RU2635958C1

RU2635958C1 - Vortex burner for gas turbine

Info

Publication number: RU2635958C1
Application number: RU2016123000A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Шестаков; Рамзиль Салахович Карипов; Денис Рамзилевич Карипов; Александр Анатольевич Скороходов
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-11-17

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: burner comprises a hollow cylindrical body mounted on a base, inside which a gas manifold with a nozzle is installed in the axial direction. The burner body comprises at least one inlet fuel channel directed along the axis, and one inlet air channel directed radially inside the body, with feeding of combustible gas and air into a mixing zone provided with several vortex and mixing surfaces spaced along circumference by means of vortex and mixing surfaces. The nozzle is provided with peripheral and radially disposed holes and a vortex former which is made in the form of a thin-walled cylinder with tangentially bent inside and outside guide blade elements turned at an angle from 30 to 60°. The burner body has an internal bore not exceeding the length of the gas manifold, two or more through slots are uniformly arranged over the groove entire length, the conical convergence is made in the upper part of the body at angle of 45-60° relative to the burner axis in direction of air motion. The nozzle can additionally include a conical streamlined adapter, and the burner body in the mixing zone has an additional profiled guide conical washer.

EFFECT: increased operation efficiency of the gas burner, stable and complete combustion process with fixation of flame in axial direction, simplified design, improved manufacturability and repairability, reliability and durability, reduced noise, vibrations and emission of flue gases.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к высокоэффективным горелкам для газовых турбин с низким уровнем эмиссии NO_x.The invention relates to highly efficient burners for gas turbines with low NO _x emissions.

Из техники известна топливная горелка, используемая в серийном ряду микротурбин, производимых американской компанией Capstone. Фирма Capstone достигла значительных успехов в обеспечении эффективного сгорания топлива с минимальным уровнем выбросов NO_x за камерой сгорания. Достигнутые успехи основывались на использовании современных достижений в области теории горения. В частности, фирма Capstone совершенствовала конструкцию топливных горелок (инжекторов), обеспечивающих необходимую подачу топлива в камеру сгорания (Advanced Microturbine Program. Capstone Turbine Corp. Jeff Willis. DOE DE-FC02-00CH11058. DER Peer Review. Washington, D.C., December 2005. Capstone Turbine Corp. - p. 162).A fuel burner is known from the prior art, used in a series of microturbines manufactured by Capstone, an American company. Firm Capstone achieved significant success in the efficient combustion of fuel with a minimum level of NO _x emissions for the combustion chamber. The successes were based on the use of modern achievements in the field of combustion theory. In particular, Capstone has improved the design of fuel burners (injectors) that provide the necessary fuel to the combustion chamber (Advanced Microturbine Program. Capstone Turbine Corp. Jeff Willis. DOE DE-FC02-00CH11058. DER Peer Review. Washington, DC, December 2005. Capstone Turbine Corp. - p. 162).

Конструкция топливной горелки Capstone представляет собой полый цилиндрический корпус, внутри которого в осевом направлении расположен топливопровод с установленной в торце многосопловой головкой (форсункой). В цилиндрическом корпусе, представляющем собой полую трубу, в зоне смешения изготовлены два ряда сквозных круглых отверстий для радиальной подачи сжатого в компрессоре и нагретого в рекуператоре свежего фильтрованного воздуха. По замыслу разработчиков горючая смесь получается за счет смешения перпендикулярно пересекающихся потоков горючего газа и воздуха в зоне смешения (взаимной инжекции), где она воспламеняется с образованием факела в осевом направлении с догоранием в пламенной трубе горелки и камере сгорания турбины.The design of the Capstone fuel burner is a hollow cylindrical body, inside of which in the axial direction there is a fuel pipe with a multi-nozzle head (nozzle) installed in the end. In a cylindrical body, which is a hollow pipe, in the mixing zone two rows of through circular holes are made for the radial supply of fresh filtered air compressed in the compressor and heated in the recuperator. According to the developers, the combustible mixture is obtained by mixing perpendicularly intersecting flows of combustible gas and air in the mixing zone (mutual injection), where it ignites with the formation of a torch in the axial direction with burning out in the flame tube of the burner and the combustion chamber of the turbine.

Недостатки указанной конструкции газовой горелки:The disadvantages of this design of the gas burner:

1. Недостаточно равномерное смешивание горючего газа и воздуха с образованием зон с обогащенной и обедненной смеси, приводящей к флюктуациям скорости истечения продуктов горения и возникновением пульсаций давления, а, следовательно, к шуму, вибрациям и нестабильности работы турбины.1. Inadequately uniform mixing of combustible gas and air with the formation of zones with an enriched and depleted mixture, leading to fluctuations in the rate of expiration of the combustion products and the occurrence of pressure pulsations, and, consequently, noise, vibration and instability of the turbine.

2. Невозможность стабилизации, интенсивности и фиксации формы и положения пламени по оси горелки за счет неравномерной и неконтролируемой интенсивности подачи воздуха через радиальные сквозные отверстия в корпусе газовой горелки. Разные градиенты давления воздуха в отверстиях корпуса горелки могут повлечь, не только отрыв пламени, но и частичное (обратное) горение в радиальном направлении за границей корпуса топливной горелки; снижающая эффективность работы турбины влечет повышение температуры в зоне смешения, и последующий выход из строя топливной горелки за счет деструкции материала корпуса и прогара горелки.2. The inability to stabilize, intensity and fix the shape and position of the flame along the axis of the burner due to the uneven and uncontrolled intensity of the air supply through the radial through holes in the body of the gas burner. Different gradients of air pressure in the openings of the burner body can entail not only flame separation, but also partial (reverse) burning in the radial direction beyond the boundary of the fuel burner body; reducing the turbine's operating efficiency entails an increase in temperature in the mixing zone, and subsequent failure of the fuel burner due to the destruction of the casing material and burnout of the burner.

3. Повышение температуры горения, создание зон обогащенной горючей смеси и нестабильный цикл горения ведет к повышению эмиссии NO_x.3. An increase in the temperature of combustion, the creation of zones of an enriched combustible mixture, and an unstable combustion cycle lead to an increase in the emission of NO _x .

Особый интерес представляет конструкция газовой горелки, разработанной в лаборатории Беркли в рамках программы DOE USA, позволившая получить исключительные параметры сгорания горючей смеси, минимальные выбросы NO_x, менее 5,0 ppm при 15% О₂ (Low-Swirl Combustion-An Ultra-Low Emissions Technology for Industrial Heating & Gas Turbines, and Its Potential for Hydrogen Turbines. Robert K. Cheng - Leader, Combustion Technologies Group Environmental Energy Technologies Div. Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley, CA, LBNL, DOE-FE, EPRI. WebcastNov. 8, 2006).Of particular interest is the construction of the gas burner, designed in Berkeley Laboratories under DOE USA program gave, exclusive combustion parameters combustible mixture minimal emissions NO _x, of less than 5,0 ppm, with 15% O ₂ (Low-Swirl Combustion-An Ultra -Low Emissions Technology for Industrial Heating & Gas Turbines, and Its Potential for Hydrogen Turbines. Robert K. Cheng - Leader, Combustion Technologies Group Environmental Energy Technologies Div. Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley, CA, LBNL, DOE-FE, EPRI. WebcastNov. 8 , 2006).

Отличительной особенностью указанной конструкции газовой горелки является то, что с внутренней стороны цилиндрического корпуса изготовлены каналы цилиндрической спиралевидной формы, позволяющие закручивать воздушные потоки по цилиндрической спирали вдоль пламенной трубы и газового коллектора, тем самым обеспечивая постепенное смешение воздушного потока с осевым потоком горючего газа за счет центробежных сил. Очевидно, что сформированный таким образом закрученный воздушный поток, схожий со смерчем (торнадо), в слое между корпусом горелки и газовым коллектором при быстром вращении будет испытывать центробежные силы, прижимая воздушные массы к внутренней стороне корпуса горелки, и эффективная зона смешения, скорее всего, возникнет в зоне выравнивания давления, т.е. за пределами горловины горелки, что повлечет удлинение языка факела пламени с формированием радиального фронта волны продуктов горения и воздушных масс.A distinctive feature of this gas burner design is that cylindrical spiral channels are made on the inner side of the cylindrical body, allowing air flows to be twisted in a cylindrical spiral along the flame tube and gas manifold, thereby ensuring gradual mixing of the air flow with the axial flow of combustible gas due to centrifugal forces. It is obvious that the swirling air flow thus formed, similar to a tornado (tornado), in the layer between the burner body and the gas manifold during rapid rotation will experience centrifugal forces, pressing the air masses against the inside of the burner body, and the effective mixing zone is most likely will occur in the pressure equalization zone, i.e. outside the neck of the burner, which will lead to an extension of the tongue of the flame with the formation of a radial wave front of the combustion products and air masses.

1. Материалоемкость, сложность и трудоемкость изготовления спиральных каналов внутри корпуса горелки.1. The material consumption, complexity and complexity of manufacturing spiral channels inside the burner body.

2. Достаточно протяженная, вытянутая форма факела пламени за пределами раструба горелки за счет отсутствия фиксированной зоны смешения газов. Завихрение и взаимное смешение воздуха и горючих газов происходит на всем протяжении факела, что не всегда оправдано, т.к. при выходе в камеру сгорания горючая смесь должна завершить процесс горения, а потенциальная энергия высокоэнергетической плазмы и расширяющегося избыточного воздуха должна преобразоваться в кинетическую энергию ускоряющегося потока рабочей среды.2. A sufficiently long, elongated form of a flame torch outside the burner socket due to the absence of a fixed gas mixing zone. The turbulence and mutual mixing of air and combustible gases occurs throughout the torch, which is not always justified, because when entering the combustion chamber, the combustible mixture must complete the combustion process, and the potential energy of the high-energy plasma and expanding excess air should be converted into the kinetic energy of the accelerated flow of the working medium.

Из уровня техники известна горелка для камеры сгорания газовой турбины (патент РФ №2407950, приоритет 03.09.2004 г., F23D 14/74, F23R 3/18 - прототип), согласно которой горелка содержит цилиндрический корпус и стабилизатор пламени, центрированный по оси, расположенный в зоне смешения в виде конусообразного вытянутого тела необтекаемой формы, имеющей на своей наружной поверхности группу простирающихся по оси бороздок. Корпус горелки содержит, по меньшей мере, один топливный канал спиралевидной формы для придания потоку топлива углового движения и один воздушный канал, по которому поступающий в горелку воздух завихряется на лопаточных элементах. Горелка дополнительно содержит узел огнеупорной амбразуры, образующий внутреннюю камеру рециркуляции и выход горелки. Недостатки указанной горелки:The burner for a gas turbine combustion chamber is known from the prior art (RF patent No. 2407950, priority 03.09.2004, F23D 14/74, F23R 3/18 - prototype), according to which the burner contains a cylindrical body and a flame stabilizer, centered on the axis, located in the mixing zone in the form of a cone-shaped elongated body of a streamlined shape, having on its outer surface a group of grooves extending along the axis. The burner housing contains at least one spiral-shaped fuel channel for imparting angular movement to the fuel flow and one air channel through which the air entering the burner swirls on the blade elements. The burner further comprises a refractory embrasure assembly forming an internal recirculation chamber and a burner outlet. The disadvantages of this burner:

1. Материалоемкость, громоздкость конструкции, сложность и высокая точность изготовления деталей и узлов для сборки, исключающие газовые протечки, не технологичность конструкции, не ремонтопригодность.1. The material consumption, the bulkiness of the design, the complexity and high accuracy of manufacturing parts and assemblies for assembly, excluding gas leaks, not adaptability of the design, not maintainability.

2. Невозможность регулирования точки воспламенения и вихревого отношения в реальных условиях эксплуатации, т.к. не предусмотрен элемент визуализации формы пламени, наклон лопаточных элементов фиксированный, нет возможности их регулирования. Как правило, узлы турбин не терпят регулирования, т.к. термоакустические вибрации рано или поздно выводят из строя регулируемые элементы, что может привести к аварии.2. The inability to control the flash point and vortex ratio in real operating conditions, because there is no element for visualizing the shape of the flame, the inclination of the blade elements is fixed, there is no possibility of their regulation. As a rule, turbine units do not tolerate regulation, as thermoacoustic vibrations sooner or later disrupt adjustable elements, which can lead to an accident.

3. Из поясняющих графических материалов прототипа не ясно, как закручиваются газовые струи и как завихряются воздушные потоки, не показано каким образом они смешиваются в камере смешения. Если смешение завершилось в камере смешения, то очевидно, что горючая смесь совместно с продуктами горения завершат свое взаимное завихрение и будут истекать из камеры смешения квазиламинарным потоком вдоль оси корпуса и стабилизатора в направлении к выходу из амбразуры. По стрелкам движения горючих масс пламени не видно вращающего или завихряющего направления движения. При таком логическом раскладе проблематично образование эффективной зоны рециркуляции, однако за счет расширяющейся оконечной части стабилизатора возможно образование зоны разрежения, которая, по мнению авторов, должна создавать эффективную зону рециркуляции. По нашему мнению, искусственное создание такой «мертвой теневой зоны» не создаст ожидаемой эффективной зоны рециркуляции, а, скорее всего, создаст размытость и неравномерность направленного фронта расширяющейся и ускоряющейся волны продуктов горения и воздуха, что будет мешать формированию правильного осевого расположения факела пламени с максимально завершившимся процессом горения внутри пламенной трубы горелки, что очень важно для камер сгорания турбин с обеспечением заданного направления рабочей среды.3. From the explanatory graphic materials of the prototype it is not clear how the gas jets are twisted and how the air flows swirl, it is not shown how they are mixed in the mixing chamber. If the mixing is completed in the mixing chamber, it is obvious that the combustible mixture together with the combustion products will complete their mutual turbulence and will flow out of the mixing chamber with a quasilaminar flow along the axis of the housing and stabilizer towards the exit from the embrasure. The arrows of the motion of the combustible masses of the flame do not show a rotating or swirling direction of motion. In this logical scenario, the formation of an effective recirculation zone is problematic, however, due to the expanding end part of the stabilizer, a rarefaction zone is possible, which, according to the authors, should create an effective recirculation zone. In our opinion, the artificial creation of such a “dead shadow zone” will not create the expected effective recirculation zone, but rather will create blur and unevenness of the directed front of the expanding and accelerating wave of combustion products and air, which will interfere with the formation of the correct axial location of the flame torch with the maximum the completed combustion process inside the flame tube of the burner, which is very important for turbine combustion chambers with a given direction of the working medium.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы газовой горелки, стабильного и полного процесса горения с фиксацией факела пламени в осевом направлении, упрощение конструкции, повышение технологичности изготовления и ремонтопригодности, надежности и долговечности, снижение шума, вибраций и эмиссии NO_x.The technical task of the claimed invention is to increase the efficiency of a gas burner, a stable and complete combustion process with fixing the flame in the axial direction, simplifying the design, improving the manufacturability and maintainability, reliability and durability, reducing noise, vibration and NO _x emissions.

Указанная задача достигается тем, что в заявляемом техническом решении применены простые, но оригинальные элементы в конструкции газовой горелки, обеспечивающие изменение направления воздушных и газовых потоков, придания им поступательно-вращательного, тангенциально-радиального косого направления, обеспечивающего взаимное множественное пересечение воздушных и газовых потоков с созданием множественных противотоков в зоне смешения, дополнительной конической (в радиальном направлении) подачей избыточного свежего воздуха в конце зоны смешения для полного сгорания горючей смеси с образованием продуктов горения с предельно низкой температурой, предварительного нагрева горючего газа за счет обтекания газового коллектора нагретым воздухом; исключение явлений обратного горения и хлопков за счет отрыва пламени и возникновение и создание зон с обогащенной и обедненной зонами.This problem is achieved by the fact that in the claimed technical solution simple but original elements are used in the design of a gas burner, providing a change in the direction of air and gas flows, giving them a translational-rotational, tangential radial oblique direction, providing mutual multiple intersection of air and gas flows with the creation of multiple counterflows in the mixing zone, additional conical (in the radial direction) supply of excess fresh air at the end of the zones Mixing for the complete combustion of the combustible mixture with the formation of combustion products with an extremely low temperature, preheating of the combustible gas by flowing heated gas around the gas manifold; the exclusion of the phenomena of reverse combustion and popping due to flame separation and the emergence and creation of zones with enriched and depleted zones.

Указанное множественное вихревое смешение подогретого горючего газа и воздуха обеспечивает получение равномерной смеси химически активных компонентов, а, следовательно, стабилизации процесса горения, его интенсивности и равномерности, фиксации пламени вдоль оси горелки с максимальным сгоранием смеси в зоне пламенной трубы горелки.The specified multiple vortex mixing of heated combustible gas and air provides a uniform mixture of chemically active components, and, therefore, stabilization of the combustion process, its intensity and uniformity, fixation of the flame along the axis of the burner with maximum combustion of the mixture in the zone of the flame tube of the burner.

Указанный способ смешения позволит уменьшить пульсации, шум и вибрации, эмиссию NO_x на выходе турбины, увеличит надежность и долговечность горелок. Повышение технологичности конструкции обосновывается применением заготовок трубной и прутковой формы с использованием доступных токарных, фрезерных, сверлильных и электроэрозионных станков, сборка горелки осуществляется любым известным способом - или сочленяться по посадке, или скрепляться механически, например, методом сварки комплектующих элементов вольфрамовым электродом в среде аргона. Ремонт горелки сводится к замене прогоревшей части пламенной трубы на новый отрезок трубы аналогичного сплава.The specified mixing method will reduce ripple, noise and vibration, NO _x emission at the turbine outlet, and increase the reliability and durability of the burners. Improving the manufacturability of the design is justified by the use of tube and rod shaped workpieces using available turning, milling, drilling and EDM machines, the burner is assembled in any known manner - either jointed by landing, or mechanically fastened, for example, by welding components with a tungsten electrode in an argon atmosphere. Burner repair is reduced to replacing the burnt part of the flame pipe with a new pipe segment of a similar alloy.

Предлагаемая вихревая горелка содержит основание для крепления горелки в корпус турбины. В основание горелки вварены штуцер для подачи горючего топлива газовый коллектор, завершающийся многосопловой форсункой для истечения горючего газа и вихреобразователем для создания вихревых спутанных потоков горючего газа и воздуха.The proposed vortex burner contains a base for mounting the burner in the turbine housing. A gas manifold is welded into the base of the burner to supply combustible fuel, ending with a multi-nozzle nozzle for the outflow of combustible gas and a vortex generator to create vortex entangled flows of combustible gas and air.

Соосно газовому коллектору к многосопловой форсунке на специальную радиальную проточку вварена цилиндрическая насадка - вихреобразователь, имеющий радиальные внутренние и наружные тангенциально и противоположно отогнутые направляющие лопаточные элементы. Корпус горелки имеет специальные радиальные и конические проточки и сквозные щели для поступления под давлением и движения в камеру смешения подготовленного фильтрованного и нагретого свежего воздуха (как правило, в турбинах входящий свежий воздух фильтруется, сжимается в компрессоре и нагревается в рекуператоре).A cylindrical nozzle, a vortex generator having radial internal and external tangentially and oppositely bent guide vanes, is welded to a multi-nozzle nozzle on a special radial groove, and is aligned with the gas manifold. The burner body has special radial and conical grooves and through slots for pressurized and heated fresh air to flow into the mixing chamber (as a rule, incoming fresh air in turbines is filtered, compressed in the compressor and heated in the heat exchanger).

Посредством специальных лопаточных элементов и конических проточек (или шайб) воздуху и газу придаются множественные тангенциальные, спиральные, крутящие, конусообразные, встречные, пересекающиеся, возвратные движения в зоне смешения, что в целом можно охарактеризовать как вихревое смешение, чем и достигается полное и равномерное смешивание с созданием стабильного, фиксированного в осевом направлении факела пламени, обеспечивающего эффективное горение горючей смеси без образования зон обедненной и обогащенной смеси.By means of special blade elements and conical grooves (or washers), multiple tangential, spiral, twisting, cone-shaped, oncoming, intersecting, reciprocal movements in the mixing zone are attached to the air and gas, which can be generally described as vortex mixing, which ensures complete and uniform mixing with the creation of a stable, axially fixed flame plume that provides effective combustion of the combustible mixture without the formation of zones of lean and enriched mixture.

Предварительный подогрев газа нагретыми воздушными массами, движущимися вдоль газового коллектора, облегчает взаимную диффузию без температурных градиентов, положительно сказываясь на создании равномерной горючей смеси.Preheating the gas with heated air masses moving along the gas manifold facilitates mutual diffusion without temperature gradients, positively affecting the creation of a uniform combustible mixture.

Вихревая горелка содержит изготовленную совместно с форсункой в едином технологическом цикле коническую, как вариант полую обтекаемую коническую часть - направляющую насадку. Температура воспламенения природного газа около 530°С. Как недостаток воздуха, так и значительный избыток его может привести к неполному сгоранию газа. При этом наблюдается конец факела желтоватого цвета, не вполне прозрачный, с расплывчатым голубовато-зеленым ядром и пламя неустойчиво и отрывается от горелки. В случае обеспечения оптимального соотношения горючего газа и воздуха и полного их смешения факел пламени значительно укорачивается и газ сгорает полнее, т.к. газовоздушная смесь была предварительно приготовлена. О полноте сгорания газа свидетельствует короткий прозрачный факел голубого цвета (беспламенное горение).The vortex burner contains a conical, optionally a hollow streamlined conical part — a guide nozzle, made together with the nozzle in a single technological cycle. The ignition temperature of natural gas is about 530 ° C. Both a lack of air and a significant excess of it can lead to incomplete combustion of gas. In this case, the end of the torch is yellowish, not quite transparent, with a blurry bluish-green core and the flame is unstable and breaks away from the burner. In the case of ensuring the optimal ratio of combustible gas and air and their complete mixing, the flame torch is significantly shortened and the gas burns more fully, because the air-gas mixture was previously prepared. The completeness of gas combustion is evidenced by a short transparent torch of blue color (flameless burning).

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 представлен разрез вихревой горелки: а) - продольное сечение вихревой горелки, б) - вид А, вид сверху продольного сечения вихревой горелки, на фиг. 2 - представлено продольное сечение горелки, выполненной с предпочтительным вариантом реализации изобретения, на котором показана форсунка с конической насадкой.The invention is illustrated by graphic material, where in FIG. 1 shows a section of a vortex burner: a) is a longitudinal section of a vortex burner, b) is a view A, a top view of a longitudinal section of a vortex burner, in FIG. 2 is a longitudinal section through a burner made with a preferred embodiment of the invention, which shows a nozzle with a conical nozzle.

Горелка содержит основание 1, в которое с одной стороны вварен резьбовой штуцер 2 для присоединения газопровода, и крепежные отверстия 18 для фиксации и герметичного крепления горелки в корпусе турбины. На посадочное место основания 1 приварен трубный газовый коллектор 3, имеющий на торце форсунку (сопловую насадку) 4 с периферийно и радиально расположенными отверстиями 7 для истечения газа. На установочную проточку форсунки 4 установлен вихреобразователь 8 в форме полого тонкостенного цилиндра с тангенциально изогнутыми поочередно вовнутрь и наружу направляющих лопаточных элементов 9 и 9¹, развернутых на угол от 30 до 60°.The burner comprises a base 1, into which a threaded fitting 2 is welded on one side for connecting the gas pipeline, and mounting holes 18 for fixing and tightly mounting the burner in the turbine housing. A gas pipe manifold 3 is welded to the seat of the base 1, having an nozzle (nozzle nozzle) 4 with peripherally and radially arranged openings 7 for gas outflow at the end. On the installation groove of the nozzle 4, a vortex generator 8 is installed in the form of a hollow thin-walled cylinder with tangentially curved alternately inside and outside guide vanes 9 and 9 ¹ , rotated at an angle of 30 to 60 °.

Кроме того, на посадочное место основания соосно газовому коллектору 3 установлен цилиндрический корпус 5 горелки, изготовленный из толстостенной трубы и имеющий внутреннюю продольную проточку 19. Длина продольной проточки 19 не превышает по протяженности длину газового коллектора 3. В верхней части корпуса 5 выполнен конический сход под углом 45-60° к оси горелки в направлении движения воздуха 20. Кроме того вдоль цилиндрического корпуса 5 горелки от начала внутренней продольной проточки 19 выполнены две или несколько сквозных щелей 6, количество и размер которых определяются расчетным путем исходя из необходимого объема поступающего воздуха для поддержания стабильного цикла горения, при этом верхняя граница щели 6 должна находиться на уровне или ниже форсунки 4.In addition, a cylindrical burner body 5, made of a thick-walled pipe and having an internal longitudinal groove 19, is installed on the base seat coaxially with the gas manifold 3; the length of the longitudinal groove 19 does not exceed the length of the gas manifold 3. A conical descent an angle of 45-60 ° to the axis of the burner in the direction of movement of air 20. In addition, two or more through slots 6 are made along the cylindrical body 5 of the burner from the beginning of the internal longitudinal groove 19, and size of which are determined by calculations based on the necessary amount of inlet air to maintain stable combustion cycle, the upper limit of the slit 6 must be at or below the nozzles 4.

Корпус 5 горелки имеет зону смешения 10, зону рециркуляции 16 и сопловую часть 12, все эти три части объединяются в пламенную трубу горелки, в которой и формируется факел пламени, горит, а завершается цикл горения на выходе из горелки, где расширяясь и ускоряясь, создает направленную высокоэнергетическую струю продуктов горения и воздуха. Факел пламени имеет форму 17. Позицией 14 на фиг. 1а показано направление горючего газа.The burner body 5 has a mixing zone 10, a recirculation zone 16 and a nozzle part 12, all these three parts are combined into a flame tube of the burner, in which the flame is formed, burns, and the combustion cycle ends at the outlet of the burner, where it expands and accelerates, creating directed high-energy jet of combustion products and air. The flame torch has the form 17. At 14 in FIG. 1a shows the direction of the combustible gas.

Зонально пламенная полость корпуса 5 горелки - пламенная труба 11 - условно и по существу разделена на три зоны: 1 зона - зона смешения 10 и начало горения образовавшейся горючей смеси; 2 зона - зона рециркуляции 16 с формированием факела пламени с наивысшей температурой по оси (яркого бело-желтого ослепляющего цвета), 3 зона - зона догорания 17 с преобразованием потенциальной энергии продуктов горения и расширяющего воздуха в кинетическую энергию ускоряющихся молекул рабочей среды.The zone-flame cavity of the burner body 5 — the flame tube 11 — is conventionally and essentially divided into three zones: 1 zone — the mixing zone 10 and the beginning of the combustion of the resulting combustible mixture; 2 zone - recirculation zone 16 with the formation of a flame with the highest temperature along the axis (bright white-yellow, blinding color), 3 zone - the afterburning zone 17 with the conversion of the potential energy of the combustion products and expanding air into the kinetic energy of the accelerating molecules of the working medium.

Пламенная труба 11 имеет цилиндрическую и расширяющуюся коническую часть 12 (раструб) для расширения продуктов горения и снижения температуры, пламя в этой части постепенно буреет и гаснет, т.е. завершает свое горение на расстоянии размера диаметра трубы от конца раструба (около 40 мм).The flame pipe 11 has a cylindrical and expanding conical part 12 (bell) for expanding the combustion products and lowering the temperature, the flame in this part gradually turns brown and goes out, i.e. completes its combustion at a distance of the size of the diameter of the pipe from the end of the socket (about 40 mm).

Работа вихревой горелки поясняется следующим образом.The operation of the vortex burner is explained as follows.

Горючий газ высокого давления через открытый газовый клапан (на фиг. 1 не показан) и герметичный штуцер 2 поступает в газовый коллектор 3 и через периферийные отверстия 7, выполненные в форсунке 4 радиально в один или концентрично в два ряда через равные угловые сектора, истекает в осевом направлении. Форсунка 4 через специальные сборочные радиальные проточки (на фиг. 1 не показана) сочленяется с газовым коллектором 3 и сваривается по месту их соединения. На специальную проточку форсунки 4 с другой стороны устанавливается вихреобразователь 8. На вихреобразователе 8 изготовлены поочередно-разновысотные прорези через заданные угловые сектора.High pressure combustible gas through an open gas valve (not shown in Fig. 1) and a tight fitting 2 enters the gas manifold 3 and through peripheral holes 7 made in the nozzle 4 radially in one or concentric in two rows through equal angular sectors, expires in axial direction. The nozzle 4 through special assembly radial grooves (not shown in Fig. 1) is articulated with a gas manifold 3 and welded at the place of their connection. On the other hand, a vortex generator 8 is mounted on a special nozzle groove 4 on the vortex generator 8. Alternately different-height slots are made through predetermined angular sectors.

Сформированные элементы поочередно отгибаются во внутрь и наружу на угол 30-60° в зависимости от параметров горелки и формирования ширины зоны смешения (как вариант, элементы могут отгибаться поочередно с нарастанием-убыванием на разные углы). Полученные таким образом элементы разворачиваются в сторону, достигая разворотом разновысотности прорезей, т.е., например, наружные - по часовой стрелке, а внутренние элементы, против - на угол 45-60°. С этого момента указанные элементы будут играть роль направляющих вихревых лопаток 9 и 9¹.The formed elements are alternately bent inward and outward at an angle of 30-60 ° depending on the parameters of the burner and the formation of the width of the mixing zone (as an option, the elements can be bent alternately with increasing-decreasing at different angles). The elements obtained in this way are turned to the side, reaching the slots of different heights, i.e., for example, the outer ones - clockwise, and the inner elements, opposite - at an angle of 45-60 °. From this moment, these elements will play the role of the guide vortex blades 9 and 9 ¹ .

Поскольку струи горючего газа, отражаясь от направляющих лопаток, изменят свое направление наружу, пересекая воздушный поток, движущийся вдоль трубы по си горелки, а поочередно следующая направляющая лопатка, отогнутая наружу, изменяет направление воздуха в направление к центральной оси, пересекая осевые струи газа. Изготовленные направляющие лопатки 9 и 9¹, создавая встречно-угловые пересекающиеся и непересекающиеся газовые и воздушные спутанные потоки, создадут вихревой хаос в зоне смешения 10.Since the jets of combustible gas, reflected from the guide vanes, change their direction outward, crossing the air flow moving along the pipe along the burner, and the next guide vane, bent outward, changes the air direction in the direction to the central axis, intersecting the axial gas jets. The manufactured guide vanes 9 and 9 ¹ , creating counter-angular intersecting and disjoint gas and air entangled flows, will create vortex chaos in the mixing zone 10.

Горячий воздух проходит по циклу: воздушная очистка от пыли во входных фильтрах - сжатие воздуха в компрессоре - нагрев сжатого воздуха отработанными дымовыми газами в рекуператоре - стакан для установки газовой горелки, герметично связанный с корпусом турбины и омываемый снаружи отработанными дымовыми газами (на фиг. 1 не показано).Hot air passes through the cycle: air cleaning of dust in the inlet filters - air compression in the compressor - heating of the compressed air by the exhaust flue gases in the recuperator - a glass for installing a gas burner, hermetically connected to the turbine housing and washed outside by the exhaust flue gases (in Fig. 1 not shown).

Горелка герметично связана с корпусом турбины и выходит в камеру сгорания турбины. В технологическом зазоре между стаканом, отделяющий газовую горелку от отработанных дымовых газов турбины (на фиг. 1 не показан), и корпусом 5 горелки горячий воздух дополнительно нагреваясь через стенку стакана от горячих дымовых газов, попадает через щели 6 в зазор между корпусом горелки 5 и газовым коллектором 3. Там воздух, разворачиваясь и обтекая тонкостенный газовый коллектор 3, движется в направлении камеры смешения 10 пламенной трубы горелки 11. При этом горючий газ, протекающий в газовом коллекторе 3, нагревается и получает дополнительную потенциальную энергию, повышая свою энтальпию. Для свободного прохода воздуха (снижения аэродинамического сопротивления) с внутренней стороны толстостенного корпуса горелки выполнена проточка 19 вплоть до камеры смешения (до зоны зарождения факела пламени). Эта проточка имеет конический сход под углом 45-60°, что позволяет протискивающемуся вдоль стенки воздуху 20 развернуться в осевом направлении. Вместо конической проточки 19 может использоваться выступающая коническая шайба специальной формы, обеспечивающей частичный возврат воздушных молекул и свободных радикалов (химически активных компонентов) в зону смешения 10 и зону рециркуляции 16.The burner is hermetically connected to the turbine housing and exits into the turbine combustion chamber. In the technological gap between the glass, separating the gas burner from the exhaust flue gases of the turbine (not shown in Fig. 1), and the burner body 5, hot air additionally heating through the glass wall from the hot flue gases enters through the slots 6 into the gap between the burner body 5 and gas manifold 3. There, air, expanding and flowing around the thin-walled gas manifold 3, moves in the direction of the mixing chamber 10 of the flame tube of the burner 11. In this case, the combustible gas flowing in the gas manifold 3 is heated and receives additional hydrochloric potential energy, increasing its enthalpy. For free air passage (lower aerodynamic drag), a groove 19 was made from the inside of the thick-walled burner casing up to the mixing chamber (to the zone of flame flame nucleation). This groove has a conical gathering at an angle of 45-60 °, which allows air 20 squeezed along the wall to rotate in the axial direction. Instead of a conical groove 19, a protruding conical washer of a special shape can be used, which provides a partial return of air molecules and free radicals (chemically active components) to the mixing zone 10 and the recirculation zone 16.

Основной поток воздуха 13, достигнув направляющих лопаток вихреобразователя 8, более чем на половину по объему меняет свое направление в осевую сторону на встречу, и пересекая струи горючего газа, рассекая и дробя друг друга, диффундируя друг в друга и создавая химически активные воспламеняющие компоненты. В зоне 16, называемой зоной рециркуляции в основном завершаются процессы смешивания, обеспечивая наивысший уровень и температуры горения, и не смотря на то, что горение горючих газов продолжается в расширяющейся сопловой части 12 пламенной трубы 11 и завершаясь на выходе из трубы 11, при этом температура и давление падает, скорость истечения продуктов горения и воздушных масс возрастает за счет преобразования потенциальной энергии горения пламени в кинетическую энергию направленного потока ускоряющихся молекул рабочей среды. При такой конструкции газовой горелки и способа подачи горючего газа и воздуха форма факела пламени 17 принимает правильную геометрическую форму, обеспечивая фиксацию факела вдоль оси горелки его стабильность, эффективность и полное сгорание топлива при низкой эмиссии NO_x.The main air stream 13, having reached the guide vanes of the vortex generator 8, changes its direction in the axial direction by more than half in volume and intersects the jets of combustible gas, dissecting and crushing each other, diffusing into each other and creating chemically active igniting components. In zone 16, called the recirculation zone, the mixing processes are mainly completed, providing the highest level and temperature of combustion, despite the fact that the combustion of combustible gases continues in the expanding nozzle part 12 of the flame tube 11 and ends at the outlet of the pipe 11, while the temperature and pressure drops, the rate of expiration of the combustion products and air masses increases due to the conversion of the potential energy of combustion of the flame into kinetic energy of the directed flow of accelerating molecules of the working medium. With this design of the gas burner and the method of supplying combustible gas and air, the shape of the flame plume 17 takes the correct geometric shape, ensuring the fixation of the torch along the axis of the burner, its stability, efficiency and complete combustion of fuel at low NO _x emissions.

На фиг. 2 представлен продольный разрез горелки, выполненной с предпочтительным вариантом реализации изобретения, на котором показана форсунка с конической насадкой.In FIG. 2 is a longitudinal section through a burner constructed with a preferred embodiment of the invention, which shows a nozzle with a conical nozzle.

Вихревая горелка содержит изготовленную совместно с форсункой 4 в едином технологическом цикле коническую, как вариант полую обтекаемую коническую часть - направляющую насадку 4¹, диаметр широкой части которой равен внутреннему диаметру форсунки 4, причем форсунка 4 содержит только наружные направляющие лопатки 9¹, создавая завихряющие и закручивающие воздушные потоки, напоминающие торнадо. Отверстия 7 в форсунке 4 для истечения газа могут располагаться по всей его поверхности, а конусность конической направляющей насадки 4¹ должна обеспечить изменение направления потока газа на 45-60° к оси горелки в направлении конического схода внутренней проточки корпуса горелки (как вариант, внутренней конической направляющей шайбы 21). В случае использования в качестве горючего газа - водорода наряду с рециркуляцией в зоне 22 будет происходить процесс рекомбинации (соединение атомов водорода и кислорода) с образованием водяного пара, что с соответствующей доработкой конструкции рабочей газовой крыльчатки турбины есть перспектива ее преобразования в безопасную экологически чистую паровую турбину с высоким КПД.The vortex burner contains a conical, optionally a hollow streamlined conical part made together with the nozzle 4 in a single technological cycle — the guide nozzle 4 ¹ , the diameter of the wide part of which is equal to the inner diameter of the nozzle 4, and the nozzle 4 contains only the outer guide vanes 9 ¹ , creating swirling and swirling air currents resembling a tornado. The holes 7 in the nozzle 4 for the outflow of gas can be located on its entire surface, and the taper of the conical guide nozzle 4 ¹ should provide a change in the direction of gas flow by 45-60 ° to the axis of the burner in the direction of the conical exit of the internal groove of the burner body (as an option, the internal guide washer 21). In the case of using hydrogen as a combustible gas, in addition to recycling in zone 22, a recombination process will take place (the combination of hydrogen and oxygen atoms) with the formation of water vapor, which, with the corresponding development of the design of the working gas impeller of the turbine, has the prospect of its transformation into a safe environmentally friendly steam turbine with high efficiency.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет достичь повышения эффективности работы газовой горелки, стабильного и полного процесса горения с фиксацией факела пламени в осевом направлении, упрощение конструкции, повышение технологичности изготовления и ремонтопригодности, надежности и долговечности, снижение шума, вибраций и эмиссии NOx.Thus, the claimed technical solution allows to increase the efficiency of the gas burner, a stable and complete combustion process with fixing the flame in the axial direction, simplifying the design, improving the manufacturability and maintainability, reliability and durability, reducing noise, vibration and NOx emission.

Claims

1. A vortex burner comprising a hollow cylindrical body mounted on a base, inside of which an axial gas manifold with a nozzle is mounted, the burner body comprising at least one inlet fuel channel directed along the axis and one inlet air channel directed along radius inside the casing, with the supply of combustible gas and air into the mixing zone, provided inside with several guided swirling and mixing surfaces spaced around the circumference, characterized in that the nozzle is made nene with peripherally and radially spaced openings and a vortex generator made in the form of a thin-walled cylinder with tangentially curved inward and outward guiding blade elements rotated at an angle of 30 to 60 °, an internal groove is made in the burner body, not exceeding the length of the gas manifold, two or more through slots are uniformly made along the entire length of the groove; in the upper part of the body there is a conical descent at an angle of 45-60 ° to the axis of the burner in the direction of air movement.

2. Vortex burner according to claim 1, characterized in that the nozzle contains a conical streamlined nozzle, and the burner body in the mixing zone has an additional profile guide conical washer.