Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток

Изобретение относится к области энергетики. Горелка (1), имеющая выполненный в поперечном сечении по существу кольцевой канал (4) подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой (5) и втулкой (6) и в котором установлено несколько лопаток (7) завихрителя, распространяющихся от втулки (6) до наружной оболочки (5) в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность, отличающаяся тем, что лишь в радиальной наружной области лопаток (7) завихрителя угол (α) схода потока относительно основного направления потока на конце схода потока направляющей поверхности в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается. На находящемся радиально внутри конце схода потока направляющей поверхности угол (α₁) схода потока лежит между углом (α₃) схода потока конца схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом (α₂) схода потока конца схода потока, находящегося между ними. Соседние лопатки (7) завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов (α) схода потока. Лопатки (7) завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия (8) для топлива. Изобретение позволяет улучшить качество перемешивания воздуха и топлива. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение касается горелки, имеющей подмешивающие топливо завихрители, и, в частности, локального улучшения перемешивания воздуха и топлива.

Равномерное подмешивание топлива к топочному воздуху является центральной конструкторской задачей при разработке горелок, которые эксплуатируются в области так называемого сгорания бедных предварительно перемешанных смесей. Диапазон температуры сгорания бедных, предварительно перемешанных смесей в газовых турбинах предлагается специально из-за обусловленного материалом ограничения выходной температуры топочной камеры для контроля выбросов окислов азота. Трудностью при сгорании предварительно перемешанных смесей, в частности, под давлением, является устранение неконтролируемых явлений сгорания/самовоспламенений в пределах участка предварительного перемешивания, которые, как правило, связаны с разрушением участка предварительного перемешивания.

В качестве основного правила может быть принято, что результатом наиболее гомогенного возможного перемешивания являются также минимальные выбросы NO_x.

Как правило, технические горелки сконструированы примерно вращательно-симметрично и часто имеют один или несколько концентрично расположенных друг вокруг друга завихрителей. Между тем уровнем техники является выполнение лопаток завихрителей в виде полых лопаток и одновременно использование в качестве элементов для впрыскивания топлива, см., например, WO 2011/023669. Такие системы чаще всего приводят к тому, что имеется значительное отличие расстояния между двумя соседними лопатками на втулке по сравнению с наружным сечением, т.е. лопатки со стороны втулки, как правило, находятся значительно ближе друг к другу, чем снаружи. При этом возникает проблема впрыскивания топлива, прежде всего радиально наружу, достаточно далеко в промежуток между двумя лопатками для достижения наилучшего возможного перемешивания, в то время как со стороны втулки достичь этого значительно легче.

Есть предложения решения этой проблемы. Но, как правило, улучшение получается не очень большим.

Примеры:

- увеличение диаметра топливного отверстия изнутри наружу. Тем самым, хотя и удается достичь частичного, пусть даже не совсем достаточного улучшения глубины проникновения струй топлива, но одновременно увеличивается необходимый участок перемешивания (примерно пропорционально диаметру топливного отверстия);

- увеличение количества лопаток. В конструктивном и аэродинамическом отношении это ограничено имеющимся в распоряжении местом на втулке и увеличивающейся блокировкой воздушного потока со стороны втулки;

- использование сильно 3-мерных профилей лопаток с толщиной лопатки, увеличивающейся с возрастающим расстоянием до втулки. При этом также возникают проблемы, касающиеся аэродинамического контура лопатки, на этот раз в наружном сечении, чтобы от большой толщины лопатки в плоскости топливных отверстий снова прийти к очень тонкому концу лопатки, т.е. лопатки снаружи стали бы тогда очень длинными.

Задачей изобретения является предоставить горелку вышеназванного рода, которая обеспечит возможность улучшенного перемешивания воздуха и топлива, в частности в находящихся радиально снаружи областях участка предварительного перемешивания.

Изобретение решает эту задачу, предусматривая, что у такого рода горелки, имеющей выполненный в поперечном сечении по существу кольцевым канал подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой и втулкой, и в котором установлено несколько лопаток завихрителя, распространяющихся от втулки до наружной оболочки в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность, в радиальной наружной области лопаток завихрителя угол схода потока относительно основного направления потока на конце схода потока направляющей поверхности в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается.

Изобретение исходит из того известного факта, что локально имеющаяся интенсивность турбулентности представляет собой дополнительный параметр воздействия на подмешивание топлива к воздуху. Повышение интенсивности турбулентности оказывает действие, способствующее перемешиванию.

Поэтому предлагается, в частности, в наружном сечении повышать интенсивность турбулентности или, соответственно, создавать вихревые дорожки, способствующие перемешиванию.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления угол α₁ схода потока на находящемся радиально внутри конце схода потока направляющей поверхности лежит между углом α₃ схода потока конца схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом α₂ схода потока конца схода потока, находящегося между ними. Тогда в зонах среза областей с разными углами схода потока из-за среза турбулентность локально повышается в виде вихревой дорожки.

При этом может быть целесообразно, если соседние лопатки завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов α₂ схода потока.

Предпочтительно лопатки завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия для топлива.

Целесообразно, если канал подачи воздуха и предварительного перемешивания концентрически окружает центральную систему запальной горелки.

Локальное применение турбулентности, способствующей перемешиванию, за счет «скрещенных» друг относительно друга концов лопаток, улучшает качество перемешивания в наружном сечении, без сильного влияния на области, находящиеся внутри. Кроме того, качество перемешивания становится менее зависимым от условий эксплуатации.

Изобретение поясняется более подробно на примерах с помощью чертежей. Показано без соблюдения масштаба:

фиг. 1 - горелка на сильно схематизированном принципиальном эскизе;

фиг. 2 - вид сверху развернутой части системы главной горелки;

фиг. 3 - вид сверху лопатки завихрителя и

фиг. 4 - сечения лопатки завихрителя, смещенные в радиальном направлении от втулки к наружной оболочке.

Показанная на фиг. 1 горелка 1, которая при необходимости может применяться в сочетании с несколькими однотипными горелками, например, в топочной камере газотурбинной установки, включает в себя внутреннюю систему 2 запальной горелки и концентрически окружающую эту внутреннюю систему 2 запальной горелки систему 3 главной горелки. Как система 2 запальной горелки, так и система 3 главной горелки могут эксплуатироваться, на выбор, с газообразными и/или жидкими топливами, такими как, например, природный газ или жидкое топливо.

Система 3 главной горелки включает в себя радиальный наружный канал 4 подачи воздуха и предварительного перемешивания, называемый также кольцевым воздушным каналом, который образован наружной оболочкой 5 и втулкой 6 и через который распространяются лопатки 7 завихрителя лопаточного аппарата завихрителя. Эти лопатки 7 завихрителя имеют выпускные отверстия 8 для топлива, через которые горючий газ может впрыскиваться в воздух, втекающий по каналу 4 подачи воздуха и предварительного перемешивания.

На фиг. 2 показана развернутая часть системы 3 главной горелки на виде сверху, имеющей лопатки 7 завихрителя, и пояснены области хорошего 9 и плохого подмешивания 10 топлива к воздуху. Радиально внутри, то есть вблизи втулки 6, лопатки 7 стоят сравнительно плотно друг к другу, так что топливо может впрыскиваться достаточно далеко в промежуток между двумя лопатками 7 для достижения наилучшего возможного перемешивания. Радиально снаружи, вблизи наружной оболочки 5, лопатки 7 соответственно больше удалены друг от друга, вследствие чего достаточно далекое впрыскивание топлива в воздух затруднено.

На фиг. 3 показан вид направляющей поверхности 11 лопатки 7 завихрителя горелки 1 в соответствии с изобретением. Лопатка 7 завихрителя распространяется в горелке 1 от находящейся радиально внутри втулки 6 (справа, не показано) до находящейся радиально снаружи наружной оболочки 5 (слева, не показано). Кроме того, лопатка 7 завихрителя в примере осуществления фиг. 3 выполнена в виде полой лопатки, имеющей выпускные отверстия 8 для топлива. Для лучшего понимания изобретения в области конца 12 схода потока направляющей поверхности 11 обозначены три области 101, 102 и 103, при этом области 102 и 103 следует отнести к радиальной наружной области лопатки 7.

На фиг. 4 показаны три сделанных последовательно сечения областей 101, 102 и 103 лопатки 7 завихрителя фиг. 3 в направлении взгляда от втулки 6 к наружной оболочке 5. Видно, что на конце 12 направляющей поверхности 11, находящемся радиально внутри, т.е. в сечении области 101, угол α₁ схода потока относительно основного направления 13 потока лежит между углом α₃ схода потока конца 12 схода потока, находящегося радиально снаружи, т.е. в сечении области 103, и углом α₂ схода потока конца схода потока, находящегося между ними, т.е. в сечении области 102. Другие варианты осуществления лопатки 7 завихрителя, у которой в радиальной наружной области угол α схода потока относительно главного направления 13 потока на конце 12 схода потока направляющей поверхности 11 в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается, также возможны, пока в наружной области лопатки 7 завихрителя, т.е. вблизи наружной оболочки 5, на конце лопатки создается своего рода перекрещивание, так что там, в зоне среза, возникающей при эксплуатации, создается перемешивающая вихревая дорожка.

1. Горелка (1), имеющая выполненный в поперечном сечении по существу кольцевым канал (4) подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой (5) и втулкой (6) и в котором установлено несколько лопаток (7) завихрителя, распространяющихся от втулки (6) до наружной оболочки (5) в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность (11), отличающаяся тем, что лишь в радиальной наружной области лопаток (7) завихрителя угол (α) схода потока относительно основного направления (13) потока на конце (12) схода потока направляющей поверхности (11) в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается.

2. Горелка (1) по п. 1, при этом на находящемся радиально внутри конце (12) схода потока направляющей поверхности (11) угол (α₁) схода потока лежит между углом (α₃) схода потока конца (12) схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом (α₂) схода потока конца (12) схода потока, находящегося между ними.

3. Горелка (1) по одному из пп. 1 или 2, при этом соседние лопатки (7) завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов (α) схода потока.

4. Горелка (1) по одному из пп. 1 или 2, при этом лопатки (7) завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия (8) для топлива.

5. Горелка (1) по одному из пп. 1 или 2, при этом канал (4) подачи воздуха и предварительного перемешивания концентрически окружает центральную систему (2) запальной горелки.