КАМЕРА СГОРАНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
PREMIXING COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к области энергетического, транспортного, химического машиностроения и может быть использовано в газотурбинных установках (ГТУ).
Известна камера сгорания (КС) предварительного смешения газотурбинной установки, содержащая горелочное устройство с по меньшей мере одним направляющим аппаратом для крутки потока топливовоздушной смеси и цилиндрической выходной частью, а также жаровую трубу со входной частью в виде диффузора [1] - ближайший аналог. Недостатком данной КС является относительно высокий уровень неполноты сгорания, для снижения которого приходится увеличивать длину или объем жаровой трубы.
Целью изобретения является повышение полноты сгорания топлива. Достигаемый технический результат - дополнительная стабилизация горения за выступами гофр внешнего слоя закрученного потока топливовоздушной смеси.
Это обеспечивается тем, что в КС предварительного смешения ГТУ, содержащей горелочное устройство с по меньшей мере одним направляющим аппаратом для крутки потока топливовоздушной смеси и цилиндрической выходной частью, а также жаровую трубу со входной частью в виде диффузора, согласно изобретению диффузор выполнен с равномерно расположенными по его окружности сплошными гофрами, продольными или отклоненными от продольного направления на угол 0°<α<90°. При этом гофры могут быть выполнены односторонними с выступами, обращенными внутрь диффузора, или двухсторонними. Каждый гофр может иметь в поперечном сечении форму полуокружности. По другому варианту каждый гофр может иметь форму зуба с плоской одной стороной и скругленной - другой, а угол β между плоской стороной зуба и плоскостью, касательной к поверхности диффузора в месте ее пересечения с указанной плоской стороной, лежит в пределах β=(80÷100)°, причем скругленная сторона зуба ориентирована встречно по отношению к результирующему с учетом крутки вектору скорости потока топливовоздушной смеси. Каждый гофр может иметь также форму зуба с двумя плоскими сторонами, а угол β между одной из сторон зуба и плоскостью, касательной к поверхности диффузора в месте ее пересечения с указанной стороной зуба, лежит в пределах β=(80÷100)°, причем встречно по отношению к результирующему с учетом крутки вектору скорости потока топливовоздушной смеси ориентирована другая сторона зуба.
Проверка уровня техники с точки зрения известности отличительных признаков данного технического решения в близкой области выявила наличие патента [2], согласно которому входная часть жаровой трубы КС ГТУ выполнена в виде диффузора с продольными гофрами. Однако известность такого технического решения не может служить основанием для вывода о несоответствии предложенной КС условию изобретательского уровня по следующим причинам. В горелочном устройстве согласно [2] не предусматриваются предварительное смешение топлива с воздухом и закрутка топливовоздушного потока направляющим аппаратом. Существенная часть воздуха в зону горения топлива подается через предусмотренные в стенках гофр диффузора отверстия. Таким образом, при общей цели (повышение полноты сгорания топлива в КС) она обеспечивается разными техническими средствами. Согласно [2] полнота сгорания достигается за счет турбулизации прямоточного потока топлива поперечными струями воздуха, поступающими через отверстия в гофрах. При этом использование гофр позволяет существенно увеличить площадь размещения отверстий и, следовательно, их количество. Согласно же настоящему изобретению увеличение полноты сгорания достигается за счет срыва закрученного потока топливовоздушной смеси на выступах гофр и созданию за ними зон обратных токов, что приводит к образованию дополнительных зон стабилизации горения. Отверстия в гофрах в этом случае не только не нужны, но и недопустимы, так как поступающий через них воздух будет разбавлять топливовоздушную смесь, что приведет к ухудшению полноты сгорания топлива.
На фиг.1 изображена в продольном разрезе КС согласно изобретению с диффузором жаровой трубы, выполненным со сплошными продольными односторонними гофрами, имеющими в поперечном сечении форму полуокружности; на фиг.2 - то же в аксонометрической проекции; на фиг.3 - КС в продольном разрезе с диффузором жаровой трубы, выполненным со сплошными продольными односторонними гофрами, имеющими форму зуба с плоской одной стороной и скругленной - другой; на фиг.4 - то же в аксонометрической проекции; на фиг.5 - КС в продольном разрезе с диффузором жаровой трубы, выполненным со сплошными односторонними гофрами, отклоненными от продольного направления и имеющими форму зуба с двумя плоскими сторонами; на фиг.6 - то же в аксонометрической проекции; на фиг.7 - КС в продольном разрезе с диффузором жаровой трубы, выполненным со сплошными продольными двухсторонними гофрами, имеющими в поперечном сечении форму полуокружности; на фиг.8 - то же в аксонометрической проекции.
КС ГТУ согласно изобретению содержит горелочное устройство 1 (фиг.1, 3, 5, 7) с двумя направляющими аппаратами соответственно 2, 3 для крутки потока топливовоздушной смеси и цилиндрической выходной частью 4, а также жаровую трубу (на чертеже не показана) со входной частью в виде диффузора 5 (фиг.1-8), выполненного с равномерно расположенными по его окружности сплошными гофрами 6. Гофры 6 могут быть продольными (фиг.1-4, 7, 8), то есть расположенными вдоль образующих поверхности диффузора 5, или отклоненными от продольного направления на угол 0°<α<90° (фиг.5, 6). Гофры 6 могут быть выполнены односторонними с выступами, обращенными внутрь диффузора (фиг.1-6), или двухсторонними (фиг.7, 8). Каждый гофр 6 может иметь в поперечном сечении форму полуокружности (фиг.1, 2, 7, 8) или форму зуба (фиг.3, 4, 5, 6). При этом зуб может быть выполнен с плоской одной стороной 7 и скругленной другой стороной 8 (фиг.3, 4) или с двумя плоскими сторонами 7, 9 (фиг.5, 6), а угол β между плоской стороной 7 зуба и плоскостью, касательной к поверхности диффузора 5 в месте ее пересечения с плоской стороной 7 в обоих вариантах, лежит в пределах β=(80÷100)°, причем скругленная сторона 8 зуба по варианту фиг.3, 4 или плоская сторона 9 по варианту фиг.5, 6 ориентированы встречно по отношению к результирующему с учетом крутки вектору скорости потока топливовоздушной смеси (на фиг.6 показан стрелками). Число и размер гофр определяется из условия обеспечения максимальной полноты сгорания топлива. Гофры могут быть полыми с заглушенными торцами или с полостями, заполненными металлом.
Горелочное устройство КС согласно изобретению более детально содержит две коаксиально расположенные обечайки - внутреннюю обечайку 10 и наружную обечайку 11. Они образуют соответственно внутренний канал 12 и внешний канал 13 для подачи воздуха, создающими вместе с расположенными в них топливоподводящими элементами соответственно пилотную и основную горелки. Во внутреннем канале 12 установлен топливоподводящий элемент, содержащий топливораздающую трубку 14, расположенную вдоль оси горелочного устройства, с выпускными отверстиями 15 на торце, радиальные топливоподводящие патрубки 16, кольцевой коллектор 17 и штуцер 18 подвода топлива. На входе во внутренний канал 12 топливораздающая трубка 14 имеет лобовой обтекатель 19. Во внешнем канале 13 установлен топливоподводящий элемент, содержащий кольцевой коллектор 20, радиальные топливораздающие трубки 21 и штуцер 22 подвода топлива. В выходной части внутренней обечайки 10 выполнена охлаждающая ее внешнюю стенку 23 кольцевая полость 24, сообщенная радиальными входными отверстиями 25 с внутренним каналом 12 и торцевыми выходными отверстиями 26 - со внешним каналом 13 подачи воздуха.
Работа КС согласно изобретению осуществляется следующим образом. Вначале в кольцевые каналы 12, 13 (фиг.1, 3, 5, 7) подается воздух. Затем подается топливо в пилотную горелку через штуцер 18, кольцевой коллектор 17, радиальные топливоподводящие патрубки 16 и топливораздающую трубку 14 с выпускными отверстиями 15 и производится зажигание образующейся топливовоздушной смеси. После этого осуществляют подачу основной массы топлива во внешний канал 13 горелочного устройства. При этом топливо через штуцер 22, кольцевой коллектор 20 и топливораздающие трубки 21 подают во внешний канал 13 перед установленным в нем направляющим аппаратом 3 для предварительного перемешивания с воздухом с целью получения гомогенной топливовоздушной смеси на входе в зону воспламенения камеры сгорания (на чертеже не показана). Закрученный поток топливовоздушной смеси из горелочного устройства поступает в жаровую трубу через гофрированный диффузор 5. При этом на выступах гофр 6 происходит срыв течения этого потока, что приводит к образованию дополнительных зон стабилизации факела и увеличению фронта горения, обеспечивая сокращение длины факела и увеличение полноты выгорания топлива по длине КС. Конкретное значение угла α отклонения гофра от продольного направления в заявленном диапазоне выбирается во всех вариантах из условия перпендикулярности продольной оси гофра по отношению к результирующему с учетом крутки вектора скорости потока топливовоздушной смеси. Выбор угла β в пределах заявленного диапазонов в вариантах фиг.3, 4 и 5, 6 обеспечивает максимальную эффективность срыва гофрами течения потока топливовоздушной смеси.
Источник информации
1. RU 2137042, 6 F23D 14/20, 1999.
2. SU 1476255, 4 F23R 3/16, 1989.