RU9934U1 - Горелочное устройство - Google Patents

Abstract

Горелочное устройство, содержащее внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралями подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель и топливные пилоны, отличающееся тем, что установлены наружная обечайка, расположенная поверх внешнего цилиндрического кожуха и образующая вместе с ним кольцевую щель для прохода воздуха, дефлектор, установленный между цилиндрической втулкой и внешним цилиндрическим кожухом на входе в кольцевой канал для прохода воздуха, входная кромка которого выполнена в виде лемнискаты, топливные пилоны, расположенные за аксиальным лопаточным завихрителем, имеющие отверстия различного диаметра, оси которых параллельны оси горелочного устройства, причем отверстия расположены выше привтулочной зоны на поверхности пилонов со стороны выходного сечения горелочного устройства, также на цилиндрической втулке имеются системы отверстий, для подачи основного и дежурного топлива, вблизи выходной кромки горелочного устройства.

Description

Полезная модель откосится к области двигателестроения и может быть использована в камерах сгорания газотурбинных установок и двигателей.

Известно горелочное устройство с предварительной подготовкой смеси содержащее диффузионную дежурную горелку с топливораспределительной трубкой и воздухоподающей трубкой, камеру предварительного смешения, окружающую дежурную горелку, систему радиальных топливных коллекторов с многочисленными отверстиями, через которые топливо поступает в камеру смешения и завихритель, расположенный вверх по потоку от топливных коллекторов Патент ЕПБ(ЕР) №0421817, кл. F23D 14/00, 1985. В этом горелочном устройстве действительно обеспечивается высокое качество подготовки смеси, но лишь в том случае, если процесс горения осуществляется вниз по потоку от среза дежурной горелки. Однако диффузорная форма канала камеры смешения благоприятствует возникновению отрывных течений, что создает опасность проскока пламени в камеру смешения, так же возможно возникновение аккустических колебаний. При этом, даже если не произойдет повреждения элементов горелочного устройства (при оптимальной схеме организации теплозащиты это возможно), то из-за не смешанности топлива с воздухом выбросы NOx будут чрезмерно высоки. Кроме того, к недостаткам этого решения следует отнести наличие дежурной горелки, что создает дополнительные сложности как в конструктивном плане, так и в обеспечении оптимального состава рабочей смеси в зоне горения.

Известно так же горелочное устройство, разработанное специалистами фирмы ABB Патент ЕПВ (ЕР) № 0433790, кл. F23D 17/00, 11/00, F23C 7/00, 1985. Горелочное устройство состоит, по крайней мере, из двух расположенных друг с другом усеченных полуконусов, расширяющихся в направлении потока, продольные оси которых, смещены с образованием тангенциальных каналов для прохода воздуха. Выше каждой входной щели вне образованной отдельными коническими телами горелки располагается канал, в котором помещен инжектор для топлива. Топливо истекает из инжектора и смешивается с воздушным потоком, текущим через каналы.

Фирмой ABB запатентовано еще несколько горелочных устройств, работающих по аналогичному принципу, отличающихся исполнением системы подачи топлива (см. например патенты: Российской Федерации № 2011117, кл. F23D 11/00, 1989, ЕПВ(ЕР) № 0321809, кл. F23D 17/00, 11/40, F23R 3/02, 1988).

МПК F23D14/02 Конструкция горелочного устройства ABB проста и высокотехнологична, в то же

время этой конструкции присущи серьезные недостатки. Качество предварительной подготовки смеси существенно отличается для различных газовых струй в зависимости от расположения труб относительно выходного сечения горелочного устройства. Струи газа, подаваемые вблизи малого диаметра конуса (выще по направлению воздушного потока), к выходному сечению горелочного устройства качественно перемешиваются с воздухом. И напротив, качество смешения газа, подаваемого непосредственно перед выходным сечением, является неудовлетворительным из-за малой длины участка смещения. Поле концентраций существенно неравномерное, в отдельных точках локальная концентрация топлива на 40% превышает среднемассовую ТН. Sattelmayer, М. Р. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure, 1989. Это не может не привести к повышенной эмиссии NOx.

Кроме того, данное горелочное устройство обладает неудовлетворительной устойчивостью к срыву пламени при обеднении смеси. В частности, при сжигании пропановоздушной смеси при температуре воздуха tg 400 С срыв пламени наступает уже при а 2,2 в то время, как известно, что для данных условий можно добиться устойчивого горения однородной смеси вплоть до а 2,5. Очевидно, ранний срыв пламени наступает из-за того, что в приосевой зоне закрученной струи в целом и в зоне обратных токов ,в частности, концентрация топлива меньше среднемассовой.

Отмеченные недостатки обуславливают необходимость усложнения конструкции камер сгорания с горелочными устройствами ABB и требуют применения сложных систем регулирования. Для удовлетворения требований по выбросам NOx, СО и досгижения устойчивости горения камеры сгорания ABB состоит из нескольких десятков горелочных устройств, объединенных в отдельные группы, при этом с увеличением нагрузки последовательно включаются отдельные группы горелочных устройств.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство Патент Российской Федерации № 2036383, кл. F23D 14/02, 1995, содержащее топливоподводящую трубу, топливный коллектор и смеситель, выполненный в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым щагом, образующих межлопаточные каналы подвода воздуха и топливовоздущной смеси, причем ширина последних больще щирины каналов подвода воздуха, а топливный коллектор выполнен из трубок, установленных перед завихрителем по оси каналов топливовоздушной смеси.

2

Недостатком конструкции является низкая степень однородности состава топливовоздушной смеси, поскольку чередование каналов смеси и чистого воздуха создает на выходе из горелочного устройства поле концентраций топлива с выраженной окружной неравномерностью, при которой сектора с переобогащенной смесью чередуются с секторами, содержащими чистый воздз с. В этом случае концентрация NOx в выхлопных газах будет значительно больше, чем при горении однородной смеси.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралями подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель и топливные пилоны, в отличии от прототипа, установлены наружная обечайка, расположенная поверх внешнего цилиндрического кожуха и образующая, вместе с ним, кольцевую щель для прохода воздуха, дефлектор, установленный между цилиндрической втулкой и внешним цилиндрическим кожухом на входе в кольцевой канал для прохода воздуха, входная кромка которого выполнена в виде лемнискаты, топливные пилоны, расположенные за аксиальным лопаточным завихрителем, имеющие отверстия различного диаметра, оси которых параллельны оси горелочного устройства, причем отверстия расположены выше привтулочной зоны на поверхности пилонов со стороны выходного сечения горелочного устройства, расстояние между сечением подачи топлива и концевым сечением цилиндрической втулки подбирается исходя из условия получения максимальной однородности поля концентраций, также на цилиндрической втулке имеются системы отверстий, для подачи основного и дежурного топлива, вблизи выходной кромки горелочного устройства.

Существо конструкции поясняется чертежом. На фиг. 1 изображена схема заявляемого горелочного устройства.

Заявляемое горелочное устройство содержит внешний цилиндрический кожух 1 (Фиг. 1) имеющий входное устройство 2, цилиндрическую втулку 3, расположенную внутри внешнего цилиндрического кожуха и образующих кольцевой канал 4, магистрали подвода основного и дежурного топлива 5, 6, расположенную внутри цилиндрической втулки. наружную обечайку 7 расположенную поверх внешнего цилиндрического кожуха и

образующую вместе с ним кольцевую щель 8, дефлектор 9, входная кромка которого имеет форму лемнискаты и расположенный между цилиндрической втулкой и внешним цилиндрическим кожухом на входе в кольцевой канал, далее по потоку имеется аксиальный лопаточный завихритель 10, лопатки которого установлены между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой с постоянным угловым шагом, далее по потоку имеется система топливных пилонов 11, установленных на цилиндрической втулке перпендикулярно к оси горелочного устройства с постоянным угловым шагом и имеющих отверстия 12, оси которых параллельны оси горелочного устройства, диаметр отверстий 12 уменьшается по высоте топливного пилона по направлению от внешнего цилиндрического кожуха к цилиндрической втулке, причем отверстия расположены вне привтулочной зоны, далее по потоку имеется система отверстий 13, для подачи дежурного топлива, расположенных на цилиндрической втулке равномерно по окружности вблизи ее концевой кромки, так же имеется система отверстий 14, для подачи части основного топлива, расположенных на цилиндрической втулке равномерно по окружности вблизи ее концевой кромки.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух (Овгор) см. фиг. 1 поступает через входное устройство 2 и дефлектор 9, что обеспечивает необходимую форму поля скоростей независимо от направления потока перед входом в горелочное устройство, в кольцевой канал 4 горелочного устройства, закручивается, проходя через аксиальный лопаточный завихритель 10, и поступает в зону смешения. Основное (Ото) топливо, проходя по магистрали подвода основного топлива 5 и охлаждая цилиндрическую втулку 3, частично через систему отверстий 14 подается в привтулочное пространство вблизи концевого сечения горелочного устройства, большая же часть основного топлива поступает в топливные пилоны 11, и через систему отверстий 12 подается в зону смешения. Диаметры отверстий 12 на топливных пилонах 11 подобраны так, что топливо равномерно заполняет кольцевой канал, кроме привтулочной зоны, благодаря этому достигается более высокий уровень смешения топлива с воздухом по сравнению с прототипом, и следовательно, уменьшение выбросов окислов азота, расстояние между сечением подачи топлива и концевым сечением цилиндрической втулки подбирается исходя из условия получения максимальной однородности поля концентраций. Подача части основного топлива через отверстия 14 исключает возможность проскока пламени в смеситель по поверхности цилиндрической втулки и расширяет диапазон устойчивой работы горелочного

4

устройства при минимальных нагрузках, так как происходит саморегуляция поля концентрации топлива на выходе из горелочного устройства, диаметр отверстий 14 выбирают таким образом, что бы на максимальном режиме работы агрегата поле концентраций топлива на срезе горелочного устройства было наиболее близко к равномерному. Дежурное топливо (Отд) проходит по магистрали подвода дежурного топлива 6, охлаждая цилиндрическую втулку 3, через отверстия 13, поступает в зону смешения, заполняя привтулочную зону. Дежурное топливо через отверстия 13 подают на проходных режимах работы горелочного устройства и составляет основную часть подающегося топлива на данных режимах работы, а остальную часть подают в магистраль подвода основного топлива, для ее охлаждения. Регулирование подачи основного и дежурного топлива производится регулирующим топливным клапаном. Охлаждающий воздух (GB) подают через кольцевую щель 9 и обеспечивая охлаждение конструкции создает на переферии горелочного устройства завесу с низкой концентрацией топлива, что предотвращает проскок пламени по внещнему цилиндрическому кожуху.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве, благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно, размещению наружной обечайки поверх внешнего цилиндрического кожуха, установки дефлектора, размещению на топливных пилонах, установленных за аксиальным лопаточным завихрителем, отверстий различного диаметра, оси которых параллельны оси горелочного устройства, причем отверстия расположены выше привтулочной зоны на поверхности пилонов со стороны выходного сечения горелочного устройства, размещению систем отверстий, для подачи основного и дежурного топлива, на цилиндрической втулке вблизи ее выходной кромки, достигается улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства.

Claims (1)

1. Горелочное устройство, содержащее внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралями подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель и топливные пилоны, отличающееся тем, что установлены наружная обечайка, расположенная поверх внешнего цилиндрического кожуха и образующая вместе с ним кольцевую щель для прохода воздуха, дефлектор, установленный между цилиндрической втулкой и внешним цилиндрическим кожухом на входе в кольцевой канал для прохода воздуха, входная кромка которого выполнена в виде лемнискаты, топливные пилоны, расположенные за аксиальным лопаточным завихрителем, имеющие отверстия различного диаметра, оси которых параллельны оси горелочного устройства, причем отверстия расположены выше привтулочной зоны на поверхности пилонов со стороны выходного сечения горелочного устройства, также на цилиндрической втулке имеются системы отверстий, для подачи основного и дежурного топлива, вблизи выходной кромки горелочного устройства.