Горелка для камеры сгорания газовой турбины (варианты)
Горелка для камеры сгорания газовой турбины снабжена корпусом горелки, имеющим на своих противоположных по оси концах вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части, внутреннюю камеру, по меньшей мере, один основной топливный входной канал и, по меньшей мере, один основной воздушный входной канал, расположенные с возможностью подачи, соответственно, топлива и воздуха во внутреннюю камеру. Горелка также содержит пусковую камеру сгорания и гаситель. Пусковая камера сгорания расположена вдоль оси корпуса горелки и имеет впуск богатой топливовоздушной смеси, камеру сжигания богатой топливовоздушной смеси с получением продуктов сгорания, и выпуск продуктов сгорания из указанной камеры сжигания богатой топливовоздушной смеси. Гаситель расположен во внутренней камере корпуса горелки вдоль центральной оси в зоне выпуска пусковой камеры сгорания и имеет вход воздуха и группу выходов, ориентированных в радиальном направлении с возможностью подачи охлаждающего воздуха к выпуску пусковой камеры сгорания и гашения выходящих из нее продуктов сгорания. Согласно второму варианту стабилизатор пламени расположен во внутренней камере корпуса горелки и содержит основную часть, сопряженную с корпусом горелки, и цилиндрическое тело плохообтекаемой формы, вытянутое вдоль оси вниз по направлению основного потока от основной части во внутреннюю камеру. Изобретение направлено на стабилизацию горения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретения относится к горелкам для газовых турбин, и, в частности, к горелкам, выполненным с возможностью стабилизации горения, и более конкретно, к горелкам, в которых используется пусковая камера сгорания для выработки продуктов сгорания (в частности, тепловой энергии и свободных радикалов) для стабилизации основного горения с предварительной подготовкой бедной смеси.
Уровень техники
Газовые турбины находят широкое применение в различных областях, включая генераторы электрической энергии, военную и гражданскую авиацию, перекачку продуктов по трубопроводам и морские перевозки. В газотурбинном двигателе топливо и воздух подаются в камеру горелки, где они смешиваются и воспламеняются факелом, что инициализирует процесс горения. Основные проблемы, связанные с процессом горения в газотурбинных двигателях, кроме тепловой эффективности и должного смешивания топлива и воздуха, заключаются в стабилизации пламени, устранении вибраций и шума, а также в регулировании загрязняющих выбросов, особенно оксидов азота (NОх).
Процесс горения требует для инициализации реакции добавления тепла (тепловой энергии) к топливовоздушной смеси. Как только началась реакция, тепло, высвобождаемое в процессе горения, может быть использовано для дальнейшей инициализации реакции, и процесс становится самоподдерживающимся. Однако для транспортировки тепла из области горения назад вверх по направлению основного потока к точке воспламенения должен быть задействован какой-либо механизм. В качестве альтернативы, когда реакция не является самоподдерживающейся, тепло и свободные радикалы должны быть получены от отдельного источника, такого как нагретая поверхность металлического катализатора или отдельный пусковой факел. Для получения необходимого для инициализации горения тепла также может быть использована любая комбинация этих способов или другие способы.
В большинстве известных самоподдерживающихся процессов горения в газотурбинных двигателях используется завихрение воздушного потока, что обеспечивает рециркуляцию продуктов сгорания и передачу горячих газов и свободных радикалов, выработанных в предшествующей реакции топливовоздушной смеси, обратно вверх по направлению основного потока для инициализации горения новой топливовоздушной смеси. Известная из предшествующего уровня техники горелка с вихревой стабилизацией представлена на фиг.1 и обозначена ссылкой 100. При переходе горения в режим очень бедной смеси высвобождается малое количество тепла, и поэтому малое количество тепла и свободных радикалов, поступающее обратно вверх по направлению основного потока, недостаточно для надежной инициализации и поддержания горения. Малая температура продуктов сгорания в режиме бедной смеси обусловливает низкие равновесные уровни свободных радикалов. Низкая температура продуктов сгорания при горении в режиме бедной смеси приводит к малой интенсивности создания свободных радикалов, когда рециркулированные продукты сгорания перемешиваются с новой, не вступившей в реакцию топливовоздушной смесью. В этих условиях время инициализации горения становится очень большим, и пламя или гаснет, или становится нестабильным и флуктуирующим по интенсивности.
Основная проблема в устройствах, работающих в режиме сгорания бедной смеси, которые обычно обладают малой эмиссией NOx, заключается в том, что смесь должна быть достаточно бедной, чтобы температура пламени была столь низкой, чтобы не образовывались NOx, а при этом на многих режимах работы при горении не может образоваться количества тепла, достаточное для самоподдерживающейся реакции. Для поддержки горения должен быть использован дополнительный источник тепла и свободных радикалов. Если использовать дополнительный пусковой высокотемпературный процесс (близкий к стехиометрическому), он стабилизирует основное горение в бедном режиме, но при этом будет выделяться значительное количество NOx.
При чисто тепловой инициализации горения процесс начинается с пиролизации топлива при высоких температурах с выделением при этом свободных радикалов. Сначала это происходит при очень малом расходе топлива и неизмеримо малом росте температуры. Через механизм цепной реакции первоначально полученные свободные радикалы создают экспоненциально растущее скопление свободных радикалов. В итоге скопление свободных радикалов становится достаточно большим, чтобы вовлечь в реакцию большое количество топлива, что приводит к быстрому воспламенению (Wamatz). Время, необходимое для того, чтобы скопление свободных радикалов выросло в степени, достаточной для воспламенения горючей смеси, называется "время задержки воспламенения" или "время индукции". При росте начальной температуры выработка свободных радикалов возрастает экспоненциально, и время индукции, необходимое для воспламенения, уменьшается. Если начальная температура ниже температуры самовоспламенения, воспламенения не произойдет ни за какое время. Свободные радикалы, также как горячие газообразные продукты содержатся в продуктах сгорания, которые, чтобы инициализировать горение, перемешиваются с поступающей топливовоздушной смесью. Эти предварительно созданные свободные радикалы могут существенно уменьшить время индукции горения. Если увлеченных в процесс свободных радикалов будет достаточное количество, произойдет быстрое воспламенение горючей смеси при низких температурах. В противном случае, при отсутствии этих вовлеченных свободных радикалов время индукции будет очень большим. Стабильное горение требует быстрого воспламенения топливовоздушной смеси сразу после ее перемешивания с горячими продуктами ранее перегоревшего топлива.
В свете изложенного существует потребность в усовершенствованной горелке со сниженной эмиссией NOx при одновременном поддержании стабильного горения.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к горелкам для газотурбинных двигателей, в которых используется пусковой факел для поддержания и стабилизации процесса горения. В предпочтительном варианте выполнения горелка содержит, наряду с другими элементами, корпус горелки, пусковую камеру сгорания и гаситель.
Корпус горелки имеет на своих противоположных по оси концах вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части, внутреннюю камеру, по меньшей мере один основной топливный входной канал и по меньшей мере один основной воздушный входной канал, расположенные с возможностью подачи, соответственно, топлива и воздуха во внутреннюю камеру.
Пусковая камера сгорания расположена вдоль оси корпуса горелки и имеет впуск богатой топливовоздушной смеси, камеру сжигания богатой топливовоздушной смеси с получением продуктов сгорания, и выпуск продуктов сгорания из указанной камеры сжигания богатой топливовоздушной смеси.
В конкретных вариантах реализации настоящего изобретения выпуск пусковой камеры сгорания имеет кольцевое поперечное сечение и расположен вокруг гасителя. Выпуск пусковой камеры сгорания может также включать группу отверстий, выполненных в радиально наружной поверхности камеры сгорания с возможностью направления второго потока охлаждающего воздуха на выходящие из пусковой камеры продукты сгорания.
Гаситель расположен во внутренней камере корпуса горелки вдоль центральной оси в зоне выпуска пусковой камеры сгорания и имеет вход воздуха и группу выходов, ориентированных в радиальном направлении с возможностью подачи охлаждающего воздуха к выпуску пусковой камеры сгорания и гашения выходящих из нее продуктов сгорания.
В некоторых вариантах реализации раскрытая горелка может содержать стабилизатор пламени, расположенный во внутренней камере корпуса горелки. Стабилизатор пламени может иметь основную часть, сопряженную с корпусом горелки, и цилиндрическое плохообтекаемое тело, вытянутое вдоль оси вниз по направлению основного потока от основной части во внутреннюю камеру. В предпочтительном варианте стабилизатор пламени имеет выполненный в нем центральный воздушный канал, проходящий вдоль оси и сообщающийся со входом гасителя с возможностью подачи в гаситель воздуха.
В приведенном в качестве примера варианте выполнения горелка может также быть снабжена узлом огнеупорной амбразуры, образующим внутреннюю камеру рециркуляции и выход горелки и размещенным смежно с нижерасположенной по направлению основного потока крайней частью корпуса горелки с возможностью приема предкамерных газов из внутренней камеры и рециркуляции части продуктов сгорания вверх по направлению основного потока со стабилизированием горения.
Раскрытая горелка может содержать воспламенитель, расположенный вдоль центральной оси корпуса горелки с возможностью инициализации основного горения в режиме бедной смеси во внутренней камере корпуса горелки в области передней критической точки основной зоны рециркуляции.
В настоящем изобретении также предлагается горелка для камеры сгорания газовой турбины, снабженная описанным выше корпусом горелки. Кроме того, горелка содержит расположенные внутри корпуса горелки средство генерации тепловой энергии и свободных радикалов и подачи их в основную внутреннюю камеру сгорания и средство подавления (гашения) испускаемых тепловой энергии и свободных радикалов непосредственно перед их поступлением в основную внутреннюю камеру сгорания. В предпочтительном варианте основная внутренняя камера сгорания расположена с возможностью получения тепловой энергии и свободных радикалы после их подавления (тепло и свободные радикалы после подавления подаются вдоль оси корпуса горелки в основную внутреннюю камеру сгорания).
Средство генерации тепловой энергии и свободных радикалов может включать пусковую камеру сгорания, расположенную вдоль оси корпуса горелки. В предпочтительном варианте пусковая камера сгорания содержит по меньшей мере один впуск богатой топливовоздушной смеси, камеру сжигания богатой топливовоздушной смеси с получением тепловой энергии и свободных радикалов, и выпуск тепловой энергии и свободных радикалов из камеры сжигания богатой топливовоздушной смеси.
Средство подавления испускаемых тепловой энергии и свободных радикалов также расположено в корпусе горелки и может соде ржать гаситель, расположенный во внутренней камере корпуса горелки вдоль центральной оси в зоне выпуска пусковой камеры сгорания и имеющий вход воздуха и группу выходов, ориентированных в радиальном направлении с возможностью подачи охлаждающего воздуха к выпуску пусковой камеры сгорания и гашения выходящих из нее продуктов сгорания.
Варианты выполнения этого варианта горелки могут также включать стабилизатор пламени, расположенный во внутренней камере корпуса горелки. Стабилизатор пламени содержит основную часть, сопрягающуюся с корпусом горелки, и вытянутое цилиндрическое плохообтекаемое тело, продолжающееся вдоль оси вниз по направлению основного потока от основной части во внутреннюю камеру. В предпочтительном варианте стабилизатор пламени имеет выполненный в нем и проходящий вдоль оси центральный воздушный канал, который сообщается с входом гасителя и подает в гаситель воздух.
Горелка может также содержать узел огнеупорной амбразуры, распложенный огнеупорной амбразуры, образующим внутреннюю камеру рециркуляции и выход горелки и размещенным смежно с нижерасположенной по направлению основного потока крайней частью корпуса горелки с возможностью приема предкамерных газов из основной внутренней камеры сгорания и рециркуляции части продуктов сгорания вверх по направлению основного потока со стабилизированием горения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено поперечное сечение выполненной в соответствии с предшествующим уровнем техники горелки, в которой осуществлена рециркуляции продуктов сгорания в стремлении установить самоподдерживающееся горение;
на фиг.2 представлен перспективный вид в сечении выполненной в соответствии с данным изобретением горелки с вихревой стабилизацией, содержащей пусковую камеру сгорания, способствующую поддержанию и стабилизации процесса горения;
на фиг.3 представлено поперечное сечение горелки с фиг.2, иллюстрирующее завихренный поток в горелке и закрепление положение передней критической точки основной зоны рециркуляции, а также переднего фронта пламени у стабилизатора пламени с центральным плохообтекаемым телом.
Эти и другие признаки горелки в соответствии с настоящим изобретением станут более понятными для имеющего среднюю подготовку специалиста в данной области техники из следующего подробного описания предпочтительного варианта выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
Обратимся теперь к фиг.2 и 3, на которых в качестве иллюстративного примера реализации показана выполненная в соответствии с предлагаемым изобретением горелка, обозначенная ссылочной позицией 200. В горелке 200 используется пусковой факел 202, способствующий поддержанию и стабилизации процесса горения. Горелка 200 содержит, наряду с другими элементами, корпус 204 горелки, пусковое устройство или пусковую камеру 210 сгорания и гаситель 206. Корпус 204 горелки имеет противоположные по оси вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части 212 и 214, соответственно. Кроме того, корпус 204 имеет несколько основных топливных входных каналов 216 и несколько воздушных входных каналов 218, выполненных с возможностью подачи топлива и воздуха, соответственно, во внутреннюю камеру 219, сформированную в корпусе 204.
Пусковая камера 210 сгорания расположена вдоль оси Х-Х корпуса 204 горелки и имеет впуск 260 богатой топливовоздушной смеси, саму камеру 262 сгорания, в которой происходит перегорание богатой топливовоздушной смеси в продукты сгорания (камера сжигания богатой топливовоздушной смеси с получением продуктов сгорания, в частности, тепловой энергии и свободных радикалов), и выпуск 264 продуктов сгорания из камеры сгорания (камеры сжигания богатой топливовоздушной). Гаситель 206 расположен во внутренней камере 219 корпуса 204 горелки вдоль центральной оси Х-Х и помещен у выхода 264 пусковой камеры 210 сгорания. Гаситель 206 имеет вход 266 воздуха и несколько направленных по радиусу выходов 268, предназначенных для направления охлаждающего воздуха в секцию 222 гашения (подавления) пусковой камеры 210 сгорания и гашения продуктов сгорания, выходящих из пусковой камеры сгорания.
Горелка 200 содержит пусковое устройство 210 с низкой эмиссией NOx, которое "генерирует" свободные радикалы и тепло, направляемые к передней критической точке 213 и в граничный слой основной зоны 215 рециркуляции. В горелке 200 используется пусковое устройство 210, работающее в режиме богатой смеси, для того чтобы:
- создать стабильный высокотемпературный источник, не дающий высокой эмиссии NOx,
- выработать большое количество свободных радикалов (горение при высоких температурах в режиме богатой топливовоздушной смеси обеспечивает очень высокий уровень свободных радикалов) и
- обеспечить максимально широкие пределы стабильности.
Продукты сгорания в режиме богатой смеси должны быть погашены перед смешиванием с основной предварительно подготовленной бедной топливовоздушной смесью, чтобы предотвратить возникновение высокотемпературного горения, которое может привести к высокой эмиссии NOx. Горение в режиме богатой смеси дает низкий уровень эмиссии NOx при высоком содержании окиси углерода (СО) и несгоревших углеводородов, что обусловлено низким содержанием кислорода. Несгоревшие углеводороды и СО, выработанные работающим в режиме богатой смеси пусковым устройством 210 будут сожжены при горении в режиме бедной смеси "основного" предварительно подготовленного топлива.
Устройства сжигания, работающие по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь", предназначены для обеспечения низкой эмиссии NOx за счет горения в режиме богатой смеси. Процесс горения называют горением в режиме богатой смеси, когда при горении подается или расходуется больше топлива, чем имеется воздуха для вступления с ним в реакцию. Горение в режиме богатой смеси приводит к низкой эмиссии NOx, так как доступный кислород будет прежде всего вступать в реакцию с водородом и углеродом топлива, а не с азотом. Кроме того, горение в режиме богатой смеси весьма желательно из-за стабильного и легкого воспламенения горючей смеси. В основном, границы воспламеняемости богатой смеси шире границ для бедной смеси, и температура пламени не падает так быстро при повышении обогащения, как она падает при горении в режиме бедной смеси при обеднении смеси. При горении в режиме богатой смеси, кроме того, выше плотность потока выделяемой энергии, так как высвобождается большее количество энергии по сравнению с массовым расходом воздуха. К основным недостаткам горения в режиме богатой смеси относятся: 1) не все топливо вступает в реакцию, что приводит к уменьшению тепловой эффективности и 2) высокая концентрация в выхлопных газах несгоревших углеводородов и окиси углерода. Высокая стабильность горения в режиме богатой смеси и высокая плотность потока энергии делают горение в режиме богатой смеси приемлемым для многих приложений, в которых эмиссия несгоревших углеводородов и окиси углерода не является существенной проблемой, и требуется очень большой удельный выход мощности на единицу веса. В основном, при выработке промышленной энергии не стремятся использовать горение только в режиме богатой смеси, так как существенно более низкие уровни эмиссии достигаются при работе на бедных смесях. Концепция работы по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" заключается в достижении стабильности, свойственной работе на богатой смеси, без образования высоких уровней эмиссии NOx, и в переходе затем на горение в режиме бедной смеси на завершающих стадиях процесса горения. Эмиссии NOx не возникает при горении в режиме богатой смеси, так как нет достаточного количества кислорода, и NOx не образуется при горении в режиме бедной смеси, так как температура низка. При горении в режиме бедной смеси температура горения низка, так как избыточный воздух не может вступить в реакцию и не участвует в выработке тепла, но должен быть нагрет вступившими в реакцию топливом и воздухом. Ключевой или критической проблемой, связанной с успешной реализацией горения по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" является процесс гашения. При переходе от богатой смеси к бедной должна быть пройдена стадия идеальной стехиометрической смеси, при которой температура пламени максимальна, и могут образовываться NOx. Эти стехиометрические реакции будут протекать очень быстро благодаря высокой температуре и большому скоплению свободных радикалов, возникающих в результате предшествующего горения в режиме богатой смеси. Если процесс гашения не будет достаточно быстрым, то из-за высокой температуры горения при гашении уровни эмиссии NOx будут высоки.
Обращаясь снова к фиг.2 и 3, можно видеть, что работающая по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" камера сгорания или пусковое устройство 210 используется как пусковой инжектор, расположенный на центральной оси Х-Х горелки/камеры сгорания 200 с вихревой стабилизацией, работающей на частично предварительно подготовленной бедной топливной смеси. Работающая в схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" камера сгорания/пусковое устройство 210 подает дополнительное количество свободных радикалов и тепла к передней критической точке 213 и в граничный слой, где поток предварительно подготовленной бедной топливной смеси перемешивается с горячими газами основной зоны 215 рециркуляции. В данном изобретении использован также стабилизатор 261 пламени с вытянутым центральным плохообтекаемым телом, расположенный у выхода 281 работающей по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" камеры сгорания/пускового устройства 210, который используется для стабилизации положения передней критической точки 213 основной зоны 215 рециркуляции, что способствует стабилизации и обеспечивает устойчивое горение основной смеси топлива и воздуха.
Другой функцией стабилизатора 261 пламени в данном изобретении является подача воздуха гашения в секцию 242 гашения работающего в схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" пускового устройства 210. От противоположной стенки 244 в секцию 242 гашения для интенсификации процесса также может быть подан воздух гашения. Лучше всего это видно на фиг.2. Стабилизатор 261 пламени, расположенный в центре работающего по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" пускового устройства 210 придает выходу 281 пускового устройства 210 вид кольцевого канала. (Наличие стабилизатора пламени делает канал пускового устройства в области секции 242 гашения узким с большой площадью поверхности, что увеличивает эффективность гашения. Большая площадь поверхности позволяет использовать в процессе гашения множество воздушных струй. Узкий зазор, определяющий канал 222 потока гашения, ограничивает расстояние, которое должны пройти струи воздуха гашения. Размер зоны, в которой происходит процесс гашения, должен поддерживаться небольшим, и скорость потока высокой, чтобы ограничить период времени, в течение которого смесь имеет стехиометрических состав. Перемешивание в процессе гашения должно быть быстрым и полным, чтобы потоки богатой или стехиометрической смеси, покидающие секцию 242, не создавали в результате локальных очагов высокотемпературного пламени.
Процесс гашения у выхода 281, проходящий по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" пускового устройства 210 должен быть быстрым из-за большой концентрации свободных радикалов, выделяющихся при горении в режиме богатой смеси. Большое скопление свободных радикалов делает очень малым время инициализации горения остальной несгоревшей части углеводородов при смешивании их в процессе гашения с добавочным кислородом из воздуха. При использовании воздуха в качестве среды гашения размеры зоны и степень турбулентности при гашении должны быть малыми. Это затрудняет использование схемы "богатая смесь - гашение - бедная смесь" в качестве основного процесса горения в больших газовых турбинах, так как требует больших объемных расходов компонентов.
Очень большое скопление свободных радикалов, выделяемых при работе по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь", что затрудняет гашение в больших объемах, является тем фактором, который делает эту схему идеальной для запуска горения в режиме бедной смеси. Высокая концентрация свободных радикалов на выходе пускового устройства, работающего в схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь", будет поддерживать быстрое и стабильное горение в основном процессе горения с вихревой стабилизацией очень бедной смеси. В противном случае основное горение будет таким бедным и иметь такую низкую температуру, что не будет поддавался стабилизации. Способность работать на очень бедных смесях без срыва пламени является очень полезной характеристикой для запуска двигателя и для обеспечения его работы при быстрых изменениях нагрузки без перегрузки двигателя.
При горении с вихревой стабилизацией процесс инициализируется и стабилизируется за счет транспортировки тепла и свободных радикалов от предварительно прогоревших топлива и воздуха обратно вверх по направлению основного потока к фронту пламени. При горении в режиме очень бедной смеси, как в случае устройств бедного горения с частичным предварительным смешиванием компонентов, температура горения низка, что обусловливает очень низкие равновесные уровни свободных радикалов. Эта проблема осложняется тем, что при высоком давлении в двигателе свободные радикалы, образовавшиеся в процессе горения, быстро затухают до равновесного уровня, соответствующего температуре продуктов сгорания. Причиной этого является тот факт, что скорость затухания свободных радикалов до равновесных уровней экспоненциально возрастает с ростом давления, хотя, с другой стороны, равновесный уровень свободных радикалов экспоненциально уменьшается с уменьшением температуры.
Чем выше уровень свободных радикалов, доступных для инициализации горения, тем быстрее и стабильнее становится процесс горения. Чем выше уровни давления, что характерно для работы современных газовых турбин, тем меньше может стать время затухания свободных радикалов по сравнению с временем "транспортировки", необходимым для конвекции свободных радикалов в граничном слое основной зоны рециркуляции вниз по направлению основного потока от точки их образования и обратно вверх по основному потоку по направлению к фронту пламени и передней критической точке основной зоны рециркуляции. Как следствие, к тому времени, когда поток рециркуляции в основной зоне рециркуляции за счет конвекции доставит свободные радикалы обратно к фронту пламени, где они у передней критической точки перемешиваются с поступающей "свежей" предварительно подготовленной бедной топливовоздушной смесью и инициируют ее горение, эти свободные радикалы могут достичь такого низкого равновесного уровня, что инициализации горения не произойдет.
В соответствии с настоящим изобретением при работе по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" интенсивность горения в пусковом устройстве поддерживается на низком уровне, а основная часть горения происходит в основной камере 240 сгорания, работающей в режиме предварительно подготовленной бедной смеси, а не в камере 210 сгорания пускового устройства. Горение в работающем в схеме "богатая смесь -гашение - бедная смесь" пусковом устройстве 210 можно поддерживать на низком уровне, так как свободные радикалы высвобождаются вблизи передней критической точки 213 основной зоны 215 рециркуляции. Вообще говоря, это наиболее эффективное местоположение для введения дополнительного тепла и свободных радикалов в процесс горения с вихревой стабилизацией. Так как свободные радикалы и тепло, полученные в камере сгорания работающего в схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь" пускового устройства 210, используются эффективно, их количество может быть малым, что делает эффективным процесс гашения.
В горелке 200 для стабилизации основного горения в режиме бедной смеси используются неравновесные уровни свободных радикалов. Так как выход гасителя устройства, работающего по схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь", находится у передней критической точки 213 потока рециркуляции, время между гашением и использованием свободных радикалов очень мало, что не позволяет свободным радикалам затухать до низких равновесных уровней. Стабилизатор 261 пламени удерживает переднюю критическую точку 213 у выхода секции 242 гашения пускового устройства 210 или у выхода гасителя, что обеспечивает малое, насколько возможно, время между гашением и перемешиванием свободных радикалов с подготовленной топливовоздушной смесью и, насколько возможно, короткое расстояние между местами протекания этих процессов. Это является большим преимуществом для работающих под высоким давлением газотурбинных двигателей, которым традиционно присуща сильная термоакустическая нестабильность. Газотурбинные двигатели летательных аппаратов отличаются высокими перепадами давления, что необходимо для обеспечения их максимальной энерговооруженности. Для этих двигателей использование настоящего изобретения будет иметь большие преимущества, так же, как для двигателей летательных аппаратов, используемых в промышленных целях и работающих при высоких давлениях, а также для работающих при высоких давлениях промышленных двигателей.
При использовании настоящего изобретения поджиг основного пламени происходит у передней критической точки 213 основной зоны 215 рециркуляции. В большинстве газотурбинных двигателей вынуждены использовать наружную зону рециркуляции (смотри фиг.1), в качестве места, где происходит воспламенение горючей смеси с помощью искрового или факельного воспламенителя. Воспламенение может происходить только, если может существовать стабильное горение, в противном случае пламя просто погаснет сразу после поджига. Для стабилизации пламени более предпочтительно наличие внутренней или основной зоны 215 рециркуляции, так как в этом случае при рециркуляции газ передается обратно в точечную область вместо образования кольцеобразной области вокруг основного потока предварительно смешанных компонентов. Тепло от рециркулированных продуктов сгорания фокусируется в небольшой области у передней критической точки 213 основной зоны 215 рециркуляции. Горение также распространяется наружу в виде конуса от передней критической точки, как показано на фиг.3. Это конусообразное распространение вниз по направлению основного потока позволяет теплу и свободным радикалам, образованным выше по основному потоку, поддерживать горение ниже по направлению основного потока, обеспечивая расширение фронта пламени по мере его продвижения вниз по направлению основного потока. Стабилизатор 261 пламени с центральным плохообтекаемым телом, показанный на фиг.2, придает пламени более коническую форму по сравнению с горением с вихревой стабилизацией в устройстве без стабилизатора пламени с центральным плохообтекаемым телом, показанным на фиг.1. Более коническая форма фронта пламени позволяет при точечном источнике тепла эффективно инициировать горение по всей площади потока. Таким источником тепла и свободных радикалов могут быть как рециркулированные горячие продукты сгорания, так и пусковое устройство, работающее в схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь", или и первое и второе совместно. При размещении воспламенителя в наружной зоне рециркуляции топливовоздушная смесь, поступающая в эту область часто должна быть обогащенной, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру, необходимую для самоподдерживающегося стабильного горения в этой области. Пламя после этого часто не может быть вовлечено в основную рециркуляцию, пока основной поток смешанных топлива и воздуха не станет достаточно обогащенным, горячим и содержащим достаточное свободных радикалов, что имеет место при большом расходе топлива. Если пламя не может распространиться из наружной зоны рециркуляции во внутреннюю зону рециркуляции сразу после воспламенения горючей смеси, оно после того, как скорость двигателя начнет расти, должно распространяться при более высоком давлении. Такой переход инициализации основного пламени от пускового устройства в наружной зоне рециркуляции только после начала роста давления в камере сгорания приводит к более быстрому затуханию свободных радикалов до низких равновесных уровней, что является нежелательным свойством, препятствующим поджигу пламени у передней критической точки основной зоны рециркуляции. Воспламенения в основной зоне рециркуляции может не происходить до тех пор, пока пусковой процесс не поднимет общую температуру до значения, при котором равновесные уровни свободных радикалов, вовлекаемых в основную зону рециркуляции, и создание дополнительных свободных радикалов в основной топливовоздушной смеси не станут достаточными для поджига в основной зоне рециркуляции. В процессе распространения пламени из наружной в основную зону рециркуляции из двигателя будет выброшено значительное количество несгоревшего топлива в составе невоспламененной основной топливовоздушной смеси. Проблема также возникает, если переход пламени в основную зону рециркуляции в одной горелке происходит раньше, чем в другой, так как горелки, в которых пламя стабилизировано внутри, дают больше тепла благодаря полному сгоранию топлива. Это изменение температуры от горелки к горелке может повредить компоненты двигателя. В настоящем изобретении воспламенение основной зоны рециркуляции происходит напрямую с помощью пускового устройства, работающего в схеме "богатая смесь - гашение - бедная смесь", что позволяет избежать этих проблем. В пусковом устройстве 210, работающем в схеме "богатая смесь -гашение - бедная смесь", воспламенение должно происходить легко, так как смесь в его камере 210 сгорания во время воспламенения может быть богатой без необходимости при этом в работе всего двигателя в режиме богатой смеси.
Для специалистов в данной области будет ясно, что аспекты изобретения, представленные в данном описании, могут быть приложены к любому типу камер сгорания и горелок (форсунок), таким как горелки на твердом топливе или топочные камеры.
1. Горелка для камеры сгорания газовой турбины, снабженная корпусом горелки, имеющим на своих противоположных по оси концах вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части, внутреннюю камеру, по меньшей мере, один основной топливный входной канал и по меньшей мере один основной воздушный входной канал, расположенные с возможностью подачи соответственно топлива и воздуха во внутреннюю камеру, отличающаяся тем, что она содержит пусковую камеру сгорания и гаситель, причем пусковая камера сгорания расположена вдоль оси корпуса горелки и имеет впуск богатой топливовоздушной смеси, камеру сжигания богатой топливовоздушной смеси с получением продуктов сгорания, выпуск продуктов сгорания из указанной камеры сжигания богатой топливовоздушной смеси, а гаситель расположен во внутренней камере корпуса горелки вдоль центральной оси в зоне выпуска пусковой камеры сгорания и имеет вход воздуха и группу выходов, ориентированных в радиальном направлении с возможностью подачи охлаждающего воздуха к выпуску пусковой камеры сгорания и гашения выходящих из нее продуктов сгорания.
2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стабилизатор пламени, расположенный во внутренней камере корпуса горелки и содержащий основную часть, сопряженную с корпусом горелки, и цилиндрическое тело плохообтекаемой формы, вытянутое вдоль оси вниз по направлению основного потока от основной части во внутреннюю камеру.
3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что стабилизатор пламени имеет выполненный в нем центральный воздушный канал, проходящий вдоль оси и сообщающийся со входом гасителя с возможностью подачи в гаситель воздуха.
4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена узлом огнеупорной амбразуры, образующим внутреннюю камеру рециркуляции и выход горелки и размещенным смежно с нижерасположенной по направлению основного потока крайней частью корпуса горелки с возможностью приема предкамерных газов из внутренней камеры и рециркуляции части продуктов сгорания вверх по направлению основного потока со стабилизированием горения.
5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит воспламенитель, расположенный вдоль центральной оси корпуса горелки с возможностью инициализации основного горения в режиме бедной смеси во внутренней камере корпуса горелки в области передней критической точки основной зоны рециркуляции.
6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что выпуск пусковой камеры сгорания имеет кольцевое поперечное сечение и расположен вокруг гасителя.
7. Горелка по п.6, отличающаяся тем, что выпуск пусковой камеры сгорания включает группу отверстий, выполненных в радиально наружной поверхности камеры сгорания с возможностью направления второго потока охлаждающего воздуха на выходящие из пусковой камеры продукты сгорания.
8. Горелка для камеры сгорания газовой турбины, снабженная корпусом горелки, имеющим на своих противоположных по оси концах вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части, внутреннюю камеру, по меньшей мере, один основной топливный входной канал и, по меньшей мере, один основной воздушный входной канал, расположенные с возможностью подачи соответственно топлива и воздуха во внутреннюю камеру, отличающаяся тем, что она содержит пусковую камеру сгорания, гаситель и стабилизатор пламени, причем пусковая камера сгорания расположена вдоль оси корпуса горелки и имеет впуск богатой топливовоздушной смеси, камеру сжигания богатой топливовоздушной смеси с получением продуктов сгорания и выпуск продуктов сгорания из указанной камеры сжигания богатой топливовоздушной смеси, гаситель расположен во внутренней камере корпуса горелки вдоль центральной оси в зоне выпуска пусковой камеры сгорания и имеет вход воздуха и группу выходов, ориентированных в радиальном направлении с возможностью подачи охлаждающего воздуха к выпуску пусковой камеры сгорания и гашения выходящих из нее продуктов сгорания, а стабилизатор пламени расположен во внутренней камере корпуса горелки и содержит основную часть, сопряженную с корпусом горелки, и цилиндрическое тело плохообтекаемой формы, вытянутое вдоль оси вниз по направлению основного потока от основной части во внутреннюю камеру.
9. Горелка по п.8, отличающаяся тем, что стабилизатор пламени имеет выполненный в нем центральный воздушный канал, проходящий вдоль оси и сообщающийся со входом гасителя с возможностью подачи в гаситель воздуха.
10. Горелка по п.8, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена узлом огнеупорной амбразуры, образующим внутреннюю камеру рециркуляции и выход горелки и размещенным смежно с нижерасположенной по направлению основного потока крайней частью корпуса горелки с возможностью приема предкамерных газов из внутренней камеры и рециркуляции части продуктов сгорания вверх по направлению основного потока со стабилизированием горения.
