Малотоксичная горелка

Авторы патента:

F23D14/02 - горелки с заранее приготовленной газовой смесью, т.е. горелки в которых газообразное топливо смешивается с воздухом до зоны сгорания

Владельцы патента RU 2764495:

Публичное акционерное общество "ОДК-Кузнецов" (RU)

Изобретение относится к области энергетики. Малотоксичная горелка содержит корпус со штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения, уступ-турбулизатор, расположенный перед аксиальным завихрителем смесителя, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива, центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в форсунку дежурной зоны. На наружной поверхности центрального тела в непосредственной близости от выходной кромки равномерно по окружности выполнены лунки или выступы, преимущественно имеющие форму сферического сегмента. На лопатках завихрителя в непосредственной близости от выходных кромок равномерно по высоте лопаток выполнены лунки или выступы, преимущественно имеющие форму сферического сегмента. Лунки или выступы, выполненные в два и более рядов, расположены в шахматном порядке. Технический результат - снижение уровня содержания в выхлопных газах загрязняющих атмосферу веществ на всех режимах работы газотурбинной установки, повышение надежности горелки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Заявляемое изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного топлива преимущественно в камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД) на основе реализации способа сжигания бедной по топливу и предварительно перемешанной топливовоздушной смеси (ТВС) в диффузионном пламени дежурной зоны горения.

Увеличение масштабов промышленного применения газотурбинной техники в авиации и наземных установках ставит перед разработчиками и производителями этой техники совершенно новые задачи. Среди них наиболее сложной задачей является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации авиационных ГТД и наземных газотурбинных установок (ГТУ). Прежде всего, это относится к снижению загрязнения атмосферы вредными веществами (ВВ), образующимися при сгорании углеводородных топлив. Начиная с 70-80-х годов прошлого столетия, принимаются законодательные национальные и международные акты по регламентации выбросов ВВ от воздушных судов с ГТД и промышленных установок с ГТУ. Впервые международный стандарт на выбросы ВВ был принят в 1981 г. как приложение к Конвенции о международной гражданской авиации. С тех пор и по настоящее время проблема соответствия ГТД экологическим нормам не теряет своей актуальности. Это отмечается во всех публикациях по данной тематике за прошедшие десятилетия (см. А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД" М., Мир, 1986; Ф.Г. Тухбатуллин, Р.С. Кашапов «Малотоксичные горелочные устройства газотурбинных установок» М., ОАО «Издательство «Недра», 1997; A.M. Постников «Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ» Самара, Самарский научный центр РАН, 2002; X Международная научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей»; сб. трудов. Самара; Изд-во Самарский университет, 2017). Постоянное ужесточение норм на выбросы ВВ стимулирует изучение процессов образования ВВ, поиск новых способов организации горения, совершенствование конструкции КС ГТД и горелочных устройств, о чем свидетельствует активность патентования в данной области техники во всех промышленно развитых странах:

см. патент Великобритании - №2179435, F23R 3/28;

патенты Германии - №2442895, F23R 3/14; №4228816, F23R 3/14;

патенты России - №2083926 F23R 3/16: №2094705, 23R 3/16; №2099639, F23R 3/28; №2137042, F23R 3/16; №2267710, F23R 3/20; №2451878 C1, F23D 14/02; №2451881 С2, F23R 3/42; №2453765 С2, F23D 14/02;

патенты США - №4041694, 60-39.02, F02C 9/08; №4073134, F02C 9/14; №4594166, F02C 7/00; №5239818 F02C 3/00; №7083122 В2, В05В 7/10;

патент Франции - №2283321, F02C 7/00;

патенты Японии - №2004053048, F23R 3/18; №2003194337 F23R 3/14.

И это только некоторые примеры.

Прототипом заявляемого технического решения является «Малоэмиссионная горелка» (патент RU №2442932 С1, МПК F23R 3/14), в которой реализуется способ сжигания бедной по топливу и предварительно перемешанной ТВС основной зоны с поддержкой диффузионным пламенем дежурной зоны горения. Подконтрольная эксплуатация ГТД с КС, оснащенной горелками по указанному патенту, выявила, что при работе ГТД на пониженных мощностях (менее 0,7 номинала) снижается КПД двигателя, растут выбросы ВВ. Выявленными причинами явились некоторые недостатки в организации процесса горения:

- из-за слабого взаимодействия основного потока ТВС с зоной обратных токов (ЗОТ) горелки, часть ТВС основного контура не успевает прореагировать и происходит ее «замораживание» воздухом зоны смешения КС;

- недостаточно однородна ТВС основной зоны.

Решением этих проблем являются улучшение процесса подготовки ТВС основной зоны и интенсификация процесса тепло- и массообмена между ЗОТ и обтекающим ее потоком ТВС основной зоны с помощью турбулизации потоков.

Известна горелка (патент RU №2133411 (13) С1 (51) МПК 6 F23R 3/34), в которой для турбулизации внешнего потока бедной ТВС используется конический насадок с отверстиями и отбортовкой на выходной кромке, за которым формируется сложная система вихрей, создающая промежуточный турбулентный слой контакта потока бедной ТВС и центральной высокотемпературной ЗОТ.

Известна горелка (патент RU №2324117), в которой за счет выступающих в поток бедной ТВС приливов центрального тела формируются зоны турбулентности и увеличивается площадь поверхности контакта горячих газов ЗОТ с внешним потоком бедной ТВС.

С позиции теплового состояния элементов конструкции горелок, указанные выше технические решения обладают существенным недостатком, ликвидация которого требует дополнительных конструктивных решений, направленных на защиту поверхностей деталей этих горелок от высокотемпературной эрозии. Воздействие горячих продуктов горения является следствием того, что за отбортовкой выходной кромки и за приливами центрального тела имеются зоны внезапного расширения потока, которые, как известно, характеризуются наличием возвратных течений в присоединенном вихре, являющимся хорошим стабилизатором пламени (А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", стр. 118 и 228, М., Мир, 1986).

В горелке-прототипе для создания бедной, однородной по составу ТВС применен известный принцип создания камеры смешения струйного типа - принудительная турбулизация потока воздуха равномерно распределенными по объему многочисленными газовыми струями. Основными характеристиками, определяющими качество подготовленной смеси, являются протяженность участка смешения, диаметр и количество газовых струй, количество и размеры плохообтекаемых тел. Создание однородной (на молекулярном уровне) ТВС в условиях реальной горелки КС ГТД по техническим и технологическим причинам является весьма сложной задачей.

Наиболее близка по качеству к идеальной технически однородная ТВС, получаемая в горелках с проницаемым элементом (патент RU №2451878 С1, МПК F23D 14/02; патент ЕР №2623867 А1). Серьезным недостатком этих технических решений является снижение пропускной способности горелок, по мере увеличения наработки ГТД, из-за неизбежного засорения мелких пор в проницаемом элементе присутствующими в воздухе и топливном газе твердыми частицами. А проводимые регламентные промывки газо-воздушного тракта ГТД ускорят процесс засорения проницаемых элементов. Изменение пропускной способности горелок приведет к изменению состава ТВС, и, как следствие, к ухудшению экологических характеристик ГТД.

В обзоре результатов исследования характеристик обтекания трехмерных углублений (лунок) потоком среды (Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Чушкин Ю.В. и др. «Интенсификация массо- и теплообмена», М., ЦНИИатоминформ, 1987, ДСП) описан процесс генерации самоорганизующихся динамических вихревых структур, истекающих из лунок в виде струй, развивающихся во времени в широком диапазоне скоростей обтекающего потока. Примечателен тот факт, что образующиеся вихревые струи непрерывно высасывают среду из лунки и выносят ее в основной поток, то есть, инициируемая турбулентность не имеет зон обратного тока, присоединенных к элементам конструкции, а это означает, что нет и опасности проскока и стабилизации пламени, вызывающего высокотемпературную эрозию. Данные исследования проводились с целью определения эффективности процесса охлаждения поверхностей нагреваемых тел за счет увеличения скорости массо- и теплообмена между поверхностью тела и омывающей ее средой.

Описаний примеров использования динамических вихревых струй в следе за лунками в целях интенсификации процессов смесеобразования и горения обедненной ТВС в горелках КС ГТД в упомянутой и другой исследованной литературе не выявлено.

Целями заявляемого технического решения являются:

- обеспечение процесса сжигания топлива в КС с высоким КПД на всех режимах работы ГТУ;

- снижение уровня содержания в выхлопных газах загрязняющих атмосферу веществ на всех режимах работы ГТУ;

- повышение надежности горелки.

Поставленные цели достигаются тем, что в двухконтурной горелке содержащей корпус со штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения, уступ-турбулизатор, расположенный перед аксиальным завихрителем смесителя, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива, центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в форсунку дежурной зоны, на наружных поверхностях центрального тела и лопатках завихрителя в непосредственной близости от их выходных кромок, на центральном теле равномерно по окружности, а на лопатках завихрителя равномерно по их высоте, выполнены лунки или выступы, преимущественно имеющие форму сферического сегмента.

На эскизе представлен общий вид малотоксичной горелки и взаимное расположение элементов ее конструкции.

Горелка содержит корпус 1, отлитый совместно со штоком 2 подвода топлива в дежурную и основную зоны горения, смеситель, представляющий собой единую деталь, состоящую из аксиального завихрителя 3, входного уступа-турбулизатора 4, выходного сопла 5 и центрального тела 6. В центральном теле 6 закреплена форсунка 7, через отверстия 8 в которой, подается топливо в дежурную зону горения. Топливо основной зоны горения поступает в межлопаточные каналы завихрителя 3 через отверстия 9 в полых лопатках завихрителя 3. Топливо в горелку подается через штуцер 10, расположенный на штоке 2, раздача топлива по контурам осуществляется через кольцевые коллекторы 11 и 12 горелки. Охлаждение торцевой поверхности центрального тела 6, формирующего зону обратных токов дежурной зоны горения, осуществляется воздухом, входящим в центральное тело 6 через окна 13 и истекающим через отверстия 14 в форсунке 7.

Образование технически однородной (гомогенной) ТВС основной зоны горения происходит путем перемешивания воздуха и топлива вихревыми течениями, образующимися за входным уступом-турбулизатором 4, на топливных струях, истекающих из отверстий 9 в лопатках завихрителя 3, срывными течениями на самих лопатках завихрителя 3. Введение на поверхностях лопаток завихрителя 3 лунок или выступов 15, генерирующих смерчеобразные вихри, дополнительно турбулизирует поток ТВС, что способствует повышению качества смешения и, как следствие, снижению образования вредных веществ при горении.

Воздействие вихрей, генерируемых лунками или выступами 16 на наружной поверхности центрального тела 6, на поверхность сдвига потоков ТВС основной зоны и ЗОТ дежурного пламени интенсифицирует процессы тепломассообмена между этими потоками, что ускоряет процесс выгорания топлива основной зоны, а это является необходимым условием, обеспечивающим низкий уровень выбросов вредных веществ.

Введение в конструкцию горелки лунок или выступов повышает надежность горелки, так как инициируемая лунками или выступами турбулентность не имеет возвратных течений, присоединенных к элементам конструкции горелки, что не вызывает явления проскока и стабилизации пламени, приводящего к высокотемпературной эрозии.

1. Малотоксичная горелка, содержащая корпус со штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения, уступ-турбулизатор, расположенный перед аксиальным завихрителем смесителя, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива, центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в форсунку дежурной зоны, отличающаяся тем, что на наружной поверхности центрального тела в непосредственной близости от выходной кромки равномерно по окружности выполнены лунки или выступы, преимущественно имеющие форму сферического сегмента.

2. Малотоксичная горелка по п. 1, отличающаяся тем, что на лопатках завихрителя в непосредственной близости от выходных кромок равномерно по высоте лопаток выполнены лунки или выступы, преимущественно имеющие форму сферического сегмента.

3. Малотоксичная горелка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что лунки или выступы, выполненные в два и более рядов, расположены в шахматном порядке.

Изобретение относится к факельному устройству, используемому на нефтеперегонных и нефтехимических установках для сжигания больших объемов образующихся отработанных газов во время перерывов в нормальной работе завода. Техническим результатом является повышение качества бездымной работы факельного устройства в условиях низкой скорости потока для поддержания бездымной работы с меньшим количеством использования пара и/или вспомогательного газа.

Металлические огнеупорные элементы горелок // 2731378

Изобретение относится к области энергетики. Металлическая горелка имеет рабочую температуру, составляющую не менее чем приблизительно 1200°С, для крекинг-печи, функционирующей при температурах стенок в диапазоне от 700°С до 1350°С, и включает в себя: по существу металлический проточный проход, определенный по меньшей мере одной поверхностью и имеющий выпускное отверстие, расположенное ниже по потоку, и по меньшей мере одно впускное отверстие, расположенное выше по потоку, для по меньшей мере одного газообразного окислителя; содержащуюся в указанном по существу металлическом проточном проходе по меньшей мере одну перегородку, направляющую поток окислителя и топлива на внутреннюю поверхность горелки, обращенной к печи; и при необходимости один или более массивов поверхностей конвективной теплопередачи, выбираемых из перегородок, ребер, гребней и выступов, для направления потока упомянутого по меньшей мере одного газообразного окислителя по упомянутому одному или более массивам на внутренней поверхности упомянутого по существу металлического проточного прохода.

Шумоподавление в горелках // 2728307

Изобретение относится к области энергетики. Горелка содержит камеру, имеющую продольно противоположные первый и второй концы, и отверстие для пламени, проходящее через первый конец; перегородку в камере, имеющую внешний край, смежный с внутренней поверхностью камеры, при этом перегородка имеет первую поверхность, обращенную к первому концу камеры, и имеет вторую поверхность, обращенную ко второму концу камеры, и причем перегородка расположена в камере таким образом, что вторая поверхность перегородки находится на расстоянии от 5 до 10 дюймов от внутренней поверхности второго конца камеры; патрубок, который проходит от впускного отверстия патрубка, находящегося за пределами камеры, в камеру и заканчивается на выпускном отверстии патрубка в секции камеры, расположенной между первой поверхностью перегородки и отверстием для пламени, причем выпускное отверстие патрубка открывается к отверстию для пламени; канал, который проходит от впускного отверстия канала, находящегося за пределами камеры, и заканчивается на выпускном отверстии канала в секции камеры, расположенной между первой поверхностью перегородки и отверстием для пламени; перегородка содержит металлическую пластину, имеющую первую поверхность пластины, обращенную к отверстию для пламени, и вторую поверхность пластины, обращенную ко второму концу камеры, и слой металлических волокон, находящихся в контакте со второй поверхностью пластины, металлическая пластина имеет толщину от одной восьмой до половины дюйма, и множество отверстий диаметром от одной восьмой до половины дюйма проходят через металлическую пластину между первой и второй поверхностями пластины в достаточном количестве отверстий таким образом, что общая площадь открытых частей всех отверстий в каждой поверхности пластины составляет от 30% до 50% площади поверхности металлической пластины, и слой металлических волокон имеет толщину по меньшей мере 0,25 дюйма, имеет плотность до 0,5 унции на кубический дюйм и состоит из волокон толщиной до 0,005 дюйма.

Щелевая горелка с принудительной подачей воздуха // 2637271

Щелевая горелка с принудительной подачей воздуха // 2636644

Изобретение относится к двухтрубным щелевым горелкам с принудительной подачей воздуха, предназначенным для сжигания газа. Щелевая горелка с принудительной подачей воздуха содержит воздухораспределительный короб с воздухоподводящим каналом, соединенный с дутьевым вентилятором, щелевой канал, образованный блоками из огнеупорного материала и соединенный с воздухоподводящим каналом, направляющие стенки, установленные в воздухоподводящем канале, двухтрубный коллектор, расположенный в воздухоподводящем канале под блоками из огнеупорных материалов, каждая трубка которого содержит один ряд газовыпускных отверстий, каждый из которых повернут под углом 45° по отношению к поперечному потоку воздуха, при этом дополнительно снабжена щелевым коробом, выполненным с параллельными направляющими стенками, облицованными внутри монолитными плитами из огнеупорного материала, и соединенным с выходом воздухораспределительного короба с помощью фланцевого соединения, на выходе последнего установлена воздухораспределительная решетка с размещенными в коридорном порядке с одинаковыми поперечными и продольными шагами гнездами, оснащенными интенсификаторами турбулентного движения воздушного потока, вставленная между двумя пластинами, расстояние между которыми равно ширине щелевого канала, причем площадь живого сечения проходных каналов воздухораспределительной решетки больше площади сечения выхода воздухораспределительного короба в 0,4÷0,7 раз.

Локальное улучшение перемешивания воздуха и топлива в горелках, снабженных завихрителями, имеющими скрещенные в наружной области концы лопаток // 2633475

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.

Разделительное устройство, содержащее завихритель // 2607429

Изобретение относится к области энергетики. Разделительное устройство содержит завихритель (1, 20, 30) из листового материала, содержащий множество изогнутых лопаток (4), имеющих кромку (6) со стороны входа потока, образующую входной угол (α), и кромку (8) со стороны выхода потока, образующую выходной угол (β), при этом кромка со стороны входа потока и кромка со стороны выхода потока проходят от центрального участка (3) к периферийной кромке (9), причем периферийная кромка проходит между конечными точками кромки со стороны входа потока и кромки со стороны выхода потока, а входной угол больше, чем выходной угол, при этом периферийная кромка изогнутых лопаток выполнена на виде сверху круговой.

Нецентровая кислородно-топливная горелка для стеклоплавильных систем // 2577682

Изобретение относится к области энергетики. Горелка для использования в камере горения печи или форкамере содержит элемент подачи газа для подачи газообразного окислителя, элемент подачи топлива для подачи топлива, имеющий участок, расположенный во внутреннем пространстве элемента подачи газа и смещенный от продольной оси элемента подачи газа, а также фланцевый узел, механически связанный с элементами подачи газа и топлива, при этом фланцевый узел содержит газовый фланцевый участок, соединенный с элементом подачи газа и содержащий первое множество отверстий, продолжающихся через него вокруг указанного газового фланцевого участка, топливный фланцевый участок, соединенный с элементом подачи топлива и содержащий второе множество отверстий, продолжающихся через него вокруг указанного топливного фланцевого участка, при этом газовый и топливный фланцевые участки выполнены подвижными относительно друг друга для выравнивания первого и второго множеств отверстий для выставления относительно друг друга для закрепления с возможностью разъема газового и топливного фланцевых участков для соответствующих элементов подачи газа и топлива друг к другу для создания пятна пламени в выбранном местоположении в камере горения.

Устройство газовоздушного смесителя для горючего газа с предварительным смешиванием // 2576555

Изобретение относится к области энергетики. Устройство смесителя для горелок горючего газа содержит блок (6) вентилятора с крыльчаткой (7), имеющей радиальные лопасти (8), приводимой в движение вокруг оси (X) вращения, и с осевой впускной секцией (9) и радиально противоположной выпускной секцией (10), трубопровод (11) для размещения крыльчатки упомянутого вентилятора, первый канал (15) для подачи потока воздуха во впускную секцию, при этом упомянутый первый канал является соосным с осью (X) вращения и имеет концевую часть (15a), сходящуюся вблизи от впускной секции (9), второй трубчатый канал (16) для подачи потока газа на конце концевой части (15a), имеющей наименьшее поперечное сечение, при этом второй трубчатый канал является соосным с первым каналом (15) так, что поток воздуха смешивается с потоком газа по потоку до впускной секции (9) вентилятора, лопасти (8) крыльчатки, выступающие из базовой поверхности (12) крыльчатки, при этом каждая лопасть (8) имеет переднюю кромку (13), расположенную во впускной секции (9), и эти передние кромки образуют входные отверстия соответствующих лопастных каналов между смежными парами лопастей, проходящих между впускной секцией (9) и выпускной секцией (10) вентилятора, трубопровод (11), имеющий профиль (14) передней поверхности, расположенный перед лопастями (8) крыльчатки и отстоящий от них.

Высокоэффективная горелка, обеспечивающая низкий выброс nox и способ высокоэффективного термического окисления // 2564368

Изобретение относится к области энергетики. Высокоэффективная горелка содержит предсопловую камеру, имеющую входное отверстие для подачи воздуха горения, камеру горения, сообщающуюся с указанной предсопловой камерой, по меньшей мере, одну трубу, подводящую первичный отработавший газ, которая проходит через предсопловую камеру и заканчивается в камере горения, обеспечивая подачу первичного отработавшего газа в указанную камеру горения, и трубопровод, подводящий первичное газообразное топливо, который проходит через указанную предсопловую камеру и обеспечивает подачу первичного газообразного топлива в указанную камеру горения, в результате чего обеспечивается улучшенное смешивание потоков текучей среды.

Энергоэффективное микрофакельное горелочное устройство // 2760607

Изобретение относится к области энергетики. Энергоэффективное микрофакельное горелочное устройство содержит камеру сгорания, состоящую из диффузорного, конфузорного и цилиндрического участков, закручивающее устройство, охлаждающий канал, кожух, воспламенитель.