МАЛОЭМИССИОННАЯ ГОРЕЛКА

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для сжигания топливного газа в камерах сгорания стационарных газотурбинных установок.
Расширение сетей газопроводов, увеличение их протяженности требуют значительного количества газотурбинных установок. Станции газоперекачки, как правило, располагаются в малонаселенных, а порой в труднодоступных районах, что затрудняет обслуживание и ремонт оборудования. Достаточно часто при эксплуатации газотурбинных установок выявляются дефекты, связанные с высокотемпературной эрозией материала деталей камеры сгорания и турбины. Поэтому проведение планово-предупредительных ремонтных работ находится в числе главных организационно-технических мероприятий по поддержанию длительной работоспособности газотурбинных установок. В силу того, что производство современных газотурбинных двигателей для газотурбинных установок является одним из самых дорогостоящих производств, особо значима задача повышения эффективности их эксплуатации за счет сокращения длительности ремонта, материальных и финансовых затрат на его проведение.
На современном рынке газотурбинных установок выполнение требований по содержанию вредных веществ в выхлопных газах обязательно. Одним из условий, обеспечивающих приемлемый уровень эмиссии вредных веществ, является организация процесса горения в камере сгорания бедной, гомогенной (предварительно хорошо перемешанной) топливо-воздушной смеси (см. патент RU 94665 U1, МПК F23R 3/14; патент RU 2451878 С1, МПК F23D 14/02; патент RU 2451881 С2, МПК F23R 3/42; патент RU 2453765 С2, МПК F23D 14/02) с температурой пламени не выше 1750°К, что обеспечивается строго дозированной подачей воздуха и топлива в горелки камеры сгорания. Важность точности дозировки топлива и воздуха в том, что образование локальных зон с различным соотношением топливо - воздух приводит к ухудшению экологических характеристик и окружной неравномерности ноля температур газов на выходе из камеры сгорания.
Прототипом заявляемого технического решения является «Малоэмиссионная горелка» (патент RU №2442932 С1, МПК F23R 3/14).
Конструкция горелки прототипа основана на изготовлении ее основных деталей методом литья и их соединения посредством энергоемких процессов сварки и пайки. При возникновении необходимости ремонта, горелку приходится менять на новую, а дефектную горелку браковать или подвергать сложному ремонту, требующему наличия специальной технической базы, что влечет удорожание ремонта и увеличение длительности его проведения.
По причине широких допусков на изготовление деталей методом литья увеличивается и поле разброса параметров горелок, входящих в комплект камеры сгорания. Данное обстоятельство приводит к ухудшению таких параметров как - эмиссия вредных веществ и неравномерность температурного поля газов на выходе из камеры сгорания.
Задачей заявляемого технического решения являются:
- повышение стабильности характеристик камеры сгорания,
- сокращение длительности проведения ремонтных работ,
- снижение материальных и финансовых затрат на изготовление и ремонт камеры сгорания.
Поставленная задача решается тем, что в малоэмиссионной горелке, содержащей форсунку, корпус с соплом и штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения; уступ-турбулизатор, расположенный перед завихрителем воздуха; завихритель воздуха, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива; центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в дежурную зону, элементы конструкции горелки, подверженные высокотемпературной эрозии - топливная форсунка, насадок центрального тела выполнены съемными, а детали горелки соединяются между собой посредством посадок с натягом и резьбовых пар. Кроме этого, в малоэмиссионной горелке уступ-турбулизатор выполнен съемным, а сопло крепится на жаровую трубу камеры сгорания и сопрягается с корпусом горелки посредством телескопического соединения.
На фигуре 1 представлен общий вид малоэмиссионной горелки.
На фигуре 2 представлен продольный разрез малоэмиссионной горелки, на котором показано взаимное расположение основных элементов ее конструкции.
Горелка содержит корпус 1, отлитый совместно со штоком 2, в котором выполнены каналы 14 и 15 подвода топлива в дежурную и основную, соответственно, зоны горения, и, расположенный перед завихрителем 3, уступ-турбулизатор 6. В центральном теле 5 завихрителя с помощью болта 8 закреплена форсунка 7, через отверстия 17 в которой, подается топливо в дежурную зону горения. Герметизация топливной полости форсунки 7 обеспечивается установкой уплотнительных колец 9 под головку болта 8 и форсунку 7. На выходе из горелки на торце центрального тела 5 расположен насадок 10, формирующий зону обратных токов. Взаимное расположение корпуса 1 и завихрителя 3 фиксируется винтами 11, а насадка 10 и форсунки 7 в центральном теле 5 - штифтом 18. Сопло 4 горелки, в отличие от прототипа, выполнено отдельной деталью, устанавливаемой на жаровую трубу 21 камеры сгорания, соединение горелки с соплом телескопическое. Топливо в горелку поступает через штуцеры 12 и 13, располагаемые на штоке горелки. Охлаждение поверхности насадка 10 осуществляется воздухом, входящим в горелку через окна 19 и истекающим через отверстия 20 в форсунке 7.
Съемный уступ-турбулизатор, изготовленный с высокой точностью механической обработкой, позволяет компенсировать разницу пропускных характеристик горелок в комплекте и осуществлять настройку каждой горелки на оптимальный состав топливо-воздушной смеси (ТВС). Это достигается установкой турбулизатора с внутренним диаметром необходимого размера, определяемого расчетным путем, с последующим экспериментальным определением пропускной способности горелки. Наличие в горелке съемного уступа-турбулизатора позволяет восстанавливать в условиях эксплуатирующей организации экологические характеристики камеры сгорания, ухудшающиеся в процессе эксплуатации газотурбинной установки.
Соединение и удержание деталей горелки между собой посредством разъемных соединений, посадок с натягом и резьбовых пар, позволяет обойтись при изготовлении горелки без энергоемких техпроцессов, таких как сварка и пайка, а при ремонте горелки достаточно заменить дефектную деталь. Столь простой ремонт, который можно провести без съема газотурбинного двигателя на территории эксплуатирующей организации, значительно дешевле ремонта горелки на специализированном предприятии.
При работе такой разборной малоэмиссионной двухконтурной горелки реализуется способ сжигания бедной, гомогенной топливо-воздушной смеси основной зоны в диффузионном пламени дежурной зоны горения. Струи топлива дежурной зоны через отверстия 17 форсунки 7 внедряются в закрученный поток топливо-воздушной смеси основной зоны горения. Горение дежурного топлива происходит диффузно в обратных токах за центральным телом 5. Топливо основного контура через большое количество мелких отверстий 16 в полых лопатках завихрителя 3 впрыскивается в поток воздуха, входящий в завихритель горелки за попутным уступом-турбулизатором 6. В канале, образованным наружной стенкой и центральным телом завихрителя, образуется бедная, однородная по составу топливо-воздушная смесь основной зоны. Горение топливо-воздушной смеси основной зоны в закрученной струе обеспечивается подводом тепла от горения дежурного факела в следе за центральным телом. В результате организации в горелке взаимоподдерживающего горения двух зон, обеспечивается устойчивый процесс горения на всех режимах работы газотурбинного двигателя.