ПРОТИВОТОЧНЫЙ ГОРЕЛОЧНЫЙ МОДУЛЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ
COUNTERCURRENT BURNER PRE-MIXING MODULE

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для формирования и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей.
Известна горелка предварительного смешения RU 22523, 20.11.2001, МПК F23D 14/00, опубл. 10.04.2002 г. предназначенная для камер сгорания газотурбинных двигателей и котлов, использующих газообразное топливо. Горелка с предварительным смешением, содержащая корпус для подвода первичного воздуха, корпус горелки с выходными соплами, выполненными с возможностью подачи газа в поток первичного воздуха, корпус для подвода вторичного воздуха, соосно охватывающий корпус для подвода первичного воздуха, первый завихритель, установленный в межкорпусном пространстве в районе выхода вторичного воздуха в зону горения, при этом корпус горелки смонтирован внутри корпуса для подвода первичного воздуха, соосно с ним, а в образованной кольцевой щели установлен второй завихритель, образующий кольцевой канал с корпусом горелки и имеющий закрутку лопаток противоположную закрутке лопаток первого завихрителя; корпус горелки простерт за границу корпусов подвода воздуха, а на его конце смонтирован стабилизатор горения в виде конуса с центральным отверстием для подачи газа в зону горения.
Недостатком данной конструкции является высокая вероятность проскока пламени в зону предварительного смешения воздуха с топливом.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является горелка предварительного смешения RU 2551462, МПК F23D 14/02, F23Q 9/00, опубл. 27.05.2015, предназначенная для камер сгорания энергетических газовых турбин. Горелка предварительного смешения с каналом подвода воздуха, по меньшей мере, одним каналом подачи пилотного газа, который содержит, по меньшей мере, одну направленную к каналу подвода воздуха стенку канала и один входящий в канал подвода воздуха выходной конец пилотного газа, с расположенным в канале подвода воздуха против направления потока к выходному концу пилотного газа запальным элементом, стенка канала подачи пилотного газа против направления потока к запальному элементу содержит, по меньшей мере, одно отверстие для выхода газа и причем канал подачи пилотного газа по направлению потока, по меньшей мере, одного отверстия для выхода газа содержит сопротивление потоку и причем сопротивление потоку выполнено путем сужения канала подачи пилотного газа, причем сужение выполнено посредством расположенного на стенке канала направленного вовнутрь выступа, или сужение осуществляется посредством установленной в канал уменьшающей поперечное сечение канала втулки, или сужение выполняется посредством установленного в канал уменьшающего поперечное сечение канала элемента, и, по меньшей мере, один канал подачи пилотного газа выполнен в виде, по меньшей мере, одной трубки пилотного газа, которая проложена в полости горелки и которая выходит из полости в расположенном против направления потока к запальному элементу месте и входит в канал подвода воздуха, причем стенка трубки образует стенку канала, и, по меньшей мере, одно отверстие для выхода газа расположено на входящем в канал подвода воздуха участке трубки пилотного газа.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности управления пространственным положением дефлаграционной волны реакции и реализации механизмов диффузионно-кинетического сгорания топлива; низкая степень гомогенизации компонентов топливовоздушной смеси; высокая вероятность проскока пламени и отсутствие возможности динамического управления процессом горения.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности управления пространственным положением дефлаграционной волны реакции; реализация механизмов диффузионно-кинетического сгорания топлива; повышение степени гомогенизации компонентов топливовоздушной смеси; снижение вероятности проскока пламени; обеспечение возможности динамического управления процессом горения.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что противоточный горелочный модуль предварительного смешения, содержащий канал подвода воздуха, канал подачи пилотного газа, отверстия для выхода газа, дополнительно содержит первичную реверсивную ограниченную камеру смешения, спрофилированную в форме диффузорно-конфузорного канала; вторичную прямоточную полуограниченную камеру смешения с распределенной по ее длине системой подачи топлива.
В целях обеспечения возможности управления пространственным положением дефлаграционной волны реакции противоточный горелочный модуль предварительного смешения имеет первичную ограниченную камеру смешения; реализация механизмов диффузионно-кинетического сгорания топлива достигается тем, что первичная ограниченная камера смешения спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала; для повышения степени гомогенизации компонентов топливовоздушной смеси первичная ограниченная камера смешения выполнена реверсивной; снижение вероятности проскока пламени и обеспечение возможности динамического управления процессом горения достигается тем, что противоточный горелочный модуль предварительного смешения имеет вторичную прямоточную полуограниченную камеру смешения с распределенной по ее длине системой подачи топлива.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез противоточного горелочного модуля предварительного смешения, а на фиг. 2 показано вынесенное сечение.
Противоточный горелочный модуль предварительного смешения содержит канал подвода воздуха 19, канал подачи пилотного газа 3, отверстия для выхода газа 16. Топливная форсунка 1 и тангенциальная форсунка 2 крепятся к первичной ограниченной камере смешения 17, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного каналаобразованного диффузорным 11 и конфузорным 4 участками. Канал 6 тангенциальной форсунки 2 ограничен внешним корпусом 5 первичной ограниченной камеры смешения 17. К ней крепится тангенциальное закручивающее устройство 8 имеющее межлопаточные каналы 7 и сопла тангенциальной форсунки 9. Вторичная прямоточная полуограниченная камера смешения 10 содержит аксиальное закручивающее устройство 12, а также внешний 13 и внутренний 14 кожухи, образующие конический кольцевой канал 15. Вторичная прямоточная полуограниченная камера смешения 10 имеет распределенную систему подачи топлива 18, выполненную во внутреннем кожухе 14.
Противоточный горелочный модуль предварительного смешения работает следующим образом. Сжатый воздух от компрессора поступает на вход тангенциального 8 и аксиального 12 закручивающих устройств. При прохождении потока воздуха через межлопаточные каналы 7 в него подается газообразное топливо тангенциальной форсунки 2 через сопла 9, поступающее к ним из канала 6.Образующаяся топливовоздушная смесь нестехиометрического состава (богатая или бедная по коэффициенту избытка воздуха в зависимости от выбранного режима работы) поступает в диффузорный участок 11 диффузорно-конфузорного канала и в виде интенсивно закрученного потока движется в направлении первичной ограниченной камеры смешения 17. Проходя диффузорный участок 11, закрученный поток топливовоздушной смеси расширяется, с образованием развитой зоны обратных токов. Это позволяет стабилизировать пламя при обогащенном топливом составе топливовоздушной смеси по коэффициенту избытка воздуха за счет формирования квазистацианарного тороидального торцевого вихря и подачи части топлива через топливную форсунку 1. В случае формирования топливовоздушной смеси обедненного топливом состава в первичной ограниченной камере смешения 17 ее спрофилированная диффузорно-конфузорная форма обеспечивает газодинамику течения закрученного потока смеси исключающую опасную для конструкции возможность горения в этой области и его организацию на выходе из вторичной прямоточной полу ограниченной камеры смешения 10. Это обеспечивает возможность управления пространственным положением дефлаграционной волны реакции и реализацию механизмов диффузионно-кинетического сгорания топлива. Повышение степени гомогенизации компонентов топливовоздушной смеси дополнительно достигается за счет того, что первичная ограниченная камера смешения 17 выполнена реверсивной. Это приводит к тому, что закрученный поток топливовоздушной смеси дважды перемещается в осевом направлении, вначале от тангенциального закручивающего устройства 8 к топливной форсунке 1, а затем от нее в направлении вторичной прямоточной полуограниченной камеры смешения 10. В ней смесь формируется в результате выдува топливных струй из канала подачи пилотного газа 3 через отверстия 16 в поток воздуха, проходящий через аксиальное закручивающее устройство 12. При этом снижение вероятности проскока пламени достигается тем, что вторичная прямоточная полуограниченная камера смешения 10 содержит распределенную по ее длине систему подачи топлива.
x
Система работает следующим образом. Через первые два ряда отверстий 16 для выхода газа подается только часть необходимого расхода топлива, и образующаяся топливовоздушная смесь имеет состав по коэффициенту избытка воздуха находящийся вне границ концентрационных пределов воспламенения. Остальная часть топлива подается через третий ряд отверстий 16 в конце вторичной прямоточной полуограниченной камеры смешения 10, обеспечивая переход через бедный концентрационный предел срыва пламени в область устойчивого горения и возможность динамического управления процессом горения. Пространственное разделение зон смешения с предварительной гомогенизацией потоков топливовоздушной смеси нестехиометрического состава подаваемых в каждую из них позволяет регулировать значением максимальной температуры процесса и реализовать малоэмиссионное горение с низким выбросом оксидов азота. Это достигается за счет возможности управлением образования NO по термическому механизму, а также возможности динамического управления процессом горения за счет перераспределения топливных потоков при сохранении критических значений коэффициентов избытка воздуха для каждой из зон вблизи стехиометрии.