способ создания поперечной струи воздуха с топливом в камере сгорания газотурбинной установки с циркуляционным течением в головной части

Формула изобретения

СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ СТРУИ ВОЗДУХА С ТОПЛИВОМ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ТЕЧЕНИЕМ В ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ, заключающийся в подаче струи воздуха из внешней полости камеры сгорания через отверстия в жаровой трубе в ее внутреннюю полость, подачи топлива или топливовоздушной смеси в центральную часть струи воздуха с помощью топливоподающего устройства и их смешивание друг с другом, отличающийся тем, что обеспечивают отношение максимальной концентрации топлива к среднерасходной, равное 1,6 - 10,0, в сечении поперечной струи, отстоящем от стенки жаровой трубы на расстоянии, равном половине гидравлического диаметра отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам подготовки и подачи топливовоздушной смеси для сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) различного назначения, нацелено на совершенствование рабочего процесса в камере сгорания (КС), в том числе на снижение эмиссии вредных веществ.

Одним из перспективных направлений совершенствования ГТУ является создание камер сгорания с интенсивной циркуляцией газов в ее первичной зоне с применением вдува через отверстия в жаровой трубе струй смеси воздуха и топлива.

Циркуляционное течение вовлекает топливо, воздух и горячие газы в область пламени, благодаря чему образуется зона, (первичная зона горения КС), в которой возможно устойчивое горение бедных смесей. Известны несколько схем организации рабочего процесса в камерах сгорания с первичной циркуляционной зоной с циркуляцией, обусловленной вдувом через отверстия в жаровой трубе воздуха или смеси воздуха и топлива в КС с фронтовым устройством и без него или же с закруткой потока на входе в первичную зону, а также другие схемы.

На эффективность сжигания в таких камерах влияет множество факторов: расход газа во вдуваемых струях, размеры отверстия, угол вдува и состав вдуваемой смеси, отношение скоростей струи и потока в камере сгорания и другие параметры.

В общих чертах рассматриваемый рабочий процесс в камере сгорания можно представить следующим образом. Вдуваемая струя смеси топлива и воздуха проникает в центральную область жаровой трубы, где часть расхода струи вовлекается в циркуляционную область первичной зоны КС, а другая попадает в зоны догорания и разбавления. Кроме того, струя по мере движения к центру камеры размывается потоком газа в жаровой трубе и, в частности, пристеночным слоем охлаждающего воздуха. В результате часть вещества струи смешивается с охлаждающим воздухом и уносится в пристеночную область камеры. Если в начальных сечениях поперечной струи на ее периферии имеется топливо, то рассмотренный выше процесс приводит к повышению выбросов продуктов неполного сгорания, т. е. к повышению выбросов окиси углерода и тяжелых углеводородов.

Значительная концентрация топлива на периферии начального участка может привести и к возникновению зон горения поперечной струи. Последнее вызывает повышение выбросов окислов азота и повышение температуры стенок жаровой трубы, т.е. является нежелательным.

Изложенное позволяет заключить, что для организации процесса горения с малыми (уменьшенными) выбросами вредных веществ необходимо, чтобы во внешней области начального участка поперечной струи не было топлива. Важно, что сформулированное условие является необходимым, но недостаточным для достижения режима горения с низкими выбросами окислов азота. Оказывается, что важным является и распределение топлива в центральной области начального участка поперечной струи.

На фиг. 1 приведены результаты измерения выбросов NOх при испытании камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя на природном газе. В экспериментах топливо подавалось через фронтовое устройство и в поперечные струи, вдуваемые через отверстия в жаровой трубе. При этом изменялось соотношение расходов топлива, подаваемого через фронтовое устройство и в струи, при выбранном коэффициенте избытка воздуха по камере 3,7. На фиг.1 обозначено: ЕINOх индекс эмиссии окислов азота (количество грамм NOх, образующихся при сгорании одного килограмма топлива); Gmi G1/(G1+G2) относительный расход топлива, подаваемого в головную часть камеры (G1 расход топлива в головную часть камеры, G2 расход топлива, подаваемого в поперечную струю). Результаты представлены для двух распределений топлива в сечениях начального участка поперечной струи воздуха: при центральной подаче одной струи природного газа по направлению воздушной струи (обозначено кружками) и путем вдува топлива через 4 канала в подводящей трубке поперек течения воздушной струи (обозначено треугольниками). Как видно, эмиссия Noх cущественно зависит от начального распределения концентрации топлива в сечении струи.

За прототип изобретения выбрана камера сгорания для газотурбинного двигателя (патент GB N 1475707, кл. F 23 R 1/10, 1977), в которой топливо поступает к отверстию в жаровой трубе ГТУ по трубкам, выходные концы которых вставлены в отверстия с той стороны, которая расположена ближе к фронтовой части камеры сгорания. Топливо подается внутрь жаровой трубы по направлению воздушного потока, втекающего в отверстия жаровой трубы или перпендикулярно ему.

Однако эта камера не обеспечивает уменьшение уноса топлива в пристеночной области камеры и не позволяет формировать распределение концентрации топлива в центральной области сечений на начальном участке вдуваемой поперечной струи.

Техническим результатом изобретения является снижение эмиссии вредных веществ и исключение возникновения зон горения у корня поперечной струи.

Технический результат достигается тем, что в центральной области поперечной струи формируют определенное распределение концентрации топлива и создают обедненный наружный защитный слой, для чего по контуру отверстия в жаровой трубе в кольцевой канал, образованный этим отверстием и топливоподающим устройством, подают воздух из внешней полости камеры сгорания и одновременно струями топливо в центральную область воздушного потока, где перемешивают его с воздухом, обеспечивая в сечениях потока, отстоящих от стенки жаровой трубы на расстоянии, равном половине гидравлического диаметра отверстия, отношение максимальной концентрации топлива к расходной, изменяющееся в диапазоне значений от 1,6 до 10.

Расходная концентрация топлива отношение расхода топлива через отверстие в жаровой трубе к сумме расходов топлива и воздуха через это отверстие. Максимальная концентрация соответствует максимальному ее значению на поверхности распределения концентрации топлива в сечении поперечной струи.

В этом случае исключаетcя как точечное распределение концентрации топлива в сечении поперечной струи, получаемое при одноструйной подаче топлива по направлению потока, так и равномерное (по всему сечению струи) распределение топлива. В струе образуется обедненный наружный защитный слой, уменьшающий унос топлива и предотвращающий возникновение зон горения в области подачи топлива. При этом уменьшается эмиссия вредных веществ за счет перемешивания топлива и воздуха в центральной области струи.

Способ может быть использован в различных схемах камер сгорания с поперечной струей: с фронтовым устройством и без него, с регистровой закруткой потока на входе в ее первичную зону и в других схемах при сжигании жидких и газообразных топлив. Например, многоструйная подача топлива позволяет регулировать распределение его концентрации в сечении струи за счет количества струй, размера отверстий каналов подачи и угла наклона. Возможна подача компонентов смеси по отдельным патрубкам, соединенным с источником топлива, которые перекрываются на некоторых режимах, а также топливовоздушной смеси путем установки промежуточных смесительных устройств для предварительного смешивания топлива и воздуха.

На фиг.2 показан продольный разрез трубчатой камеры сгорания, включающий корпус 1, жаровую трубу 2 с отверстием 6 для вдува поперечной струи воздуха. В центральной части отверстия располагается концевая часть топливоподающего устройства 7. В фронтовой части 3 жаровой трубы установлен завихритель 4 с форсункой 5, служащей для подачи части от общего расхода топлива.

Схема течения потоков в первичной зоне жаровой трубы при вдуве поперечной струи показана на фиг.3. Часть топлива подается (стрелка 8) в форсунку 5. На выходе из нее струйки 9 топлива смешиваются с потоком 10 воздуха из завихрителя 4 и сгорают в диффузионном пламени, расположенном между потоками 11 воздуха охлаждения стенки жаровой трубы и циркулирующим потоком 15. Другая часть топлива подается (стрелка 13) в устройство 7, где разделяется на струйки 14, истекающие в поток воздуха из внешней полости камеры сгорания, показанный на схеме стрелками 12.

Воздушный поток обтекает и увлекает струйки с топливом. При этом параметры потоков выбираются таким образом, что создается в поперечной струе наружный защитный слой (между потоками 14 и 15), уменьшающий унос топлива из струи холодными потоками 11 воздуха. Часть потока поперечной струи в центральной области жаровой трубы отклоняется в сторону зоны догорания и разбавления (стрелка 16).

Камеры сгорания кольцевого типа и камеры сгорания без фронтовой подачи топлива могут быть представлены аналогичными схемами.

На фиг. 4 приведена конструктивная схема топливоподающего устройства. В нем содержится трубка 17 с наконечником 18. В трубке имеются каналы (отверстия) 19 для подачи топлива или смеси его с воздухом. Каналы располагаются под углом к потоку воздуха. Трубка или отдельные каналы патрубками 20 соединяются с источником топлива или топливовоздушной смеси.

Концевая часть устройства размещается в центральной области отверстия в жаровой трубе. При этом выходные отверстия каналов подачи топлива располагаются внутри жаровой трубы на расстоянии от ее стенки не более половины гидравлического диаметра отверстия в жаровой трубе.

На фиг. 5 показан вариант конструктивной схемы топливоподающего устройства, приведенного на фиг.4; на фиг.6 вид А на фиг.5. Здесь отверстия 19 для подачи газообразного топлива выполнены в насадках 21 с целью расширения центральной области в поперечной струе, в которую подается топливо.

На фиг.7 приведена конструкция устройства для жидкого топлива; на фиг.8 вид Б на фиг.7; на фиг.9 сечение В-В на фиг.7.

Топливо подается по трубе 22 в кольцевую полость 23 смесителя. Тангенциальный подвод обеспечивает равномерное распределение топлива в полости 23. На выходе из кольцевой полости образуется тонкая пленка топлива, первоначальное дробление которой (потоком воздуха, поступающим из внешней полости КС и обозначенным стрелками 26) происходит за кольцевым уступом 24. Далее газокапельная топливовоздушная смесь поступает к отверстиям 25, где происходит вторичное дробление капель и вдув смеси в поперечную струю.

На фиг.10 и 11 показаны варианты конструкции топливоподающего устройства для энергетических газотурбинных установок, работающих как на жидком, так и газообразном топливах.

Жидкое топливо подается по патрубку 22, а газообразное по патрубку 20. Жидкое топливо в обеих конструкциях распыливается и перемешивается с потоком воздуха, поступающим из внешней полости КС и в составе топливовоздушной смеси подается в поперечную струю через отверстия 27. В конструкции на фиг.10 газовое топливо подводится к отверстиям 27 по трубе 29 и вытекает в смеситель по каналам 28, расположенным против отверстий 27. В конструкции на фиг.11 трубка 29 выходит за пределы смесителя и газовое топливо подается через отверстия 28 непосредственно в поперечную струю.

Вариант конструкции топливоподающего устройства со смесителем для газообразного топлива представлен на фиг.12. Здесь газ вдувается в канал, образованный цилиндрической поверхностью трубки 17 и тонкостенной конической обечайкой 30, предварительно перемешивается с потоком воздуха (стрелки 31) и затем в составе смеси подается в отверстие 6. Для образования защитного слоя у корня струи в кольцевой канал между обечайкой 30 и краями отверстия 6 подается поток воздуха, обозначенный на фиг.12 стрелками 12.

На фиг.13 и 16 показаны варианты конструкции компактных топливоподающих устройств, применение которых целесообразно в камерах сгорания с малым размером канала Н между корпусом 1 и стенкой жаровой трубы 2. На фиг.14 и 15 показаны виды Г и Д на фиг.13 соответственно; на фиг.17 вид Е на фиг.16. В указанных конструкциях газовое топливо подводится к отверстию 6 жаровой трубы по патрубку 20, который оканчивается коллектором 32, установленным на стойках 34 (фиг. 13-15) или в углублениях 35 (фиг. 16 и 17), выполненных в стенке жаровой трубы. Газовое топливо подается в поперечную струю через отверстия 33. На фиг. 13-15 показан вариант поперечного расположения коллектора, применение которого целесообразно для отверстий 6 овальной формы. На фиг. 16-17 показан вариант продольного расположения коллектора, более компактного чем вариант на фиг.13-15.

Для камер сгорания большого диаметра (соответственно возрастает и размер отверстий 6) в отверстиях жаровой трубы возможна установка нескольких трубок для подачи топлива. Трубки 17 устанавливаются в общем корпусе 36, подвод топлива в поперечную струю осуществляется из отверстий 19, выполненных на концах трубок 17. На фиг.18-20 показаны варианты размещены топливоподающих трубок в круглых отверстиях жаровой трубы (вариант 1 на фиг.19) и в отверстиях овальной формы (вариант 2 на фиг.20).

Изобретение обладает новизной и дает положительный эффект, подтвержденный в экспериментальных исследованиях. Основной технический результат при его осуществлении состоит в значительном снижении эмиссии вредных веществ при сжигании жидких и газообразных топлив в КС газотурбинных установок.