ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER DEVICE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.
Известно горелочное устройство (US 2001052229, МКИ F23R 3/14, опубл. 20.12.2001), разработанное специалистами фирмы General Electric. Горелочное устройство состоит из цилиндрического кожуха, цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиального лопаточного завихрителя и системы отверстий для подачи топлива в кольцевой канал, размещенных на лопаточном завихрителе, а также струевыпрямителя на входе в горелочное устройство. Основной недостаток этого горелочного устройства заключается в необходимости ограничивать процесс смешения малыми временами смешения, поскольку большие времена смешения приводят к возбуждению самоподдерживающихся колебаний давления. Кроме того, в данном горелочном устройстве струя закрученной топливовоздушной смеси, воспламенившейся в объеме камеры сгорания, за счет центробежных сил имеет большой угол раскрытия и тем самым большую радиальную составляющую скорости. Большая радиальная составляющая скорости высокотемпературной закрученной струи приводит к высоким коэффициентам теплоотдачи при торможении данной струи на стенках жаровой трубы.
5
Известна камера сгорания (US 6691515, МКИ F23D 14/82, опубл. 17.02.2004), в которой подача топлива разделена на подачу в центральное горелочное устройство и в несколько дополнительных каналов предварительного смешения, обеспечивающих высокий уровень смешения. За счет разницы в точках подвода предварительно перемешанной смеси из центрального горелочного устройства и из дополнительных каналов смешения создаются условия для подавления самоподдерживающихся колебаний давления вследствие различных времен запаздывания.
Недостатком известной камеры является то, что из-за различного времени пребывания в зоне горения топливовоздушной смеси из центрального горелочного устройства и смеси из дополнительных каналов повышается уровень выбросов угарного газа.
Известно горелочное устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее цилиндрический кожух и цилиндрическую втулку с расположенной внутри магистралью подвода топлива, которые образуют кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, установленный между цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой, систему отверстий и пилонов, а также газовые сопла, установленные за аксиальным лопаточным завихрителем (патент РФ №2137042, МПК F23D 14/20, опубл. 10.09.1999).
Недостаток прототипа заключается в невозможности обеспечения полного смешения топлива с воздухом при одновременном обеспечении широкого диапазона устойчивой работы горелочного устройства.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства, снижение температуры стенки жаровой трубы, а также улучшение экологических характеристик устройства.
Поставленная задача решается тем, что горелочное устройство содержит основной цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие основной кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, газовые отверстия для подачи топлива в основной кольцевой канал. В отличие от прототипа устройство содержит дополнительный цилиндрический кожух, соосный с основным цилиндрическим кожухом и образующий с ним дополнительный кольцевой канал, на входе которого расположен смеситель топливовоздушной смеси.
Согласно изобретению смеситель топливовоздушной смеси выполнен в виде отверстий для подачи воздуха, расположенных на дополнительном цилиндрическом кожухе, и отверстий для подачи топлива, расположенных на втулке, установленной между основным и дополнительным цилиндрическими кожухами.
Согласно изобретению горелочное устройство содержит дополнительный топливный клапан для регулирования подачи топлива между газовыми отверстиями для подачи топлива в основной кольцевой канал и смесителем топливовоздушной смеси, расположенным на входе в дополнительный кольцевой канал.
В дополнительном кольцевом канале происходит смешение топлива с воздухом, и на его выходе, расположенном в объеме камеры сгорания, вытекает хорошо перемешанная топливовоздушная смесь без закрутки потока. Подача в зону горения хорошо перемешанной топливовоздушной смеси без закрутки потока позволяет подавить образование периодически образующихся вихревых упорядоченных структур в периферийной области горелочного устройства и тем самым позволяет подавить самоподдерживающиеся пульсации давления. Это предотвращает возникновение динамической неустойчивости горения (J.U.Schluter Static Control of Combustion Oscillations by Coaxial Flows: A Large-Eddy Simulations Investigations, Journal of Propulsion and Power, 20 (3); 460-467, 2004).
В устройстве по патенту US 6691515 известно применение нескольких каналов подачи предварительно подготовленной топливовоздушной смеси, и также созданы условия для подавления самоподдерживающихся колебаний давления. Однако в известном техническом решении дополнительные каналы, выполненные в виде отдельных узлов, соединенных с жаровой трубой, расположены значительно ниже по потоку от среза горелочного устройства. В результате, время пребывания в зоне горения топливовоздушной смеси, поступающей из основного канала, и смеси, поступающей из дополнительных каналов, различно, что приводит к росту выбросов угарного газа.
В заявляемом же изобретении время пребывания в зоне горения потоков топливовоздушной смеси из основного и дополнительного каналов одинаково, что устраняет указанный недостаток известного решения и улучшает экологические характеристики горелочного устройства. Кроме того, расположение смесителя на большом удалении от среза горелочного устройства позволяет обеспечить хорошее смешение топливовоздушной смеси в дополнительном кольцевом канале, что позволяет снизить эмиссию оксидов азота.
Распределенная подача топлива между двумя контурами предварительного смешения с помощью топливного клапана позволяет обеспечить устойчивость горения на пониженных режимах без применения диффузионной подачи топлива и также снизить эмиссию оксидов азота на режимах пониженной нагрузки при соблюдении ограничений на эмиссию оксида углерода (СО).
Кроме того, смешение потока без закрутки, поступающего из дополнительного канала, с закрученным потоком плохо перемешанной топливовоздушной смеси, поступающим из основного канала в камеру сгорания, приводит к уменьшению угла раскрытия струй в камере сгорания и тем самым к уменьшению коэффициента теплоотдачи к стенкам жаровой трубы. Уменьшение коэффициента теплоотдачи приводит к уменьшению температуры стенок жаровой трубы.
Из уровня техники не известно и не очевидно, что в результате предложенных отличительных признаков достигается увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства, улучшение экологических характеристик устройства.
Существо изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема горелочного устройства.
Горелочное устройство содержит основной цилиндрический кожух 1, цилиндрическую втулку 2, образующие основной кольцевой канал 3 для прохода воздуха, магистраль 4 подвода топлива, газовые отверстия 5 для подачи топлива в основной кольцевой канал 3, аксиальный лопаточный завихритель 6, дополнительный цилиндрический кожух 7, соосный с основным цилиндрическим кожухом 1 и образующий с ним дополнительный кольцевой канал 8, на входе которого расположен смеситель 9 топливовоздушной смеси. Смеситель 9 образован воздушными отверстиями 10 и отверстиями 11 для подачи топлива, расположенными на газораспределителе 12. Позицией 13 обозначен топливный клапан для регулирования подачи топлива между газовыми отверстиями 5 и смесителем 9, введенный для улучшения пусковых характеристик горелочного устройства, и позволяет на запуске увеличить концентрацию топлива, поступающего в дополнительный кольцевой канал 8. В процессе перехода на рабочие режимы с помощью данного клапана обеспечивается оптимальная концентрация топлива в основном и дополнительном каналах.
Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает в основной кольцевой канал 3 горелочного устройства, закручивается, проходя через аксиальный лопаточный завихритель 6, и далее попадает в первичную зону смешения. Газ, проходя по магистрали 4 подвода топлива и охлаждая цилиндрическую втулку 2, через газовые отверстия 5 также подается в зону смешения в основном кольцевом канале 3. Дополнительный поток воздуха поступает в смеситель 9 топливовоздушной смеси, из которого поступает в дополнительный кольцевой канал 8, в котором также происходит смешение топлива с воздухом. В связи с тем, что смеситель 9 расположен на большом удалении от среза горелочного устройства, топливовоздушная смесь хорошо смешивается. Смесь из основного 3 и дополнительного канала 8 горелочного устройства поступает в камеру сгорания. Топливовоздушная смесь из основного кольцевого канала 3 имеет закрутку, что приводит к образованию на выходе из горелочного устройства центральной рециркуляционной зоны, в которой обеспечивается стабилизация горения топливовоздушной смеси, а устойчивость стабилизации горения обеспечивается малым временем смешения топливовоздушной смеси в основном канале 3. Дополнительный поток топливовоздушной смеси из дополнительного канала 8 не имеет закрутки, за счет чего при встрече его с основным потоком, выходящим из канала 3, происходит разрушение крупномасштабных вихревых структур, образованных основным потоком. Это предотвращает возникновение динамической неустойчивости горения и замедляет раскрытие основного потока, что, в свою очередь, уменьшает коэффициент теплоотдачи со стороны продуктов сгорания на стенку жаровой трубы (не показана).
Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве благодаря выполнению новых конструктивных элементов обеспечивается улучшение экологических характеристик, увеличивается диапазон устойчивой работы горелочного устройства и снижается температура стенки жаровой трубы.