ГОРЕЛКА
BURNER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к горелке газотурбинного двигателя, содержащей завихритель и газовый инжектор для впрыскивания топлива в поток воздуха в завихрителе, при этом, по меньшей мере, один газовый инжектор выполнен с возможностью расположения во впуске канала завихрителя.
Уровень техники
Газотурбинные двигатели используются во множестве вариантов применения, в том числе в выработке электроэнергии, военной и гражданской авиации, транспортировке по трубопроводам и морской транспортировке. В газотурбинном двигателе, который работает в LPP-режиме, топливо и воздух предоставляются в камеру горелки, в которой они перемешиваются и зажигаются посредством пламени, тем самым инициируя сгорание. Существенные проблемы, ассоциированные с процессом сгорания в газотурбинных двигателях, помимо термического кпд и надлежащего перемешивания топлива и воздуха, ассоциированы со стабилизацией пламени, исключением пульсаций и шума и управлением загрязняющими выбросами, в частности, оксидами азота (NOx), CO, UHC, дымом и выбросами в форме частиц.
Патент US 5983642 А1 показывает камеру сгорания для газовой турбины с расположенной по центру топливной форсункой, которая предназначается для того, чтобы распределять топливо в воздушном потоке. Заявка на патент ЕР 1482244 А1 раскрывает систему горелки, в которой для цели распределения топливо в потоке газа, форсунка впрыскивает это топливо под углом противотока, чтобы улучшать перемешивание. Описание изобретения к патенту GB 1555058 раскрывает газовую горелку для газового нагрева, в которой форсунки используются для того, чтобы распределять топливо, которое должно сжигаться в потоке газа.
В промышленных газотурбинных двигателях, которые работают в LPP-режиме, температура пламени уменьшается за счет добавления большего количества воздуха, чем требуется для самого процесса сгорания. Избыточный воздух, который не вступает в реакцию, должен нагреваться в ходе сгорания, и как результат, температура пламени процесса сгорания уменьшается (ниже стехиометрической точки) приблизительно от 2300К до 1800К и ниже. Это уменьшение температуры пламени требуется для того, чтобы значительно уменьшать выбросы NOx. Способ, показанный как наиболее выгодный для уменьшения выбросов NOx, состоит в том, чтобы делать процесс сгорания настолько бедным, что температура пламени уменьшается ниже температуры, при которой двухатомный азот и кислород (N2 и O2) диссоциируются и рекомбинируются в NO и NO2. Потоки сгорания со стабилизацией закрученным потоком обычно используются в промышленных газотурбинных двигателях, чтобы стабилизировать сгорание, как указано выше, посредством создания противотока (зоны рециркуляции под действием вихревого потока) вокруг осевой линии, посредством чего противоток возвращает тепло и свободные радикалы обратно в поступающую несгоревшую смесь "воздух-топливо". Тепло и свободные радикалы из ранее прореагировавших топлива и воздуха требуются для того, чтобы инициировать (пиролизовать топливо и инициировать цепной разветвленный процесс) и поддерживать стабильное сгорание свежей непрореагировавшей смеси "воздух-топливо". Стабильное сгорание в газотурбинных двигателях требует циклического процесса сгорания, формирующего продукты сгорания, которые переносятся обратно в восходящем направлении, чтобы инициировать процесс сгорания. Фронт пламени стабилизируется в слое с поперечным сдвигом зоны рециркуляции под действием вихревого потока. В рамках слоя с поперечным сдвигом локальная скорость турбулентного пламени смеси "воздух-топливо" должна превышать локальную скорость смеси "воздух-топливо", и как результат, фронт пламени/процесс сгорания может быть стабилизирован.
Сгорание бедной предварительно перемешанной смеси, по существу, является менее стабильным, чем сгорание диффузионного пламени, по следующим причинам.
1. Объем воздуха, требуемый для того, чтобы уменьшать температуру пламени с 2300К до 1700-1800К, приблизительно в два раза превышает объем воздуха, требуемый для стехиометрического сгорания. Это делает полный состав смеси "воздух-топливо" (Ф) очень близким (примерно или ниже 0,5; Ф≥0,5) или аналогичным составу смеси "воздух-топливо", при котором происходит поглощение с обеднением пламени предварительно перемешанной смеси. При этих условиях пламя может периодически локально гаситься и вновь зажигаться.
2. Около предела поглощения с обеднением скорость пламени бедной частично предварительно перемешанной смеси является очень чувствительной к флуктуациям отношения эквивалентности. Флуктуации скорости пламени могут приводить к пространственным флуктуациям/перемещениям фронта пламени (зоны рециркуляции под действием вихревого потока). Менее стабильный легко перемещающийся фронт пламени предварительно перемешанной смеси приводит к периодическому характеру выделения тепла, что, в свою очередь, приводит к перемещению пламени, неустановившимся гидродинамическим процессам и развитию термоакустической нестабильности.
3. Флуктуации отношения эквивалентности, вероятно, являются наиболее распространенным соединительным механизмом для того, чтобы связывать неустановившееся выделение тепла с неустановившимися колебаниями давления.
4. Чтобы делать сгорание достаточно бедным для того, чтобы иметь возможность значительно уменьшать выбросы NOx, практически весь воздух, используемый в двигателе, должен проходить через инжектор и должен предварительно перемешиваться с топливом. Следовательно, весь поток в горелках имеет потенциал химической реактивности и требует того, чтобы точка, в которой сгорание инициировано, являлась фиксированной.
5. Когда тепло, требуемое для проведения реакций, является ограничивающим стабильность фактором, очень небольшие временные флуктуации в отношениях эквивалентности смеси "воздух-топливо" (которые могут получаться в результате флуктуации потока топлива или воздуха через горелку/инжектор) могут приводить к тому, что пламя частично гасится и вновь зажигается.
6. Дополнительная и очень важная причина для снижения стабильности пламени предварительно перемешанной смеси заключается в том, что крутой градиент смеси "воздух-топливо" исключается из процесса сгорания. Это делает поток предварительно перемешанной смеси горючим в любом месте, где имеется достаточная температура для проведения реакции. Когда пламя может более легко возникать в нескольких позициях, оно становится более нестабильным. Единственное средство стабилизации пламени предварительно перемешанной смеси в фиксированное положение основано на температурном градиенте, формируемом там, где несгоревшее предварительно перемешанное топливо и воздух перемешиваются с горячими продуктами сгорания (пламя не может возникать, если температура является слишком низкой). Это разрешает тепловой градиент, сформированный посредством генерирования, излучения, диффузии и конвекции тепла, в качестве способа для того, чтобы стабилизировать пламя предварительно перемешанной смеси. Обогрев излучением жидкости не формирует резкий градиент; поэтому, стабильность должна являться результатом генерирования, диффузии и конвекции тепла в зону предварительной реакции. Диффузия формирует резкий градиент только в ламинарном потоке, а не в турбулентных потоках, разрешая только конвекцию и выработку электроэнергии для того, чтобы формировать резкие градиенты, требуемые для стабилизации пламени, которые фактически являются градиентами тепла и свободных радикалов. Градиенты тепла и свободных радикалов формируются, диффундируют и переносятся путем конвекции посредством идентичных механизмов через рециркуляцию продуктов сгорания в рамках зоны рециркуляции под действием вихревого потока.
7. В потоках предварительно перемешанной смеси, так же как и в диффузионных потоках, быстрое расширение, вызывающее разделения и завихрение рециркулирующих потоков, обычно используется для того, чтобы формировать градиенты тепла и свободных радикалов в предварительно прореагировавшем топливе и воздухе.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы повышать эффективность перемешивания воздуха и топлива, с тем чтобы дополнительно повышать эффективность горелки.
Сущность изобретения
Аспекты, связанные с газовыми инжекторами согласно настоящему изобретению, описаны в данном документе, в качестве примера, в связи с горелкой с низким уровнем выбросов для сгорания бедно-богатой частично предварительно перемешанной смеси для камеры сгорания газотурбинного двигателя, которая предоставляет стабильный процесс зажигания и сгорания при всех условиях нагрузки двигателя. Эта горелка работает согласно принципу "подачи" тепла и высокой концентрации свободных радикалов из выпуска пилотной камеры сгорания в горение основного пламени в вихревом потоке бедной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо", посредством чего быстрое и стабильное сгорание пламени бедной основной предварительно перемешанной смеси поддерживается. Пилотная камера сгорания подает тепло и дополняет высокую концентрацию свободных радикалов непосредственно в переднюю точку полного торможения и слой с поперечным сдвигом основной зоны рециркуляции под действием вихревого потока, где поток бедной основной предварительно перемешанной смеси перемешивается с продуктами на основе горячих газов сгорания, предоставленного посредством пилотной камеры сгорания. Это обеспечивает возможность более бедной смеси и более низких температур сгорания вихревого потока основной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо", что в ином случае не является самоподдерживающимся в рециркулирующих потоках со стабилизацией закрученным потоком в рабочем состоянии горелки.
Согласно первому аспекту изобретения, в данном документе предложена горелка газотурбинного двигателя, содержащая завихритель и газовый инжектор для впрыскивания топлива в поток воздуха в завихрителе горелки, при этом, по меньшей мере, один газовый инжектор выполнен с возможностью расположения во впуске канала завихрителя, причем газовый инжектор содержит по меньшей мере, одну трубку для обеспечения топлива, при этом трубка выполнена с множеством отверстий диффузора, распределенных вдоль трубки, выступающих в качестве газовых инжекторов для эффективного распределения топлива в потоке воздуха, проходящем через трубку, причем трубка газового инжектора имеет вдоль своей внешней поверхности круговые или спиральные V-образные канавки, при этом отверстия диффузора выполнены с возможностью расположения в нижней части канавок.
Канавки предпочтительно выполнены в виде спиральной резьбы.
Предпочтительно расположены два ряда диаметрально противостоящих отверстий диффузора, посредством чего газ выпускается в воздушный поток на двух диаметрально противостоящих сторонах трубок, по существу перпендикулярных воздушному потоку.
Два ряда отверстий диффузора предпочтительно размещены вдоль топливопровода так, что топливо, впрыскиваемое в поток проходящего воздуха, впрыскивается в направлении, приблизительно перпендикулярном направлению проходящего воздуха.
Отверстия диффузора первого ряда топливопровода предпочтительно расположены зигзагообразно относительно отверстий второго ряда отверстий диффузора топливопровода.
US-A-5983642 раскрывает топливопровод для распределения топлива в воздушный поток, по меньшей мере, из одного ряда отверстий диффузора, но не показывает круговые или спиральные V-образные канавки вдоль внешней поверхности трубки газового инжектора и компоновку отверстий диффузора в нижней части канавок. Эти признаки являются важнейшими для того, чтобы получать преимущества, доступные в соответствии с изобретением.
ЕР-А-1482244 предлагает использовать V-образные канавки для того, чтобы совершенствовать процесс формирования смеси "воздух-топливо", но раскрытая V-образная канавка (только одна) размещается на форсунке, присоединенной к топливопроводу, и топливо диффундируется из отверстия диффузора в воздушный поток параллельно топливопроводу. В отличие от этого, воздушный поток настоящего изобретения является перпендикулярным топливопроводу, и отверстия диффузора размещаются в нижней части V-образных канавок. Это местоположение является важным, поскольку топливо диффундирует в вихрь воздуха, формируемый между V-образными стенками канавок, посредством чего топливо должно поступать в исходных точках упомянутых вихрей, и формирует ряд упомянутых вихрей вдоль топливопровода, поскольку отверстия диффузора размещаются в ряд.
Горелка использует:
- сформированное завихрение воздуха/топлива выше вихревого числа (Sn) 0,7 (которое выше критического Sn=0,6), передается в поток посредством радиального завихрителя;
- активные изотопы - это неравновесные свободные радикалы, высвобождаемые рядом с передней точкой полного торможения,
- конкретный тип геометрии горелки с устройством с несколькими огнеупорными амбразурами, и
- внутреннее стадийное изменение топлива и воздуха в рамках горелки, чтобы стабилизировать процесс сгорания во всех рабочих состояниях газовой турбины.
Вкратце, раскрытая горелка предоставляет стабильный процесс зажигания и сгорания при всех условиях нагрузки двигателя. Некоторыми важными признаками, связанными с изобретаемой горелкой, являются следующие:
- геометрическое местоположение элементов горелки;
- объем топлива и воздуха, стадийно изменяющийся в горелке;
- минимальная величина активных изотопов-радикалов, сформированных и требуемых при различных рабочих состояниях двигателя/горелки;
- профиль топлива;
- перемешивание топлива и воздуха при различных рабочих состояниях двигателя;
- передаваемый уровень завихрения;
- компоновка с несколькими (минимум двумя) огнеупорными амбразурами.
Чтобы достигать максимально низких уровней выбросов, цель данной конструкции/изобретения состоит в том, чтобы иметь однородные профили перемешивания на выходе каналов предварительного перемешивания бедной смеси. Две явных зоны горения существуют в рамках горелки, охватываемой посредством этого раскрытия сущности, в которой топливо сжигается всегда одновременно. Обе зоны горения стабилизируются вихревым потоком, и топливо и воздух предварительно перемешиваются до процесса сгорания. Процесс основного сгорания, в ходе которого сжигается больше 90% топлива, является бедным. Процесс вспомогательного сгорания, который осуществляется в небольшой пилотной камере сгорания, при котором до 1% от полного потока топлива потребляется, может быть бедным, стехиометрическим и богатым (отношение эквивалентности Ф=1,4 и выше).
Основная причина, по которой процесс вспомогательного сгорания в небольшой пилотной камере сгорания может быть бедным, стехиометрическим или богатым и по-прежнему предоставлять стабильный процесс зажигания и сгорания при всех условиях нагрузки двигателя, связана с эффективностью сгорания. Процесс сгорания, который происходит в небольшой пилотной камере сгорания, имеет низкую эффективность вследствие значительной площади поверхности, что приводит к отводу пламени на стенки пилотной камеры сгорания. Неэффективный процесс сгорания (бедный, стехиометрический или богатый) может формировать большой пул активных изотопов-радикалов, которые необходимы для того, чтобы повышать стабильность основного бедного пламени, и является преимущественным для успешной работы настоящей конструкции/изобретения горелки (примечание: пламя, возникающее в предварительно перемешанной бедной смеси "воздух-топливо", в данном документе называется бедным пламенем).
Очень трудно поддерживать (но не зажигать, поскольку небольшая пилотная камера сгорания может выступать в качестве факельного воспламенителя) сгорание в слое с поперечным сдвигом основной зоны рециркуляции ниже пределов LBO (срыва бедного пламени) основного бедного пламени (приблизительно Т>1350 К и Ф≥0,25). Для работы двигателя ниже LBO-пределов основного бедного пламени, в этой конструкции горелки используется/предоставляется дополнительное "стадийное изменение" небольшой пилотной камеры сгорания. Воздух, который используется для того, чтобы охлаждать внутренние стенки небольшой пилотной камеры сгорания (выполняется посредством комбинации инжекционного и конвекционного охлаждения), и который представляет приблизительно 5-8% полного воздушного потока через горелку, предварительно перемешивается с топливом перед завихрителем. Относительно большой объем топлива может быть добавлен в охлаждающий воздух небольшой пилотной камеры сгорания, что соответствует очень богатым отношениям эквивалентности (Ф>3). Завихренный охлаждающий воздух и топливо и горячие продукты сгорания из небольшой пилотной камеры сгорания могут очень эффективно поддерживать сгорание основного бедного пламени ниже, при и выше LBO-пределов. Процесс сгорания является очень стабильным и эффективным, поскольку горячие продукты сгорания и очень горячий охлаждающий воздух (выше 750°С), предварительно перемешиваемый с топливом, предоставляют тепло и активные изотопы (радикалы) в переднюю точку полного торможения зоны рециркуляции основного пламени. В ходе этого процесса сгорания, небольшая пилотная камера сгорания, комбинированная с очень горячим охлаждающим воздухом (выше 750°С), предварительно перемешиваемым с топливом, выступает в качестве беспламенной горелки, в которой реагенты (кислород и топливо) предварительно перемешиваются с продуктами сгорания, и распределенное пламя устанавливается в передней точке полного торможения зоны рециркуляции под действием вихревого потока.
Чтобы предоставлять надлежащие функции и стабильную работу горелки, раскрытой в настоящей заявке, требуется, чтобы передаваемый уровень завихрения и вихревого числа (уравнение 1) был выше критического (не ниже 0,6 и не выше 0,8), при котором нарушение вихря - зоны рециркуляции - формируется и плотно размещается в пределах компоновки с несколькими огнеупорными амбразурами. Передняя точка Р полного торможения должна находиться в рамках огнеупорной амбразуры и на выходе пилотной камеры сгорания.
Основные причины для этого требования следующие.
Если передаваемый уровень завихрения является низким и результирующее вихревое число ниже 0,6, для большей части конфигураций горелки формируется слабая зона рециркуляции, и нестабильное сгорание может осуществляться.
Жесткая зона рециркуляции требуется для того, чтобы обеспечивать перенос тепла и свободных радикалов из ранее сгоревшего топлива и воздуха обратно в восходящем направлении к фронту пламени. Твердо установившаяся и жесткая зона рециркуляции требуется для того, чтобы предоставлять область слоя с поперечным сдвигом, в которой скорость турбулентного пламени может "совпадать" или быть пропорциональной локальной смеси "воздух-топливо", и стабильное пламя может устанавливаться. Этот фронт пламени, установленный в слое с поперечным сдвигом основной зоны рециркуляции, должен быть установившимся, и перемещения или прохождение фронта пламени не должны происходить. Передаваемое вихревое число может быть высоким, но не должно превышать 0,8, поскольку при и выше этого вихревого числа более 80% общего объема потока рециркулирует обратно. Дополнительное увеличение вихревого числа не способствует в большей степени повышению величины рециркуляционной массы продуктов сгорания, и пламя в слое с поперечным сдвигом зоны рециркуляции подвергается высокой турбулентности и деформации, что может приводить к отводу и частичному гашению и повторному зажиганию пламени. Любой тип генератора завихрений, радиальный, осевой и осевой радиальный, может использоваться в горелке, охватываемой посредством этого раскрытия сущности. В этом раскрытии сущности, показана радиальная конфигурация завихрителя.
Горелка использует стабилизацию аэродинамики пламени и ограничивает зону стабилизации пламени - зону рециркуляции - в компоновке с несколькими огнеупорными амбразурами. Компоновка с несколькими огнеупорными амбразурами является важным признаком конструкции предоставленной горелки по следующим причинам. Огнеупорная амбразура (или также называемая диффузором):
- предоставляет фронт пламени (основную зону рециркуляции), анкерующий пламя в заданной позиции в пространстве без необходимости анкеровать пламя к твердой поверхности/телу необтекаемой формы, и тем самым высокая тепловая нагрузка и проблемы, связанные с механической целостностью горелки, исключаются;
- геометрия (половина α угла огнеупорной амбразуры и длина L) является важной, чтобы управлять размером и формой зоны рециркуляции в связи с вихревым числом. Длина зоны рециркуляции является примерно пропорциональной 2-2,5 от длины огнеупорной амбразуры;
- оптимальная длина L имеет порядок L/D=1 (D - это диаметр устья горловины огнеупорной амбразуры). Минимальная длина огнеупорной амбразуры должна быть не меньше L/D=0,5 и не больше L/D=2;
- оптимальная половина α угла огнеупорной амбразуры должна быть не меньше 20 и не больше 25 градусов, предоставляет возможность меньшего завихрения до снижения стабильности по сравнению с менее ограниченным фронтом пламени; и
- имеет важную задачу управлять размером и формой зоны рециркуляции как расширением горячих газов, поскольку результат сгорания уменьшает время переноса свободных радикалов в зоне рециркуляции.
Эффективность предварительного перемешивания смеси воздуха и топлива в одном или более каналов, предоставляющих воздух и топливо в горение основного пламени в вихревом потоке бедной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо", является очень важной для того, чтобы получать хорошие результаты. Таким образом, новый усовершенствованный газовый инжектор, раскрытый в настоящем изобретении, используется с этой целью. Газовые инжекторы согласно изобретению выполняются как трубки, вставляемые в воздушный поток во впускном отверстии завихрителя для каналов предварительного перемешивания смеси горелки. Дополнительные детали описываются в вариантах осуществления ниже.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является упрощенным поперечным сечением, схематично показывающим горелку согласно аспектам изобретения, помещенную в корпус, без деталей, показывающих то, как горелка конфигурируется в упомянутом корпусе.
Фиг.2 является упрощенным поперечным сечением горелки, схематично показывающим сечение выше оси симметрии, посредством которого вращение вокруг оси симметрии формирует поворачиваемый трехмерный объект, отображающий компоновку горелки.
Фиг.3 показывает схему пределов стабильности пламени как функцию от вихревого числа, передаваемого уровня завихрения и отношения эквивалентности.
Фиг.4а показывает схему аэродинамики поля в ближней зоне камеры сгорания.
Фиг.4b показывает схему аэродинамики поля в ближней зоне камеры сгорания.
Фиг.5 показывает схему интенсивности турбулентности.
Фиг.6 показывает схему времени релаксации как функцию от давления сгорания.
Фиг.7а иллюстрирует в виде в перспективе пример топливопровода 15, а фиг.7b показывает топливопроводы, распределенные во впускном отверстии завихрителя 3.
Варианты осуществления изобретения
Далее подробнее описывается ряд вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 горелка проиллюстрирована с помощью горелки 1, имеющей корпус 2, содержащий компоненты горелки.
Фиг.2 показывает для понятности вид в поперечном разрезе горелки выше вращательной оси симметрии. Основными частями горелки являются радиальный завихритель 3, несколько огнеупорных амбразур 4а, 4b, 4с и пилотная камера 5 сгорания.
Как указано, горелка 1 работает согласно принципу "подачи" тепла и высокой концентрации свободных радикалов из выпуска 6 пилотной камеры 5 сгорания в горение основного пламени 7 в вихревом потоке бедной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо", исходящем из первого выхода 8 первого канала предварительного перемешивания бедной смеси 10 и из второго выхода 9 второго канала предварительного перемешивания бедной смеси 11, посредством чего быстрое и стабильное сгорание пламени 7 бедной основной предварительно перемешанной смеси поддерживается. Упомянутый первый канал предварительного перемешивания бедной смеси 10 формируется посредством и между стенками 4а и 4b нескольких огнеупорных амбразур. Второй канал предварительного перемешивания бедной смеси 11 формируется посредством и между стенками 4b и 4с нескольких огнеупорных амбразур. Наиболее удаленная вращательная симметричная стенка 4с нескольких огнеупорных амбразур содержит удлинение 4с1, чтобы предусматривать оптимальную длину компоновки с несколькими огнеупорными амбразурами. Первые 10 и вторые 11 каналы предварительного перемешивания бедной смеси содержат лопасти завихрителя, формирующие завихритель 3, чтобы передавать вращение смеси "воздух-топливо", проходящей через каналы.
Воздух 12 предоставляется в первые 10 и вторые 11 каналы во впускном отверстии 13 упомянутых первых и вторых каналов. Согласно показанному варианту осуществления, завихритель 3 расположен рядом с впускным отверстием 13 первых и вторых каналов. Дополнительно, топливо 14 вводится в вихревой поток смеси "воздух-топливо" через трубку 15, содержащую небольшие отверстия диффузора 15b, расположенные в отверстии 13 для впуска воздуха 12 между лопастями завихрителя 3, посредством чего топливо распределяется в воздушный поток через упомянутые отверстия как распыляемое вещество и эффективно перемешивается с воздушным потоком. Дополнительное топливо может добавляться через вторую трубку 16, выходящую в первый канал 10.
Когда поток бедной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо" сжигается, основное пламя 7 формируется. Пламя 7 формируется как конический вращательный симметричный слой 18 с поперечным сдвигом вокруг основной зоны рециркуляции 20 (ниже иногда сокращаемой как RZ). Пламя 7 помещается в удлинение 4с1 наиболее удаленной огнеупорной амбразуры в этой примерной огнеупорной амбразуре 4с.
Пилотная камера 5 сгорания подает тепло и дополняет высокую концентрацию свободных радикалов непосредственно в переднюю точку Р полного торможения и слой 18 с поперечным сдвигом основной зоны рециркуляции под действием вихревого потока 20, где поток бедной основной предварительно перемешанной смеси перемешивается с продуктами на основе горячих газов сгорания, предоставленного посредством пилотной камеры 5 сгорания.
Пилотная камера 5 сгорания содержит стенки 21, огораживающие отсек для сгорания для зоны 22 пилотного сгорания. Воздух подается в отсек для сгорания через топливный канал 23 и воздушный канал 24. Вокруг стенок 21 пилотной камеры 5 сгорания предусмотрена распределительная пластина 25, содержащая отверстия на поверхности пластины. Упомянутая распределительная пластина 25 отстоит на определенное расстояние от упомянутых стенок 21, формирующих слой охлаждающего пространства 25а. Охлаждающий воздух 26 принимается через охлаждающее впускное отверстие 27 и пересекается за пределами упомянутой распределительной пластины 25, после чего охлаждающий воздух 26 распределяется через стенки 21 пилотной камеры сгорания, чтобы эффективно охлаждать упомянутые стенки 21. Охлаждающий воздух 26 после упомянутого охлаждения выпускается через второй завихритель 28, расположенный вокруг пилотной огнеупорной амбразуры 29 пилотной камеры 5 сгорания. Дополнительное топливо может быть добавлено в сгорание в основном бедном пламени 7 посредством подачи топлива в проход 30, расположенный вокруг и за пределами слоя охлаждающего пространства 25а. Упомянутое дополнительное топливо затем выпускается и входит во второй завихритель 28, в котором в данный момент горячий охлаждающий воздух 26 и топливо, добавленные через проход 30, эффективно предварительно перемешиваются.
Относительно большой объем топлива может быть добавлен в охлаждающий воздух небольшой пилотной камеры 5 сгорания, что соответствует очень богатым отношениям эквивалентности (Ф>3). Завихренный охлаждающий воздух и топливо и горячие продукты сгорания из небольшой пилотной камеры сгорания могут очень эффективно поддерживать сгорание основного бедного пламени 7 ниже, при и выше LBO-пределов. Процесс сгорания является очень стабильным и эффективным, поскольку горячие продукты сгорания и очень горячий охлаждающий воздух (выше 750°С), предварительно перемешиваемый с топливом, предоставляют тепло и активные изотопы (радикалы) в переднюю точку Р полного торможения зоны 20 рециркуляции основного пламени. В ходе этого процесса сгорания, небольшая пилотная камера 5 сгорания, комбинированная с очень горячим охлаждающим воздухом (выше 750°С), предварительно перемешиваемым с топливом, выступает в качестве беспламенной горелки, в которой реагенты (кислород и топливо) предварительно перемешиваются с продуктами сгорания, и распределенное пламя устанавливается в передней точке Р полного торможения зоны рециркуляции под действием вихревого потока 20.
Чтобы предоставлять надлежащие функции и стабильную работу горелки 1, раскрытой в настоящей заявке, требуется то, чтобы передаваемый уровень завихрения и вихревого числа был выше критического (не ниже 0,6 и не выше 0,8, см. также фиг.3), при котором нарушение вихря - зоны 20 рециркуляции - формируется и плотно размещается в пределах компоновки с несколькими огнеупорными амбразурами 4а, 4b, 4с. Передняя точка Р полного торможения должна находиться в рамках огнеупорной амбразуры 4а, 4b, 4с и на выходе 6 пилотной камеры 5 сгорания. Некоторые основные причины этого требования упомянуты в вышеприведенной сущности изобретения. Дополнительные причины заключаются в следующем.
Если вихревое число превышает 0,8, то завихренный поток должен идти в направлении выхода камеры сгорания, что может приводить к перегреванию последующих направляющих лопастей турбины.
Ниже представлена сущность по требованиям для передаваемого уровня завихрения и вихревого числа. См. также фиг.4а и 4b.
Передаваемый уровень завихрения (отношение между касательным и осевым количеством движения) должен быть выше критического (0,4-0,6), так что стабильная центральная зона 20 рециркуляции может формироваться. Критическое вихревое число, SN, также является функцией от геометрии горелки, что является причиной, по которой оно варьируется между 0,4 и 0,6. Если передаваемое вихревое число ≤0,4 или находится в диапазоне 0,4-0,6, основная зона 20 рециркуляции может вообще не формироваться или может формироваться и гаситься периодически на низких частотах (ниже 150 Гц), и результирующая аэродинамика может быть очень нестабильной, что приводит к кратковременному процессу сгорания.
В слое 18 с поперечным сдвигом стабильной и установившейся зоны 20 рециркуляции с сильным градиентом скорости и степенями турбулентности стабилизация пламени может осуществляться, если:
- скорость турбулентного пламени (ST)>локальной скорости топливной воздушной смеси (UF/A).
Рециркулирующие продукты, которыми являются: источник тепла и активные изотопы (обозначенные посредством стрелок 1а и 1b), расположенные в зоне 20 рециркуляции, должны быть стационарными в пространстве и времени в нисходящем направлении от секции перемешивания горелки 1, чтобы предоставлять пиролиз поступающей смеси топлива и воздуха. Если установившийся процесс сгорания не является преобладающим, то возникает термоакустическая нестабильность.
Пламя со стабилизацией закрученным потоком является до пяти раз короче и имеет значительно более бедные пределы срыва пламени, чем струйное пламя.
Вихревой поток сгорания предварительно перемешанной смеси при турбулентной диффузии предоставляет эффективный способ предварительного перемешивания топлива и воздуха.
Увлечение смеси "воздух-топливо" в слой с поперечным сдвигом зоны 20 рециркуляции является пропорциональным напряженности зоны рециркуляции, вихревому числу и характеристической скорости URZ зоны рециркуляции.
Характеристическая скорость зоны рециркуляции, URZ, может быть выражена следующим образом:
URZ=UF/Af(MR, dF/A, cent/dF/A, SN),
где:
MR=rcent(UF/A, cent)2/rF/A(UF/A)2
Эксперименты (Driscolll990, Whitelaw1991) демонстрируют, что напряженность
RZ=(MR)exp-1/2(dF/A/dF/A, cent)(URZ/UF/A)(b/dF/A), и
MR должен быть <1.
(dF/A/dF/A, cent) представляет важность только для пламени с турбулентной диффузией.
Размер/длина зон рециркуляции является "фиксированным" и пропорциональным 2-2,5 dF/A.
Не более приблизительно 80% от массы рециркулирует обратно выше SN=0,8 независимо от того, насколько сильно дополнительно возрастает SN.
Добавление стенок сопряжения с расширением огнеупорной амбразуры в нисходящем направлении от горловины горелки повышает рециркуляцию (Batchelor 67, Hallet 87, Lauckel 70, Whitelow 90); и Lauckel 70 обнаружил, что оптимальные геометрические параметры следующие: α=20-25°; L/dF/A, min=1 и выше.
Это предполагает, что dquarl/dF/A=2-3, но стабильность пламени предполагает, что более бедные пределы срыва бедного пламени достигнуты для значений близко к 2 (Whitelaw 90) . Эксперименты и практический опыт также предполагают, что UF/A должно быть выше 30-50 м/с для пламени предварительно перемешанной смеси вследствие рисков проскока пламени (Proctor 85).
Если этап обратной обточки размещен на выходе огнеупорной амбразуры, то внешний RZ формируется. Длина внешнего RZ, LERZ, обычно составляет 2/3 hERZ.
Активные изотопы-радикалы
При сгорании со стабилизацией закрученным потоком процесс инициируется и стабилизируется посредством переноса тепла и свободных радикалов 31 из ранее сгоревшего топлива и воздуха обратно в восходящем направлении к фронту пламени 7. Если процесс сгорания является очень бедным, как имеет место в системах сгорания бедной частично предварительно перемешанной смеси, и как результат, температура горения является низкой, равновесные уровни свободных радикалов также являются очень низкими. Кроме того, при высоких давлениях двигателя свободные радикалы, сформированные посредством процесса сгорания, быстро ослабляются (см. фиг.6) до равновесного уровня, который соответствует температуре продуктов сгорания. Это обусловлено тем фактом, что скорость этой релаксации свободных радикалов до равновесия увеличивается экспоненциально с увеличением давления, при этом, с другой стороны, равновесный уровень свободных радикалов понижается экспоненциально с понижением температуры. Чем выше уровень свободных радикалов, доступных для воспламенения горючей смеси, тем более быстрым и стабильным, в общем, является процесс сгорания. При более высоких давлениях, в которых горелки в современных газотурбинных двигателях работают в режиме бедной частично предварительно перемешанной смеси, время релаксации свободных радикалов может быть коротким по сравнению со временем "переноса", требуемым для переноса свободных радикалов (обозначенных посредством стрелок 31) путем конвекции в нисходящем направлении от точки, в которой они сформированы в слое 18 с поперечным сдвигом основной зоны 20 рециркуляции, обратно в восходящем направлении к фронту пламени 7 и передней точке Р полного торможения основной зоны 20 рециркуляции. Как следствие, к тому времени, когда обратно циркулирующий поток радикалов 31 в рамках основной зоны 20 рециркуляции передает свободные радикалы 31 обратно к фронту пламени 7 и когда они начинают перемешиваться с поступающей "свежей" предварительно перемешанной бедной смесью "воздух-топливо" из первых 10 и вторых 11 каналов в передней точке Р полного торможения, чтобы инициировать/поддерживать процесс сгорания, свободные радикалы 31 могут достигать низких равновесных уровней.
Это изобретение использует высокие неравновесные уровни свободных радикалов 32, чтобы стабилизировать основное бедное сгорание 7. В этом изобретении, масштаб небольшой пилотной камеры 5 сгорания остается небольшим, и большая часть сгорания топлива происходит в основной камере сгорания бедной предварительно перемешанной смеси (в 7 и 18), а не в небольшой пилотной камере 5 сгорания. Небольшая пилотная камера 5 сгорания может оставаться небольшой, поскольку свободные радикалы 32 высвобождаются около передней точки Р полного торможения основной зоны 20 рециркуляции. Это, в общем, является самым эффективным местоположением для того, чтобы подавать дополнительное тепло и свободные радикалы в сгорание со стабилизацией закрученным потоком (7). Поскольку выход 6 небольшой пилотной камеры 5 сгорания расположен в передней точке Р полного торможения основного рециркулирующего потока бедной смеси 20, масштаб времени между теплоотводом на стенки и использованием свободных радикалов 32 является очень коротким, не позволяя свободным радикалам 32 ослабляться до низких равновесных уровней. Передняя точка Р полного торможения основной зоны рециркуляции бедной смеси 20 поддерживается и аэродинамически стабилизируется в огнеупорной амбразуре (4а), на выходе 6 небольшой пилотной камеры 5 сгорания. Чтобы гарантировать то, что расстояние и время от бедного, стехиометрического или богатого сгорания (зона 22), в небольшой пилотной камере 5 сгорания, является максимально коротким и прямым, выход небольшой пилотной камеры 5 сгорания размещается на осевой линии и в горловине 33 небольшой пилотной камеры 5 сгорания. На осевой линии, в горловине 33 небольшой пилотной камеры 5 сгорания и в огнеупорной амбразуре 4а, свободные радикалы 32 перемешиваются с продуктами бедного сгорания 31, сильно предварительно нагретой смесью топлива и воздуха, из прохода 30 и промежутка 25а и затем с предварительно перемешанным топливом 14 и воздухом 12 в слое 18 с поперечным сдвигом основной зоны рециркуляции бедной смеси 20. Это предоставляет значительное преимущество для высоконапорных газотурбинных двигателей, которые, по существу, демонстрируют наиболее серьезную термоакустическую нестабильность. Кроме того, поскольку свободные радикалы и тепло, сформированное посредством небольшой пилотной камеры 5 сгорания, используется эффективно, ее размер может быть небольшим, и процесс теплоотвода на стенки не требуется. Возможность поддерживать небольшой размер пилотной камеры 5 сгорания также имеет положительный эффект на выбросы.
Стадийное изменение топлива и работа горелки
Когда воспламенитель 34, как в горелках предшествующего уровня техники, размещен во внешней зоне рециркуляции, которая иллюстрируется на фиг.4b, смесь "воздух-топливо", поступающая в эту область, зачастую должна становиться богатой, чтобы делать температуру пламени достаточно высокой для того, чтобы поддерживать стабильное сгорание в этой области. Пламя затем зачастую не может распространяться в основную рециркуляцию до тех пор, пока поток основной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо" не становится достаточно богатым, горячим и не имеет достаточный пул свободных радикалов, что происходит при более высоком расходе топлива. Когда пламя не может распространяться из внешней зоны рециркуляции во внутреннюю основную зону рециркуляции сразу после зажигания, оно должно распространяться при более высоком давлении после того, как частота вращения двигателя начинает увеличиваться. Этот перенос инициирования основного пламени из внешней пилотной зоны рециркуляции только после того, как давление камеры сгорания начинает повышаться, приводит к более быстрой релаксации свободных радикалов до низких равновесных уровней, что является нежелательной характеристикой, которая является непродуктивной для зажигания пламени в передней точке полного торможения основной зоны рециркуляции. Зажигание основной рециркуляции может не происходить до тех пор, пока система управления не поднимает в достаточной степени среднюю температуру массы до уровня, при котором равновесные уровни свободных радикалов, увлекаемых в основной зоне рециркуляции, и выработка свободных радикалов добавления в предварительно перемешанной основной смеси "воздух-топливо" являются достаточными для того, чтобы зажигать основную зону рециркуляции. В процессе распространения пламени из внешней в основную зону рециркуляции, значительные объемы топлива выходят из двигателя без сгорания из незажженной основной предварительно перемешанной смеси "воздух-топливо". Проблема возникает, если пламя переходит в основную зону рециркуляции в определенной горелке раньше других в одном двигателе, поскольку горелки, в которых пламя стабилизировано на внутренней части, горят при более высоких температурах, потому как все топливо сжигается. Это приводит к изменению температуры между горелками, что может повреждать компоненты двигателя.
Настоящее изобретение также предоставляет возможность выполнения зажигания основного сгорания 7 в передней точке Р полного торможения основной зоны 20 рециркуляции. Большинство газотурбинных двигателей должны использовать внешнюю зону рециркуляции, см. фиг.4b, в качестве местоположения, в котором искровой или факельный воспламенитель зажигает двигатель. Зажигание может происходить только в том случае, если стабильное сгорание также может происходить; иначе пламя задувается сразу после зажигания. Внутренняя или основная зона 22 рециркуляции, как в настоящем изобретении, в общем, предоставляет большую выгоду при стабилизации пламени, поскольку рециркуляционный газ 31 переносится обратно, и тепло от продуктов сгорания рециркуляционного газа 31 фокусируется на небольшой области в передней точке Р полного торможения основной зоны 20 рециркуляции. Сгорание - фронт пламени 7 - также расширяется наружу в конической форме от этой передней точки Р полного торможения, как проиллюстрировано на фиг.2. Это коническое расширение в нисходящем направлении дает возможность теплу и свободным радикалам 32, сформированным в восходящем направлении, поддерживать сгорание в нисходящем направлении, давая возможность фронту пламени 7 расширяться по мере того, как оно перемещается в нисходящем направлении. Огнеупорная амбразура (4а, 4b, 4с), проиллюстрированная на фиг.2, по сравнению со сгоранием со стабилизацией закрученным потоком без огнеупорной амбразуры, демонстрирует то, как огнеупорная амбразура придает такую форму пламени, чтобы быть более коническим и менее полусферическим по характеру. Более конический фронт пламени предоставляет возможность точечному источнику света тепла инициировать эффективное сгорание всего поля потока.
В настоящем изобретении, процесс сгорания в рамках горелки 1 стадийно изменяется. На первой стадии, стадии зажигания, бедное пламя 35 инициируется в небольшой пилотной камере 5 сгорания посредством добавления топлива 23, перемешанного с воздухом 24, и зажигания смеси с помощью электрода-зажигателя 34. После зажигания отношение эквивалентности пламени 35 в небольшой пилотной камере 5 сгорания регулируется при бедных (ниже отношения эквивалентности 1 и приблизительно при отношении эквивалентности 0,8) или богатых условиях (выше отношения эквивалентности 1 и приблизительно при отношении эквивалентности между 1,4 и 1,6). Причиной, по которой отношение эквивалентности в небольшой пилотной камере 5 сгорания при богатых условиях находится в диапазоне между 1,4 и 1,6, являются уровни выбросов. Можно управлять и поддерживать пламя 35 в небольшой пилотной камере 5 сгорания при стехиометрических условиях (отношение эквивалентности в 1), но этот вариант не рекомендуются, поскольку он может приводить к высоким уровням выбросов и более высокой тепловой нагрузке стенок 21. Преимущество управления и поддержания пламени 35 в небольшой пилотной камере сгорания при бедных или богатых условиях заключается в том, что генерируемые выбросы и тепловая нагрузка стенок 21 являются низкими. На следующей стадии, второй стадии с низкой нагрузкой, топливо добавляется через проход 30 в охлаждающий воздух 27, и ему передается вихревое движение в завихрителе 28. Таким образом, сгорание основного бедного пламени 7 ниже, при и выше LBO-пределов поддерживается с высокой эффективностью. Объем топлива, который может быть добавлен в горячий охлаждающий воздух (предварительно нагретый при температурах, значительно превышающих 750°С) , может соответствовать отношениям эквивалентности >3.
На следующей стадии работы горелки, третьей стадии с неполной и полной нагрузкой, топливо 14 постепенно добавляется в воздух 12, который является основным воздушным потоком для основного пламени 7.
Топливо 14, добавленное как газ, предоставляется посредством газовых инжекторов в форме трубок 15, вставляемых на конце впускного отверстия завихрителя 3, имеющего лопасти завихрителя 3а, предусмотренные в каналах 10, 11 предварительного перемешивания смеси "воздух-топливо", открывающихся в отсек для сгорания горелки. Трубки 15 газового инжектора предоставляют на своих внешних поверхностях круговые или спиральные V-образные канавки 40, которые могут быть выполнены, в качестве примера, как резьба за пределами трубок газового инжектора, в этом случае формирующая спиральные канавки. Вдоль осевого направления трубок 15 распределены отверстия 15а как выпускные отверстия газообразного топлива 14. Упомянутые отверстия 15а выполнены с возможностью расположения в нижней части канавок 40. Причина этого заключается в том, что газообразное топливо 14, вытекающее через отверстия 15а, должно формировать небольшие вихри в канавках, тем самым повышая турбулентность потока топлива рядом с трубками 15 газового инжектора и улучшая перемешивание с воздухом 12, который проходит через трубки 15.
В предпочтительном примере, два ряда приблизительно диаметрально противостоящих отверстий 15а размещаются (или ряды отверстий размещаются вдоль трубок, что топливо впрыскивается перпендикулярно воздушному потоку в завихрителе 3) , посредством чего газ выпускается в поток воздуха 12 на двух сторонах трубок, практически перпендикулярных воздушному потоку. Это иллюстрируется на фиг.7b. На фиг.7b также показан стержень 15b для увеличения турбулентности воздуха, расположенный между двумя топливопроводами 15, схематично показанными в виде в поперечном разрезе части завихрителя 3.