ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ГОРЕЛКОЙ ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области энергетического, транспортного, химического машиностроения и может быть использована в камерах сгорания (КС) газотурбинных установок (ГТУ).
В горелочных устройствах КС ГТУ обычно используются совместно два типа горелок - пилотная диффузионная горелка и основная горелка предварительного смешения. Пилотная горелка предназначена для розжига, работы на малых нагрузках и поддержания стабильной работы основной горелки в нормальном эксплуатационном режиме.
Известно горелочное устройство для КС ГТУ, содержащее две - внутреннюю и внешнюю коаксиально расположенные обечайки, образующие соответственно внутренний и внешний каналы с установленными в каждом из них топливоподводящим элементом и кольцевым направляющим аппаратом, причем внутренний из указанных каналов совокупно с топливоподводящим элементом представляет собой пилотную горелку диффузионного типа, а внешний - основную горелку предварительного смешения [1]. К недостаткам [1] можно отнести то, что при работе пилотной горелки в режимах розжига и минимальных нагрузок из-за большого коэффициента избытка воздуха возможно срыв пламени. Кроме того, на этих режимах работы по периферии факела пилотной диффузионной горелки из-за его окружения потоком воздуха от не включенной в работу основной горелки, образуется «холодная» температурная зона, что приводит к ухудшению выгорания топлива и, как следствие, к недожогу.
Достигаемым эффектом полезной модели является расширение диапазона режимов устойчивой работы КС и повышение полноты сгорания топлива на режимах малых нагрузок.
Это обеспечивается тем, что горелочное устройство для КС ГТУ, содержащее две - внутреннюю и внешнюю коаксиально расположенные обечайки, образующие соответственно внутренний и внешний каналы с установленными в каждом из них топливоподводящим элементом и кольцевым направляющим аппаратом, причем внутренний из указанных каналов совокупно с топливоподводящим элементом представляет собой пилотную горелку диффузионного типа, а внешний - основную горелку предварительного смешения, согласно полезной модели снабжено по меньшей мере еще одной диффузионной горелкой, расположенной снаружи от основной горелки. При этом наружная диффузионная горелка может быть выполнена в виде кольцевого борта на торцевой части внешней обечайки, в котором равномерно по его окружности предусмотрены по меньшей мере два сквозных отверстия с установленным в каждом из них топливоподающим элементом. Наружная диффузионная горелка может быть выполнена также в виде дополнительной обечайки, расположенной снаружи коаксиально по отношению к указанным двум обечайкам и образующей с внешней обечайкой дополнительный кольцевой канал, в средней в радиальном направлении части начального участка которого установлен кольцевой топливоподводящий элемент с равномерно распределенными по торцевой стенке выпускными отверстиями, по обе стороны которого с внешней и внутренней сторон коаксиально с ним расположены кольцевые направляющие аппараты. Еще в одном варианте наружная диффузионная горелка может быть выполнена также в виде дополнительной обечайки, расположенной снаружи коаксиально по отношению к указанным двум обечайкам, и образующей с внешней обечайкой дополнительный кольцевой канал, причем в начальном участке указанного канала установлена поперечная перегородка с равномерно расположенными по окружности кольца сквозными круглыми окнами, в каждом из которых помещен направляющий аппарат с установленным по его оси топливоподводящим элементом. В последних двух случаях выходная часть обечайки, расположенной по периферии горелочного устройства, может быть выполнена с продолжением, имеющим пережим.
Расширение диапазона режимов безопасной работы КС и повышение полноты сгорания топлива при малых нагрузках согласно полезной модели происходит прежде всего за счет того, что на режимах с малыми нагрузками в работу включается дополнительная диффузионная горелка, расположенная по периферии горелочного устройства, что уже само по себе повышает надежность поджига топлива и способствует повышению полноты его сгорания. В вариантах же с дополнительной коаксиальной обечайкой организуется дополнительная отдельная зона горения с оптимальным значением коэффициента избытка воздуха, что обеспечивает ее устойчивое горение на режимах с малыми нагрузками.
На фиг.1 представлено горелочное устройство согласно полезной модели в варианте выполнения дополнительной диффузионной горелки в виде топливоподающих элементов в кольцевом борте внешней обечайки, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид по стрелке А фиг.1; на фиг.3 - горелочное устройство в варианте выполнения дополнительной диффузионной горелки с кольцевым топливоподводящим элементом, двумя кольцевыми направляющими аппаратами и с пережимом на выходе горелочного устройства, продольный разрез; на фиг.4 - то же, разрез Б-Б фиг.3; на фиг.5 - горелочное устройство в варианте выполнения дополнительной диффузионной горелки с топливоподводящими элементами и направляющими аппаратами, установленными в окнах поперечной перегородки, продольный разрез; на фиг.6 - то же, разрез В-В фиг.5.
Горелочное устройство содержит две - внутреннюю и внешнюю коаксиально расположенные обечайки соответственно 1, 2, образующие внутренний и внешний каналы соответственно 3, 4 (фиг.1, 3, 5) с установленными в них топливоподводящими элементами соответственно 5, 6 (фиг.1, 3, 5) и кольцевыми направляющими аппаратами соответственно 7, 8 (фиг.1-6). Внутренний канал 3 совокупно с топливоподводящим элементом 5 представляет собой пилотную горелку диффузионного типа, а внешний канал 4 с топливоподводящим элементом 6 - основную горелку предварительного смешения. Согласно полезной модели горелочное устройство снабжено еще одной диффузионной горелкой, расположенной снаружи от основной горелки. По одному из вариантов полезной модели (фиг.1, 2) наружная диффузионная горелка выполнена в виде кольцевого борта 9 на торцевой части внешней обечайки 2, в котором равномерно по его окружности предусмотрены сквозные отверстия 10 с установленным в каждом из них топливоподводящий элементом 11 (фиг.1). По вариантам фиг.3, 4 и фиг.5, 6 наружная диффузионная горелка выполнена в виде дополнительной обечайки 12 (фиг.3, 5, 6), расположенной снаружи коаксиально по отношению к обечайкам 1, 2 и образующей с внешней обечайкой 2 дополнительный кольцевой канал 13 (фиг.3, 5), причем по варианту фиг.3, 4 в средней в радиальном направлении части начального участка канала 13 установлен кольцевой топливоподводящий элемент 14 (фиг.3) с равномерно распределенными по торцевой стенке выпускными отверстиями 15. По обе стороны топливоподводящего элемента 14 с внешней и внутренней сторон коаксиально с ним расположены два кольцевых направляющих аппарата соответственно 16, 17. По варианту фиг.5, 6 в начальном участке канала 13 установлена поперечная перегородка 18 с равномерно расположенными по окружности кольца сквозными круглыми окнами 19 (фиг.6), в каждом из которых помещен направляющий аппарат 20 с установленным по его оси топливоподводящим элементом 21 (фиг.5). В соответствии с вариантами фиг.3, 4 и фиг.5, 6 выходная часть обечайки 12, расположенной по периферии горелочного устройства может быть выполнена с продолжением, имеющим пережим 22 (фиг.3, 4).
Более детально можно отметить, что топливоподводящий элемент 5 (фиг.1, 3, 5), предназначенный для подачи топлива во внутренний канал 3, состоит из подводящего штуцера 23, кольцевого коллектора 24, соединенного радиальными промежуточными трубками 25 с расположенной вдоль оси горелочного устройства топливораздающей трубкой 26 с заглушенным торцом, в котором предусмотрены выпускные отверстия 27. Топливоподводящий элемент 6, предназначенный для подачи топлива во внешний канал 4, состоит из подводящего штуцера 28, кольцевого коллектора 29, соединенного с радиальными топливораздающими трубками 30 с заглушенными торцами и выпускными отверстиями 31. Топливоподводящий элемент 14 (фиг.3), предназначенный для подачи топлива в дополнительный кольцевой канал 13, состоит из подводящего штуцера 32, кольцевого топливоподводящего коллектора 33, выравнивающей перфорированной кольцевой перегородки 34 и кольцевого топливораздающего коллектора 35 с равномерно расположенными по окружности выпускными отверстиями 15 (рис.3, 4). Топливоподводящий элемент 21 (фиг.5) состоит из подводящего штуцера 36, кольцевого коллектора 37, соединенного с равномерно расположенными по окружности коллектора осевыми топливораздающими трубками 38 (фиг.5) с заглушенными торцами и выпускными отверстиями 39, в каждом из них. Внешний канал 4 в выходной части имеет сужение (фиг.1, 3, 5), площадь проходного сечения которого на выходе из наружной обечайки 2 составляет 0.7…0.8 площади проходного сечения направляющего аппарата 8. В выходной части внутренней обечайки 1 выполнена охлаждающая ее внешнюю стенку кольцевая полость 40 (фиг.1, 3, 5), сообщенная радиальными входными отверстиями 41 с внутренним каналом 3, и торцевыми выходными отверстиями 42 (фиг.1-5) со внешним каналом 4. В вариантах с дополнительным кольцевым каналом 13 (фиг.3, 5) в выходной части наружной обечайки 2 может быть выполнена охлаждающая ее внешнюю и внутреннюю стенки, конусообразная кольцевая полость 43 (фиг.5). Эта полость сообщается с основным потоком воздуха пазами 44, с дополнительным кольцевым каналом 13 - отверстиями 45, с внешним каналом 4 - отверстиями 46 и с пространством жаровой трубы (на чертеже не показана) - торцевыми отверстиями 47. В стенке дополнительной обечайки 12 могут быть предусмотрены отверстия 48 (фиг.3, 5) для ее эффузионного охлаждения.
Работа горелочного устройства согласно полезной модели, осуществляется следующим образом. Вначале во все кольцевые каналы 3, 4 (фиг.1, 3, 5), 13 (фиг.3, 5) подается воздух. Затем подается топливо в топливоподводящий элемент 11 (фиг.1) или в топливоподводящий элемент 14 (фиг.3, 5) наружной диффузионной горелки и производится зажигание образующейся топливовоздушной смеси на выходе из горелочного устройства (фиг.1) или за направляющими аппаратами 16, 17 (фиг.3, 4). После этого осуществляют подачу основной массы топлива во внешний канал 4 горелочного устройства. При этом топливо (через кольцевой коллектор 29 и топливораздающие трубки 30) и воздух, подаются во внешний канал 4 перед установленным в нем направляющим аппаратом 8 для их предварительного перемешивания, с целью получения гомогенной топливовоздушной смеси на входе в зону воспламенения камеры сгорания (на чертеже не показана). Бедная гомогенная топливовоздушная смесь при избытках воздуха 1.8…2.0 воспламеняется от пламени наружной диффузионной горелки. Далее подается топливо через кольцевой коллектор 24, радиальные промежуточные трубки 25 и топливораздающую трубку 26 в пилотную диффузионную горелку, и производится зажигание образующейся топливовоздушной смеси от пламени основной горелки. После этого подачу топлива в топливоподводящее устройство 14 наружной диффузионной горелки сокращается или прекращается полностью. Сужение в выходной части внешнего канала 4 и охлаждающая полость 40 в выходной части обечайки 1 предотвращают проскок пламени во внешний канал 4.
Источник информации:
1.Патент RU 2137042, 6 F23D 14/20, 1998.