ГОРЕЛКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ
PRE-MIXING BURNER

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение касается горелки предварительного смешения, которая содержит пусковую горелку и запальник.
Уровень техники
Горелки предварительного смешения применяются, в первую очередь для того, чтобы предотвратить возникновение так называемых зон максимальных температур Hotspots пламени, то есть образование неоднородности пламени с очень горячими зонами пламени. При этом целью является уменьшить образующиеся при сгорании выбросы NOx. Выработка NOx увеличивается экспоненциально с температурой пламени. Поэтому уменьшение пиковых значений (Hotspots) температуры пламени приводит к сокращению выбросов NOx.
Для сохранения максимально низкой температуры пламени предварительного смешения, горелка часто работает на обедненной смеси на границе устойчивости, то есть по сравнению с необходимым для горения воздуха добавляется так мало топлива, что образуется едва воспламеняемая смесь. Однако такого рода обедненные смеси могут привести к неустойчивости пламени предварительного смешения, которая в результате вызывает колебания давления в системе сгорания. Поэтому для стабилизации пламени предварительного смешения обедненной смеси находят применение пусковые горелки, которые работают в качестве диффузионных горелок, то есть топливо и необходимый для горения воздух подаются в пламя без сильного предварительного смешивания. Доля пилотного топлива в общем количестве горючего горелки составляет приблизительно от 5 до 10%. Кроме стабилизации пламени предварительного смешения пусковая горелка может использоваться и для воспламенения.
В DE 19757617 и A1 WO 00/12933 описаны так называемые гибридные горелки, которые содержат как горелку предварительного смешения, так и диффузионную горелку. Горелка предварительного смешения располагается концентрически вокруг диффузионной горелки. Кроме того, диффузионная горелка содержит и систему подачи пилотного топлива для того, чтобы его можно было использовать для пусковой горелки.
В ЕР 1712837 А1 описывается горелка, устройство которой похоже на описанные в DE 19757617 A1 и WO 00/12933 горелки. Однако нет отдельных подводящих каналов для диффундирующего газа, то есть газа, который используют для режима диффузионной работы горелки, и пилотного газа, то есть газа, который применяют для работы пусковой горелки. Вместо этого как диффундирующий газ, так и пилотный газ могут подаваться через тот же самый топливопровод или те же самые топливопроводы. Таким образом обходятся без системы подачи газа.
Обычно запальное пламя зажигается посредством пламени диффузионного горелки. Поэтому это может осуществляться таким образом, так как диффузионная горелка, как правило, используется для запуска газовой турбины и пусковая горелка применяется лишь затем, когда переходят к режиму предварительного смешения горелки. К тому же, как правило, еще есть запальная горелка, с помощью которой зажигается диффундирующий газ. Подобная запальная горелка, например, описана в ЕР 0193838 B1. Если только, как описано в ЕР 1712837 А1, не имеется общей системы подачи топлива для диффундирующего и пилотного газа, то необходимо подходящее запальное устройство, так как запальная горелка в том виде, в каком она используется в обычной гибридной горелке, для этого напрямую не годится.
Раскрытие изобретения
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание горелки без подачи диффундирующего газа, которая имеет порядок воспламенения, который делает ненужным наличие собственной запальной горелки.
Данная задача решается посредством горелки предварительного смешения по п.1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В соответствии с изобретением горелка предварительного смешения содержит канал подвода воздуха, канал подачи пилотного газа, который, по меньшей мере, имеет обращенную к каналу подачи пилотного газа стенку и входящий в канал подвода воздуха выходной конец пилотного газа, а также расположенный к выходу пилотного газа против потока в канале подвода воздуха запальный элемент, который, например, может быть сконструирован в виде двухполюсного запального электрода. В стенке канала подачи пилотного газа имеется, по меньшей мере, расположенное против потока к запальному элементу отверстие для выхода газа.
Согласно изобретению вариант осуществления горелки предварительного смешения позволяет прямое воспламенение пилотного газа, то есть без того, чтобы перед этим зажигать снабжаемое через собственный канал диффундирующего газа диффузионное пламя, и без того, чтобы была нужна имеющаяся лишь для воспламенения запальная горелка с каналом пилотного газа. Для воспламенения пилотный газ может выделяться, по меньшей мере, из одного отверстия для выхода газа в канал подвода воздуха и там вместе с воздухом образовывать горючую смесь, которая протекает мимо на расположенном по направлению потока запальном элементе. Поэтому может быть упрощена вся конструкция горелки, так как требуется меньшее количество газовых трубопроводов, что приводит к снижению затрат при изготовлении горелки.
В горелке согласно изобретению канал подачи пилотного газа обнаруживает по направлению потока, по меньшей мере, одного отверстия для выхода газа сопротивление потоку. Сопротивление потоку в находящемся против направления потока газе приводит к повышению давления, которое обеспечивает то, что выходит достаточно газа для образования горючей смеси в зоне запального элемента через отверстие для выхода газа в канале подвода воздуха. Сопротивление потоку может быть реализовано, например, посредством сужения, в частности сужения на выходном конце канала подачи пилотного газа.
Простая возможность конструктивно исполнить сужение заключается в том, чтобы расположить находящийся на стенке канала и направленный вовнутрь выступ в канале. Существует и другая возможность осуществить сужение посредством установленной в канал, уменьшающейся по поперечному сечению канала втулки. Следующая возможность заключается в том, чтобы установить в канале подачи пилотного газа ограничивающий элемент. Таким элементом могли бы быть, например, обтекаемый элемент, решетка, сетка и т.д.
В горелке предварительного смешения согласно изобретению стенка канала может содержать против направления потока к запальному элементу, по меньшей мере, два смещенных в направлении потока отверстия для выхода газа. Таким образом, можно повысить количество выходящего пилотного газа без увеличения поперечного сечения отверстий для выхода газа, чтобы изменилась их аэродинамика.
Для расширения увеличенного профиля подводимого в канал подвода воздуха пилотного топлива можно расположить, по меньшей мере, два вертикальных к направлению протекающего через канал подвода воздуха смещенных отверстия для выхода газа в стенке канала против направления потока к запальному элементу.
В варианте осуществления горелки предварительного смешения в соответствии с изобретением канал подачи пилотного газа сконструирован в виде трубки пилотного газа, которая проложена в полости горелки и выходит из полости в расположенном против направления потока к запальному элементу месте и входит в канал подвода воздуха. При этом 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. Установка одной или нескольких трубок пилотного газа возможна, в частности, дополнительно в уже существующие горелки так, что существующие горелки могут переоснащаться.
Краткое описание чертежей
Другие признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения следуют из дальнейшего описания варианта осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показана в соответствии с изобретением горелка в схематическом разрезе.
На фиг.2 показана трубка пилотного газа с расположенными в ней отверстиями для выхода газа.
На фиг.3 показана трубка пилотного газа фиг.2 в разрезе III-III.
На фиг.4 показан входящий в воздушный канал участок трубки пилотного газа в продольном разрезе.
На фиг.5 показан выход второго варианта трубки пилотного газа.
На фиг.6 показан выход третьего варианта трубки пилотного газа.
На фиг.7 показан выход четвертого варианта трубки пилотного газа.
На фиг.8 показан выход пятого варианта трубки пилотного газа.
На фиг.9 показан выход шестого варианта трубки пилотного газа.
Осуществление изобретения
Далее со ссылкой на фиг.1 описывается вариант осуществления горелки в соответствии с изобретением. Горелка 1 сконструирована по существу симметрично относительно оси горелки А с открытым по направлению к камере сгорания 7 выходом горелки 9. Он содержит главную форсунку горелки 13, которая имеет подводящий канал для жидкого топлива и на конце камеры сгорания 15 со своей стороны - одну или несколько распыляющих форсунок для впрыска жидкого топлива в преобладающее в камере сгорания пламя. Форсунки 13 служит для создания питаемого жидким топливом диффузионного пламени. Если горелка рассчитана только на общую работу на газообразном топливе, то вместо описанной форсунки 13 используют макет (Attrappe), который по своей внешней геометрии схож с описанной форсункой, однако без распыляющих форсунок на конце камеры сгорания 15.
Вокруг форсунки горелки 13 имеется цилиндрическая стенка 17, которая окружает образующуюся между стенкой 17 и форсункой горелки полость 19. Кольцевая полость 19 служит для подачи горючего газа в канал подвода воздуха 21, через который горелке 1 подается необходимый для поддержания пламени воздух. Кроме того, кольцевая полость 19 содержит отверстия для выхода газа 20. Против направления потока выхода горелки 9 горелка 1 содержит так называемые осевые решетки 30, которые обеспечивают завихрение воздуха и горючего газа и вследствие чего происходит их тщательное смешивание. Тщательно смешанная газовоздушная смесь подается через выход горелки 9 камеры сгорания 7, где она сжигается.
Для сохранения выбросов NOx на низком уровне смешанная газовоздушная смесь регулируется на малое содержание горючего, то есть доля топлива в смеси поддерживается как можно меньше, благодаря чему можно предотвратить образующие NOx температурные максимумы в возникающем пламени предварительного смешения. Запальное пламя, которое в противоположность к пламени предварительного смешения используется в качестве диффузионного пламени, служит для того, чтобы стабилизировать пламя предварительного смешения, которое работает практически на границе устойчивости, чтобы предотвратить возникновение колебаний давления в камере сгорания из-за колебаний горения. В диффузионном пламени в отличие от пламени предварительного смешения не происходит тщательного перемешивания топлива и воздуха, до того как они не попадут в пламя. Запальное пламя служит не только для стабилизации пламени предварительного смешения, но и для воспламенения пламени предварительного смешения.
Для подпитки запального пламени трубки пилотного газа 23 прокладываются через кольцевую полость 19 между цилиндрической стенкой 17 и форсункой горелки 13 до конца камеры сгорания полости 19. Там они проходят через переднюю стенку 25 в основном в форме развертки конической поверхности и входят с помощью участка трубы 27 в канал подвода воздуха 21. Выходные концы со стороны камеры сгорания 29 трубок пилотного газа 23 открыты и служат для впрыска пилотного газа в текущий через кольцевой канал подвода 21 воздух. Кроме того, в канал подвода воздуха 21 входит запальник 31 с двухполюсным запальным электродом 33. Вершина 35 двухполюсного запального электрода 33, который представляет собой собственный запальный элемент горелки 1, находится против направления потока к открытым выходным концам 29 трубок пилотного газа 23. Она расположена таким образом, что она располагается широко на той же радиальной линии, например одной из трубок пилотного газа 23. Таким образом, двухполюсный запальный электрод 35 находится близко к трубке пилотного газа. Следует заметить, что вершина 35 запального электрода 33 необязательно должна находиться на той же самой радиальной линии, например одной из трубок пилотного газа 23. Важно только то, чтобы вершина 35 была подведена достаточно близко к одной из трубок 23.
Находящаяся вблизи запальника 31 трубка пилотного газа 23 дополнительно для открытия выходного конца 29 оснащена, по меньшей мере, одним расположенным в стенке трубки против направления потока к выходному концу 29 отверстием для выхода газа 37. В настоящем варианте осуществления изобретения имеются три отверстия для выхода газа 37а, 37b, 37с, которые выполнены в виде смещенных в осевом направлении трубки 23 и в направлении вдоль окружности трубки 23 отверстий. Расположение отверстий представлено на фиг.2 и 3, причем на фиг.2 показан вид на отверстия в трубке пилотного газа 23 и на фиг.3 - разрез III-III стенки трубки 39 трубки пилотного газа 23. Размещение отверстий 37а, 37b, 37с выбрано с учетом оптимизации профиля распределения выходящего через отверстия 37 газа.
Отверстия для выхода газа 37 расположены в трубке пилотного газа 23 против направления потока к вершине электрода 35, то есть выходящий из отверстий 37 газ, который поступает в текущий через канал подвода 21 воздух, направляется вдоль вершины электрода 35, так что газ может воспламеняться искрой.
Для обеспечения выхода через отверстия 37а, 37b, 37с достаточного для воспламенения количества газа в трубке пилотного газа 23 по направлению потока отверстий для выхода газа расположено сопротивление потоку. Оно приводит к тому, что против направления потока к сопротивлению потоку происходит повышение давления, которое отвечает за то, чтобы через отверстия 37а, 37b, 37с в канал подвода воздуха 21 выходило достаточное количество пилотного газа для успешного воспламенения.
Детально разрез входящего в канал подвода воздуха 21 участка 27 трубки пилотного газа 23 представлен на фиг.4. в увеличенном масштабе. На нем можно увидеть только одно из проходящих через стенку трубки 39 отверстий 37. На выходном конце трубки пилотного газа 29 в трубку пилотного газа 23 установлена втулка 41, которая уменьшает поперечное сечение потока в трубке пилотного газа 23. Таким образом давление газа повышается против направления потока к втулке 41 настолько, что через отверстия 37 выходит достаточное количество пилотного газа.
Альтернативный вариант создания сопротивления потоку в зоне выходного конца 29 трубки пилотного газа 23 представлен на фиг.5. Вместо втулки 41 трубка пилотного газа 23 на выходном конце 29 содержит в форме усеченного конуса участок стенки 43, который приводит к тому, что выходное отверстие 45 на конце трубки пилотного газа 29 имеет уменьшенное по сравнению с поперечным сечением потока трубки пилотного газа 23 проходное сечение. Таким образом, можно добиться нужного повышения давления в зоне против направления потока к отверстиям для выхода газа 37.
Другой вариант получения сопротивления потоку в трубке пилотного газа 23 представлен на фиг.6. В этом варианте трубка пилотного газа 23 содержит перед выходным концом 29 проходящее по его окружности V-образное углубление 47, которое приводит к уменьшению предназначенного для пилотного газа поперечного сечения потока в зоне углубления. Уменьшение поперечного сечения потока в свою очередь приводит к увеличению давления против направления потока к углублению 47.
Следующий вариант формирования сопротивления потоку представлен на фиг.7. В данном варианте трубка пилотного газа 23 содержит перед выходным концом 29 направленный вовнутрь и проходящий по окружности трубки выступ 49, который приводит к уменьшению предназначенного для пилотного газа поперечного сечения потока и таким образом к возрастанию давления против направления потока к выступу 49.
Еще один вариант создания сопротивления потоку представлен на фиг.8. В этом варианте до выходного конца 29 сконструирована цилиндрическая стенка трубки 39. Уменьшение поперечного сечения потока с увеличением давления в трубке пилотного газа 23 осуществляется посредством обтекаемой вставки 51, которая закреплена подпорками 53 на внутренней поверхности стенки трубки 39. Фиксация может осуществляться высокотемпературной пайкой или сваркой. Альтернативно подпорки также можно закрепить на стенке трубки 39 с помощью резьбового соединения.
Еще один вариант формирования сопротивления потоку в трубке пилотного газа 23 представлен на фиг.9. И изображенная на фиг.9 трубка пилотного газа 23 содержит до своего выходного конца 29 цилиндрическую стенку трубки 39. Перед выходным концом 29 или непосредственно на выходном конце 29 в трубку пилотного газа 23 установлена решетка 55, которая представляет собой препятствие потоку протекающего через трубку 23 пилотного газа и таким образом приводит к повышению давления против направления потока к решетке 55.
Описываемое с помощью варианта осуществления изобретение позволяет у горелки, в которой пусковая горелка содержит только каналы подачи пилотного газа в качестве единственных каналов подачи, осуществить зажигание горелки без имеющейся специально для этой цели и содержащей собственную систему подачи топлива запальной горелки. Поэтому в соответствии с изобретением горелка обходится лишь двумя системами подачи газа, а именно системой подачи пилотного газа и системой подачи газа в режиме предварительного смешения. Результатом является упрощение конструкции горелки и одновременно вместе с ней стоимости изготовления.