Модульное вихревое горелочное устройство

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована как элемент фронтового устройства в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных установок или в качестве стабилизатора пламени в форсажных камерах турбореактивных двигателей. Существует значительное количество аналогов, содержащих лопаточный завихритель для создания зоны обратных токов и стабилизации пламени [Патент РФ 2091668, «Вихревая горелка», МПК: F23D 14/24, дата публикации: 27.09.1997], [Патент РФ 2325588, «Устройство для регулирования низкоэмиссионной камеры сгорания газовой турбины», МПК: F23R 3/26, дата публикации: 27.05.2008], [Патент РФ 2333422, «Вихревая горелка», МПК: F23C 3/00, дата публикации: 10.09.2008], [Патент РФ 2027101, «Прямоточно-вихревая горелка», МПК: F23C 11/00, F23D 14/00, дата публикации: 20.01.1995], [Патент РФ 2378576, «Горелочное устройство камеры сгорания газотурбинной установки», МПК: F23D 14/22, F23R 3/26, дата публикации: 10.01.2010].
Основной недостаток вышеупомянутых вихревых горелок заключается в том, что фронтальная поверхность горелки или кромки стабилизаторов подвергаются перегреву из-за высокой интенсивности рециркуляции горячих продуктов сгорания в зоне обратных токов, что отрицательно сказываются на сроке службы горелок. Также недостатком вышеупомянутых горелок является сложность в конструктивном исполнении и необходимость выполнения большого количества операций для изготовления и сборки горелок.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является регулируемое фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя (патент 2024775, МПК F02C 9/00, F23R 3/26, опубликовано 15.12.1994). Это регулируемое фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя также в основном состоит из завихрителя и диффузора.
Недостаток данного устройства заключается в его сложной конструкции, обусловленной наличием механического привода и подвижных деталей.
Целью полезной модели является повышение ресурса работы горелки, за счет исключения контакта пламени и горячих газов с поверхностями горелки.
Указанная цель достигается за счет того что, модульное вихревое горелочное устройство, содержащее основной завихритель (1), вспомогательный завихритель (5), установленный с возможностью закрутки потока в противоположном направлении относительно закрутки потока в основном завихрителе (1), диффузор (2), цилиндрический насадок (3), при этом вспомогательный завихритель (5) содержит отверстия охлаждения (6) и закреплен во втулке (4), которая имеет конфузорный канал (7), построенный по лемнискатной образующей.
Техническим результатом полезной модели является увеличение срока службы вихревой горелки, при низких выбросах NOx (оксидов азота) и обеспечение высокой устойчивости очага пламени внутри полезной модели от внешних возмущений.
Схема вихревой горелки изображена на рисунке.
Устройство содержит цилиндрический насадок (3), диффузор (2) с углом раскрытия 30°, лопаточный завихритель (1), конфузорный канал (7), втулка (4) с отверстиями (6), лопаточный завихритель (5).
Диффузор (2) с последующим расположенным за ним цилиндрическим насадком (3) образуют так называемую предкамеру. Газовоздушная смесь, закручиваясь в завихрителе (1), распределяется по стенкам предкамеры, создавая пелену, защищающую стенки от перегрева. Предкамера защищает пламя зоны рециркуляции от внешних возмущений за счет чего в предкамере организуется высокая степень завершенности процессов горения. Таким образом достигается модульность горелочного устройства. Для защиты центральной части завихрителя от воздействия высоких температур в нем установлена специальная втулка (4). Втулка состоит из завихрителя (5) с отверстиями в его центральной части (6), конфузорного канала (7). Таким образом, поток, проходя через завихритель (5), обретает тангенциальную составляющую скорости и растекается по внутреннему каналу (7). В свою очередь, сужающаяся часть канала не дает горячим газам проникнуть к завихрителю, а отверстия (6) в центральной части малого завихрителя (5) отодвигают зону горения вниз по потоку. При этом, газовоздушная смесь, выходящая из центральных отверстий (6), способствует интенсификации процессов смешения горячих газов со свежей смесью. Основной завихритель (1) и завихритель (5) во втулке имеют разное направление закрутки потока. Это позволяет расширить границу бедного срыва пламени на высоких расходах топливовоздушной смеси. Диапазон срыва пламени можно расширять за счет увеличения длины насадка (3) при изготовлении самой горелки. Конструкция вихревой горелки спроектирована таким образом, что ее можно изготавливать с помощью аддитивных технологий.
Устройство работает следующим образом: в горелочное устройство подается предварительно-подготовленная топливовоздушная смесь, которая проходит через основной завихритель (1), через завихритель (5) во втулке (4) и отверстия (6). Далее смесь, которая проходит через основной завихритель (1) направляется по стенкам диффузора (2) и цилиндрического насадка (3), защищая стенки от перегрева. Этот поток создает внутри предкамеры зону разряжения, в которой образуется зона обратных токов. Второй поток, проходящий через завихритель (5) во втулке, проходит через сужающийся канал, не позволяющий пламени проникнуть внутрь втулки. Далее второй поток движется вдоль стенок конфузорного канала (7), защищая его от нагрева и пламени. Третий поток, проходящий через отверстия (6) в центральной части завихрителя (5), проникает в зону обратных токов, отодвигая ее и быстро смешиваясь с горячими газами.
Дополнительно, эффект интенсификации процессов горения достигается за счет газовых струй, формируемых отверстиями во втулке, что обеспечивает интенсивное смесеобразование, повышение качества сжигания топлива, что ведет к снижению недожога и сажеобразования, повышению эксплуатационной надежности из-за исключения возможности образования явления резонансного горения.