярусе выполнены щели для раздачи топлива. Лопатки внутреннего яруса лопаточного завихрителя выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Отношение площадей щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным. Изобретение обеспечивает получение однородной топливовоздушной смеси в окружном и радиальном направлениях перед фронтом пламени. 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, конкретно к газотурбостроению, и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД).

Известны горелочные устройства, содержащие лопаточный завихритель, пилоны подачи топлива и центральную горелку или форсунку. (Например, горелочные устройства ГТУ фирмы Сименс - Modern Power Systems, November 1995, стр. 13), а также Radian Corporation (стр. 27, фиг. 2, там же). В отечественных ГТУ нашли применение горелочные устройства предварительного смешения топлива с воздухом (Тухбатуллин Ф.Г., Кашапов Р.С. Малотоксичные горелочные устройства газотурбинных установок, Уфа, 1994, стр. 118-119, Рис. 4.10-4.11).

Их назначение - предотвращение эмиссии вредных веществ в камерах сгорания, таких как оксиды азота (NO_x) и окись углерода (CO).

Недостатком названных устройств является существование опасности проникновения пламени ("проскока", "обратного броска") из зоны горения в зону предварительного смешения топлива с воздухом с последующим выходом из строя горелочного устройства. Последнее может оказаться труднопреодолимым препятствием для их использования в ГТУ при определенной размерности и режимах работы.

Наиболее близким конструктивным прототипом предлагаемого изобретения является газовая горелка камеры сгорания газотурбинной установки фирмы Броун Бовери (Швейцария), осуществленная в 1950 г (Г.И. Моисеев, Л.З. Мееров "Конструкции стационарных газотурбинных установок", Госэнергоиздат, Москва, 1962, стр. 70, рис. 3-25). Основная газовая горелка состоит из наружного цилиндра, соединенного с двухстенной трубкой десятью полыми лопатками, газ подводится к трубке и, проходя через полые лопатки, смешивается с первичным воздухом. Лопатки, установленные под углом 45^o, образуют завихритель, в котором воздух получает необходимую закрутку.

Дежурная горелка расположена в центре основной. Горелка обеспечивала хорошую равномерность температур за камерой сгорания. О ее экологических характеристиках не сообщалось, возможно из-за отсутствия этой проблемы при верхних температурах термодинамического цикла того времени - 600^oC.

Можно с уверенностью полагать, что описанный прототип был лишен недостатков, присущих названным ранее конструкциям. Его несовершенство в части экологических характеристик для камер сгорания высокотемпературных ГТУ будет заключаться в незавершенности конструкции, а именно: - в загрязняющем действии вспомогательной центральной горелки диффузионного типа из-за проникновения отдельных струй ее топлива в основной поток; - недостаточной однородности топливовоздушной смеси из-за отсутствия специального закона распределения топлива и воздуха после лопаточного завихрителя; - увеличенной длины факела дежурной горелки при использовании устройства во встроенных камерах сгорания (трубчатого и кольцевого типа).

Целью предлагаемого изобретения является экологически чистое сжигание топлива при сохранении безопасного процесса и устойчивого горения во всем диапазоне режимов ГТУ.

Поставленная цель достигается тем, что горелочное устройство камеры сгорания содержит вспомогательную центральную горелку и основную внешнюю горелку в виде лопаточного завихрителя воздуха, разделенного со стороны зоны горения посредством кольцевого экрана на два яруса - внутренний и внешний. Внутренний ярус образует камеру вспомогательной горелки. Его лопатки выполнены со сплошными стенками и выходными кромками. Образуемый в этой зоне диффузионный факел устойчив в широком диапазоне режимов. В основной горелке отношение площадей щелей для топлива в выходных кромках внешнего яруса завихрителя к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу постоянным.

Такое выполнение горелочного устройства позволяет при работе только центральной горелки производить запуск и набор до 40% нагрузки ГТУ, при открытии основного (регулирующего) клапана и совместной работе вспомогательной и основной горелок осуществлять набор нагрузки сверх 40%. При нагрузках более 50-70% дежурная горелка может отключаться по топливу.

Хорошие экологические характеристики камер сгорания с предлагаемым горелочным устройством на частичных нагрузках обеспечиваются пониженным в ней уровнем температур, при высоких режимах - ограничением области загрязняющего действия диффузионного факела или полным его гашением.

Исключение обратного проскока пламени достигается отсутствием в конструкции протяженной области предварительного смешения. (Перемешивание топлива и воздуха заменено дозированной равномерной раздачей топлива в поперечном сечении потока воздуха).

Срывы факела на пониженных режимах ГТУ при увеличенных средних избытках первичного воздуха предотвращаются работой вспомогательной горелки диффузионного типа.

На фиг. 1 представлено сечение горелочного устройства, на фиг. 2 - вид на элемент устройства со стороны выхода воздуха и топлива.

Горелочное устройство содержит наружный обод 1, наружную трубу основного топлива 2, внутреннюю трубу дежурного топлива 3, лопаточные завихрители воздуха 4 и 5, вспомогательную горелку топлива 6 с отверстиями 7 и кольцевой экран 8. Площадь щелей в выходных кромках лопаток внешнего яруса определяется произведением ширин щели δ на их радиальную длину Δr, а проходные сечения межлопаточных каналов для воздуха - произведением ширины узких сечений "а" на радиальную протяженность Δr. Внешний ярус лопаточного завихрителя выполнен так, что отношение площадей ( ) вдоль радиуса или df/dr = 0.

При запуске ГТУ (ГТД) топливо подается во внутреннюю трубку 3 центральной горелки 6 и через отверстия 7 в воздушный поток, закрученный внутренним ярусом 5 лопаточного завихрителя и отделенный от основного потока воздуха экраном 8. Диффузионная центральная горелка обеспечивает надежное воспламенение топлива, а возникающая в центре вихря зона обратных токов - устойчивое горение на малых режимах работы ГТУ. Повышенные местные концентрации топлива в дежурной зоне вызывают образование в ней оксидов азота (NO_x), но их общее количество ограничено малым объемом зоны реакции, тогда как область основного потока воздуха (за внешним завихрителем 4) защищена экраном 8 от проникновения в нее отдельных струй топлива повышенной дальнобойности.

На режимах ГТУ более 20% от номинальной нагрузки в трубу 2 начинает подаваться основное топливо, поступающее внутрь лопаточного завихрителя, откуда оно выпускается в воздушный поток через щели в выходных кромках внешнего яруса. До установления устойчивого горения (определяется типом ГТУ), приблизительно до 40% от номинального режима, в работе остаются обе горелки - вспомогательная и основная.

При дальнейшем увеличении нагрузки подача топлива во вспомогательную горелку 6 перекрывается, в работе сохраняется лишь основная горелка 4. Низкий уровень эмиссии оксидов азота (NO_x) обеспечивается высокой однородностью топливовоздушной смеси, достигаемой равномерной в окружном и радиальном направлениях раздачей топлива по поперечному сечению воздушного потока. Исключение обратного броска пламени достигается подготовкой горючей смеси непосредственно перед фронтом пламени.

Формула изобретения

Горелочное устройство камер сгорания, содержащее вспомогательную центральную горелку и основную внешнюю горелку в виде завихрителя воздуха с полыми лопатками и щелями в выходных кромках для раздачи топлива, отличающееся тем, что лопаточный завихритель со стороны зоны горения разделен посредством кольцевого экрана на два яруса так, что внутренний образует камеру вспомогательной горелки, а его лопатки выполнены со сплошными стенками и выходными кромками, при этом отношение площадей щелей для топлива в выходных кромках к площадям проходных сечений межлопаточных каналов для воздуха выполнено по радиусу внешнего яруса завихрителя постоянным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2