МАЛОЭМИССИОННАЯ КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использована в конструкциях камер сгорания газотурбинных установок и двигателей, работающих на природном газе.
x
Малоэмиссионная каталитическая горелка должна обеспечивать широкий диапазон устойчивого горения в камере сгорания, минимальный уровень эмиссии загрязняющих веществ: оксида углерода СО и оксидов азота NO на рабочих режимах двигателя.
В качестве аналога полезной модели можно рассматривать горелку для малоэмиссионной камеры сгорания конструкции украинского ГП ЗМКБ «Прогресс» им. А.Г. Ивченко для двигателя АИ-336, описание которой можно найти в сб. докладов «1-го научно-технического семинара ЦИАМ», 2004 г.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение по патенту (РФ №2442932 МПК F23R 3/14, опубл. 20. 02. 2012). В конструкции горелки по данному изобретению предусмотрено два контура подачи топливо-воздушной смеси: основной контур, образованный лопаточным завихрителем и присоединенной к нему вихревой камерой, и дежурный контур, образованный центральным телом, установленным внутри вихревой камеры так, что его торец углублен во внутрь относительно среза сопла камеры. Подача топлива в основной и дежурный контуры осуществляется раздельно через отверстия, выполненные соответственно в лопатках завихрителя и в центральном теле.
x
Недостатком указанного изобретения является невозможность одновременного получения низких уровней эмиссии CO и NO во всем диапазоне рабочих режимов двигателя. При изменении частоты вращения ротора автоматически изменяется соотношение расходов топлива в дежурную и основную зоны горения. Процесс горения в факеле обедненной смеси основного контура поддерживается изнутри тепловыделением от процесса горения факела дежурного контура. На пониженных частотах вращения ротора температура воздуха снижается, что вызывает снижение полноты сгорания и образование избыточных концентраций CO в продуктах сгорания топлива. При этом выделения оксидов азота являются минимальными.
x
Для снижения концентрации CO можно добавить расход топлива в дежурную зону. Температура пламени при этом возрастает, CO снижаются, но резко повышается концентрация оксидов азота. Таким образом, известная конструкция горелки не может решить проблему одновременного снижения выбросов CO и NO.
Задачей предлагаемого устройства является обеспечение низких уровней эмиссии загрязняющих веществ на всех рабочих режимах газотурбинных установок.
Устранить отмеченные недостатки предлагается в новом техническом решении задачи обеспечения низких уровней эмиссии одновременно во всем диапазоне рабочих режимов работы газотурбинных двигателей и установок с помощью малоэмиссионной каталитической горелки, содержащей корпус вихревой камеры, завихритель с полыми лопатками и отверстиями подачи топлива в основную зону, плохообтекаемое центральное тело с отверстиями подачи топлива и воздуха в дежурную зону, шток с каналами подвода топлива в основную и дежурную зоны, согласно полезной модели, в сопле вихревой камеры выполнен расширяющийся к выходу уступ, в котором установлена цилиндрическая пористая вставка, изготовленная из каталитически активного материала.
На фиг. 1 представлен общий вид малоэмиссионной горелки с элементом конструкции третьего - «каталитического» контура.
Малоэмиссионная каталитическая горелка состоит из корпуса 1; завихрителя с полыми лопатками 2, штока 3 с каналами 4, 5 подвода топлива в дежурную зону горения, основную и каталитическую зоны горения; плохообтекаемое центральное тело 6 с отверстиями подачи топлива 7 и воздуха 8 в дежурную зону горения; выходная часть сопла горелки имеет ступенчатое увеличение диаметра в виде уступа, в котором установлена пористая каталитическая вставка 9. По внутреннему диаметру каталитической вставки расположена газопроницаемая пористая перемычка 10.
Полезная модель - малоэмиссионная каталитическая горелка - относится к устройствам для сжигания топливного газа в ГТУ с низкой концентрацией вредных веществ в выхлопных газах двигателя. Применение малоэмиссионной каталитической горелки в ГТУ позволяет обеспечить выполнение современных и перспективных экологических стандартов по допустимому содержанию загрязняющих веществ в выхлопных газах.
Эта задача стала особенно актуальной для высокоэффективных газотурбинных двигателей мощностью свыше 25-30 МВт.
В целях выполнения экологических требований по эмиссии вредных веществ разрабатываются новые конструкции горелок для сжигания бедной гомогенной (предварительно хорошо перемешанной) топливовоздушной смеси при температуре пламени не выше 1750 K. Процесс горения при этом осуществляется путем строго дозированной подачи топлива и воздуха в горелки по раздельным контурам и в зависимости от режима работы ГТУ и условий окружающей среды.
Малоэмиссионная каталитическая горелка работает следующим образом.
Через кольцевой канал 5 штока 3 подается топливо в дежурную зону горения, которая формируется центральным телом 6. Топливные струйки из отверстий 7 внедряются в основной закрученный завихрителем 2 поток смеси топлива с воздухом. Основное назначение дежурной зоны (первого контура горелки) - поддержка изнутри процесса горения гомогенной топливовоздушной смеси основной зоны горения (второго контура горелки).
Горение дежурного топлива осуществляется в диффузионном режиме в области обратных токов за центральным телом 6 в закрученной струе воздуха.
Для поддержания процесса горения в дежурной зоне, а так же охлаждения торцевой стенки центрального тела используется воздух, нагнетаемый в полость центрального тела через осевое отверстие в центре завихрителя.
2
X
Горение гомогенной топливовоздушной смеси основного (второго) контура поддерживается с внутренней стороны путем подвода тепла от горящей смеси дежурного топлива, а с внешней стороны - при подводе тепла от сгорания синтез-газа (CO+H), который генерируется в каталитическом (третьем) контуре - пористой вставке 9. Гомогенизация смеси топлива с воздухом обеспечивается системой малых отверстий в полых лопатках завихрителя. Как известно, для получения низких концентраций NO необходимо создавать обедненные смеси, стабильное горение которых сложно обеспечить в условиях высокофорсированных камер сгорания ГТУ из-за пульсационного горения и срыва пламени. В целях повышения устойчивости горения обедненной гомогенной смеси основной контур горения снаружи окружается слоем продуктов каталитического выгорания синтез газа, обладающего широким диапазоном концентрации самовоспламенения смеси. В результате взаимного поддерживающего горения основной зоны со стороны дежурного пламени изнутри и каталитического выгорания синтез газа извне обеспечивается устойчивое и малоэмиссионное горение второго контура во всем рабочем диапазоне ГТУ.
Пористая вставка 9 выполняет еще одну важную функцию - демпфирует процесс образования концентрированных крупновихревых структур, генерируемых закрученным потоком вблизи выходной кромки сопла основного контура горелки. В отсутствие пористой вставки стекающие с кромки сопла крупные вихри провоцируют высокоамплитудные пульсации давления и могут приводить к режимам вибрационного горения.