Устройство и способ для сжигания топлива в воздухе

 

Устройство и способ предназначены для использования в энергетике. Устройство содержит кольцевой канал (4) для направления воздуха меридиональным относительно оси (1) потоком (5), завихрительную решетку (9) для придания завихрения (10) потоку (5) и средство (11, 12, 16) для подмешивания топлива (6) в поток (5) с образованием в основном гомогенной смеси. Кроме того, имеется средство (13, 17, 18) для замедления находящейся радиально снаружи относительно оси (1) части потока (5) по отношению к другим частям потока (5). Устройство выполнено, в частности, как горелка с предварительным смешиванием для применения в газотурбинной установке. При осуществлении способа сжигания топлива в воздухе перед зажиганием смеси замедляют находящуюся радиально снаружи относительно оси (1) часть потока (5) по отношению к другим частям потока (5). Изобретение обеспечивает стабилизацию процесса сгорания. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройству для сжигания топлива в воздухе, содержащее кольцевой канал для направления воздуха меридиональным относительно оси потоком; завихрительная решетка для придания завихрения потоку; и средство для подмешивания топлива в поток с образованием в основном гомогенной смеси.

Кроме того, изобретение относится к способу сжигания топлива в воздухе, в котором создают воздушный поток, проходящий кольцеобразно вокруг оси, меридионально относительно оси и с завихрением, и смешивают в основном гомогенно с топливом с образованием смеси, которую зажигают для сгорания топлива.

Такое устройство известно специалистам под названием "горелка с предварительным смешиванием", причем из самого названия следует, что топливо сжигают после определенного отрезка времени после подмешивания в подаваемый для сжигания воздух. Способ также известен специалистам как способ, который обычно используют при работе обычной горелки с предварительным смешиванием.

При работе обычной горелки с предварительным смешиванием при увеличении подвода воздуха к горелке часто достигают такого состояния, в котором сгорание становится нестабильным и вызывает в установке, в которую она встроена, акустические колебания. Эти акустические колебания известны под названием "колебания сгорания". Колебания сгорания могут становится настолько сильными, что они угрожают работе горелки с предварительным смешиванием и установки, составной частью которой является горелка с предварительным смешиванием. Склонность горелки с предварительным смешиванием к образованию нестабильного сгорания становится тем сильней, чем гомогенней является образованная в горелке с предварительным смешиванием перед сгоранием смесь из топлива и воздуха. Однако возможно более гомогенная смесь желательна с той точки зрения, что образование угарных газов при сгорании тем меньше, чем гомогенней смесь. Если смесь является полностью гомогенной, то возникающая при сгорании смеси максимальная температура достигает минимального значения, а как раз этот эффект является существенным для особенно низкого производства угарных газов.

Такое устройство и такой способ известны также из ЕР 0193838 В1 или ЕР 0589520 B1.

Для стабилизации горения горелки с предварительным смешиванием было предложено заключать выходящую из горелки и загорающуюся смесь в завесу из воздуха и тем самым предотвращать образование в краевых областях смеси вихрей, в которых происходят процессы сгорания, относительно которых можно предполагать, что они существенно влияют на дестабилизацию сгорания. Однако недостатком предложенной меры является то, что воздух, который используют для обволакивания смеси, необходимо отбирать из собственно процесса сгорания. Если задана подлежащая высвобождению с помощью горелки с предварительным смешиванием тепловая мощность, то тем самым задано по существу также подлежащее использованию количество топлива, и отвод воздуха для стабилизации горения означает, что собственно сгорание должно происходить в присутствии уменьшенного количества воздуха, и с учетом того, что сгорание происходит как правило, в частности, в газотурбинной установке, в избытке воздуха, то сгорание должно происходить с значительно повышенной максимальной температурой и тем самым со значительно повышенным образованием угарных газов.

В основе изобретения лежит задача указать меры для стабилизации процесса сгорания при использовании горелки с предварительным смешиванием, в которых нет необходимости отбирать от процесса сгорания находящийся в распоряжении воздух. Эти меры должны быть воплощены как в устройстве, так и в способе.

Для решения этой задачи относительно устройства предлагается согласно изобретению устройство для сжигания топлива в воздухе, содержащее: кольцевой канал для направления воздуха меридиональным относительно оси потоком; завихрительную решетку для придания завихрения потоку; и средство для подмешивания топлива в поток с образованием в основном гомогенной смеси; отличающееся средством для замедления находящейся радиально снаружи относительно оси части потока по отношению к другим частям потока.

Согласно изобретению распределение скоростей в потоке, когда он выходит из устройства, является неравномерным в радиальном относительно оси направлении, при этом однако в потоке сохраняется гомогенность смеси из воздуха и топлива. При этом неравномерность распределения скоростей в потоке может относится к меридиональной составляющей скорости, к тангенциальной составляющей скорости или к обеим составляющим скорости. Это происходит за счет того, что поток в кольцевом канале возмущается локально с помощью соответствующего препятствия в виде сетки или т.п., которое установлено в соответствующем месте в кольцевом канале.

Нуждается ли горелка с предварительным смешиванием, воплощающая в отдельном случае такое устройство, в стабилизации с помощью так называемого воспламеняющего факела в центре или на внешней периферии потока, или горелка с предварительным смешиванием может обходиться вообще без воспламеняющего факела, имеет в данном случае второстепенное значение. То же относится к выполнению завихрительной решетке; это может быть в соответствии с требованиями конкретного случая осевая, радиальная или диагональная завихрительная решетка. Подробности подвода топлива также имеют в данном случае второстепенное значение; принципиально подвод топлива может осуществляться любым способом, например, через форсунки в направляющих лопатках завихрительной решетки или через отдельные смешивающие устройства перед или позади завихрительной решетки.

Средство для замедления радиально внешней относительно оси части потока по отношению к другим частям потока создает в потоке локальное падение давления, которое приводит к тому, что позади средства преобладает более низкая скорость потока, чем в частях потока, на которые средство не оказывает влияния. Естественно, что средство для подмешивания топлива в поток должно быть выполнено с обеспечением необходимой гомогенности создаваемой смеси; может быть необходимым соответственно сократить подвод топлива в замедленную часть потока по сравнению с подводом топлива к другим частям потока.

За счет неравномерного распределения скорости в потоке достигается то, что смесь не одновременно зажигается во всех местах потока. Тем самым вызванное в смеси сгоранием расширение происходит не внезапно, а с распределением в определенном интервале времени. Тем самым значительно понижается склонность к нестабильности.

Так как поток в его внешних областях является более медленным, чем в его внутренних областях, то кроме того понижается склонность к образованию завихрений, что также значительно способствует стабильности горения. Однако это не приводит к повышению максимальной температуры при сгорании, так как весь имеющийся в распоряжении воздух используется для сгорания топлива.

Первая, особенно предпочтительная модификация устройства отличается тем, что предусмотренное средство для замедления находящейся радиально снаружи относительно оси части потока имеет по отношению к оси круговую симметрию, так что замедляемая средством часть потока также имеет круговую симметрию. Таким образом, весь поток заключен в значительно замедленную по сравнению с другими частями часть. Поэтому эта замедленная часть является определяющей для аэродинамических условий на пограничной поверхности между выходящим из устройства потоком и не содержащим топлива воздухом, что на основе обусловленного замедлением уменьшенного градиента скорости приводит к подавлению образования вихрей и тем самым к акустической стабилизации происходящего в потоке сгорания.

Круговым симметричным средством для замедления является предпочтительно расположенное в кольцевом канале и заходящее в радиально внешнюю относительно оси часть кольцевого канала дроссельное кольцо, которое расположено, в частности, выше по потоку от завихрительной решетки. Кроме того, это дроссельное кольцо выполнено из расположенных в кольцевом канале и равномерно распределенных вокруг оси дроссельных элементов, предпочтительно, стержней. Дроссельное кольцо не должно полностью закрывать ту часть кольцевого канала, в который оно заходит, а только дросселировать поток, проходящий через эту часть. В этом случае дроссельное кольцо необходимо выполнять с точки зрения его функции как решетку.

Особенно предпочтительная в качестве альтернативного решения модификация устройства отличается тем, что средство для замедления имеет относительно оси прерывистую симметриию, в частности, дискретную симметрию. При этом под расположением с прерывистой симметрией понимается такое расположение, которое существенно отличается от кругового симметричного расположения и характеризуется, в частности, тем, что оно не имеет (непрерывную) круговую симметрию, а только дискретную симметрию, например, характеризуемую конечной симметричной группой. Таким образом, это средство с прерывистой симметрией не приводит к тому, что поток окружается замедленной в целом и равномерно частью, как это имеет место в указанной выше особенно предпочтительной модификации. В противоположность этому поток имеет во внешней области отдельные струи, которые замедлены относительно других частей потока. Эти медленные струи также пригодны для предотвращения образования вихрей, которые могут обволакивать поток после его выхода из устройства. А именно, медленные струи образуют локальные возмущения в поле скоростей потока, которые противодействуют образованию вихрей и тем самым могут приводить к желаемой акустической стабилизации создаваемого в потоке пламени, как уже указывалось выше.

Средство с прерывистой симметрией для замедления представляет собой предпочтительно совокупность из неравномерно распределенных вокруг оси дроссельных элементов, в частности, стержней.

Средство для подмешивания топлива представляет собой предпочтительно совокупность форсунок, причем форсунки могут быть расположены в завихрительной решетке, в частности так, что форсунки находятся в направляющих лопатках завихрительной решетки.

С точки зрения способа для решения задачи согласно изобретению предлагается способ сжигания топлива в воздухе, в котором создают окружающий ось, меридиональный относительно оси и выходящий с завихрением воздушный поток и смешивают в основном гомогенно с топливом с образованием смеси, которую зажигают для сгорания топлива, причем перед зажиганием замедляют находящуюся радиально снаружи относительно оси часть потока по отношению к другим частям потока.

Преимущества этого способа следуют из описания устройства согласно изобретению и его вариантов выполнения, на что здесь делается ссылка.

Замедление радиально внешней части потока может осуществляться с круговой симметрией относительно оси; в качестве альтернативного решения возможно осуществлять замедление с прерывистой симметрией с разрывами относительно оси. Подробности указаны в приведенном выше описании обеих особенно предпочтительных модификаций устройства согласно изобретению, на что здесь делается ссылка.

Ниже поясняются подробней примеры выполнения изобретения с помощью чертежей, на которых изображено: фиг. 1 - вариант выполнения горелки с предварительным смешиванием в продольном разрезе; фиг. 2 - горелка с предварительным смешиванием согласно уровню техники в продольном разрезе; фиг. 3, 4 и 5 - варианты выполнения горелки с предварительным смешиванием в различных проекциях.

На фигурах соответствующие компоненты изображенных примеров выполнения обозначены одинаковыми позициями.

Чертежи не следует рассматривать как изображение конкретно реализованных примеров выполнения, они упрощены для иллюстрации определенных признаков. Указания, которые можно почерпнуть непосредственно из чертежей, могут быть для практической реализации пополнены знаниями и навыками специалистов в этой области с учетом предшествующего этим указаниям описания.

На фиг. 1 показан пример выполнения устройства согласно изобретению, а на фиг. 2 показан для сравнения вариант выполнения в смысле обсужденного во вступительной части описания предложения. Многие компоненты присутствуют в обоих вариантах выполнения и для пояснения этих компонентов сперва делаются совместные ссылки на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1, соответственно, фиг. 2 показана горелка с предварительным смешиванием с осью 1, с расположенным центрально относительно оси 1 внутренним корпусом 2 и с расположенным также центрально относительно оси 1, окружающим внутренний корпус 2 внешним корпусом 3. Между внутренним корпусом 2 и внешним корпусом 3 находится кольцевой канал 4, через который проходит поток 5 воздуха. В кольцевом канале 4 воздух смешивают с топливом 6 с образованием смеси, которая входит в камеру сгорания 7 и там сгорает. Устройство зажигания для зажигания смеси не показано для сохранения наглядности. В обычной практике, которая для одной камеры сгорания 7 предпочитает несколько горелок с предварительным смешиванием, нет необходимости предусматривать устройство зажигания для каждой горелки, а достаточно одного устройства зажигания для всех горелок. Таким образом, устройство зажигания в этом смысле не является составной частью отдельной горелки с предварительным смешиванием, что оправдывает то, что на фигурах не показано устройство зажигания. Горелка с предварительным смешиванием вставлена в стенку 8 камеры сгорания, которая закрывает камеру сгорания 7 сверху по потоку 5. В кольцевом канале 4 расположена завихрительная решетка 9, состоящая из направляющих лопаток 9, которая служит для придания потоку 5 завихрения 10. Для подвода топлива 6 в поток 5 предусмотрены форсунки 11 и 12 в направляющих лопатках 9. Средства для подвода топлива 6 к этим форсункам 11 и 12 не показаны с целью сохранения наглядности. Также не показана в некоторых случаях полезная или необходимая для работы горелки с предварительным смешиванием воспламеняющая горелка, которая создает особое пламя, которое способствует стабилизации сгорания смеси из воздуха и топлива. Такая воспламеняющая горелка необходима в тех случаях, когда горелка с предварительным смешиванием должна работать при изменяющихся соотношениях смеси воздуха и топлива, поскольку смесь, которая относительно обеднена топливом, в некоторых случаях без поддержки не может надежно зажигаться. Применение или не применение воспламеняющей горелки, как указывалось выше, зависит от решения специалистов.

На фиг. 1 показан пример выполнения изобретения. В рамках этого примера выполнения перед завихрительной решеткой 9 предусмотрено дроссельное кольцо 13 из отдельных, установленных на внешнем корпусе 3 и входящих в кольцевой канал 4 стержней. Эти стержни вызывают локальные потери давления в потоке 5 и приводят к тому, что внешняя часть потока 5, которая проходит вблизи внешнего корпуса 3 замедляется или тормозится по отношению к другим частям потока. Это замедление продолжается во всем кольцевом канале 4 и приводит к тому, что распределение скоростей в смеси, которая входит в камеру сгорания 7, является неравномерным. Это оказывает подробно указанные выше стабилизирующие воздействия на происходящее в камере сгорания 7 сгорание, на приведенное выше пояснение которых здесь делается ссылка. Подвод топлива 6 в поток 5 должен производиться с учетом неравномерного распределения скорости в потоке 5; поэтому для подвода топлива к в основном не затронутой воздействием части потока предусмотрены большие форсунки 11, а для подвода топлива 6 в замедленную часть потока предусмотрены меньшие форсунки 12. Размеры этих форсунок 11 и 12 следует выбирать так, чтобы достичь в основном гомогенного распределения топлива в потоке и тем самым обеспечивать сгорание при минимальном образовании угарных газов. Для соответствующего выполнения устройства специалисты имеют в распоряжении вычислительные программы для числового моделирования потока 5, с использованием которых возможно соответствующее выполнение форсунок 11 и 12.

На фиг. 2 показано устройство, в котором в кольцевом канале 4 нет дроссельных вставок. В соответствии с этим нет также необходимости различных по величине форсунок 11 для подвода топлива 6. Для того чтобы стабилизировать обеспечиваемое этим устройством сгорание, предусмотрено окружающее внешний корпус 3 кольцевое сопло 14, через которое часть подводимого к устройству воздуха в обход кольцевого канала 4 и завихрительной решетки 9 подводят непосредственно в камеру сгорания 7. Этот воздух образует завесу, которая обволакивает смесь из воздуха и топлива и предотвращает образование завихрений, которые могут приводить к нестабильности сгорания. Недостатком примера выполнения согласно фиг. 2 является то, что часть имеющегося в распоряжении воздуха недоступна для смешивания с топливом. В конечном итоге это означает, что устройство приводит к образованию повышенного количества угарных газов, что в любом случае нежелательно.

На фиг. 3 показана часть осевого продольного разреза варианта выполнения устройства согласно фиг. 1. Многие компоненты этого устройства совпадают с компонентами устройства по фиг. 1 и поэтому не нуждаются в описании. Значительным на фиг. 3 является то, что для подвода топлива 6 больше не используют направляющие лопатки 9, а для этого предусмотрены отдельные трубки 15, на которых установлены форсунки 16 для подвода топлива 6 в поток 5. Средства для подвода топлива к трубкам 15 снова не показаны для сохранения наглядности. Форсунки 16 не должны быть все одинаковыми по величине; смотри по этому поводу описание форсунок 11 и 12 по фиг. 1.

На фиг. 4 показано поперечное сечение предпочтительной модификации, в котором показаны несколько альтернативных решений для средства для замедления части потока. Кроме уже указанных стержней 13 это может быть перфорированный стальной лист 17, а также состоящее из проволоки или т.п. сетки 18 (причем сама сетка показана только частично). Под этими средствами 13, 17 и 18 показаны направляющие лопатки 9, которые проходят между внутренним корпусом 2 и внешним корпусом 3. В примере выполнения согласно фиг. 4 значение имеет то, что замедление радиально внешней части потока 5 (смотри фиг. 1) происходит с круговой симметрией относительно оси 1. Таким образом, выходящий из устройства согласно фиг. 4 поток имеет находящуюся радиально снаружи часть, которая замедлена равномерно по отношению к другим частям потока 5. Достигаемые с помощью этого эффекты уже подробно описаны выше, на что здесь делается ссылка.

Относительно фиг. 4 следует отметить, что изображенные средства для замедления, в частности, стержни 13, не могут, естественно, иметь расположение, которое имеет круговую симметрию в самом строгом математическом смысле, т.е. содержать непрерывную симметричную группу. Однако следует учитывать то, что каждый стержень 13 создает определенные локальные возмущения, в частности, турбулентности, в потоке 5, которые однако затихают на коротком расстоянии за соответствующим стержнем 13. На определенном расстоянии от расположения стержней 13 поток 5 снова гомогенизируется и сохраняет только свойства, которые распределены по существу с круговой симметрией относительно оси 1. При практической реализации изобретения в смысле примера выполнения согласно фиг. 4 с стержнями 13, причем соответствующие соображения относятся, естественно, к перфорированным листам 17 и к сетке 18, число и геометрические размеры стержней 13 следует выбирать на основе аэродинамических особенностей подлежащего реализации устройства; соответствующие сведения и средства известны специалистам.

На фиг. 5 показан поперечный разрез второй предпочтительной модификации, в которой средства для замедления в противоположность примеру выполнения согласно фиг. 4 выполнены не с круговой симметрией относительно оси 1, а с прерывистой симметрией. В примере выполнения согласно фиг. 5 симметрия прервана настолько, что имеется дискретная симметрия, а именно симметрия четырех групп. Расположение стержней 13 согласно фиг. 5 задумано так, что в потоке 5 создаются неравномерности, которые продолжаются далеко за стержнями 13 и завихрительной решеткой 9 и присутствуют также после выхода из устройства. В соответствии с этим, после выхода из устройства в потоке 5 имеется по существу неравномерное поле скоростей, которое также подавляет образование вихрей, которые могли бы окружать поток 5, и которое тем самым может служить для желаемой акустической стабилизации создаваемого в потоке 5 пламени.

Все варианты выполнения изобретения имеют особое значение для применения в газовой турбине для нагревания посредством сжигания топлива создаваемого компрессором потока сжатого воздуха, после чего нагретый поток расширяется в турбине. Изобретение отличается, в частности, тем, что оно, с одной стороны, предусматривает только пассивные меры для стабилизации сгорания, и с другой стороны, не требует отвода воздуха от того воздуха, который предназначен для сгорания.

Формула изобретения

1. Устройство для сжигания топлива (6) в воздухе, содержащее кольцевой канал (4) для направления воздуха меридиональным относительно оси (1) потоком (5); завихрительную решетку (9) для придания завихрения (10) потоку (5); и средство (11, 12, 16) для подмешивания топлива (6) в поток (5) с образованием в основном гомогенной смеси, отличающееся средством (13, 17, 18) для замедления находящейся радиально снаружи относительно оси (1) части потока (5) по отношению к другим частям потока (5).

2. Устройство по п. 1, в котором средство (13, 17, 18) для замедления является средством, которое расположено в кольцевом канале (4) и имеет круговую симметрию относительно оси (1).

3. Устройство по п. 2, в котором средство (13, 17, 18) для замедления является расположенным в кольцевом канале (4) и заходящим в находящуюся радиально снаружи относительно оси (1) часть кольцевого канала (4) дроссельным кольцом (13, 17, 18).

4. Устройство по п. 3, в котором дроссельное кольцо (13, 17, 18) расположено по потоку перед завихрительной решеткой (9).

5. Устройство по п. 4, в котором дроссельное кольцо (13, 17, 18) образовано из равномерно распределенных дроссельных элементов (13, 17, 18).

6. Устройство по любому из пп. 3-5, в котором дроссельное кольцо (13, 17, 18) выполнено из расположенных в кольцевом канале (4) стержней (13).

7. Устройство по п. 1, в котором средство (13, 17, 18) для замедления имеет относительно оси (1) прерывистую симметрию, в частности, дискретную симметрию.

8. Устройство по п. 7, в котором средство (13, 17, 18) для замедления выполнено из неравномерно распределенных вокруг оси (1) дроссельных элементов (13, 17, 18), в частности, стержней (13).

9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором средство (11, 12) для подмешивания топлива (6) содержит устройство из форсунок (11, 12, 16).

10. Устройство по п. 9, в котором форсунки (11, 12) расположены в завихрительной решетке (9).

11. Устройство по п. 9, в котором форсунки (11, 12) расположены в направляющих лопатках (9) завихрительной решетки (9).

12. Способ сжигания топлива (6) в воздухе, в котором создают окружающий ось (1), выходящий меридионально относительно оси (1) и с завихрением (10) воздушный поток (5) и смешивают в основном гомогенно с топливом (6) с образованием смеси, которую зажигают для сгорания топлива (6), отличающийся тем, что перед зажиганием замедляют находящуюся радиально снаружи относительно оси (1) часть потока (5) по отношению к другим частям потока (5).

13. Способ по п. 12, в котором находящаяся радиально снаружи часть потока (5) имеет относительно оси (1) круговую симметрию.

14. Способ по п. 12, в котором находящаяся радиально снаружи часть потока (5) имеет относительно оси (1) прерывистую симметрию.

Приоритет по пунктам: 09.09.1996 по пп. 1,3,4,6,9,10,11,12; 02.10.1996 по пп. 2,5,7,8,13,14.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5