УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ В НИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к устройствам для стабилизации горения в низкоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) и может найти применение в газотурбинных двигателях и энергетических установках.
Одной из главных проблем на пути создания высокоэффективных ГТУ является обеспечение низкого содержания вредных примесей в продуктах сгорания при варьировании режима работы ГТУ в широком диапазоне по мощности. К вредным примесям относятся оксиды азота и продукты неполного сгорания топлива.
Известны устройства и способы организации низкоэмиссионного сгорания с применением различных методов стабилизации горения перемешанных бедных топливо-воздушных смесей (ТВС) в промышленных камерах сгорания. Так, например, в патентах РФ №2162194, F23R 3/06, 2001 г, №2315913, F23R 3/20,2006 г. снижение эмиссии вредных веществ реализуется за счет организации "богато-бедного" горения топлива путем осуществления предварительного перемешивания топлива с воздухом во фронтовом устройстве и исключения подачи охлаждающего воздуха в зону горения. Стабилизацию горения «бедной» ТВС в двухконтурных горелках, т.е. непрерывную подачу свежей ТВС в зону горения, обеспечивают с помощью аксиально-лопаточного завихрителя путем организации вихревой зоны с возвратным течением «бедной» ТВС, скорость которого меньше скорости распространения пламени, а ее надежное воспламенение и устойчивое горение - с помощью «дежурного» факела (Патенты РФ №№2087805, 1997, F23R 3/16, 2107869, 1998, F23R 3/00, 2143642, 1998, F23R 3/34, 2170391, 2001, F23R 3/14, 2451878, 2006, F23D 14/02). В патентах U.S. №№5623819 (1997), 5050731 (1998), 2003131598 (2003), 2005103023 (2005) снижение эмиссии вредных веществ обеспечивается с помощью «каталитического горения». Однако все эти методы организации горения не позволяют обеспечить нормативные выбросы вредных веществ при повышении параметров ГТУ и, прежде всего, температуры сгорания без использования систем азотоочистки продуктов сгорания.
Известны также способы плазменного поджига топлива, направленные на повышение эффективности горения рабочей смеси в камерах сгорания. При этом для создания плазмы используют различные физические процессы. Так в патенте DE 10037536 для инициации горения используют неравновесную плазму высокочастотного разряда. В патентах RU 2099584 и US 6883507 для тех же целей используют коронный разряд. Однако, такие системы не работают в области повышенных давлений, характерных для камер сгорания ГТУ.
Известны источники плазменной струи - плазмотроны на основе дугового разряда, которые используются как для розжига и стабилизации горения пылеугольных котлов (RU 2213303, 2215940, 227379), так и для других технологических целей: металлизации поверхности, сварки или резки металла и т.п. (RU 2111098, RU 2211257).
Наиболее близким техническим решением является устройство для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки согласно патенту US Patent 5640841, состоящее из форсунки с каналом для топливо-воздушной смеси с выходом в рабочую зону камеры сгорания, сформированным полым цилиндрическим анодом дугового плазматрона с установленным внутри катодом, и подключенных к источнику питания. Устройство позволяет эффективно производить инициацию, а также поддержание горения бедных топливо-воздушных смесей плазменным факелом выходящим в рабочую зону камеры сгорания, однако, использование дугового разряда с горячими контрагированными каналами, в которых эффективно генерируются окислы азота, не позволяет обеспечить нормативные выбросы вредных веществ при повышении параметров ГТУ и, прежде всего, температуры сгорания без использования систем азотоочистки продуктов сгорания. Кроме того, дуговые плазмотроны имеют низкий ресурс работы.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение нормативных выбросов вредных веществ, при повышении параметров ГТУ и, прежде всего, температуры сгорания вплоть до 1700°С без использования систем азотоочистки продуктов сгорания при высоком ресурсе работы.
Для достижения указанного результата предложено устройство для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки, состоящее из форсунки с каналом для топливо-воздушной смеси с выходом в рабочую зону камеры сгорания, сформированным полым цилиндрическим анодом с установленным внутри катодом, и подключенных к источнику питания, при этом устройство дополнительно содержит генератор высокочастотного напряжения с частотой в диапазоне 50-300 кГц, выходы которого присоединены к аноду и корпусу камеры сгорания, а между анодом и корпусом камеры сгорания установлена полая цилиндрическая вставка из диэлектрического материала.
Общий вид устройства для стабилизации горения в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки показан на фигуре, где 1 - вход топливо-воздушной смеси, 2 - катод, 3 - анод, 4 - источник питания, 5 - разряд, 6 - факел разряда, 7 -высокочастотный разряд, 8 - диэлектрическая вставка, 9 - генератор высокочастотного напряжения, 10 - корпус камеры сгорания, 11 - рабочая зона камеры сгорания.
Устройство работает следующим образом: топливо-воздушная смесь подается через вход 1 расположенный тангенциально к оси катода 2 и полого цилиндрического анода 3. Катод 2 и анод 3, подключенные к источнику питания 4 представляют собой дуговой плазматрон обеспечивающий поджиг и поддержание электрического разряда 5 в тангенциально закрученном потоке топливо-воздушной смеси. Образующийся таким образом на выходе за анодом факел 6 является электродом для высокочастотного разряда 7, возбуждаемого внутри диэлетрической вставки 8 при помощи генератора высокочастотного напряжения 9 подключенному к аноду 3 и заземленному корпусу камеры сгорания 10. Напряжение высокочастотного разряда составляет 5-10 кВ при диапазоне токов соответственно 1,2-0,1 А. Факел высокочастотного разряда выходит в рабочую зону 11 камеры сгорания обеспечивая, таким образом, стабилизацию процесса горения бедной топливо- воздушной смеси, используемой в низкоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок.
Благодаря тому, что в качестве острого электрода высокочастотного разряда используется плазменный факел дугового разряда, флуктуации и формы которого исключают возможность образование точек привязки и контрагирования высокочастотного разряда, обеспечивается его диффузная форма. Отсутствие горячих контрагированных каналов характерных для всех разновидностей дугового и родственных ему типов разрядов, являющихся мощными источниками окислов азота, обеспечивает снижение вредных выбросов газотурбинной установки. Основная энергия вкладывается именно в области высокочастотного разряда, и распределена по объему. Роль дугового разряда сводится к образованию плазменного электрода обеспечивающего формирование диффузной формы высокочастотного разряда и его стабилизации в области высоких давлений вплоть до 20 атмосфер характерных для камер сгорания газотурбинных установок.
Для организации плазменного факела, играющего роль плазменного электрода в основной части разрядной системы может использоваться переходный разряд, геометрия которого близка к традиционному дуговому плазматрону. Для инициирования и поддержании такой формы разряда используется источник питания вольт-амперная характеристика которого представляет собой падающую кривую с начальным напряжением не менее 8 кВ при токе равном нулю и максимальным током не менее 0,8 А при напряжении равном нулю. При этом напряжение и ток разряда составляют около 2 кВ и 0,5 А вместо 200 В и 5 А характерных для обычного дугового разряда в аналогичных условиях. Работа на малых токах и соответственно на высоких напряжениях существенно увеличивает срок службы электродной системы плазматрона.
Концентрация топлива в топливо-воздушной смеси, подаваемой в форсунку, выбирается не менее чем в 1,5 раза выше стехиометрического соотношения. Таким образом, обеспечивается образование восстановительной среды на выходе плазменного факела, что способствует дополнительному снижению вредных выбросов.