ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ТРУБЧАТОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к газотурбинной области и может быть использована при создании камер сгорания перспективных газотурбинных установок (судовых. авиационных, стационарных, энергетических двигателей, приводов газоперекачивающих агрегатов), а также при модернизации камер сгорания газоперекачивающих агрегатов (ГНА) на базе газотурбинных установок (ГТУ), находящихся в продолжительной эксплуатации на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Горелки, которые используются по этому назначению, должны отличаться простотой конструкции и технологичностью в изготовлении, надежностью в работе. высокой энергетической эффективностью, продукты сжигания должны отвечать нормативным требованиям в отношении эмиссии токсичных веществ: оксидов азота и оксидов углерода.
Горелки должны работать в широком диапазоне изменения избытка окислителя. конструктивные особенности должны позволять синтезировать горелки на любую тепловую мощность без изменения принципиальной конструктивной схемы.
Известна газовая горелка вихревого типа [1, 2], состоящая из двух элементов: газовой трубы с многосопловой насадкой, и турбулизатора в виде лопаточного регистра. обеспечивающего закручивание потока окислителя в зоне горения и стабилизации факела. Многосопловая насадка свободно вставляется во внутреннюю втулку лопаточного регистра, через который подается необходимый для горения воздух, и в результате закручивания воздушного потока в зоне стабилизации и интенсификации горения образуется сплошное интегрированное вихревое течение. Центральная часть этого течения представляет собой зону обратных токов, основной функцией которой является стабилизация факела, а периферийная - имеет вид закрученного (вихревого) потока, на границе которого с зоной обратных токов генерируется турбулентность с высоким уровнем интенсивности. Топливо через многосопловую насадку подается в центральную часть зоны обратных токов, где происходит смешивание его с окислителем, в результате чего образуется неоднородная вихревая моноструктурная зона горения.
Наличие обогащенной топливом зоны обратных токов приводит к обгоранию исходных кромок лопаток регистра и коксования многосопловой насадки, значительный поперечный размер этой зоны. диаметр которой может превышать диаметр регистра,
приводит к затягиванию выгорания топлива и повышению концентрации СО в продуктах сгорания, высокий уровень температур в ней и закручивание основного потока являются причиной высокой эмиссии токсичных NOx. Сплошная вихревая структура зоны смесеобразования и горения приводит к существенным энергетическим потерям, которые определяются повышенными потерями полного давления.
Существенным конструктивным недостатком таких горелок при высоких температурах окислителя (более 400°С) является термическое смещение положения многосопловой топливной насадки по отношению к срезу лопаточного регистра, что приводит к ухудшению характеристик рабочего процесса камер сгорания на переменных режимах эксплуатации ГТУ. Все это не обеспечивает решения поставленной задачи.
Известна газовая горелка безрегистрового типа [3], состоящая из двух элементов: газовой трубы с многосопловой насадкой и турбулизатора в виде перфорированного конуса. Многосопловая насадка свободно входит во внутреннюю втулку перфорированного конуса и обеспечивает подачу окислителя в зону горения и стабилизацию факела системой прямоточных (не закрученных) струй. Отверстия для подачи воздуха на перфорированном конусе, расположенные вдоль образующих линий конуса, благодаря чему обеспечивается равномерное распределение воздуха в сечении зоны, а подача топлива в затененную зону между рядами воздушных отверстий на конусе позволяет повысить равномерность распределения топливного газа в поперечном сечении горелки, реализовать "микродиффузионный" механизм и саморегулирование процесса горения, что способствует уменьшению эмиссии СО и NOx и возможности эффективной работы горелки при переменных и высоких избытках воздуха [3].
Горелка не решает поставленную задачу, что обусловлено: существованием при повышенных избытках воздуха α>1,8...2,0 высокотемпературного центрального ядра в зоне горения, что является причиной неполного использования эффекта "микродиффузионности" в направлении снижения эмиссии NOx; наличием подачи окислителя под углом к оси основного потока продуктов сгорания, что является причиной дополнительной потери полного давления; низким уровнем раскрытия проходного сечения по воздушным отверстиям по отношению к плоскости горелки (не более 15...20%), что является причиной увеличения габаритных размеров горелки и невозможности (по компоновочным условиям) применения таких горелок в камерах сгорания ГТУ.
Известна газовая горелка диффузионно-стабилизаторного типа [4], состоящая из идентичных плоских элементов турбулизации потока и интенсификации горения. Каждый элемент представляет собой полузамкнутую конструкцию, которая устанавливается в поток окислителя, а подача топлива осуществляется во внутренний объем элемента,
тыльная стенка которого имеет газовые отверстия, которые равномерно распределяются по ее поверхности, благодаря чему каждый из элементов горелки имеет многофункциональное назначение, выполняя функции топливного коллектора, турбулизатора потока окислителя, стабилизатора факела, интенсификатора горения топлива. В горелке достигается равномерное распределение топливного газа в поперечном сечении, благодаря чему реализуются механизм "микродиффузионного" горения, что способствует уменьшению эмиссии СО и NOx; саморегулирование процесса горения благодаря постоянному коэффициенту избытка окислителя в прикорневой зоне элемента, что обеспечивает высокую эффективность работы горелки при переменных и высоких общих избытках воздуха [4]; минимальная потеря полного давления по сравнению с другими типами горелок, благодаря прямоточному течению окислителя; стабильность эксплуатационных характеристик, благодаря сплошности конструкции.
В такой горелке также достигается высокое раскрытие проходного сечения щелевых каналов, которое может достигать уровня 30...50%, благодаря чему уменьшаются масса и габаритные размеры горелки.
Поставленную задачу такая горелка решает не в полной мере из-за существования конечного эффекта аэродинамической природы на торцах зоны горения, который проявляется в возникновении "паразитных" вторичных течений, что является причиной возрастания неоднородности структуры зоны горения, уменьшения полноты выгорания топлива. Недостатком конструкции такой горелки являются компоновочные проблемы, которые проявляются в условиях применения ее в конструкциях камер сгорания ГТУ.
Известна газовая горелка диффузионно-стабилизаторного типа, выбранная в качестве прототипа [5], состоящая из корпуса с тремя стенками, одна из которых плотная, а другие две - с отверстиями, воздушной и газовой камер, между которыми расположена внутренняя стенка с отверстиями, трубок, а также патрубков для подвода газа и воздуха. Внутренняя стенка имеет отверстия одинакового диаметра для подачи воздуха, а противоположная перфорирована - отверстия такого же диаметра для подачи воздуха и меньшего диаметра - для подачи топлива. Между стенками с отверстиями закрепляются воздушные трубки, а патрубки для подвода топлива и газа закрепляются на боковой поверхности корпуса и соединяются с соответствующими камерами внутри корпуса. Оси отверстий для воздушных трубок в перфорированных пластинах расположены регулярно - на равном расстоянии от осей ближайших смежных воздушных отверстий. Газовые отверстия на торцовой перфорированной пластине имеют регулярное размещение - по шесть отверстий вокруг воздушных каналов на одинаковом радиусе по отношению к центру воздушных трубок и на одинаковом расстоянии между собой.
Известная горелка дает возможность организовать эффективное сжигание газа в широком диапазоне изменения избытков воздуха, при низком уровне эмиссии оксидов азота и оксида углерода, при минимальных потерях полного давления. За счет применения регулярного размещения воздушных каналов и газовых отверстий вокруг них в полной мере реализуется эффект "микродиффузионности" горения, что является дополнительной причиной снижения эмиссии NOx и СО, а также решается проблема образования унифицированного ряда горелок любой тепловой мощности.
Конструктивное выполнение горелки не решает в полной мере поставленной задачи, а именно, отделенное размещение газовых отверстий вокруг каждой воздушной трубки не обеспечивает необходимой однородности структуры факелу, не позволяет реализовать высокую степень раскрытия проходного сечения горелки, а также достичь достаточного уровня эффекта "микродиффузионности" процесса горения и, таким образом, не обеспечивает поддержания качества показателей надежности, энергетических и экологических характеристик при применении таких горелок в составе камер сгорания ГТУ. Дополнительными недостатками конструкции горелки являются высокие ее массовые и габаритные показатели, а также наличие корпуса и боковых патрубков на нем, что является существенной преградой применения такой горелки, исходя из компоновочных требований, касающихся камер сгорания ГТУ.
В основу полезной модели поставлена задача создания такой газовой горелки, которая была бы конструктивно проще, имела бы меньшую массу и габариты, позволила бы в процессе ее работы уменьшить эмиссию оксидов азота и углерода.
Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве путем усовершенствования газовой горелки, в которой вследствие применения газовой трубы, соединенной с центральным отверстием передней (по ходу воздуха) стенки с отверстиями, торцевых пластин между стенками горелки и сотовой схемы размещения воздушных и газовых отверстий на тыльной стенке, осуществляется комбинированное смесеобразование, уменьшается длина факела и достигается снижение эмиссии оксидов азота и оксида углерода, существенно упрощается конструкция, уменьшается масса и габаритные размеры горелки, достигается соответствие конструкции горелки компоновочным и эксплуатационным требованиям камер сгорания ГТУ.
Поставленная задача решается тем, что газовая горелка для трубчатой камеры сгорания ГТУ, которая содержит переднюю и тыльную стенки с отверстиями, воздушные трубки, закрепленные между воздушными отверстиями стенок, в соответствии с полезной моделью имеет газовую трубу, соединенную с центральным отверстием передней стенки, и торцевые пластины, которые закреплены между торцами стенок, и вместе с воздушными
трубками и стенками образуют газовую камеру, при этом торцовые пластины образуют с стенкой трубчатой камеры сгорания сегментные каналы для подачи дополнительного воздуха в периферийную зону горения.
Дополнительным отличием является то, что торцевые пластины имеют на своей поверхности газовые отверстия для подачи топлива в поперечное сечение сегментных каналов, причем газовые отверстия расположены на одинаковом расстоянии от краев пластин, ширина (b) пластин равняется длине (l) воздушных трубок при соотношении между длиной трубок и диаметром образованных ими воздушных каналов l/d=1...2, a воздушные и газовые отверстия размещаются на тыльной пластине в соответствии с регулярной сотовой схемой, характеризуемой одинаковым шагом между смежными воздушными трубками, одинаковым расстоянием между смежными газовыми трубками и одинаковым расстоянием центров газовых трубок от центров воздушных каналов, вокруг которых они размещены.
Выполнение трубы для подвода топлива в виде соединения с центральным отверстием в передней стенке обеспечивает равномерность распределения топлива в газовой камере и охлаждение центральной зоны тыльной стенки, а вместе со способом образования газовой камеры путем соединения воздушных трубок с воздушными отверстиями пластин внутри камеры и торцевых пластин, ширина которых равна длине воздушных трубок, с торцами стенок на периферии камеры обеспечивают упрощение конструкции и уменьшение массы и габаритных размеров горелки.
Размещение воздушных и газовых отверстий на тыльной стенке в соответствии с регулярной сотовой схемой обеспечивает повышение надежности работы и энергетических показателей горелки и уменьшение концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания.
Суть полезной модели поясняется чертежами:
Фиг.1 - показан общий вид модели горелки.
Фиг.2 - вид по стрелке А (со стороны тыльной стенки с отверстиями).
Фиг.3 - продольный разрез (по Б-Б) газовой камеры.
Газовая горелка (Фиг.1) имеет газовую трубу 1, две стенки, одна из которых 2 - передняя с воздушными отверстиями 3 (Фиг.2) большого диаметра, а вторая 4 - тыльная с воздушными отверстиями такого же диаметра и газовыми отверстиями 5 меньшего диаметра, воздушные трубки 6 и торцевые пластины 7, которые закреплены вместе с воздушными трубками между торцами стенок 2 и 4, ширина b торцевых пластин 7 равна длине l воздушных трубок 6 (Фиг.3), каждая из торцевых пластин 7 имеет дополнительные газовые отверстия 8, расположенные на одинаковом расстоянии от краев
пластин (Фиг.1), а соотношение между длиной трубок и диаметром образованных ими воздушных каналов может изменяться в диапазоне l/d=1...2 (Фиг.3).
Вместе стенки 2 и 4, воздушные трубки 6 и торцовые пластины 7 образуют газовую камеру 9 (Фиг.2). Оси воздушных 3 и газовых 5 отверстий на тыльной стенке 4 (Фиг.2) размещены в соответствии с регулярной сотовой схемой, характеризуемой одинаковым шагом между смежными воздушными трубками, одинаковым шагом между смежными газовыми трубками и одинаковым расстоянием центров газовых трубок от центров воздушных трубок, вокруг которых они размещены.
Газовая горелка работает следующим образом.
Воздух в горелку подают в канал, который образуется между горелкой и цилиндрической стенкой 10 камеры сгорания, а далее в каналы 11 воздушных трубок и в сегментные каналы 12 между торцевыми стенками горелки и цилиндрической стенкой 10 камеры сгорания. Газовое топливо подают через газовую трубу 1 в газовую камеру 9, а дальше часть его (до 60...80% от общего количества) проходит сквозь газовые отверстия 5 на тыльной стенке 4 горелки непосредственно в зону горения. Другую часть подают через отверстия 8 на торцевых пластинах в виде поперечных струй, которые смешиваются с воздухом, поступающим через сегментные каналы 12, где образуется горючая смесь газа и окислителя. Высота сегментных каналов h определяется величиной перекроши s, которая образуется между краями воздушных трубок и внешней поверхностью торцевых пластин, и технологическим зазором А между периферийными воздушными трубками и внутренней поверхностью цилиндрических стенок 10 камеры сгорания.
По такой схеме распределения топлива и воздуха на выходе из воздушных трубок 6 и сегментных каналов 12 реализуется комбинированное смесеобразование в поперечном сечении зоны горения: диффузионное - на выходе из воздушных трубок и предыдущее - на выходе из сегментных каналов.
Выходя из отверстий воздушных трубок 6, газовое топливо образует диффузионные газовые факелы, которые имеют очень высокую устойчивость горения в широком диапазоне изменений затрат газа. Эти диффузионные факелы играют роль источников зажигания для потока топливно-воздушной смеси, который выходит из сегментных каналов 12. При этом эмиссия оксидов азота в продуктах сгорания уменьшается почти вдвое при минимальном уровне эмиссии оксидов углерода.
При таком взаимном расположении конструктивных элементов горелки решается поставленная задача - упрощается конструкция и технология изготовления горелки, повышается надежность ее работы, достигается высокая энергетическая эффективность, соответствие горелки нормативным требованиям в отношении эмиссии токсичных
веществ, обеспечивается ее эффективная работа в широком диапазоне избытка окислителя, создается возможность унификации конструкций газовых горелок разной мощности за счет изменения лишь количества ярусов воздушных трубок 6.
Повышение экономической эффективности предлагаемой полезной модели достигается в процессе эксплуатации горелки за счет уменьшения потерь полного давления, что приводит к экономии затрат топлива на собственные нужды при работе горелки в составе камер сгорания ГТУ.
Источники информации:
1. Нарежный Э.Г., Сударев А.В. Камеры сгорания судовых газотурбинных установок. - Л.: Судостроение, 1973. - 221 с.
2. Турбо- и компрессоростроение / Под ред. В.А.Елисеева. - Л.: Машиностроение. - 1970. - 507 с.
3. Христич В.А., Любчик Г.Н. Газогорелочные устройства для сжигания газа при высоких и переменных избытках воздуха. - Г.: ВНИИЭГАЗПРОМ. 1978. - 59 с.
4. Любчик Г.Н. и др. Фронтовое устройство для высокотемпературных камер сгорания Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах УССР. - К.: Высшая школа, 1973. - Вып.VII. - С.6-7.
5. Любчик Г.Н., Марченко Г.С. Газовая горелка. Пат Украины №34812, МПК F23D 14/02, F23D 14/22, 2001, Бюл. №2.