ВИХРЕВАЯ 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
Вихревая каталитическая горелка должна обеспечивать широкий диапазон устойчивого горения в камере сгорания, минимальный уровень эмиссии загрязняющих веществ: оксида углерода CO 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. Недостатком аналога является завышенные концентрации загрязняющих веществ в продуктах сгорания топлива.
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. Низкая скорость горения метановоздушной смеси не позволяет обеспечить устойчивое и в то же время низкоэмиссионное сгорание топлива.
Задачей предлагаемого устройства является обеспечение низких уровней эмиссии загрязняющих веществ на всех рабочих режимах газотурбинных установок путем установки каталитического генератора синтез-газа в дежурный контур горения.
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 вихревой 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, на выходном торце центрального тела через огнепреградную проставку установлен цилиндрической формы каталитический блок, выполненный из пористого каталитически активного материала и имеющий вдоль оси сквозное отверстие, а на внешней поверхности каталитического блока выполнены продольные углубления по всей его длине.
На фиг. 1 представлен общий вид вихревой горелки с каталитически активным насадком на центральном теле. На фиг. 2 изображен вид по стрелке А на каталитический насадок 11.
Вихревая каталитическая горелка состоит из корпуса 1, завихрителя с полыми лопатками 2 и отверстиями 3 подачи топлива в основную зону горения, штока 4 с каналами 5, 6 подачи топлива соответственно в основную и дежурную зоны горения, плохообтекаемого центрального тела 7, имеющего отверстия подачи топлива 8 и канала подачи воздуха 9 в дежурную зону горения, на выходном торце центрального тела через огнепреградную проставку 10 установлен цилиндрической формы каталитический блок в виде насадка 11, выполненного из пористого каталитически активного материала и имеющего вдоль оси сквозное отверстие, а на внешней поверхности каталитического блока выполнены продольные углубления 12 по всей его длине.
Полезная модель - вихревая каталитическая горелка - относится к устройствам для сжигания топливного газа в ГТУ с низкой концентрацией вредных веществ в выхлопных газах газовой турбины. Применение вихревой 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 газовых турбин 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 К. 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.
Вихревая каталитическая горелка работает следующим образом.
Топливо в основной контур подается через центральный канал 5 и отверстия 3 в полых лопатках завихрителя 2. Воздух подается через завихритель 2 и далее закрученный поток следует по вихревой камере к соплу. За пределами сопла обедненная топливовоздушная смесь сгорает в закрученной струе.
2
В дежурный контур топливо поступает через кольцевой канал 6 штока 4 и далее через отверстия 8 в канал центрального тела 7. Воздух в дежурный контур подается по центрально расположенному каналу 9. Подготовка топливовоздушной смеси дежурной зоны происходит в камере смешения 13, в которую газ и воздух поступают соответственно через отверстия 14 и 15. Обогащенная топливом смесь проходит через поры огнепреградительной пластины 10 и поступает в каталитический блок 11, где происходят процессы каталитической конверсии метана в автотермическом режиме. Предварительный разогрев каталитического блока осуществляется горячими газами, поступающими в область центрального отверстия блока с обратными токами закрученной струи основного контура горения. В процессе каталитической конверсии метановоздушная смесь трансформируется в синтез-газ: CO+H.
x
Обеднение гомогенной топливовоздушной смеси основного контура осуществляется преднамеренно с целью снижения температуры пламени до уровня 1800 К и ниже для предотвращения процессов окисления азота и образования его оксидов. Однако бедные смеси горят неустойчиво с избыточными концентрациями CO, наблюдаются периодические срывы пламени, для предотвращения которых предусмотрен дополнительный подвод тепловой энергии от пламени дежурной зоны горения. Использование каталитического блока позволяет трансформировать метановоздушную смесь в синтез-газ, скорость горения которого, как известно, в 2-3 раза превышает скорость горения чистого метана. Благодаря этому процессы горения и в дежурном и в основном контурах вихревой каталитической горелки протекают устойчиво без срывов пламени и образования избыточных концентраций CO и NO.