Малоэмиссионная вихревая горелка
LOW-EMISSIVE VORTEX BURNER

x
Изобретение относится к высокоэффективным горелкам для газовых и паро-газовых турбин с низким уровнем эмиссии NO.
Из техники известен топливный инжектор, используемый в серийном ряду микротурбин, производимых американской компанией Capstone. Фирма Capstone достигла значительных успехов в обеспечении эффективного сгорания топлива с минимальным уровнем выбросов NOx за камерой сгорания. Достигнутые успехи основывались на использовании современных достижений в области теории горения. В частности фирма Capstone совершенствовала конструкцию топливных 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. Конструкция топливного инжектора Capstone представляет собой полый цилиндрический корпус, внутри которого в осевом направлении расположен топливный коллектор с установленной в торце многосопловой форсунки. 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 формируется за счет смешения перпендикулярно пересекающихся потоков горючего газа и воздуха, образуя зону смешения, где она воспламеняется с образованием факела в проточном направлении с догоранием в пламенной трубе горелки и камере сгорания турбины.
Недостатки:
1. Недостаточно равномерное смешивание горючего газа и воздуха с образованием зон с обогащенной и обедненной смесью, приводящей к флюктуациям скорости истечения продуктов горения и возникновением пульсаций давления, а, следовательно, к шуму, вибрациям и нестабильности работы турбины.
x
2. Невозможность стабилизации, интенсивности и фиксации формы и положения пламени по оси горелки за счет неравномерной и не контролируемой интенсивности подачи воздуха через радиальные сквозные отверстия в корпусе газовой горелки. Нестабильность меняющихся векторов градиентов давления в отверстиях корпуса горелки для подачи воздуха, создают условия для отрыва пламени, и частичного обратного горения за пределами корпуса пламенной трубы инжекционной горелки, тем самым, снижая эффективность работы турбины. Повышение температуры в зоне смешения приводит к последующему выходу из строя топливного инжектора за счет деструкции материала и прогара корпуса пламенной трубы. 3. Повышение температуры горения, формирование зон обогащенной горючей смеси создают области перегрева и тем самым к повышению эмиссии NO.
x
2
Особый интерес представляет конструкция газовой горелки, разработанной в лаборатории Беркли в рамках программы DOE USA, позволившие получить исключительные параметры сгорания горючей смеси, минимальные выбросы NO, менее 5,0 ppm при 15% О. 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, позволяющих закручивать воздушные потоки по цилиндрической спирали вдоль пламенной трубы и газовым коллектором, 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. В этом случае эффективная зона смешения, скорее всего, возникнет в зоне выравнивания давления, т.е. за пределами горловины горелки, что повлечет удлинение языка факела с формированием радиального фронта волны продуктов горения и воздушных масс.
Недостатки:
1. Материалоемкость, сложность и трудоемкость изготовления спиральных каналов внутри корпуса горелки.
2. Достаточно протяженная, вытянутая форма факела пламени за пределами раструба горелки за счет отсутствия зоны смешения газов. Вихревое смешение воздушного потока с горючим газом, истекающим из цилиндрических отверстий сопел газовой форсунки вдоль оси горелки происходит на всем протяжении факела, что не всегда оправдано, так как на входе в камеру сгорания горючая смесь должна завершить не только смешения, но и процесс горения. При этом потенциальная энергия высокоэнергетического потока продуктов горения должна преобразоваться в кинетическую энергию ускоряющегося и направленного (а не во все стороны) потока рабочего тела.
Из техники известна Вихревая горелка для газовой турбины, патент на изобретение RU №2635958, приоритет 09.06.2016 г. F23D 14/02 (прототип), согласно которой вихревая горелка содержит полый цилиндрический корпус, установленный на основании, внутри которого в осевом направлении находится цилиндрический газовый коллектор с сопловой форсункой на торце. Корпус горелки имеет, по меньшей мере, один входной топливный канал, направленный по оси, и один входной воздушный канал, направленный по радиусу внутрь корпуса инжекционной горелки. Подача воздуха и горючего газа с закруткой в зону смешения, обеспечивается специальной цилиндрической насадкой, неподвижно установленной на сопловую форсунку. Специальная цилиндрическая насадка имеет завихряющие направляющие лопатки для завихрения горючего газа и воздуха с целью встречной подачи взаимодействующих реагентов для смешивания. Форсунка выполнена с периферийно и радиально расположенными рядами параллельных цилиндрических отверстий сопел в направлении проточной части инжекционной горелки. В корпусе горелки, имеющей форму трубы, выполнена внутренняя проточка, не превышающая по длине длину газового коллектора, по всей длине проточки равномерно выполнено два или более сквозных отверстий для подачи воздуха в зону смешения, в верхней части корпуса выполнен конический сход под углом 45-60° к оси горелки в направлении движения воздуха. Форсунка дополнительно может содержать коническую обтекаемую насадку, а корпус горелки в зоне смешения имеет дополнительную профильную направляющую коническую шайбу.
Недостатки:
1. Сложность изготовления специальной цилиндрической насадки с двух сторонним вихреобразователем с работой ее в зоне высоких температур, необходимость изготовления дополнительных направляющих конических шайб и дополнительных операций внутренних проточек для входа воздуха;
2. Слишком короткая зона смешения, обеспечивающая единовременное горение всего объема образуемой горючей смеси с созданием высокой температуры в коротком факеле, что создает условия для деструкции направляющих лопаток вихреобразователя и возникновения окислов азота.
3. Теплоизлучение от факела внутри пламенной трубы инжекционной горелки в видимом и инфракрасном диапазоне создает перегрев материала пламенной трубы горелки и приводит к его постепенной деструкции и снижению ресурса.
x
Технической задачей изобретения является повышение эффективности и мощности газовой горелки, снижение эмиссии NO, упрощение конструкции и технологичности изготовления, повышение ресурса пламенной трубы инжекционной горелки.
Указанная задача достигается тем, что в заявке используются устройства, свойства и явления, обеспечивающие изобретению изобретательский уровень, а именно:
1. Форсунка это устройство, позволяющее расщеплять основной поток вещества на несколько направленных второстепенных потоков. Топливная форсунка предназначена для направленного распыления топлива, что способствует его лучшему сгоранию. Задача газовых форсунок - распылять и дозировать газ. Что бы представить работу газовой форсунки достаточно посмотреть на обычный душ с сильным напором, если вместо потока воды был бы газ. http://gboshnik.ru/gazovyie-forsunki-chto-eto-i-kak-rabotaet-otlichiya-gazovyih-forsunok-ot-benzinovyih/. Согласно такому объяснению напор второстепенных потоков происходит практически параллельно друг другу, в результате чего сечение потока остается постоянным на протяжении всего его течения (без учета взаимного столкновения частиц, сил гравитации, специальной формы излучателя душа и т.д.). Чтобы изменить направление второстепенных газовых потоков с созданием факела конусообразной формы авторами предложено преобразовать конструкцию газовой форсунки за счет замены цилиндрической формы сопел на отверстия в форме сопел Лаваля. Это позволит разрушить сплошную вязкую газовую струю, истекающую с высокой скоростью из сопел Лаваля, обеспечит распыление газообразного топлива путем его дробления и формирования разбавленного в концентрации факела из разобщенных молекул газа и их кластеров, что обеспечит предпосылки для создания гомогенной горючей смеси.
2. Распыленный газовый факел при истечении из сопел Лаваля имеет форму «полный конус». При этом разобщенные дисперсные частицы газа полностью заполняют полость конуса, и чем дальше от «устья» - вершины конуса, тем беднее удельная концентрация в единице объема.
Отверстия в форме конических сопел должны размещаться на форсуночной головке радиально и по рядно с шагом и наклоном от центра к периферии с заданным углом (определяется расчетным путем для каждой инжекционной горелки). Это обеспечивает перекрытие конусообразных распыляемых газовых факелов, как в радиальном, так и в осевом направлении проточной части горелки (применительно к проекции газовых факелов на внутреннюю поверхность пламенной трубы газовой инжекционной горелки). Угол наклона конических сопел в инжекционной головке будет определяться размерами пламенной трубы (внутренним диаметром и длинной зоны смешения и горения), скоростью движения воздушного потока, углом его закрутки и лежит в пределах 10-30° к оси горелки. Слишком большой угол наклона инжекционных отверстий к оси может привести к созданию зон обогащенной смеси. Малые углы смещают факел в оконечную часть пламенной трубы с выходом языка пламени в камеру сгорания. Конфигурация облака газа, заполненное ускоряющимися разобщенными горючими частицами от всех конических сопел в сечении будет иметь вытянутую форму в виде половины конуса с осью, совпадающей с внутренней поверхностью пламенной трубы горелки (без учета воздействия движения воздушного потока). В этом случае вдоль оси пламенной трубы газовой горелки образуется полость рециркуляции в форме перевернутого усеченного конуса, используемая для рециркуляции не прошедших химического взаимодействия частиц и молекул горючего газа и воздуха с воспламенением их смеси.
3. Для подачи и тангенциальной закрутки подготовленного воздуха в смесительную камеру, применен вихреобразователь в форме плоской крыльчатообразной насадки, неподвижно установленной на посадочное место форсуночной головки. Плоская, имеющая форму шайбы, крыльчатообразная насадка имеет наружный диаметральный размер, обеспечивающий радиальный кольцевой зазор между шайбой и внутренней поверхностью пламенной трубы горелки для пристеночного прохождения свежего воздуха и охлаждения внутренней раскаленной поверхности пламенной трубы горелки. Шайба имеет периферийную радиально направленную от центра нарезку с шагом, обеспечивающим простой и доступный способ изгиба (с разворотом вокруг своей оси) крыльев шайбы, для тангенциальной закрутки воздушного потока в направлении смесительной камеры. Использование оригинальных сопловых устройств форсуночной головки в виде конических сопел, обеспечивает непрерывную
подачу «тощего» в виде газового потока горючего газа на протяженном участке пламенной трубы для взаимодействия с вращающимся избыточным потоком воздуха. Впервые описанный инновационный метод смешения с получением подготовленной тощей горючей смеси обеспечивает низкотемпературное тощее горение с поочередным поступлением в тощее пламя все новых порций горючей смеси на протяженном участке пламенной трубы за счет удлиненной формы смесительной камеры. Результатом предложенного метода является полное объемное сгорание топлива с максимальным расширением продуктов горения, создаваемой плотности и давления газов с предельно низким образованием оксидов азота.
a
z
4. Как известно, основное теплоизлучение от светящегося факела горящей горючей смеси происходит в инфракрасном и видимом спектре в пределах 0,5-5 мкм. Так как факел вытянут в сторону проточной части в направлении камеры сгорания, то максимальное теплоизлучение направлено в радиальном направлении, раскаляя стенки пламенной трубы инжекционной горелки, негативно влияя на ресурс работы пламенной трубы. Поглощение тепла является основной причиной потери энергии рабочего тела, препятствуя адиабатному термодинамическому процессу, эффективному расширению продуктов сгорания газов, преобразованию потенциальной энергии (энтальпии) продуктов сгорания в кинетическую энергию ускорения частиц рабочего тела. Для снижения тепловых потерь авторами предложен метод повышения теплоотражения внутренней поверхности пламенной трубы, что достигается как за счет механической шлифовки, так и полировки (электрополирования). В результате электрополирования (анодного растворения металлов) появляется блеск и зеркальность поверхности, улучшается микрогеометрия поверхности трубы, с доведением до 11-12 класса чистоты поверхности, соответствующие параметрам шероховатости на уровне R 0,1 и R 0,4. Очевидно, что электрополирование внутри трубы является более технологичной операцией, чем механическая операция. Реализация изложенного способа снижения тепловых потерь позволит отразить поток фотонов обратно в факел и в направлении проточной открытой части горелки, тем самым, приблизив термодинамический процесс к адиабатному. Кроме того, зеркальная поверхность препятствует осаждению на ее поверхности сажи и других компонентов горения во внештатных, форсированных режимах горелки.
5. Как вариант, для снижения тепловых потерь и защиты материала пламенной трубы от температурной деградации авторами предложен также
способ покрытия внутренней поверхности пламенной трубы горелки стойким к термоакустическим вибрациям термобарьерным покрытием ТБП, нанесенным предпочтительно газо-фазным методом, например, диоксидом циркония стабилизированного иттрием. ТБП обеспечит также и адиабатные условия прохождения термодинамического цикла.
6. Завершение процесса горения с формированием направленного движения продуктов горения в пламенной трубе можно достичь укорочением факела пламени, однако, для обеспечения низкотемпературного горения в описываемом изобретении пришлось удлинить камеру смешения, что влечет и удлинение факела пламени. Для преодоления такого противоречия заявителями принято решение укоротить газовый коллектор и воздухозаборник (низкотемпературная часть корпуса горелки), расширив в нем размеры воздухозаборных окон. В результате длина пламенной трубы увеличилась в 1,5 раза, что позволило завершить в трубе не только процесс смешения, но и горения в пределах факела пламени с формированием высокоэнергетического потока рабочего тела. Также стало возможным изготовить в оконечной части пламенной трубы сопло Лаваля. Как ранее отмечалось, в пламенной трубе горелки выполнены условия для квази адиабатного термодинамического процесса, что позволяет рассчитывать на получение положительных эффектов в результате использования такого устройства в пламенной трубе инжекционной горелки. В качестве заготовки для изготовления в пламенной трубе сопла Лаваля используется толстостенная труба из жаропрочных сплавов. Методами специальной механической обработки (проточки, шлифовки, полировки) внутри трубы, в оконечной ее части, формируется расчетное сопло Лаваля. Применение сопла Лаваля позволит ускорить движение частиц рабочего тела и значительно снизить температуру газов. Конструктивные размеры сопла Лаваля определяются расчетным путем с обеспечением сверхзвуковых скоростей на срезе сопла. Однако, на выходе рабочего тела из сопла в камеру сгорания из-за столкновения с другими потоками, скорость течения продуктов горения резко падает, препятствуя разрушению элементов камеры сгорания. Для усиления проявления эффектов сопла Лаваля на внутреннюю поверхность пламенной трубы инжекционной горелки (жаровая часть корпуса газовой горелки) может наноситься термобарьерные покрытия, устойчивые к термоакустическим вибрациям.
x
7. Снаружи на расстоянии 2-3 мм от кожуха камеры сгорания в полости прохождения воздушного потока от рекуператора, в пламенной трубе с помощью резца с прямоугольным профилем режущей кромки протачивают кольцевую проточку на глубину 1,0-1,2 мм. В полученной проточке сверлят тангенциально направленные в сторону проточной части камеры сгорания отверстия диаметром 1,0-1,2 мм с заданным шагом 5-8 мм (при таком сверлении сверло входит в тело трубы по нормали). Диаметр сверла выбирается из условия, чтобы выходные отверстия затенялись стенками со стороны движения продуктов сгорания горючей смеси и работал эффект эжекции (см. Википедия). Количество и шаг эжекционных отверстий определяется мощностью инжекционной горелки. Эжекция свежего воздуха в ускоряющийся поток рабочего тела будет способствовать догоранию горючих частиц в процессе рециркуляции, охлаждая раструб трубы и температуру рабочего тела и обеспечивая минимальный выброс вредных оксидов NO. Если внутренние выходные отверстия не будет затеняться стенками эжекционных отверстий, то из-за высокой скорости движения рабочего тела и давления внутри раструба-диффузора сопла Лаваля, эффект эжекции не сработает и появится противоположный эффект продавливания рабочего тела через названные отверстия в обратном направлении.
8. Повышение интенсивности теплообмена пламенной трубы, особенно жаровой ее части (для ее охлаждения с целью снижения процесса деструкции металла трубы), предложено достичь увеличением эффективной тепло излучающей способности наружной поверхности. Для этого на наружной поверхности трубы от радиальной проточки до конца жаровой трубы (посадочной проточки сочленения частей корпуса горелки), производят продольную нарезку борозд резцом с углом режущей кромкой 90°, например, на глубину 100 мкм и с шагом 200 мкм. Для упрощения допускается поперечная радиальная нарезка в форме резьбы с некоторым снижением конвекционной эффективности охлаждения при продольном движении охлаждающего потока воздуха. Увеличение площади поверхности трубы в два раза не только повысит излучающую эффективность, но и тепловой отбор за счет конвекционного охлаждения обдуваемой воздухом поверхности. Кроме того известно, что излучающая способность поверхности зависит не только от материала, но и его цвета поверхности, поэтому наружная часть пламенной трубы оксидируется (чернится) известными способами или покрывается гальваническим термостойким черным хромом.
Поскольку черные поверхности обладают повышенной теплоизлучающей способностью, то охлаждение наружной поверхности пламенной трубы горелки будет сопровождаться и нагревом проходящего вдоль наружной поверхности пламенной трубы в камеру смешения потока воздуха, что положительно скажется на воспламенении и скорости горения горючей смеси, что можно оценивать как синергетический эффект. Сборка готовых деталей инжекционной горелки осуществляется методом сварки лазерным лучом или вольфрамовым электродом в атмосфере аргона с присадочной проволокой из жаропрочных сплавов или иным известным методом, обеспечивающих герметичность и жаропрочность соединения.
Отличительными и существенными признаками новизны являются:
1. Применение составного корпуса из укороченной холодной части с воздухозаборными окнами и удлиненной жаровой части корпуса позволит обеспечить подачу необходимого объема более подогретого воздуха в камеру смешения за счет протяженного конвективного взаимодействия с наружной раскаленной жаровой частью и внутренней поверхностью нагретого дымовыми газами экранирующего стакана, что позволит улучшить режимы воспламенения и полного горения горючей смеси. Улучшиться и охлаждение жаровой части пламенной трубы.
x
2. Удлинение пламенной части трубы корпуса горелки позволит увеличить зону смешения и зону рециркуляции для обеспечения тощего и полного объемного горения горючей смеси. Позволит сформировать в конце пламенной трубы (жаровой части корпуса) в проточном направлении сопло Лаваля, используемого для направленного ускорения продуктов горения в проточном направлении к рабочему колесу турбины при адекватном снижении температуры рабочего тела. Это позволит повысить эффективность горелки, мощность турбины, получить высокий уровень гомогенной горючей смеси для полного низкотемпературного тощего горения, снизить температуру продуктов горения и эмиссию NO, повысить ресурс горелки, камеры сгорания и рабочего колеса турбины;
3. Замена цилиндрических сопловых отверстий в газовой форсунке на отверстия в форме конических сопел, обеспечивают мелкодисперсное дробление и распыление сплошной вязкой газовой струи с формированием движущихся с ускорением разобщенных газовых частиц в форме конусообразного факела, создавая высокий уровень скоростного диффузного смешения;
4. Использование технологичной в изготовлении вихреобразователя в форме крыльчатообразной насадки для создания вращающегося воздушного потока с тангенциальной закруткой в холодной (беспламенной) зоне смесителя обеспечит долговечность вихреобразующей крыльчатки. Радиальный зазор между неподвижной направляющей крыльчаткой и внутренней поверхностью пламенной трубы обеспечивает прохождение части воздуха вдоль стенки пламенной трубы для охлаждения раскаленной поверхности жаровой части корпуса горелки;
5. Взаимная диффузия распыленного газового потока, вылетающего с ускорением из форсуночных отверстий в форме конических сопел, наклоненных под заданным углом и расположенных в закономерном порядке при взаимодействия с вращающимся воздушным потоком с тангенциальной закруткой обеспечивает низкотемпературное тощее горение. Высокое качество смешения воздуха и горючих газов с получением равномерной смеси химически активных компонентов способствует быстрому и короткому факельному горению за счет его основного сгорания смеси уже в зоне смешения пламенной трубы с формированием продуктов горения в самой трубе. Полному сгоранию горючей смеси будет способствовать и зона объемной рециркуляции, где будет происходить завершение химического взаимодействия свободных горючих компонентов с окислителем;
6. Смещение форсуночного узла и вихреобразователя в осевом направлении позволяет формировать достаточно протяженную и объемную зону для процессов горения с формированием рабочего тела высокой энергии, плотности и давления. Для снижения теплопотерь за счет лучеиспускания
светящегося факела внутренняя поверхность трубы полируется до зеркального состояния и (или) покрывается специальным жаростойким свето- и теплоотражающим слоем. Это дает возможность максимально отразить световые и тепловые лучи в обратном направлении, сохранив внутреннюю потенциальную энергию (энтальпию) рабочего тела на высоком уровне, обеспечивая газодинамический цикл при квази адиабатном термодинамическом процессе.
7. Возникшее избыточное давление продуктов горения побуждает к движению раскаленных газов в сторону разряженной проточной части турбины в направлении сужения сопла Лаваля, где рабочее тело будет значительно ускоряться вплоть до достижения узкого места (горла), где рабочее тело получит максимальное ускорение и достигнет звуковой скорости. В расширяющейся части сопла Лаваля раструба-диффузора скорость продуктов горения будет продолжать нарастать за счет преобразования потенциальной энергии рабочего тела высокой энтальпии в ускоряющее движение частиц, при этом давление и температура газов будет продолжать падать. На выходе из пламенной трубы, совмещенной с соплом Лаваля, скорость рабочего тела, ускоряясь в заданном направлении, приобретет максимальную скорость, достигнув сверхзвуковой скорости.
x
8. Понижение температуры рабочего тела снижает не только выбросы NO, но и улучшает температурные условия работы лопаток рабочего колеса турбины. Поэтому впервые дополнительно предусмотрены автоматически подключаемые эжекторы, размещенные радиально вокруг пламенной трубы инжекционной горелки, являющейся одновременно и раструбом-диффузором сопла Лаваля. При низкой скорости истечения отработанных газов (малой мощности) и низкой эмиссии оксидов азота эжекция не работает, ввиду полного сгорания небольшого количества топлива при избытке воздуха. С ростом скорости движения рабочего тела (адекватного увеличению расхода газа и повышению мощности горелки) в зонах, примыкающих к эжекционным отверстиям, создается пониженное давление,
x
приводящее к перераспределению воздушных потоков, что побуждает к эжекции части свежего воздуха, поступающего на горелку в общий скоростной поток рабочего тела. Замешиваясь в нем в процессе взаимной диффузии, завершается процесс рециркуляции и горения, снижается температура рабочего тела и выбросы NO.
9. Внешняя сторона пламенной трубы инжекционной горелки претерпела изменения - стала шероховатой в результате нарезки продольных или поперечных проточек в виде бороздок. Увеличение эффективной излучающей и обдуваемой (за счет конвекции) площади поверхности, оксидирования поверхности или покрытия гальваническим слоем (например, хромом, имеющий черную окраску), характеризующийся высокой термостойкостью, адгезией к материалу труб и высоким коэффициентом излучения, обеспечило эффективный теплосъем с трубы и сопутствующий нагрев поступающего воздуха из рекуператора.
10. Как перспективный вариант для подавления оксидов азота предусмотрено дополнительное специальное сопельное форсуночное устройство, вкручиваемое по оси в инжекционную газовую форсунку, имеющую специальный подвод подготовленной воды (например, подогретый конденсат) или насыщенного пара через газовый коллектор. Поскольку специальное сопельное устройство установлено в устье (корне) газового факела, то можно обеспечить, чтобы регулируемый конус факела мелкодисперсного распыла воды в форме облака пара полностью перекрывал факел пламени, эффективно снижая температуру и фактически подавляя оксиды азота. Кроме того, за счет образования и расширения пара при высокой температуре формируется парогазовое рабочее тело и авторы вправе рассчитывать не только на снижение эмиссии вредных выбросов, но и на повышении эффективности, мощности и ресурса уже парогазовой турбины. В зависимости от мощности инжекционной горелки могут использоваться форсуночные устройства с формированием мелкодисперсного распыла водного факела в форме «полый конус», «полный конус» способом
гидравлического или пневматического распыления (c-irimex.ru/).
x
11. Совокупность используемых в малоэмиссионных вихревых инжекционных горелках новых устройств, свойств и явлений с проявлением синергетических эффектов создают непревзойденные уникальные преимущества заявляемого изобретения, позволяют повысить эффективность турбины при том же расходе горючего газа, повысится скорость вращения ротора турбины и компрессора для нагнетания воздуха. Возрастет мощность турбины, обеспечится еще больший наддув воздуха в смесительную камеру инжекционной горелки, что приведет к более полному и быстрому сгоранию тощего топлива при низком уровне эмиссии NO.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 представлен разрез малоэмиссионной вихревой горелки, на фиг. 2 продольный разрез форсунки и вихреобразователь в форме крыльчатообразной насадки, на фиг. 3 форма крыльчатообразной насадки до установки и тангенциального изгиба крыльев. Ссылки на позиции в описании частично продублированы на представленных фигурах. На фиг. 2, в качестве примера представлено сечение пересекающихся факелов газа, распыляемых коническими соплами и границ формируемого облака мелкодисперсной воды и пара при угле конусного мелкодисперсного распыла воды или насыщенного пара 60°, создаваемого специальной дополнительной распылительной форсункой, размещенной в корне газовой форсунки.
Горелка содержит основание 1 в виде державки инжекционной горелки, закрепленной в корпусе турбины (на фиг. 1 не показан). Горелка содержит герметично вваренный с одной стороны резьбовой штуцер 2 для присоединения газопровода, трубный канал 22 для подачи пара или воды, вкрученный в инжекционную форсунку с одной стороны и вваренный в отверстие в основание (на фиг. 1 не показан) с другой стороны, крепежные отверстия 23 для фиксации и герметичного крепления горелки к корпусу
турбины. На посадочное место основания 1 горелки приварен газовый коллектор 3, имеющий на торце форсунку 4 с периферийно и радиально расположенными отверстиями 5 фиг. 2 для истечения газа в форме конических сопел. На посадочное место форсунки 4 неподвижно установлен вихреобразователь в форме крыльчатообразной насадки 6 фиг. 2 с тангенциально отогнутыми относительно своей оси направляющими лопатками 7. На посадочное место основания 1 горелки соосно газовому коллектору 3 установлена холодная часть воздухозаборного корпуса 8 с окнами 10 для прохождения воздуха. Холодная часть 8 корпуса имеет посадочную проточку 16 для соосной установки жаровой части 9 корпуса горелки, являющейся пламенной трубой инжекционной горелки, также имеющую посадочную проточку 16. Количество и размеры сквозных окон для забора воздуха определяется мощностью инжектора. Для пристеночного прохода воздуха и обеспечения объемного горения толстостенная жаропрочная труба протачивается на заданный диаметральный размер и длину формируемого факела пламени для максимально заданной мощности инжекционной горелки. В оконечной части жаровой трубы производится внутреннее конусное точение с коническим сужением - конфузором 11 с уклоном 60-75%, аналогичное точение производится и с другой стороны трубы, но с уклоном уже 10-15%. Полученное сопло Лаваля состоит из области сужения - конфузора 11, узкого места - горла 12, являющейся сочленяющейся частью с областью расширения - диффузора 13. Продольные или поперечные бороздки или проточки 14 выполняются с наружной стороны пламенной трубы от радиальной проточки 17, в которой выполнены эжекционные отверстия 18, тангенциально направленные в сторону проточной части горелки. Оксидирование (чернение) или черное гальваническое хромирование производится на наружной поверхности пламенной трубы 25, а шлифование и полирование производится на внутренней поверхности пламенной трубы горелки (на фиг. 1 не показано). Жаровая часть 9 корпуса горелки имеет зону смешения 24, совмещенной с
зоной рециркуляции и горения, в которой происходит воспламенение горючей смеси и факельное горение. Сопельное форсуночное устройство 19, вкручиваемое по оси в инжекционную газовую форсунку 4, связанный трубным каналом 22 с подачей подготовленной воды, конденсата или насыщенного пара через газовый коллектор 3 и герметичное отверстие в основании горелки обеспечивает формирование мелкодисперсного пароводяного факела распыляемого в факел пламени гидравлическим или пневматическим способом. Форсуночное устройство 19 может использоваться и для распыления горючей жидкости в случае отсутствия газа, в этом случае для переключения воды на жидкое топливо (дизтопливо, керосин, бензин и т.д.) может использоваться, например, трехходовой кран. Работа горелки поясняется следующим образом: горючий газ высокого давления, например, метан, через открытый газовый клапан (на фиг.1 не показан) и герметичный штуцер 2 поступает в газовый коллектор 3 и далее к периферийным отверстиям 5 фиг.2, выполненных в форсунке 4 в форме конических сопел в радиальном направлении в один, два, три или более концентрично выполненных ряда. Конические сопла расположены в каждом ряду через равные угловые сектора. Сопла в каждом последующем ряду смещены на  углового сектора по отношению к предыдущему радиально расположенному ряду. При истечении из конических сопел сплошная среда дробится и распыляется в частицы горючего газа в виде разобщенных молекул и их кластеров и вылетает с ускорением, образуя факел мелкодисперсного газа, истекающего из отверстий 5 фиг. 2, все более разряженной концентрации газа по мере продвижения его к внутренним стенкам пламенной трубы. Ускоряющиеся мелкодисперсные частицы газа скоротечно радиально и под углом будет пронизывать закрученный тангенциально направленной крыльчаткой вращающийся поток воздуха в форме «торнадо», движущийся в проточном направлении, создавая вихревой хаос и химически взаимодействуя, образуя химически активные соединения горючей однородной смеси. Форсунка 4 через специальные радиальные
проточки (на фиг. 1 не показано) сочленяется с газовым коллектором 3 и сваривается по месту их соединения. На проточку форсунки 4 с другой стороны устанавливается плоский, в виде шайбы вихреобразователь 6 в форме неподвижной крыльчатообразной насадки с тангенциально отогнутыми направляющими лопатками 7. Воздух на горение проходит по схеме: воздушная очистка от пыли на входных фильтрах турбины - сжатие и предварительный нагрев воздуха в компрессоре - нагрев сжатого воздуха отработанными дымовыми газами в рекуператоре и подвод его через кольцевой радиальный проем над камерой сгорания к инжекционным горелкам - прохождение потока нагретого воздуха в радиальном канале между раскаленной наружной поверхностью пламенной трубы горелки и нагретой внутренней поверхностью герметичного стакана, омываемого снаружи горячими дымовыми газами - вход в смесительную камеру инжекционной горелки через окна воздухозаборного корпуса и вихреобразователь. В результате дополнительного нагрева воздуха поступающего в камеру смешения инжекционной горелки создаются идеальные условия для воспламенения и быстрого горения горючей смеси. Основание 1 горелки герметично связано с холодной частью корпуса 8 горелки, другая оконечная жаровая часть корпуса 9 горелки входит в камеру сгорания. Воздух, попадая через окна 10 в воздухозаборном корпусе 8 горелки в межстеночный зазор, образованный корпусом 8 и газовым коллектором 3, разворачиваясь и обтекая тонкостенный газовый коллектор 3, движется в направлении зоны смешения 24 инжекционной горелки фиг. 1, и завихряется на тангенциально отогнутых направляющих лопатках 7 неподвижного вихреобразователя 6 фиг. 2. При этом горючий газ, протекающий в тонкостенном газовом коллекторе 3, обтекаемый горячим воздухом, нагревается и получает дополнительную потенциальную энергию, повышая свою энтальпию. Для свободного пристеночного прохода воздуха (снижения аэродинамического сопротивления и охлаждения раскаленной поверхности пламенной трубы) и объемного полного сгорания горючей
смеси с внутренней стороны толстостенного корпуса пламенной трубы 9 горелки расточена вплоть до конического сужения 11 конфузора сопла Лаваля. В камере смешения и рециркуляции 24 происходит воспламенение горючей смеси с образованием светящегося факела от желто-оранжевого до голубого цвета. Цвет пламени зависит от процентного состава газа (его теплотворности), процентного соотношения газ/воздух, температуры горючей смеси и качества смешения. В зависимости от описанных параметров факел может не только менять цвет, но и скорость горения. Конструкция заявляемой инжекционной горелки обеспечивает осевую объемную фиксацию факела пламени в пределах зоны смешения 24, совмещенной с зоной рециркуляции и горения. Факел пламени в зависимости от мощности может формироваться в пределах зоны смешения, рециркуляции вплоть до сужения сопла Лаваля и догорать на срезе горелки на входе в камеру сгорания. Процесс горения визуализируется в форме объемного светящегося факела пламени с излучением лучистой энергии в разные стороны. Для снижения тепловых потерь энергии за счет лучеиспускания в радиальном направлении в видимом и инфракрасном спектре частот достигается зеркальная обработка поверхности 15 фиг. 2 или наносится жаропрочное, устойчивое к термоакустическим вибрациям луче-тепло-отражающее блестящее покрытие 26 фиг. 1, имеющее зеркальную серебристую поверхность. Такое покрытие отражает большую часть лучистой энергии обратно в факел и в направлении проточной части, обеспечивая и поддерживая высокую внутреннюю энергию продуктов горения. Процесс горения горючей смеси сопровождается образованием продуктов горения большого объема, температуры и давления, движущегося в осевом направлении более низкого давления в направлении проточной разряженной части турбины. Фаза сжатия при адиабатном процессе в сужающейся части сопла Лаваля должно быть короткой. Под напором продуктов горения высокоэнергетическое рабочее тело стремится в короткую коническую сужающуюся часть сопла Лаваля - конфузор, имеющий угол
x
сужения в пределах 60-75°, по мере продвижения к сужающему отверстию скорость движения продуктов горения будет возрастать и в узком месте достигнет максимальной звуковой скорости. В узком месте сопла Лаваля скорость движения газов будет оставаться постоянной вплоть до выхода в более протяженную расширяющуюся коническую часть сопла Лаваля, называемую диффузором и имеющую коническую часть с углом расширения в пределах 10-15°. Для приближения термодинамического процесса к изотермическому, расширяющуюся часть диффузора делают длиннее конфузора, а для большего проявления эффекта Лаваля при адиабатическом процессе следует на внутреннюю поверхность пламенной трубы нанести термобарьерное покрытие. С выходом рабочего тела в расширяющуюся часть сопла Лаваля скорость частиц рабочего тела будет и далее возрастать, а температура и давление экспонентно падать. При выходе на скоростной режим движения частиц рабочего тела возникнет разрежение в областях, прилегающих к радиально расположенным эжекционным отверстиям 18, что создаст эжекцию свежего воздуха в высокоэнергетический поток рабочего тела. Процесс горения не завершивших рециркуляцию и химическое взаимодействие свободных горючих компонентов газа с воздухом завершится, снижая общую температуру рабочего тела и снижая выбросы NO. Снаружи пламенная труба инжекционной горелки имеет радиальную проточку, выполненную резцом с углом заточки кромок 90° на глубину, равную диаметру сверла для сверления эжекционных отверстий. Это позволит беспрепятственно установить тангенциальный наклон сверла и выполнить сверление по нормали к поверхности радиальной проточки. От радиальной до посадочной проточки, производится продольная или поперечная нарезка борозд 14 на наружной поверхности жаровой части корпуса 9 горелки. Нарезка борозд производится резцом с треугольным углом режущей кромки 90°, с глубиной резки и с шагом, обеспечивающий максимальную эффективную охлаждаемую поверхность пламенной трубы инжекционной горелки, например: глубина реза 100 мкм, шаг резки 200 мкм,
x
угол 90°. Вместо нарезки продольных борозд для обеспечения технологичности может производиться радиальное точение в виде наружной резьбы с рекомендуемым выше профилем нарезки. Далее производится электрополирование внутри жаровой части корпуса и гальваническое нанесение снаружи черного металлического хрома, что обеспечивает поверхности пламенной трубы высокую теплоотдачу как за счет теплоотражения и теплоизлучения поверхности, так и за счет конвективного обдува эффективной развитой наружной поверхности сжатым воздухом, поступающим от рекуператора турбины. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет достичь высокой эффективности газовой горелки, стабильного и полного процесса горения с фиксацией факела пламени, технологичности изготовления и ремонтопригодности, надежности и долговечности, снижение шума, вибраций и эмиссии NO. Перспективным вариантом для подавления оксидов азота предусмотрено дополнительное сопельное форсуночное устройство, вкручиваемое по оси в инжекционную форсунку, имеющую специальный подвод подготовленной воды (например, подогретый конденсат) или насыщенного пара через газовый коллектор. Поскольку сопельное устройство установлено в устье (корне) газового факела, то можно обеспечить, чтобы регулируемый конус факела мелкодисперсного распыла воды в форме облака пара полностью перекрывал факел пламени, эффективно снижая температуру и фактически подавляя оксиды азота. Кроме того, за счет образования и расширения пара при высокой температуре формируется парогазовое рабочее тело и авторы вправе рассчитывать не только на снижение эмиссии вредных выбросов, но и на повышении эффективности, мощности и ресурса уже парогазовой турбины. В зависимости от мощности инжекционной горелки могут использоваться форсуночные устройства с формированием мелкодисперсного распыла водного факела в форме «полый конус», «полный конус» способом гидравлического или пневматического распыления.