Горелка с двухслойным вихревым противоточным течением
DOUBLE-LAYER VORTEX COUNTERCURRENT FLOW BURNER

Изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного топлива, в частности к вихревым горелкам.
Из уровня техники известна горелка, разработанная компанией PSM, применяемая в газотурбинных установках (см. статью «A Revolution in Combustion Technology for Power Generation Gas Turbines», FlameSheet, Power Systems Mfg., LLC, редакция 11/2020). Известная горелка содержит цилиндрический корпус горелки и коаксиально расположенную в нем жаровую трубу, в которой происходит процесс горения, при этом жаровая труба отделена от корпуса двумя воздушными каналами, один из которых проходит вдоль внутренней поверхности корпуса горелки, а второй канал - вдоль внешней поверхности жаровой трубы. С одного торца корпуса установлена форсунка, через которую происходит подача топлива. Воздух из первого канала проходит завихритель у начала жаровой трубы, смешивается с топливом, образуя первую топливо-воздушную смесь, и поступает в жаровую трубу. В начало жаровой трубы из второго канала также поступает закрученный воздух или топливо-воздушная смесь, если во второй канал подается она, которые перемешивается с первой смесью и после их воспламенения продукты сгорания выходят в сопло на другом конце жаровой трубы. Наличие двухслойности подвода закрученного воздуха и топлива позволяются последовательно управлять режимами работы горелки и соответственно расширить ее рабочие характеристики . В частности, на частичной ( долевой) нагрузке может работать только первый канал или первая ступень горения, а при увеличении нагрузки ГТУ подключается управление подачей топлива во втором канале дополнительно. Тем самым оптимизируется распределение подачи топлива для улучшения экологических характеристик на номинальных и частичных нагрузках, а также расширяется диапазон работы горелки на частичных нагрузках ( так называемый Turndown) .
Указанная горелка является наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению и была использована в качестве прототипа.
Ее недостатком является сложность изготовления и отсутствие возможности охлаждения внутренней поверхности жаровой трубы, в результате чего приходится применять на ней дорогостоящее теплозащитное покрытие.
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощение конструкции горелки с двухслойным вихревым противоточным течением, которая обеспечивает низкую температуру внутренней поверхности жаровой трубы, тем самым устраняя необходимость использования дорогостоящего теплозащитного покрытия, а также улучшена стабилизация процесса горения и имеется возможность сжигания при более высоких коэффициентах избытка воздуха (бедные смеси) в связи с образованием внутри жаровой трубы противоточного вихревого течения.
Указанный результат достигается тем, что горелка с двухслойным вихревым противоточным течением содержит цилиндрический корпус горелки и коаксиально установленные в него жаровую трубу и сопло, в которой между корпусом горелки и жаровой трубой имеется воздушный канал, жаровая труба имеет переднюю стенку, на которой расположено входное окно, и заднюю стенку, на которой расположено сопло, на корпусе горелки установлено устройство подачи топлива во входное окно, в воздушном канале у входного окна имеется завихритель, при этом у задней стенке расположены дополнительный завихритель и дополнительное устройство подачи топлива, а сопло частично размещено внутри жаровой трубы.
Дополнительный завихритель у задней стенке жаровой трубы обеспечивает создание периферийного вихревого движения воздуха вблизи внутренней поверхности трубы, таким образом поверхность жаровой трубы с двух сторон омывается «холодным» воздухом: со стороны воздушного канала и созданным внутри дополнительным завихрителем вихрем, тем самым снижая ее температуру, в связи с чем отсутствует необходимость в наличии дорогостоящего теплозащитного покрытия. Кроме того, разворот периферийного вихря у передней стенки жаровой трубы обеспечивает устойчивую зону стабилизации пламени и процесса горения в приосевой части жаровой трубы.
Подробное описание конструкции горелки и принцип ее работы будет изложено ниже.
Изобретение поясняется фигурой, на которой изображена схема конструкции предлагаемой горелки с двухслойным вихревым противоточным течением.
Заявленная горелка содержит цилиндрический корпус горелки, жаровую трубу, внутри которой происходит процесс горения, и сопло, через которое выходят продукты горения. Жаровая труба и сопло коаксиально расположены в цилиндрическом корпусе горелки.
Жаровая труба имеет переднюю и заднюю стенки. На передней стенке имеется входное окно, которое может быть выполнено в виде обычного отверстия в стенке либо установленного в него кольца. На задней стенке устанавливается сопло, при этом в одном из вариантов изобретения, сопло устанавливается таким образом, что оно частично размещается внутри жаровой трубы (см. на фиг.), препятствуя утечке газов напрямую в сопло после выхода из дополнительного завихрителя.
Жаровая труба устанавливается с зазором к корпусу горелки, образуя воздушный канал, по которому поступает воздух в жаровую трубу. В воздушном канале у входного окна жаровой трубы установлен завихритель, который создает приосевой вихревой поток внутри трубы. Жаровая труба имеет также дополнительный завихритель, расположенный возле задней стенки, который образует периферийный вихревой поток внутри жаровой трубы, при этом направление этого потока противоположно направлению приосевого потока, образованного первым завихрителем (в результате получается двухслойная структура потока внутри трубы).
Горелка имеет два устройства подачи топлива, которые осуществляют подачу топлива в соответствующие завихрители, которое смешивается там с воздухом перед возгоранием.
Элементы горелки могут изготавливать из различных материалов, применяемых в уже известных горелках, например из жаропрочных сталей.
В качестве устройства подачи топлива могут использоваться различные устройства, обеспечивающие поступление топлива внутрь жаровой трубы. Примером такого устройства являются разнообразные форсунки для жидкого или газообразного топлива.
В качестве топлива, используемого в заявленной горелке, может применяться газообразное (например, метан, пропан или другом топливе с большим содержание водорода (до 60-80% по массе)) или жидкое (например, дизельное или керосин) высококалорийное топливо.
Ниже приведен принцип работы горелки с двухслойным вихревым противоточным течением, схема конструкции одного из вариантов выполнения которой показана на прилагаемой фигуре, где стрелками показано направления движения газов.
Воздух под давлением подается в воздушный канал. Проходя через завихритель (завихритель 1), установленный у входного окна, он закручивается и перемешивается с топливом (топливо 1), подаваемым устройством подачи топлива, образуя приосевой закрученный поток горючей смеси (топливо-воздушной смеси) внутри жаровой трубы, которая воспламеняется. Также воздух из воздушного канала поступает в дополнительный завихритель (завихритель 2), расположенный возле задней стенки, где перемешивается с топливом (топливо 2), подаваемым дополнительным устройством подачи топлива. После прохождения дополнительного завихрителя, полученная смесь образует периферийный вихревой поток, направленный в сторону передней стенки, достигая которой он соединяется с приосевым потоком. Воспламененная смесь в приосевом потоке покидает жаровую трубу через сопло.
В предложенной конструкции корпус жаровой трубы с двух сторон омывается воздухом (со стороны воздушного канала и периферийном вихрем), то ее температура оказывается низкой и не требует дополнительных мероприятий по ее охлаждению, в частности, нанесения дорогостоящего теплозащитного покрытия. Кроме того, использовании противоточного вихревого течения улучшает стабилизацию процесса горения в приосевом вихре и позволяет сжигание при более высоких коэффициентах избытка воздуха (используются бедные смеси). В данной конструкции ( в отличие от прототипа) на частичных нагрузках может одинаково эффективно работать как первая ступень с подачей топлива только в завихритель между стенками , так и отдельно вторая ступень с подачей топлива через дополнительный завихритель. На номинальном режиме топливо подается в оба завихрителя , обеспечивая оптимальную работу горелки.