ЛОКАЛЬНОЕ УЛУЧШЕНИЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВОЗДУХА И ТОПЛИВА В ГОРЕЛКАХ, СНАБЖЕННЫХ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ, ИМЕЮЩИМИ СКРЕЩЕННЫЕ В НАРУЖНОЙ ОБЛАСТИ КОНЦЫ ЛОПАТОК
LOCAL IMPROVEMENT OF AIR AND FUEL MIXING IN BURNERS SUPPLIED WITH SWIRLERS WITH BLADE ENDS CROSSED AT OUTER AREA

Изобретение касается горелки, имеющей подмешивающие топливо завихрители, и, в частности, локального улучшения перемешивания воздуха и топлива.
Равномерное подмешивание топлива к топочному воздуху является центральной конструкторской задачей при разработке горелок, которые эксплуатируются в области так называемого сгорания бедных предварительно перемешанных смесей. Диапазон температуры сгорания бедных, предварительно перемешанных смесей в газовых турбинах предлагается специально из-за обусловленного материалом ограничения выходной температуры топочной камеры для контроля выбросов окислов азота. Трудностью при сгорании предварительно перемешанных смесей, в частности, под давлением, является устранение неконтролируемых явлений сгорания/самовоспламенений в пределах участка предварительного перемешивания, которые, как правило, связаны с разрушением участка предварительного перемешивания.
x
В качестве основного правила может быть принято, что результатом наиболее гомогенного возможного перемешивания являются также минимальные выбросы NO.
Как правило, технические горелки сконструированы примерно вращательно-симметрично и часто имеют один или несколько концентрично расположенных друг вокруг друга завихрителей. Между тем уровнем техники является выполнение лопаток завихрителей в виде полых лопаток и одновременно использование в качестве элементов для впрыскивания топлива, см., например, WO 2011/023669. Такие системы чаще всего приводят к тому, что имеется значительное отличие расстояния между двумя соседними лопатками на втулке по сравнению с наружным сечением, т.е. лопатки со стороны втулки, как правило, находятся значительно ближе друг к другу, чем снаружи. При этом возникает проблема впрыскивания топлива, прежде всего радиально наружу, достаточно далеко в промежуток между двумя лопатками для достижения наилучшего возможного перемешивания, в то время как со стороны втулки достичь этого значительно легче.
Есть предложения решения этой проблемы. Но, как правило, улучшение получается не очень большим.
Примеры:
- увеличение диаметра топливного отверстия изнутри наружу. Тем самым, хотя и удается достичь частичного, пусть даже не совсем достаточного улучшения глубины проникновения струй топлива, но одновременно увеличивается необходимый участок перемешивания (примерно пропорционально диаметру топливного отверстия);
- увеличение количества лопаток. В конструктивном и аэродинамическом отношении это ограничено имеющимся в распоряжении местом на втулке и увеличивающейся блокировкой воздушного потока со стороны втулки;
- использование сильно 3-мерных профилей лопаток с толщиной лопатки, увеличивающейся с возрастающим расстоянием до втулки. При этом также возникают проблемы, касающиеся аэродинамического контура лопатки, на этот раз в наружном сечении, чтобы от большой толщины лопатки в плоскости топливных отверстий снова прийти к очень тонкому концу лопатки, т.е. лопатки снаружи стали бы тогда очень длинными.
Задачей изобретения является предоставить горелку вышеназванного рода, которая обеспечит возможность улучшенного перемешивания воздуха и топлива, в частности в находящихся радиально снаружи областях участка предварительного перемешивания.
Изобретение решает эту задачу, предусматривая, что у такого рода горелки, имеющей выполненный в поперечном сечении по существу кольцевым канал подачи воздуха и предварительного перемешивания, по которому при эксплуатации протекают воздух и топливо, который образован наружной оболочкой и втулкой, и в котором установлено несколько лопаток завихрителя, распространяющихся от втулки до наружной оболочки в радиальном направлении и имеющих направляющую поверхность, в радиальной наружной области лопаток завихрителя угол схода потока относительно основного направления потока на конце схода потока направляющей поверхности в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается.
Изобретение исходит из того известного факта, что локально имеющаяся интенсивность турбулентности представляет собой дополнительный параметр воздействия на подмешивание топлива к воздуху. Повышение интенсивности турбулентности оказывает действие, способствующее перемешиванию.
Поэтому предлагается, в частности, в наружном сечении повышать интенсивность турбулентности или, соответственно, создавать вихревые дорожки, способствующие перемешиванию.
1
3
2
В одном из предпочтительных вариантов осуществления угол α схода потока на находящемся радиально внутри конце схода потока направляющей поверхности лежит между углом α схода потока конца схода потока, находящегося радиально снаружи, и углом α схода потока конца схода потока, находящегося между ними. Тогда в зонах среза областей с разными углами схода потока из-за среза турбулентность локально повышается в виде вихревой дорожки.
2
При этом может быть целесообразно, если соседние лопатки завихрителя имеют разные радиальные направления своих углов α схода потока.
Предпочтительно лопатки завихрителя по меньшей мере частично выполнены в виде полых лопаток, имеющих выпускные отверстия для топлива.
Целесообразно, если канал подачи воздуха и предварительного перемешивания концентрически окружает центральную систему запальной горелки.
Локальное применение турбулентности, способствующей перемешиванию, за счет «скрещенных» друг относительно друга концов лопаток, улучшает качество перемешивания в наружном сечении, без сильного влияния на области, находящиеся внутри. Кроме того, качество перемешивания становится менее зависимым от условий эксплуатации.
Изобретение поясняется более подробно на примерах с помощью чертежей. Показано без соблюдения масштаба:
фиг. 1 - горелка на сильно схематизированном принципиальном эскизе;
фиг. 2 - вид сверху развернутой части системы главной горелки;
фиг. 3 - вид сверху лопатки завихрителя и
фиг. 4 - сечения лопатки завихрителя, смещенные в радиальном направлении от втулки к наружной оболочке.
Показанная на фиг. 1 горелка 1, которая при необходимости может применяться в сочетании с несколькими однотипными горелками, например, в топочной камере газотурбинной установки, включает в себя внутреннюю систему 2 запальной горелки и концентрически окружающую эту внутреннюю систему 2 запальной горелки систему 3 главной горелки. Как система 2 запальной горелки, так и система 3 главной горелки могут эксплуатироваться, на выбор, с газообразными и/или жидкими топливами, такими как, например, природный газ или жидкое топливо.
Система 3 главной горелки включает в себя радиальный наружный канал 4 подачи воздуха и предварительного перемешивания, называемый также кольцевым воздушным каналом, который образован наружной оболочкой 5 и втулкой 6 и через который распространяются лопатки 7 завихрителя лопаточного аппарата завихрителя. Эти лопатки 7 завихрителя имеют выпускные отверстия 8 для топлива, через которые горючий газ может впрыскиваться в воздух, втекающий по каналу 4 подачи воздуха и предварительного перемешивания.
На фиг. 2 показана развернутая часть системы 3 главной горелки на виде сверху, имеющей лопатки 7 завихрителя, и пояснены области хорошего 9 и плохого подмешивания 10 топлива к воздуху. Радиально внутри, то есть вблизи втулки 6, лопатки 7 стоят сравнительно плотно друг к другу, так что топливо может впрыскиваться достаточно далеко в промежуток между двумя лопатками 7 для достижения наилучшего возможного перемешивания. Радиально снаружи, вблизи наружной оболочки 5, лопатки 7 соответственно больше удалены друг от друга, вследствие чего достаточно далекое впрыскивание топлива в воздух затруднено.
На фиг. 3 показан вид направляющей поверхности 11 лопатки 7 завихрителя горелки 1 в соответствии с изобретением. Лопатка 7 завихрителя распространяется в горелке 1 от находящейся радиально внутри втулки 6 (справа, не показано) до находящейся радиально снаружи наружной оболочки 5 (слева, не показано). Кроме того, лопатка 7 завихрителя в примере осуществления фиг. 3 выполнена в виде полой лопатки, имеющей выпускные отверстия 8 для топлива. Для лучшего понимания изобретения в области конца 12 схода потока направляющей поверхности 11 обозначены три области 101, 102 и 103, при этом области 102 и 103 следует отнести к радиальной наружной области лопатки 7.
1
3
2
На фиг. 4 показаны три сделанных последовательно сечения областей 101, 102 и 103 лопатки 7 завихрителя фиг. 3 в направлении взгляда от втулки 6 к наружной оболочке 5. Видно, что на конце 12 направляющей поверхности 11, находящемся радиально внутри, т.е. в сечении области 101, угол α схода потока относительно основного направления 13 потока лежит между углом α схода потока конца 12 схода потока, находящегося радиально снаружи, т.е. в сечении области 103, и углом α схода потока конца схода потока, находящегося между ними, т.е. в сечении области 102. Другие варианты осуществления лопатки 7 завихрителя, у которой в радиальной наружной области угол α схода потока относительно главного направления 13 потока на конце 12 схода потока направляющей поверхности 11 в радиальном направлении по меньшей мере один раз увеличивается и один раз уменьшается, также возможны, пока в наружной области лопатки 7 завихрителя, т.е. вблизи наружной оболочки 5, на конце лопатки создается своего рода перекрещивание, так что там, в зоне среза, возникающей при эксплуатации, создается перемешивающая вихревая дорожка.