CZ304562B6

CZ304562B6 - Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů

Info

Publication number: CZ304562B6
Application number: CZ2011-784A
Authority: CZ
Inventors: Radek Hýbl
Original assignee: Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2014-07-09
Also published as: CZ2011784A3

Abstract

Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů, sestávající z tělesa plamence (1) a nejméně jedné palivové trysky (2), je dále opatřena ve stěně tělesa plamence (1) spalovací komory nejméně jednou usměrňovací trubicí (3) pro přívod primárního/přídavného vzduchu, přičemž usměrňovací trubice (3) je umístěna v tělese plamence (1) pod úhlem (4), který svírá podélná osa usměrňovací trubice (3) se stěnou tělesa plamence (1), který má hodnotu v rozmezí 20 až 90.degree., přičemž rovina (L), vedená v místě styku usměrňovací trubice (3) s tělesem plamence (1) kolmo k podélné ose tělesa plamence (1) dělí těleso plamence (1) na dvě sekce, přičemž jako primární sekce (A) je označen prostor mezi vstupem palivové trysky (2) a rovinou (L) a jako sekundární sekce (B) je označen prostor tělesa plamence (1) od roviny (L) na opačnou stranu v tělese plamence (1), přičemž úhel (4) a průměr usměrňovací trubice (3) je odvislý od charakteru proudění přívodního vzduchu vně plamence (1) a tedy výsledném výstupním úhlu proudu vzduchu z usměrňovacích trubic. Nová koncepce nízkoemisní spalovací komory se vyznačuje stabilizovaným vírem vzduchu unášejícím palivo s osou rotace přibližně totožnou s osou palivové trysky a postupem proudu vzduchu unášejícím palivo nejprve po vnější straně tohoto víru směrem k palivové trysce, odkud dále postupuje středem víru směrem od trysky.

Description

Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti letectví, strojírenství, energetiky, konkrétně spalovací komory turbínového motoru, zejména pro malé turbínové motory.

Dosavadní stav techniky

Současné nízkoemisní spalovací komory velkých turbínových motorů dosahují velmi nízkých úrovní emisí NOx, řádově pod 25 ppm, tohoto se dosahuje snížením teploty spalování použitím spalování chudé směsi paliva, tzv. chudé spalování na hranici zhasnutí a intenzivního míchání reaktantů s horkými produkty za účelem urychlení chemických reakcí a zabránění vzniku tzv. hot spotů, tedy oblastí s místně vysokou teplotou nad 1800 K, kde dochází ke zvýšené produkci NOx. Z konstrukčního hlediska jsou současné nízkoemisní komory (trubkové, prstencové, smíšené viz literatura A. H. Lefebvre Gas Turbině Combustion) řešeny na bázi stabilizace pomocí tzv. vířiče, kterým prochází většina primárního vzduchu s předmíšeným nebo nepředmíšeným palivem, vhodnou volbou poměru axiální a rotační složky rychlosti proudu z vířiče dochází ke kolapsu víru a zpětnému proudění, tedy vzniku tzv. recirkulační oblasti, kde dochází ke stabilizaci plamene a míšení produktů hoření s čerstvou směsí. Velkým nedostatkem této koncepce je malý operační rozsah stabilní práce ve spalovací komoře, při podmínkách spalování chudé směsi, potřebné zálohy pro deceleraci motoru jsou dosaženy použitím pilotních stupňů nebo tzv. stupňovitým zapalováním/zhášením jednotlivých hořáků ve spalovací komoře. Tato řešení jsou však velmi výrobně komplikovaná a nákladná, navíc prostorová omezení spalovacích komor malých turbínových motorů prakticky vylučují použití těchto systémů vzhledem k malým průtočným průměrům a tedy možnosti poškození provozem a dále velkým tlakovým ztrátám vyplývajícím z nízkých reynoldsových čísel. Stupňovité spalování je navíc velmi náročné na řídicí systém a tedy z provozních a ekonomických hledisek pro malé motory nerentabilní.

Druhou možností používanou ke snížení emisí NOx a zachování provozní stability je aplikace principu RQL - Rich burn - quick Quench - Lean bum, ve stručnosti hoření probíhá nejprve při nízkých teplotách spalováním směsi s přebytkem paliva, poté je do spalin prudce přimícháno takové množství vzduchu, které zajistí dohoření paliva opět za nízké teploty při podmínkách chudé směsi. Tímto způsobem je zajištěno, že za každých okolností je ve spalovací zóně oblast s podmínkami umožňujícími hoření bez nutnosti použití komplikovaných regulačních systémů. Uvedený princip však nedosahuje tak nízkých hodnot emisí NOx jako postup tzv. chudého spalování.

Z konstrukčního hlediska jsou komory RQL řešeny jako klasické tedy se stabilizací jedním nebo dvěma toroidálními viry, nebo se stabilizací vířičem a dodatečným přívodem tzv. dohořívacího vzduchu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje řešení nízkoemisní spalovací komory, zejména malých turbínových motorů, které se vyznačuje stabilizovaným vírem vzduchu unášejícím palivo s osou rotace přibližně totožnou s osou palivové trysky a postupem proudu vzduchu unášejícím palivo nejprve po vnější straně tohoto víru směrem k palivové trysce odkud dále postupuje středem víru směrem od trysky. Většina primárního vzduchu vstupuje do spalovací zóny komory dvojicí, nebo několika dvojicemi diagonálně umístěných usměrňovačích trubic, které jsou uspořádány v příčném řez tečně k do plamence vepsané kružnici, přičemž přibližně ve středech těchto kružnic se nacházejí palivové trysky. V podélném směru jsou usměrňovači trubice skloněny tak, aby jejich

-1 CZ 304562 B6 ústí směřovalo šikmo směrem k palivové trysce. Tímto uspořádáním je ve spalovací komoře vytvářen stabilizační vír vzduchu s osou rotace přibližně totožnou s osou palivové trysky a postupem proudu nejprve po vnější straně víru směrem k palivové trysce, kde se proud otáčí a dále postupuje středem víru směrem od palivové trysky. Plynné nebo kapalné palivo je rozstřikováno v ose tohoto víru vzduchu. Usměrňovači trubice dělí spalovací prostor komory na 2 zóny, které se liší svým charakterem hoření a směšovacím poměrem, přední zóna nacházející se nejblíže palivové trysky je primární s nejbohatší palivovou směsí, charakter proudění vzduchu je takový, že osová část složky primárního vzduchu postupuje podél stěny komory, po vnějším průměru víru směrem k palivové trysce, při tomto postupu dochází k míšení s horkými spalinami nacházejícími se na vnitřních poloměrech víru, tímto narůstá teplota vzduchu a dochází k recirkulaci radikálů směrem k čerstvé směsi, což vytváří vhodné podmínky pro stabilní hoření s vysokou účinností.

Druhá zóna - dohořívací se nachází za usměrňovacími trubicemi, na opačné straně od palivové trysky, zde dochází ke konečnému dohoření palivové směsi za podmínek chudého spalování. Popisované řešení umožňuje využívat výhod jak RQL, tak i chudého spalování.

Poloha plamene hoření palivové směsi se mění v souvislosti s celkovým směšovacím poměrem, při celkově chudé směsi je plamen soustředěn pouze v první, primární zóně v oblasti malých poloměrů od osy víru, komora pracuje v režimu RQL. Při obohacování směsi, zvyšování výkonu se plamen rozšiřuje směrem k vnějším poloměrům od osy víru a současně se prodlužuje a zasahuje do druhé zóny, komora pracuje v režimu RQL, při velkých bohatostech směsi je plamen pouze ve druhé, dohořívací zóně, první zóna pak zajišťuje předmíšení paliva se vzduchem, princip činnosti se pak podobá LPP (Lean Premixed Prevaporised).

Podstatou řešení nízkoemisní spalovací komory je nahrazení komplikovaného víříce u dosavadních řešení účinkem diagonálně umístěných usměrňovačích trubic, které vytvářejí podobnou vírovou strukturu proudění jako v případě použití víříce, tedy vír s osou rotace totožnou s osou palivové trysky, avšak s postupem proudění ve víru obráceně než v případě použití vířiče. Spalovací vzduch z usměrňovačích trubic je směrován tak, že izoluje horké jádro od stěn komory, čímž přispívá k chlazení a snižuje tak spotřebu chladicího vzduchu a složitost řešení chladicího systému. Osa víru vzduchu totožná s osou trysky je přínosná pro omezení kontaktu částic paliva se stěnami komoiy a následným zhášením a tvorbou karbonu, což bývá slabinou malých spalovacích komor s jedním toroidálním vírem.

Usměrňovači trubice mohou být umístěny buď v jedné, nebo více řadách za sebou, tímto způsobem lze vhodněji technologicky zvládnout větší požadované průměry usměrňovačích trubic a intenzivnějšího promíchání čerstvého vzduchu se spalinami díky většímu povrchu proudů vzduchu z usměrňovačích trubic. Uvedené řešení spalovací komory je aplikovatelné na prstencové, smíšené i trubkové uspořádání spalovacích komor.

Ve výhodném provedení je nízkoemisní spalovací komora vytvořena jako prstencová, sestává z tělesa plamence a nejméně čtyř palivových trysek, přičemž ve stěně tělesa plamence jsou uspořádány usměrňovači trubice primárního vzduchu, mezi palivovými tryskami, střídavě vždy na vnitřní a vnější stěně plamence.

V dalším provedení je nízkoemisní spalovací komora trubková, tvořená tělesem plamence a jednou palivovou tryskou, kde plamenec je osově souměrný podle osy palivové trysky, a v těle plamence jsou uspořádané dvě usměrňovači trubice umístěné přibližně tečně k průměru plamence a v bočním pohledu skloněných o úhel, který má velikost cca 20 až 90°, ve vzdálenosti od ústí palivové trysky v rozmezí 0,5 až 4násobku průměru plamence, přičemž tyto jednotlivé trubkové komory mohou být sdružovány do souborů.

-2CZ 304562 B6

V dalším provedení je nízkoemisní spalovací komora, vytvořena jako smíšená, sestávající z tělesa plamence a nejméně jedné palivové trysky, přičemž primární zóna A je tvořena jako komora trubková nebo souborem trubkových komor, které jsou rovnoměrně obvodově rozmístěny a tyto následně přechází do tvaru prstencové dohořívací sekundární zóny B.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále objasněn na přiložených výkresech, kde na obr. 1 je pohled v příčné rovině části prstencové spalovací komory, na obr. 2 je podélný řez prstencovou spalovací komorou v rovině palivové trysky s jednou řadou usměrňovačích trubic primárního vzduchu, na obr. 3 je podélný řez prstencovou spalovací komorou v rovině palivové trysky se dvěma řadami usměrňovačích trubic primárního vzduchu, na obr. 4 je část prstencové spalovací komory s jednou řadou usměrňovačích trubic primárního vzduchu v prostorném vyobrazení a na obr. 5 je podélný a příčný řez trubkové spalovací komory.

Příklady provedení vynálezu

Prstencová spalovací komora v příkladném provedení je tvořena dvěma soustřednými kruhovými stěnami plamence i, spalovací prostor se nachází mezi těmito stěnami. Palivové trysky 2 jsou rozmístěny obvodově symetricky ve středech vepsaných kružnic K ke stěnám plamence i, jejich roztečná vzdálenost H je taková, že sousední vepsané kružnice K se přibližně dotýkají. Ve stěně plamence I jsou upevněny usměrňovači trubice 3 primárního vzduchu, které jsou uspořádané mezi palivovými tryskami 2, střídavě vždy na vnitřní a vnější stěně plamence L Rovina usměrňovačích trubic 3 dělí spalovací komoru na dvě zóny, a to primární zónu A, nacházející se před ústím usměrňovačích trubic 3 na straně palivové trysky 2 a sekundární zónu B, nacházející se za ústím usměrňovačích trubic 3 na opačné straně plamence L Usměrňovači trubice 3 jsou umístěny v plamenci i pod úhlem 4, který svírá podélná osa usměrňovači trubice 3 se stěnou plamence 1 a který má velikost cca 20 až 90°. Volba skloňuje odvislá od návrhových požadavků na směšovací poměr v primární zóně A a sekundární zóně B a charakteru proudění vně plamence I, který ovlivňuje úhel výtoku vzduchu z usměrňovači trubice. Pokud je požadováno vzduch z trubice 3 rozdělit tak, aby šlo méně do primární zóny k palivové trysce 2 a více do dohořívací, pak se zvolí větší úhel 4, a naopak, bohatší primární zóna přispívá k širší oblasti stabilní práce ve spalovací komoře, avšak zvyšuje množství emisí NOx, optimální nastavení je nutno stanovit pro každou aplikaci individuálně. Sklon a průměr jednotlivých usměrňovačích trubic 3 může být teoreticky různý aje odvislý od charakteru proudění přívodního vzduchu vně plamence i a tedy výsledném výstupním úhlu proudu vzduchu. Důležité je, aby všemi usměrňovacími trubicemi 3 proudilo přibližně stejné množství vzduchu, což způsobí vytvoření víru vzduchu s osou rotace přibližně totožnou s osou palivové trysky 2. Postup proudění je po vnitřní straně plamence I, tedy vně víru, směrem k palivové trysce 2, kde se proud obrací a postupuje středem víru směrem od palivové trysky 2, která je umístěná v zadní části plamence 1 ve středu vzdálenosti vnitřní a vnější stěny plamence L

V upořádání spalovací komory s více usměrňovacími trubicemi 3 za sebou může být počet řad usměrňovačích trubic i větší než 2.

Dále může být plamenec i opatřen dodatečnými vstupy dohořívacího vzduchu 5 a vstupů směšovacího vzduchu 6 pro ochlazení spalin na požadovanou teplotu a vytvoření požadovaného teplotního pole před turbínovým stupněm pro zvýšení účinnosti a prodloužení životnosti turbíny.

Aplikace v komoře prstencového typu s jedním párem usměrňovačích trubic 3, je vyobrazena na obr. 4, komora sestává z plamence i anuálního tvaru, 12-ti palivových trysek 2, které jsou uspořádány rovnoměrně do kruhu v zadní části plamence J_ a usměrňovačích trubic 3, které jsou umístěny v rovinách mezi palivovými tryskami 2 tak, aby vytvářely stabilizační víry s osou rotace

-3CZ 304562 B6 přibližně totožnou s osou trysek 2. Dále může být plamenec opatřen otvory 5 pro dodatečný vzduch pro dohoření směsi a otvory 6 pro dochlazení spalin na požadovanou výstupní teplotu a profil. Uvedené uspořádání je použitelné pro plynové turbíny.

Komora trubkové spalovací komory, vyobrazena na obr. 5, sestává z plamence i, který je osově souměrný podle osy palivové trysky 2, usměrňovačích trubic 3 umístěných přibližně tečně k průměru plamence i a v bočním pohledu skloněných o úhel 4, který má velikost cca 20 až 90°. Tato poloha usměrňovačích trubic zajistí, aby byl vytvořen vír vzduchu s osou rotace totožnou s osou palivové trysky 2 a postupem víru o vnitřní straně plamence i směrem k palivové trysce a středem víru směrem od trysky. Palivová tryska 2 je umístěná v ose plamence U Je možno v případě potřeby použít více řad usměrňovačích trubic analogicky k obrázku 3.

Smíšený typ komory je kombinací trubkového a prstencového typu tak, že primární zóna, označená na obr. 2 symbolem A je provedena jako trubková a dohořívací část, sekundární zóna, označená symbolem B je provedena jako prstencová, výhodou tohoto řešení je fakt, že komoru je možno testovat a vyvíjet jako trubkovou ale vlastnostmi se přibližně komoře prstencové.

Průmyslová využitelnost

Uplatnění popisované koncepce spalovací komory s diagonálními vstupy primárního vzduchu je především ve spalovacích komorách, zejména malých turbínových motorů s ekvivalentním výkonem řádově do 500 kW, kde vychází použití vířiče jako komplikované řešení.

Další průmyslové uplatnění může být v hořácích pro ohřev, kde je požadována jednoduchá konstrukce a současně velký operační rozsah výstupních teplot.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů, vytvořená jako prstencová, sestávající z tělesa plamence a nejméně čtyř palivových trysek, vyznačující se tím, že ve stěně tělesa plamence (1) jsou uspořádány usměrňovači trubice (3) primárního vzduchu, mezi palivovými tryskami (2), střídavě vždy na vnitřní a vnější stěně plamence (1) tak, že osa usměrňovači trubice (3) se stěnou plamence (1) svírá úhel (4), který má velikost v rozmezí 20 až 90°, přičemž rovina (L) vedená kolmo na podélnou osu plamence (1) přibližně v místě usměrňovačích trubic (3) dělí spalovací komoru na dvě zóny, a to primární zónu (A), nacházející se před ústím usměrňovačích trubic (3) na straně palivových trysek (2) a sekundární zónu (B), nacházející se za ústím usměrňovačích trubic (3) na opačné straně plamence (1).
2. Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů, vytvořená jako prstencová, podle nároku 1, vyznačující se tím, že je vytvořena s usměrňovacími trubicemi (3) ve více řadách za sebou vzhledem k podélné ose plamence (1).
3. Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů, vytvořená jako trubková, sestávající z tělesa plamence a jedné palivové trysky, kde plamenec je osově souměrný podle osy palivové trysky, vyznačující se tím, že v těle plamence (1) je uspořádána nejméně jedna usměrňovači trubice (3) nebo jedna dvojice nebo více dvojic usměrňovačích trubic (3), kdy každá dvojice leží v jedné rovině, umístěných v příčném řezu přibližně tečně ke stěně plamence (1) a v bočním řezu skloněné o úhel (
4) vůči podélné ose plamence, který má velikost cca 20 až 90° a ve vzdálenosti od ústí palivové trysky (2) v rozmezí 0,5 až 4násobku průměru plamence (1), přičemž rovina (L) vedená v místě usměrňovači trubice (3) nebo dvojice trubic, která leží nejblíže palivové trysce, kolmo k podélné ose tělesa plamence (1), dělí těleso plamence

-4CZ 304562 B6 (1) na dvě zóny, přičemž jako primární zóna (A) je označen prostor mezi vstupem palivové trysky (2) a rovinou (L) a jako sekundární zóna (B) je označen prostor tělesa plamence (1) od roviny (L) na opačnou stranu v tělese plamence (1).
5 4. Nízkoemisní spalovací komora, zejména malých turbínových motorů, vytvořená jako smíšená, sestávající z tělesa plamence mající primární zónu (A) a sekundární zónu (B), a z nejméně jedné palivové trysky, vyznačující se tím, že primární zóna (A) je tvořena trubkovými komorami podle nároku 3 a tyto trubkové komory následně, nejdříve v rovině (L), přecházejí do jednoho společného prostoru, tvořícího sekundární zónu (B), který je proveden jako prstencoío vý.