МАЛОТОКСИЧНАЯ ГОРЕЛКА
LOW-TOXICITY BURNER

Заявляемое изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного топлива преимущественно в камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД) на основе реализации способа сжигания бедной по топливу и предварительно перемешанной топливовоздушной смеси (ТВС) в диффузионном пламени дежурной зоны горения.
Увеличение масштабов промышленного применения газотурбинной техники в авиации и наземных установках ставит перед разработчиками и производителями этой техники совершенно новые задачи. Среди них наиболее сложной задачей является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации авиационных ГТД и наземных газотурбинных установок (ГТУ). Прежде всего, это относится к снижению загрязнения атмосферы вредными веществами (ВВ), образующимися при сгорании углеводородных топлив. Начиная с 70-80-х годов прошлого столетия, принимаются законодательные национальные и международные акты по регламентации выбросов ВВ от воздушных судов с ГТД и промышленных установок с ГТУ. Впервые международный стандарт на выбросы ВВ был принят в 1981 г. как приложение к Конвенции о международной гражданской авиации. С тех пор и по настоящее время проблема соответствия ГТД экологическим нормам не теряет своей актуальности. Это отмечается во всех публикациях по данной тематике за прошедшие десятилетия (см. А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД" М., Мир, 1986; Ф.Г. Тухбатуллин, Р.С. Кашапов «Малотоксичные горелочные устройства газотурбинных установок» М., ОАО «Издательство «Недра», 1997; A.M. Постников «Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ» Самара, Самарский научный центр РАН, 2002; X Международная научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей»; сб. трудов. Самара; Изд-во Самарский университет, 2017). Постоянное ужесточение норм на выбросы ВВ стимулирует изучение процессов образования ВВ, поиск новых способов организации горения, совершенствование конструкции КС ГТД и горелочных устройств, о чем свидетельствует активность патентования в данной области техники во всех промышленно развитых странах:
см. патент Великобритании - №2179435, F23R 3/28;
патенты Германии - №2442895, F23R 3/14; №4228816, F23R 3/14;
патенты России - №2083926 F23R 3/16: №2094705, 23R 3/16; №2099639, F23R 3/28; №2137042, F23R 3/16; №2267710, F23R 3/20; №2451878 C1, F23D 14/02; №2451881 С2, F23R 3/42; №2453765 С2, F23D 14/02;
патенты США - №4041694, 60-39.02, F02C 9/08; №4073134, F02C 9/14; №4594166, F02C 7/00; №5239818 F02C 3/00; №7083122 В2, В05В 7/10;
патент Франции - №2283321, F02C 7/00;
патенты Японии - №2004053048, F23R 3/18; №2003194337 F23R 3/14.
И это только некоторые примеры.
Прототипом заявляемого технического решения является «Малоэмиссионная горелка» (патент RU №2442932 С1, МПК F23R 3/14), в которой реализуется способ сжигания бедной по топливу и предварительно перемешанной ТВС основной зоны с поддержкой диффузионным пламенем дежурной зоны горения. Подконтрольная эксплуатация ГТД с КС, оснащенной горелками по указанному патенту, выявила, что при работе ГТД на пониженных мощностях (менее 0,7 номинала) снижается КПД двигателя, растут выбросы ВВ. Выявленными причинами явились некоторые недостатки в организации процесса горения:
- из-за слабого взаимодействия основного потока ТВС с зоной обратных токов (ЗОТ) горелки, часть ТВС основного контура не успевает прореагировать и происходит ее «замораживание» воздухом зоны смешения КС;
- недостаточно однородна ТВС основной зоны.
Решением этих проблем являются улучшение процесса подготовки ТВС основной зоны и интенсификация процесса тепло- и массообмена между ЗОТ и обтекающим ее потоком ТВС основной зоны с помощью турбулизации потоков.
Известна горелка (патент RU №2133411 (13) С1 (51) МПК 6 F23R 3/34), в которой для турбулизации внешнего потока бедной ТВС используется конический насадок с отверстиями и отбортовкой на выходной кромке, за которым формируется сложная система вихрей, создающая промежуточный турбулентный слой контакта потока бедной ТВС и центральной высокотемпературной ЗОТ.
Известна горелка (патент RU №2324117), в которой за счет выступающих в поток бедной ТВС приливов центрального тела формируются зоны турбулентности и увеличивается площадь поверхности контакта горячих газов ЗОТ с внешним потоком бедной ТВС.
С позиции теплового состояния элементов конструкции горелок, указанные выше технические решения обладают существенным недостатком, ликвидация которого требует дополнительных конструктивных решений, направленных на защиту поверхностей деталей этих горелок от высокотемпературной эрозии. Воздействие горячих продуктов горения является следствием того, что за отбортовкой выходной кромки и за приливами центрального тела имеются зоны внезапного расширения потока, которые, как известно, характеризуются наличием возвратных течений в присоединенном вихре, являющимся хорошим стабилизатором пламени (А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", стр. 118 и 228, М., Мир, 1986).
В горелке-прототипе для создания бедной, однородной по составу ТВС применен известный принцип создания камеры смешения струйного типа - принудительная турбулизация потока воздуха равномерно распределенными по объему многочисленными газовыми струями. Основными характеристиками, определяющими качество подготовленной смеси, являются протяженность участка смешения, диаметр и количество газовых струй, количество и размеры плохообтекаемых тел. Создание однородной (на молекулярном уровне) ТВС в условиях реальной горелки КС ГТД по техническим и технологическим причинам является весьма сложной задачей.
Наиболее близка по качеству к идеальной технически однородная ТВС, получаемая в горелках с проницаемым элементом (патент RU №2451878 С1, МПК F23D 14/02; патент ЕР №2623867 А1). Серьезным недостатком этих технических решений является снижение пропускной способности горелок, по мере увеличения наработки ГТД, из-за неизбежного засорения мелких пор в проницаемом элементе присутствующими в воздухе и топливном газе твердыми частицами. А проводимые регламентные промывки газо-воздушного тракта ГТД ускорят процесс засорения проницаемых элементов. Изменение пропускной способности горелок приведет к изменению состава ТВС, и, как следствие, к ухудшению экологических характеристик ГТД.
В обзоре результатов исследования характеристик обтекания трехмерных углублений (лунок) потоком среды (Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Чушкин Ю.В. и др. «Интенсификация массо- и теплообмена», М., ЦНИИатоминформ, 1987, ДСП) описан процесс генерации самоорганизующихся динамических вихревых структур, истекающих из лунок в виде струй, развивающихся во времени в широком диапазоне скоростей обтекающего потока. Примечателен тот факт, что образующиеся вихревые струи непрерывно высасывают среду из лунки и выносят ее в основной поток, то есть, инициируемая турбулентность не имеет зон обратного тока, присоединенных к элементам конструкции, а это означает, что нет и опасности проскока и стабилизации пламени, вызывающего высокотемпературную эрозию. Данные исследования проводились с целью определения эффективности процесса охлаждения поверхностей нагреваемых тел за счет увеличения скорости массо- и теплообмена между поверхностью тела и омывающей ее средой.
Описаний примеров использования динамических вихревых струй в следе за лунками в целях интенсификации процессов смесеобразования и горения обедненной ТВС в горелках КС ГТД в упомянутой и другой исследованной литературе не выявлено.
Целями заявляемого технического решения являются:
- обеспечение процесса сжигания топлива в КС с высоким КПД на всех режимах работы ГТУ;
- снижение уровня содержания в выхлопных газах загрязняющих атмосферу веществ на всех режимах работы ГТУ;
- повышение надежности горелки.
Поставленные цели достигаются тем, что в двухконтурной горелке содержащей корпус со штоком подвода топлива в основную и дежурную зоны горения, уступ-турбулизатор, расположенный перед аксиальным завихрителем смесителя, в полых лопатках которого имеются отверстия для подачи топлива, центральное тело с каналами для подвода топлива и воздуха в форсунку дежурной зоны, на наружных поверхностях центрального тела и лопатках завихрителя в непосредственной близости от их выходных кромок, на центральном теле равномерно по окружности, а на лопатках завихрителя равномерно по их высоте, выполнены лунки или выступы, преимущественно имеющие форму сферического сегмента.
На эскизе представлен общий вид малотоксичной горелки и взаимное расположение элементов ее конструкции.
Горелка содержит корпус 1, отлитый совместно со штоком 2 подвода топлива в дежурную и основную зоны горения, смеситель, представляющий собой единую деталь, состоящую из аксиального завихрителя 3, входного уступа-турбулизатора 4, выходного сопла 5 и центрального тела 6. В центральном теле 6 закреплена форсунка 7, через отверстия 8 в которой, подается топливо в дежурную зону горения. Топливо основной зоны горения поступает в межлопаточные каналы завихрителя 3 через отверстия 9 в полых лопатках завихрителя 3. Топливо в горелку подается через штуцер 10, расположенный на штоке 2, раздача топлива по контурам осуществляется через кольцевые коллекторы 11 и 12 горелки. Охлаждение торцевой поверхности центрального тела 6, формирующего зону обратных токов дежурной зоны горения, осуществляется воздухом, входящим в центральное тело 6 через окна 13 и истекающим через отверстия 14 в форсунке 7.
Образование технически однородной (гомогенной) ТВС основной зоны горения происходит путем перемешивания воздуха и топлива вихревыми течениями, образующимися за входным уступом-турбулизатором 4, на топливных струях, истекающих из отверстий 9 в лопатках завихрителя 3, срывными течениями на самих лопатках завихрителя 3. Введение на поверхностях лопаток завихрителя 3 лунок или выступов 15, генерирующих смерчеобразные вихри, дополнительно турбулизирует поток ТВС, что способствует повышению качества смешения и, как следствие, снижению образования вредных веществ при горении.
Воздействие вихрей, генерируемых лунками или выступами 16 на наружной поверхности центрального тела 6, на поверхность сдвига потоков ТВС основной зоны и ЗОТ дежурного пламени интенсифицирует процессы тепломассообмена между этими потоками, что ускоряет процесс выгорания топлива основной зоны, а это является необходимым условием, обеспечивающим низкий уровень выбросов вредных веществ.
Введение в конструкцию горелки лунок или выступов повышает надежность горелки, так как инициируемая лунками или выступами турбулентность не имеет возвратных течений, присоединенных к элементам конструкции горелки, что не вызывает явления проскока и стабилизации пламени, приводящего к высокотемпературной эрозии.