СПОСОБ СЖИГАНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННОЙ "БЕДНОЙ" ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ЖИДКОГО И (ИЛИ) ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И ВОЗДУХА В ТРЕХКОНТУРНОЙ МАЛОЭМИССИОННОЙ ГОРЕЛКЕ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR BURNING A PRELIMINARILY PREPARED "LEAN" FUEL-AIR MIXTURE OF LIQUID AND (OR) GASEOUS FUEL AND AIR IN A THREE-CIRCUIT LOW-EMISSION BURNER (VARIANTS)

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС или просто смеси), в частности, к созданию малоэмиссионных камер сгорания (МКС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) на базе малоэмиссионных горелок (МГ) с предварительной подготовкой и сжиганием «бедных» смесей жидких и (или) газообразных топлив и воздуха.
Одним из приоритетных направлений развития энергетики является создание высокоэффективных энергоустановок с газотурбинными двигателями, обладающих рядом преимуществ по сравнению с тепловыми электрическими станциями:
- высокий технический уровень проектирования;
- большая удельная мощность в одном агрегате;
- возможность быстрого монтажа установки, в том числе в труднодоступных местах;
- короткое время запуска и выхода установок на номинальный режим;
- высокий эффективный КПД (~40% и выше) и др.
X
Однако ввиду больших расходов газа стационарные ГТУ являются мощными локальными источниками вредных веществ, представляющими значительную опасность для прилегающих жилых массивов, поэтому к ним предъявляются повышенные экономические и экологические требования. В соответствии с этими требованиями перспективная энергоустановка мощностью более 5 МВт должна иметь комбинированный рабочий цикл, включающий в себя газотурбинную ступень с эффективным КПД до 60%. Причем эмиссия оксидов азота (NO) и оксида углерода (СО) за свободной турбиной, т.е. на выходе из энергоустановки, не должна превышать 9 ppm и 20 ppm соответственно.
x
x
Известно [1], что процесс горения ТВС стехиометрического состава происходит при максимальной температуре с образованием максимальных концентраций NO. Для уменьшения эмиссии NO стремятся уменьшить температуру процесса за счет сжигания предварительно подготовленной «бедной» ТВС. Однако при этом ухудшается устойчивость сгорания «бедной» смеси и обычно сопровождается пульсациями давления, то есть виброгорением. Поэтому при сжигании предварительно подготовленных «бедных» ТВС на первое место выдвигается проблема устойчивости их горения. Если «бедная» ТВС остается еще реакционноспособной, но движется с большой скоростью, превышающей нормальную скорость распространения пламени (НСРП), то цель стабилизации пламени состоит в том, чтобы в пределах высокоскоростного газового потока «бедной» смеси создать область, в которой смесь имеет заданный состав, а ее поток движется со скоростью, меньшей, чем НСРП в этой смеси. Из-за этого МГ усложняется и становится двухконтурной.
x
Попытки значительно уменьшить эмиссию NO привели к использованию очень «бедных» ТВС, которые самостоятельно не способны гореть из-за низких концентраций топлива в смеси. Цель стабилизации пламени в данном случае состоит не только в том, чтобы создать область со скоростью, меньшей, чем НСРП, но и изменить в этой области состав смеси так, чтобы повысить в ней концентрацию топлива до реакционноспособного состава путем подачи в область стабилизации некоторого количества пилотного топлива. Иными словами, создать во втором (дополнительном) контуре двухконтурной МГ «дежурный» факел устойчивого горения такой смеси, состав которой близкий к стехиометрическому составу.
x
x
При значительном «обеднении» ТВС, кроме того, все труднее обеспечить ее однородность из-за значительного уменьшения в ней концентрации топлива и локального способа его подачи. Поэтому значительно «обедненная» ТВС становится неоднородной. В ее чередующихся локальных зонах образуется менее «обедненная», то есть близкая к стехиометрической смеси, и «переобедненная» ТВС. Сжигание такой ТВС, несмотря на то, что средняя адиабатическая температура горения снижается, сопровождается увеличениями температуры горения смеси и эмиссии NO в менее «обедненных» локальных зонах, а также ростом неполноты сгорания топлива и «замораживанием» СО и углеводородов из-за уменьшения температуры горения смеси в «переобедненных» локальных зонах. То есть значительно «обедненная» ТВС при низкой средней адиабатической температуре горения снова становится источником NO и СО. Обусловленная неоднородностью температуры горения смеси неоднородность плотности среды генерирует в ней неоднородность давления, то есть пульсации давления, что и приводит к виброгорению. Пульсации давления, в свою очередь, приводят к опасным колебаниям расхода топлива.
Двухконтурные МГ, в которых реализуются различные способы сжигания предварительно подготовленной «бедной» смеси основного топлива и воздуха, можно разделить на два класса:
- двухконтурные МГ, в которых при организации «дежурного» факела в дополнительный (пилотный) контур подается предварительно подготовленная смесь пилотного топлива и воздуха, составляют первый класс;
- двухконтурные МГ, в которых при организации «дежурного» факела в дополнительный (пилотный) контур подается только пилотное топливо, где оно сгорает в области «дежурного» факела после его предварительного диффузионного смешения с «бедной» ТВС, поступающей в эту область из основного контура МГ, составляют второй класс. В таких МГ воздух в пилотный контур не подается. Причем при диффузионном смешении пилотного топлива, независимо от его расхода, и этой «бедной» смеси, всегда образуется широкий фронт горения реакционноспособной «богато-бедной» и стехиометрической смеси. Так как величина вовлекаемой «бедной» ТВС в «дежурный» факел всегда определяется расходом пилотного топлива.
x
В двухконтурных МГ первого класса при организации устойчивого «дежурного» факела в пилотный контур должны подаваться «богатая» предварительно подготовленная смесь пилотного топлива и воздуха, чтобы получить реакционноспособную смесь с коэффициентом избытка воздуха α, находящемся в диапазоне от 0.6 до 1.4, после ее диффузионного смешения с «бедной» ТВС, поступающей в зону горения из основного контура МГ. Для экономии топлива обычно используется только «бедная» ветвь этого диапазона. Однако из-за того, что расход пилотного воздуха регулировать невозможно и не предусмотрено, то регулирование расхода пилотного топлива ограничено очень узким диапазоном, в пределах которого сохраняется реакционноспособный состав ТВС. Это ограничение не позволяет существенно уменьшать высокотемпературную область «дежурного» факела и обеспечивать низкую эмиссию NO.
x
В двухконтурных МГ второго класса при организации устойчивого «дежурного» факела расход «бедной» ТВС, вовлекаемой в зону горения «дежурного» факела из основного контура МГ, будет определяться расходом пилотного топлива, который можно уменьшать почти до нуля, так как состав сгораемой смеси при ее диффузионной подготовке всегда близок к реакционноспособному составу. Эта особенность двухконтурных МГ второго класса с точки зрения снижения эмиссии NO обладает значительным преимуществом перед двухконтурными МГ первого класса.
Среди устройств, применяемых для стабилизации горения «бедной» ТВС при разработке двухконтурных МГ, плохообтекаемые тела и лопаточные завихрители, несомненно, получили преимущественное распространение и поэтому их характеристики наиболее исследованы [1] - [3]. Причем лопаточные завихрители, кроме создания вихревой циркуляционной зоны с возвратным течением, где происходит устойчивое горение «бедной» смеси, могут выполнять другие важные действия: обеспечивать предварительную подготовку «бедной» ТВС, а также производить ускорение потока «бедной» смеси для предотвращения проскока пламени в зону ее предварительной подготовки.
Поскольку плохообтекаемые тела при горении стехиометрической ТВС находятся в зоне очень высоких температур, превышающих температуру их плавления, то для обеспечения их работоспособности и ресурса работы они требуют охлаждения, несмотря на то, что изготовлены из жаростойких металлов.
x
Проблемы обеспечения устойчивости горения «бедной» ТВС и низкой эмиссии NO, а также проблемы работоспособности и ресурса работы плохообтекаемых тел при создании двухконтурных МГ должны решаться одновременно. Однако в известных двухконтурных МГ они решаются либо частично, либо не достаточно эффективно. Многообразие форм и размеров плохообтекаемых тел и способов подачи пилотного топлива с целью организации устойчивого горения «бедной» ТВС и обеспечения ресурса работы плохообтекаемых тел порождают многообразие технических решений их реализации, не всегда достаточно эффективных.
x
2
2
x
x
2
2
Необходимо подчеркнуть, что двухконтурные МГ, где сгорает предварительно подготовленная «бедная» ТВС, являются источником, преимущественно, NO, которые возникают в высокотемпературной зоне «дежурного» факела в соответствии с механизмами диссоциации молекул N и О на атомы N и О с последующей их рекомбинацией до NO при достаточном снижении температуры продуктов сгорания (ПС). Причем, чем больше эта зона, тем больше эмиссия NO. Из-за высокой температуры в этой зоне СО успевает доокислиться до СО почти полностью. Поэтому в «дежурном» факеле пилотного контура МГ СО практически отсутствует. В основном контуре МГ СО также успевает доокислиться до СО из-за избытка кислорода и достаточного времени пребывания в зоне высоких температур для такого процесса окисления.
x
Рассмотрим известные двухконтурные МГ, в которых реализованы различные способы повышения устойчивости горения предварительно подготовленной «бедной» смеси основного топлива (жидкого или газообразного) и воздуха с целью снижения эмиссии NO и ресурса их работы.
Известно устройство для сжигания газообразного, жидкого, а также средне- или низкокалорийного топлива [4], содержащее камеру смешения, завихритель, вход подачи воздуха в камеру смешения, первый и второй входы подачи газообразного топлива, первый и второй входы подачи жидкого топлива.
x
В устройстве обеспечивается недостаточно хорошее качество смешения основного топлива (газообразного и жидкого) и воздуха, что приводит к возникновению пульсаций концентраций топлива и, как следствие, к повышенному уровню эмиссии NO.
Недостатки известного устройства [4] частично устраняются в устройстве для сжигания жидкого или газообразного топлива [5], содержащего, установленные последовательно перед входом потока в камеру сгорания, устройство подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени. Устойчивость горения ТВС в данном устройстве достигается путем организации циркуляционной зоны за стабилизатором пламени. В потоке воздуха установлена перфорированная перегородка, выполняющая роль ускоряющего сопла. Поток воздуха вначале пропускают через перфорированную перегородку, а затем подают в него топливо. Такой способ смешения компонентов позволяет:
- сократить зону горения и уменьшить тепловую нагрузку на жаровую трубу камеры сгорания, так как подготовка «бедной» смеси основного топлива и воздуха вынесена за пределы зоны горения и осуществляется предварительно;
- получить более однородную «бедную» ТВС, чем при отсутствии перфорированной перегородки, и уменьшить неравномерность распределения топлива;
x
- уменьшить эмиссию NO и уровень пульсаций давления.
Однако установка перфорированной перегородки значительно увеличивает гидравлическое сопротивление потока. Поэтому для сохранения расхода воздуха необходимо повысить напор, что снижает эффективность работы устройства.
Еще одним недостатком данного технического решения является то, что повышенной турбулизации подвергается только один компонент - воздух, а другой компонент - топливо подается обычным способом.
Недостатком данного устройства является также отсутствие охлаждения теплонапряженных элементов стабилизатора и его небольшой ресурс работы.
В этой связи представляет интерес способ охлаждения теплонапряженных элементов одноконтурной горелки, выполненной по патенту [6]. В соответствии с этим способом циркуляционная зона устойчивого сгорания ТВС создается с помощью радиально-лопаточного завихрителя и полого конусного стабилизатора. Охлаждение стабилизатора обеспечивается за счет подачи на его внешнюю поверхность струй воздуха из отверстий, выполненных в другом конусе большего диаметра, который установлен соосно со стабилизатором с образованием регулярной щели между конусами. Такой струйный способ охлаждения стабилизатора имеет очень высокие коэффициенты теплоотдачи при малом расходе воздуха, поэтому является эффективным. Однако его реализация из-за установки дополнительного конуса усложняет конструкцию горелки.
Известны двухконтурные горелки второго класса для сжигания жидкого и (или) газообразного топлива [7] - [9], каждая из которых содержит камеру сгорания и диффузорную камеру смешения, выполняющую роль гомогенизатора, устройство зажигания ТВС, завихритель потока, установленный на выходе из камеры смешения, вход подачи воздуха в камеру смешения, коллекторы подачи основного и пилотного жидкого и газообразного топлива, соединенные со своими форсунками подачи жидкого и газообразного топлива, конусообразный стабилизатор пламени. Угол поворота лопаток завихрителя относительно направления потока смеси в гомогенизаторе составляет не менее 30°.
x
К достоинствам двухконтурных горелок [7] - [9] следует отнести диффузионный способ сжигания пилотного топлива, позволяющий значительно уменьшать расход пилотного топлива и объем высокотемпературной зоны, одновременно снижая эмиссию NO.
В то же время в этих горелках применяется одноступенчатое струйное смешение основного топлива и воздуха, не позволяющее получить предварительно подготовленную высококачественную «бедную» ТВС, способную гореть без пульсаций давления и виброгорения, что ограничивает степень регулирования (уменьшения) расхода пилотного топлива. То есть при ограниченной длине камеры смешения невозможно получить удовлетворительное качество достаточно «обедненной» смеси основного топлива и воздуха. Например, для полного перемешивания струй газового топлива с воздухом необходимо 50-60 калибров, а для такого же перемешивания струй жидкого топлива потребуется уже 240 калибров [10]. Такое требование к длине пути смешения компонентов ни для газообразного топлива, ни для жидкого топлива в этих горелках не выдерживается. Кроме того, градиенты скорости потока воздуха и жидкого топлива слишком малы, чтобы проявились эффекты дробления жидкости на капли в пределах камеры смешения даже с применением закрутки потока с помощью завихрителя [11].
x
Известны также двухконтурные МГ первого класса: [12] - [17], в которых пилотное топливо подается в сносящий поток воздуха в виде отдельных струй через системы отверстий, расположенные либо перед лопаточным завихрителем, как в патентах [12], [13], [16] и [17], либо после лопаточного завихрителя, как в патентах [14] и [15], и предварительно смешивается с воздухом для получения реакционноспособной «богатой» ТВС до подачи ее в зону горения «дежурного» факела. В «дежурный» факел поступает также «бедная» ТВС из основного контура горелок, где она смешивается с «богатой» ТВС. Реакционноспособная ТВС, полученная после смешения «богатой» и «бедной» ТВС, устойчиво сгорает в циркуляционной зоне, организованной с помощью лопаточных завихрителей и плохообтекаемых тел. Такой способ не допускает глубокого регулирования расхода пилотного топлива по причинам, изложенным выше. Кроме того, создает относительно большую по объему «дежурную» зону, в которой горение ТВС происходит при очень высоких температурах, поэтому не может обеспечить значительное уменьшение эмиссии NO. Еще больший объем высокотемпературной «дежурной» зоны имеет двухконтурная МГ, выполненная по патенту [12], так как пилотный контур расположен не в центре, а на периферии МГ в виде тора. Во всех этих горелках не предусмотрено также специальное охлаждение их теплонапряженных элементов.
Известна горелка General Electric Company [18], принадлежащая ко второму классу. В этой горелке также как и в двухконтурных горелках [7] - [9] применяется диффузионное сжигание пилотного топлива. Однако предварительная подготовка «бедной» смеси основного топлива и воздуха, в отличие от двухконтурных горелок [7] - [9], осуществляется путем пропускания компонентов через микроканалы пористого тела проницаемого элемента (ПЭ), где из-за ограниченных размеров пор одновременно подавляются (срезаются) турбулентные пульсации скорости, давления и концентрации топлива и улучшается качество «бедной» смеси по сравнению со струйным смешением основного топлива и воздуха. В то же время, из-за большой толщины ПЭ и большого пути смешения компонентов в нем существенно возрастают потери давления в потоке «бедной» ТВС, что является недостатком этой горелки.
Недостатки струйных способов смешения топлива и воздуха в горелках с точки зрения повышения качества «бедной» ТВС устраняются также в способах [19] - [22], путем применения ПЭ. В соответствии с этими способами предварительно подготовленная «бедная» ТВС дополнительно пропускается через ПЭ, который обеспечивает получение более качественной ТВС за счет разветвленной системы микроканалов и максимально (до размеров толщины его материала) сокращает путь смешения топлива и воздуха. Турбулентный поток ТВС в микроканалах ПЭ движется с небольшими скоростями, но достаточными для интенсивного перемешивания топлива и воздуха, поэтому ПЭ вызывают небольшие потери давления при движении потока смеси в нем.
В горелках, где реализуются эти способы ([19] - [22]), для увеличения устойчивости горения ТВС, наряду с плохообтекаемыми телами, применяется и (или) вихревая стабилизация горения за счет применения аксиально-лопаточных завихрителей (АЛЗ) турбинного типа с центральным телом. Однако турбулентный поток ТВС движется в АЛЗ с большими скоростями и вызывает большие потери давления, которые превосходят потери давления в ПЭ. Кроме того, ПЭ, в отличие от АЛЗ, обладает еще одним положительным свойством: за счет своей пористой структуры он демпфирует пульсации давления, не позволяя им распространиться из области смешения топлива и воздуха в область горения смеси. ПЭ и АЛЗ применяются также как надежные средства, препятствующие проскоку пламени в область смешения топлива и воздуха. ПЭ препятствует проскоку пламени за счет размера пор, а АЛЗ - за счет поддержания скорости потока смеси в «горле» его турбинной решетки больше, чем НСРП.
Недостатки известных способов частично устраняются в способе сжигания предварительно подготовленной «бедной» смеси жидкого и (или) газообразного топлива и воздуха, реализованном в трехконтурной горелке газовых турбин Siemens: KB5S SGT-A05 и КВ7НЕ SGT-A05 [23], который принят нами в качестве прототипа.
Горелка, в которой реализован этот способ [23], включает открытую с обоих концов внешнюю втулку, которая содержит подводящий патрубок основного газообразного топлива, кольцевой топливный ресивер и выполненную в конце магистрали подачи топлива дозирующую перфорацию, за внешней втулкой установлена свеча с подводом к ней энергии извне, пилотный контур, где обеспечивается устойчивое диффузионное сжигание пилотного газообразного топлива, внешний контур, где обеспечивается предварительная подготовка «бедной» смеси основного газообразного топлива и основного воздуха и внутренний (приосевой) контур, где обеспечивается предварительная подготовка «богатой» двухфазной смеси жидкого топлива и вспомогательного воздуха.
Воздух, поступающий в горелку от компрессора, разделяют на основной воздух, поступающий во внешний контур горелки, и вспомогательный воздух, поступающий во внутренний контур горелки.
Газообразное топливо, поступающее во внешний контур горелки, называется основным газообразным топливом, а газообразное топливо, поступающее в пилотный контур горелки, называется пилотным газообразным топливом.
Пилотный контур представляет собой плохообтекаемое тело. При обтекании его «бедной» смесью, предварительно подготовленной во внешнем контуре горелки, образуется разрежение, благодаря которому возникает дополнительная циркуляционная зона горелки с обратными токами. При подаче пилотного газообразного топлива непосредственно в дополнительную циркуляционную зону происходит его диффузионное смешение с «бедной» ТВС, а при воспламенении образовавшейся смеси от внешнего источника энергии с помощью свечи возникает устойчивое горение в «дежурном» факеле, тепло которого обеспечивает устойчивое горение «бедной» ТВС в основной циркуляционной зоне.
Внешний контур горелки образован внешней втулкой и обечайкой, установленной внутри этой втулки соосно с ней. Обечайка начинается открытой с обоих концов втулкой и завершается полым конусным стабилизатором, выходной торец которого закрыт днищем в виде перфорированной решетки. При обтекании конусного стабилизатора «бедной» ТВС за его днищем образуется основная циркуляционная зона горелки с обратными токами. Внешняя втулка и втулка обечайки соединяются радиальными полыми лопатками, образующими входной лопаточный аппарат (ВЛА). Причем полые лопатки ВЛА соединены с внешней втулкой так, что внутренние полости лопаток и полость кольцевого топливного ресивера вместе образуют единую топливную полость. В стенках радиальных полых лопаток выполнены выходные дозирующие отверстия. Таким образом, внешний контур горелки включает ВЛА, образованный радиальными полыми лопатками, камеру смешения и выходное сопло.
Внутренний контур горелки образован проточной частью обечайки. На входе во внутренний контур горелки во втулке обечайки установлена форсунка с подводящим патрубком жидкого топлива. Форсунка имеет тороидальный топливный ресивер и осевое отверстие для подвода вспомогательного воздуха. За втулкой обечайки вдоль оси горелки последовательно расположены камера смешения, выполняющая роль гомогенизатора капель жидкого топлива, и выходная перфорированная решетка, выполняющая роль сопла Вентури.
В соответствии с этим способом при работе горелки только на газообразном топливе пилотное газообразное топливо подают непосредственно в дополнительную циркуляционную зону горелки. Воспламенение смеси пилотного газообразного топлива и «бедной» ТВС с целью образования «дежурного» факела в этой зоне обеспечивают от внешнего источника энергии с помощью свечи. Устойчивое горение в «дежурном» факеле при максимально возможной температуре обеспечивается за счет диффузионного смешения пилотного газообразного топлива с «бедной» ТВС, поступающей в эту зону из внешнего контура горелки.
Одновременно с подачей пилотного газообразного топлива через выходные дозирующие отверстия, выполненные в стенках полых радиальных лопаток ВЛА внешнего контура горелки, подают основное газообразное топливо в виде системы струй с целью сокращения пути их смешения с основным воздухом. Далее его предварительно смешивают в камере смешения со сносящим потоком основного воздуха для получения «бедной» смеси (не обязательно реакционноспособной), которую ускоряют в сопле. В сопле на всех режимах работы горелки за счет соответствующего выбора площади сечения сопла поддерживают скорость потока этой смеси, превышающую НСРП для данного газообразного топлива, что позволяет предотвратить проскок пламени из дополнительной циркуляционной зоны в область смешения основного газообразного топлива и основного воздуха. В основной циркуляционной зоне предварительно подготовленную «бедную» ТВС дополнительно смешивают со вспомогательным воздухом, поступающим в эту зону из внутреннего контура горелки через выходную перфорированную решетку, «обедняя» дополнительно. Устойчивость сгорания вновь образованной «бедной» смеси в основной циркуляционной зоне горелки обеспечивают за счет тепла, поступающего в эту зону от «дежурного» факела.
При работе горелки только на жидком топливе его подают через подводящий топливный патрубок и форсунку в сносящий поток вспомогательного воздуха. Далее жидкое топливо предварительно смешивают со вспомогательным воздухом в пределах камеры смешения с целью получения двухфазной смеси. При этом одновременно капли жидкого топлива гомогенизируют (испаряют) за счет подвода тепла к ним от вспомогательного воздуха. Полученную двухфазную смесь затем пропускают через выходную перфорированную решетку, в которой поддерживают скорость потока смеси больше, чем НСРП для данного жидкого топлива, и подают в основную циркуляционную зону, где ее смешивают с основным воздухом, поступающим в эту зону из внешнего контура горелки. Причем расход жидкого топлива регулируют так, чтобы на всех режимах работы горелки после смешения двухфазной смеси с основным воздухом в ее основной циркуляционной зоне образовалась реакционноспособная «бедная» двухфазная смесь, воспламенение которой обеспечивают от внешнего источника энергии с помощью той же свечи.
Можно отметить следующие недостатки этого способа.
Форсунка обеспечивает распыл жидкого топлива с большим диапазоном изменения диаметров капель (от нескольких микрон до нескольких сотен микрон), что ухудшает эффективность смешения компонентов, так как из-за большой разности в диаметрах капель топлива значительная их часть не успеет испариться и неизбежно приведет к неполноте сгорания топлива. Применяемая выходная перфорированная решетка не способствует испарению капель, а лишь ускоряет поток двухфазной смеси. Несмотря на то, что применяется двухступенчатое смешение жидкого топлива и вспомогательного воздуха: предварительное струйное смешение струй жидкого топлива и сносящего потока вспомогательного воздуха в первой ступени и дополнительное смешение полученной двухфазной смеси с основным воздухом в основной циркуляционной зоне, однако таких решений не достаточно для получения смеси высокого качества, прежде всего, из-за того, что плотность жидкого топлива в десятки раз больше плотности вспомогательного воздуха.
Применяется также двухступенчатое смешение основного газообразного топлива и воздуха во внешнем контуре горелки: предварительное струйное смешение основного топлива и сносящего потока основного воздуха в первой ступени и повторное смешение полученной ТВС со вспомогательным воздухом в основной циркуляционной зоне горелки. Однако таких решений не достаточно для получения «бедной» ТВС высокого качества, способной гореть без пульсаций давления, прежде всего из-за большого значения коэффициента избытка воздуха (α больше 2), при котором массовый расход основного воздуха в десятки раз превышает массовый расход основного газообразного топлива.
x
Не предусмотрено регулирование расхода пилотного газообразного топлива, что не позволяет значительно уменьшать объем высокотемпературной зоны горения, прежде всего на номинальных режимах работы горелки, при которых и наблюдается максимальная эмиссия NO.
x
К недостаткам способа следует отнести также и тот факт, что дополнительная циркуляционная зона имеет большой объем, так как располагается на периферии этой горелки, а не в центре, как, например, в известных двухконтурных горелках [7] - [9]. Такое расположение пилотного контура горелки даже из геометрических соображений не позволяет получить малый объем высокотемпературной зоны горения ТВС и низкую эмиссию NO. Задачами данного изобретения являются:
- увеличение эффективности сжигания газообразного и жидкого топлива;
- повышение устойчивости горения «переобедненной» ТВС с концентрацией топлива в ней меньше «нижнего» концентрационного предела;
- снижение потерь давления в горелке;
- снижение эмиссии окислов азота;
- повышение надежности и ресурса работы МГ.
Выполнение поставленных задач обеспечивается с помощью следующих технических решений.
Способ сжигания предварительно подготовленной «бедной» топливовоздушной смеси жидкого и (или) газообразного топлива и воздуха в трехконтурной малоэмиссионной горелке, включающей открытую с обоих концов внешнюю втулку, которая содержит подводящий патрубок основного газообразного топлива, основной кольцевой топливный ресивер, за внешней втулкой установлена свеча с подводом к ней энергии извне, кольцевую обечайку, разделяющую горелку на два соосных контура: внешний и внутренний (приосевой), причем внешний контур охватывает внутренний контур, кольцевая обечайка начинается открытой с обоих концов цилиндрической втулкой и завершается полым конусным стабилизатором, внешняя втулка и втулка кольцевой обечайки соединяются радиальными полыми лопатками, содержащими дозирующие отверстия для подачи основного газообразного топлива в сносящий поток основного воздуха, причем их внутренние полости и полость основного кольцевого топливного ресивера, вместе образуют единую полость основного газообразного топлива, за входными полыми радиальными лопатками, образующими входной лопаточный аппарат, расположена камера смешения и выходное сопло, образованное внешней втулкой и полым конусным стабилизатором, на входе во внутренний контур горелки во втулке кольцевой обечайки установлена форсунка с кольцевым топливным ресивером и подводящим патрубком жидкого топлива, имеющая осевое отверстие для подачи вспомогательного воздуха, за форсункой вдоль оси горелки последовательно расположены камера смешения, выполняющая также роль гомогенизатора капель жидкого топлива за счет подвода тепла от вспомогательного воздуха, и выходное сопло внутреннего контура горелки, в соответствии с которым воздух, поступающий в горелку под давлением, разделяют на основной воздух, поступающий во внешний контур горелки через входной лопаточный аппарат, и вспомогательный воздух, поступающий во внутренний контур горелки через осевое отверстие форсунки, при работе горелки только на газообразном топливе его основную долю, то есть основное газообразное топливо, вначале подают под избыточным давлением по подводящему топливному патрубку в полость основного газообразного топлива, из которой через выходные дозирующие отверстия, выполненные в стенках полых радиальных лопаток, его подают в виде системы газовых струй в сносящий поток основного воздуха, далее компоненты предварительно смешивают в камере смешения с целью получения «бедной» смеси, которую ускоряют в выходном сопле внешнего контура горелки, при работе горелки только на жидком топливе его вначале подают по подводящему топливному патрубку в кольцевой топливный ресивер форсунки, из которого через выходные дозирующие отверстия, выполненные в контактирующей со вспомогательным воздухом стенке форсунки, его подают в виде системы жидких струй в сносящий поток вспомогательного воздуха, далее компоненты предварительно смешивают в камере смешения с целью получения двухфазной смеси и частично гомогенизируют, полученную смесь ускоряют в сопле, при этом газообразное топливо разделяют на основное и пилотное, во втулке кольцевой обечайки выполняют вспомогательный кольцевой топливный ресивер, объединяющий полости полых радиальных лопаток входного лопаточного аппарата, в стенках основного и вспомогательного кольцевых топливных ресиверов, контактирующих с потоком основного воздуха, выполняют дозирующие отверстия для подачи основного газообразного топлива в сносящий поток основного воздуха, причем полости обоих ресиверов и полости полых радиальных лопаток входного лопаточного аппарата горелки образуют единую полость основного газообразного топлива, за входным лопаточным аппаратом в проточной части внешнего контура горелки в пределах камеры смешения устанавливают проницаемый элемент с заданными значениями пористости и дисперсности, выполненный из металлических микронных сеток регулярной структуры, за проницаемым элементом устанавливают основной аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа с центральным телом, радиальные лопатки турбинной решетки этого завихрителя выполнены полыми, а в качестве центрального тела используют полый конусный стабилизатор кольцевой обечайки горелки, во внешней втулке горелки за подводящим патрубком основного газообразного топлива ближе к выходу из горелки устанавливают еще один подводящий патрубок пилотного газообразного топлива и выполняют дополнительный кольцевой ресивер пилотного газообразного топлива, объединяющий полости полых радиальных лопаток основного аксиально-лопаточного завихрителя, в полом конусном стабилизаторе кольцевой обечайки выполняют промежуточный кольцевой ресивер пилотного газообразного топлива, также объединяющий полости полых радиальных лопаток основного аксиально-лопаточного завихрителя, во внутреннем контуре горелки на ее оси устанавливают пилотный контур горелки, представляющий собой плохообтекаемое тело в виде полого конусного стабилизатора, передняя часть которого закрыта и выполнена газодинамически обтекаемой, например, в виде сферы, а его задний торец, лежащий в одной плоскости с торцом полого конусного стабилизатора кольцевой обечайки, открыт, причем угол раскрытия полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки и угол раскрытия полого конусного стабилизатора кольцевой обечайки выполнены одинаковыми и образуют угол, близкий к 30°, внутри полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки выполняют приосевую топливную полость и устанавливают еще один усеченный полый конус меньшего размера так, что между внутренней поверхностью полого конусного стабилизатора этого пилотного контура горелки и наружной поверхностью усеченного полого конуса образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель, передний торец усеченного полого конуса закрыт днищем, в котором выполнены дозирующие отверстия для подачи пилотного газообразного топлива, а его задний торец закрыт проницаемой пластиной, выполненной из металлических микронных сеток регулярной структуры, приосевая топливная полость пилотного контура горелки сообщается с конической кольцевой щелью с помощью перепускных отверстий, выполненных в разделяющей их цилиндрической стенке усеченного полого конуса, проточную часть внутреннего контура горелки соединяют с конической кольцевой щелью с помощью системы перепускных отверстий, выполненных в полом конусном стабилизаторе равномерно по окружности под острым углом к подстилающей поверхности, близким к 45°, причем относительный шаг между этими отверстиями выполняют меньшим, чем 2.5, или равным 2.5, за форсункой в проточной части внутреннего контура горелки, образованного кольцевой обечайкой и пилотным контуром горелки, в пределах камеры смешения также устанавливают проницаемый элемент с заданными значениями пористости и дисперсности, выполненный из металлических микронных сеток регулярной структуры, а за проницаемым элементом устанавливают еще один вспомогательный аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа с центральным телом, радиальные лопатки турбинной решетки которого выполнены полыми, в качестве центрального тела используют пилотный контур горелки, причем закрутки потоков в основном и вспомогательном аксиально-лопаточных завихрителях совпадают по направлению, полость дополнительного кольцевого ресивера пилотного газообразного топлива, выполненного во внешней втулке горелки, полость промежуточного кольцевого ресивера пилотного газообразного топлива, выполненного в конусном стабилизаторе кольцевой обечайки, полости полых радиальных лопаток основного и вспомогательного аксиально-лопаточных завихрителей, а также приосевая топливная полость пилотного контура горелки, вместе образуют единую полость пилотного газообразного топлива, при работе горелки только на газообразном топливе после предварительного струйного смешения основного газообразного топлива со сносящим потоком основного воздуха, представляющего первую ступень смешения компонентов, полученную в результате такого смешения компонентов «бедную» топливовоздушную смесь дополнительно пропускают через микроканалы пористого тела проницаемого элемента, представляющего вторую ступень, где происходит основное смешение компонентов с образованием качественной «бедной» топливовоздушной смеси, которую затем ускоряют в сопле, роль этого сопла выполняет «горло» турбинной решетки основного аксиально-лопаточного завихрителя, за полым конусным стабилизатором кольцевой обечайки формируют основную циркуляционную зону горелки путем подачи потока этой смеси на полый конусный стабилизатор кольцевой обечайки, кроме того, поток закручивают с целью повышения устойчивости горения смеси за счет пропускания потока «бедной» топливовоздушной смеси через основной аксиально-лопаточный завихритель, причем в основной циркуляционной зоне «бедную» топливовоздушную смесь «обедняют» дополнительно за счет ее смешения со вспомогательным воздухом, поступающим в эту зону из внутреннего контура горелки, дополнительную циркуляционную зону газообразного топлива гораздо меньшего размера, чем размер основной циркуляционной зоны, формируют за полым конусным стабилизатором пилотного контура горелки путем подачи вспомогательного воздуха на этот конусный стабилизатор и ускорения в сопле, роль которого выполняет «горло» турбинной решетки вспомогательного аксиально-лопаточного завихрителя, повышенную устойчивость горения смеси в дополнительной циркуляционной зоне обеспечивают закруткой вспомогательного воздуха до подачи его в дополнительную циркуляционную зону за счет его пропускания через вспомогательный аксиально-лопаточный завихритель, в этой дополнительной зоне пилотное газообразное топливо диффузионно смешивают со вспомогательным воздухом, поступающим в эту зону из внутреннего контура горелки, причем основную часть пилотного газообразного топлива подают из единой полости пилотного газообразного топлива в кольцевую щель через перепускные отверстия, выполненные в разделяющей их цилиндрической стенке, где это топливо предварительно смешивают со вспомогательным воздухом, поступающим из проточной части внутреннего контура горелки через систему перепускных отверстий, выполненных в полом конусном стабилизаторе, образовавшуюся смесь далее подают по кольцевой сужающейся щели, а затем подают в виде пристеночной струи вдоль открытой внутренней конической поверхности полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки под действием перепада давлений, возникающего между внутренним контуром горелки и дополнительной циркуляционной зоной, непосредственно в дополнительную циркуляционную зону газообразного топлива, а меньшую его часть подают в эту же зону через дозирующие отверстия, выполненные в днище полого конуса, и через проницаемую пластину, установленную в основании усеченного полого конуса, где происходит диффузионное смешение этого пилотного газообразного топлива с находящимся в ней вспомогательным воздухом, воспламенение образовавшейся околостехиометрической смеси в дополнительной циркуляционной зоне обеспечивают от внешнего источника с помощью свечи, при работе горелки только на жидком топливе после струйного смешения этого топлива со сносящим потоком вспомогательного воздуха образовавшуюся двухфазную смесь предварительно пропускают через проницаемый элемент с целью образования однородной двухфазной смеси с калиброванными каплями жидкого топлива, и только потом производят гомогенизацию этой смеси, далее поток гомогенной топливовоздушной смеси ускоряют в сопле, роль которого выполняет «горло» турбинной решетки вспомогательного аксиально-лопаточного завихрителя, за вспомогательным аксиально-лопаточным завихрителем формируют основную циркуляционную зону горения гомогенной топливовоздушной смеси, причем поток этой смеси до подачи его в основную зону закручивают с целью повышения устойчивости горения этой смеси в основной циркуляционной зоне путем пропускания потока этой смеси через вспомогательный аксиально-лопаточный завихритель, в этой зоне смесь «обедняют» с целью снижения эмиссии оксидов азота за счет основного воздуха, поступающего в основную циркуляционную зону из внешнего контура горелки, кроме того, за полым конусным стабилизатором пилотного контура горелки, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону гораздо меньшего размера, чем основная циркуляционная зона, концентрацию жидкого топлива в дополнительной циркуляционной зоне поддерживают выше нижнего концентрационного предела распространения пламени для данного жидкого топлива за счет регулирования его расхода, охлаждение заднего торца полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки обеспечивают за счет его двухстороннего обтекания потоком смеси до подачи ее в дополнительную циркуляционную зону горения, используя систему перепускных отверстий, выполненных в полом конусном стабилизаторе, воспламенение «бедной» реакционноспособной топливовоздушной смеси в дополнительной циркуляционной зоне обеспечивают за счет подвода энергии извне с помощью свечи, при работе горелки на двойном топливе (жидком топливе и пилотном газообразном топливе), кроме основной циркуляционной зоны горелки, в которой сжигают жидкое топливо, за полым конусным стабилизатором пилотного контура горелки формируют дополнительную циркуляционную зону, в которой сжигают пилотное газообразное топливо в виде «дежурного» факела, путем подачи пилотного газообразного топлива из единой полости пилотного газообразного топлива непосредственно в закромочную область полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки, причем основную часть пилотного газообразного топлива подают из единой полости пилотного газообразного топлива в кольцевую щель через перепускные отверстия, выполненные в разделяющей их цилиндрической стенке, где это топливо предварительно смешивают с топливовоздушной смесью, поступающей из проточной части внутреннего контура горелки через систему перепускных отверстий, выполненных в полом конусном стабилизаторе, образовавшуюся смесь далее подают по кольцевой сужающейся щели, а затем подают в виде пристеночной струи вдоль открытой внутренней конической поверхности полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки под действием того же перепада давлений непосредственно в дополнительную циркуляционную зону газообразного топлива, а меньшую его часть подают в эту же зону через дозирующие отверстия, выполненные в днище полого конуса, и через проницаемую пластину, установленную в основании усеченного полого конуса, где происходит диффузионное смешение этого пилотного газообразного топлива с находящейся в ней топливовоздушной смесью, из условия получения минимальной эмиссии оксидов азота, концентрацию жидкого топлива в основной циркуляционной зоне после дополнительного «обеднения» топливовоздушной смеси за счет поступления в эту зону основного воздуха из внешнего контура горелки поддерживают меньше, чем его концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени для данного жидкого топлива, за счет контроля и поддержания коэффициента избытка воздуха в диапазоне от 2,4 до 2,5 путем регулирования расхода жидкого топлива независимо от расхода пилотного газообразного топлива, а устойчивость горения такой смеси обеспечивают за счет тепла, поступающего к ней от «дежурного» факела, причем относительный расход пилотного газообразного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного газообразного топлива к сумме расходов пилотного газообразного топлива и жидкого топлива, уменьшают с целью снижения эмиссии оксидов азота независимо от расхода жидкого топлива по мере увеличения начальной температуры смеси жидкого топлива и вспомогательного воздуха, сохраняя устойчивость горения смеси в дополнительной циркуляционной зоне пилотного контура горелки, воспламенение смеси в «дежурном» факеле обеспечивают за счет подвода энергии извне с помощью той же свечи.
Предпочтительно, что при работе только на газообразном топливе с целью сокращения эмиссии оксидов азота концентрацию основного газообразного топлива в топливовоздушной смеси, содержащейся в основной циркуляционной зоне, после ее дополнительного «обеднения» за счет поступления в эту зону вспомогательного воздуха из внутреннего контура горелки поддерживают меньшей, чем нижний концентрационный предел распространения пламени для данного газообразного топлива, за счет контроля и поддержания коэффициента избытка воздуха в диапазоне от 2.4 до 2.5 путем регулирования расхода основного газообразного топлива независимо от расхода пилотного газообразного топлива, а устойчивость горения смеси такого состава обеспечивают за счет тепла, поступающего в эту зону из дополнительной циркуляционной зоны газообразного топлива, причем относительный расход пилотного газообразного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного газообразного топлива к сумме расходов пилотного газообразного топлива и основного газообразного топлива, уменьшают на всех режимах работы горелки с целью снижения эмиссии оксидов азота при увеличении температуры вспомогательного воздуха независимо от расхода основного газообразного топлива, сохраняя устойчивость горения смеси в дополнительной циркуляционной зоне пилотного контура горелки.
Предпочтительно, что диаметры отверстий для подачи основного газообразного топлива изменяют пропорционально изменению относительной глубины канала по длине лопаток входного лопаточного аппарата, в котором движется поток основного воздуха, если значение отношения глубины канала к диаметру этого отверстия меньше 20, в противном случае диаметр отверстий для подачи основного газообразного топлива сохраняют одним и тем же независимо от изменения относительной глубины канала по длине лопаток.
Предпочтительно, что относительный шаг между отверстиями для подачи основного газообразного топлива в сносящий поток основного воздуха выполняют больше 3.
V
Предпочтительно, что струи основного газообразного топлива или жидкого топлива подают в сносящий поток соответственно основного или вспомогательного воздуха под спутными углами θ, близкими к 45°, между осью отверстия и касательной к подстилающей поверхности в месте истечения струи, если значение гидродинамического параметра qменьше или равно 6.
Предпочтительно, что максимальную скорость потока на выходе из кольцевой щели и скорость пилотного газообразного топлива на выходе из проницаемой пластины, установленной в заднем торце усеченного полого конуса пилотного контура горелки, при заданном расходе этого топлива поддерживают в диапазоне от 5 м/с до 10 м/с за счет выбора соответственно площади кольцевой щели, суммарной площади перепускных отверстий, выполненных в цилиндрической стенке полого конуса и в полом конусном стабилизаторе, суммарной площади дозирующих отверстий, выполненных в днище усеченного полого конуса, а также за счет структуры пористого материала (пористости и размеров пор) и толщины проницаемой пластины, определяющих пропускную способность проницаемой пластины.
Предпочтительно, что на разветвленной поверхности проницаемой пластины, установленной в заднем торце усеченного полого конуса пилотного контура горелки, наносят медный катализатор, если температура проницаемой пластины на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки меньше температуры плавления меди, или наносят платиновый катализатор, если температура проницаемой пластины равна или больше температуры плавления меди.
Предпочтительно, что на всех режимах работы горелки в «горле» турбинной решетки основного аксиально-лопаточного завихрителя и в «горле» турбинной решетки вспомогательного аксиально-лопаточного завихрителя поддерживают скорости потоков больше нормальной скорости распространения пламени для соответствующего топлива за счет выбора угла установки и (или) шага (то есть числа лопаток) в каждой решетке.
Предпочтительно, что максимальную действительную скорость движения потока топливовоздушной смеси на входе в проницаемые элементы, установленные во внешнем и внутреннем контурах горелки, поддерживают близкой к 60 м/с за счет соответствующего выбора размера площади поверхности проницаемого элемента, пористости, размера пор и толщины материала, из которого выполнены проницаемые элементы.
Предпочтительно, что основание усеченного полого конуса смещено в осевом направлении против потока относительно основания полого конусного стабилизатора кольцевой обечайки на расстояние от 15 до 20 калибров минимальной ширины кольцевой щели, определяемой в перпендикулярном к оси конуса сечении, проходящем через основание усеченного полого конуса, так, что часть внутренней поверхности полого конусного стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми.
Способ сжигания предварительно подготовленной «бедной» топливовоздушной смеси жидкого и (или) газообразного топлива и воздуха в трехконтурной малоэмиссионной горелке (ГМГ) поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1. Изображение продольного разреза ТМГ В-В, указанного на изображении вида ТМГ по стрелке А, совмещенного с разрезом ТМГ в сечении Е-Е (фиг. 2).
Фиг. 2. Изображение вида ТМГ по стрелке А, совмещенного с разрезом ТМГ в сечении Е-Е. Сечение Е-Е задано на изображении продольного разреза ТМГ В-В (фиг. 1).
Фиг. 3. Изображение симметричного профиля полой радиальной лопатки ВЛА 13 в сечении С-С, указанном на изображении продольного разреза ТМГ В-В (фиг. 1).
Фиг. 4. Изображение местного разреза внешней втулки ТМГ 8 в сечении К-К, указанному на изображении вида ТМГ по стрелке А, совмещенного с разрезом ТМГ в сечении Е-Е (фиг. 2).
Фиг. 5. Изображение местного разреза внутренней втулки ТМГ 20 в сечении И-И, указанному на изображении вида ТМГ по стрелке А, совмещенного с разрезом ТМГ в сечении Е-Е (фиг. 2).
Фиг. 6. Изображение развертки основного АЛЗ 12 турбинного типа в сечении А-А, указанному на продольном разрезе ТМГ В-В (фиг. 1).
Фиг. 7. Изображение развертки вспомогательного АЛЗ 19 турбинного типа в сечении Б-Б, указанному на продольном разрезе ТМГ В-В (фиг. 1).
Фиг. 8. Изображение перепускных отверстий 22, выполненных в цилиндрической стенке полого конуса 29 в сечении Д-Д, указанном на продольном разрезе ТМГ В-В (фиг. 1).
Фиг. 9. Изображение дозирующих отверстий 23, выполненных в днище полого конуса 29, по стрелке Б, указанной на изображении продольного разреза ТМГ В-В (фиг. 1).
Фиг. 10. Изображение перепускных отверстий 40, выполненных в полом конусном стабилизаторе 18, по стрелке Б, указанной на изображении продольного разреза ТМГ В-В (фиг. 1).
H
H
Фиг. 11. Влияние начальной температуры метановоздушной смеси T и ее состава, который оценивается коэффициентом избытка воздуха а, на нормальную скорость распространения пламени u [2].
Hmax
H
Фиг. 12. Сопоставление зависимостей изменения максимальной скорости распространения пламени u от температуры свежей смеси T наиболее распространенных газовых топлив и бензина с воздухом [2].
Фиг. 13. Типичные термодинамические и экологические характеристики, полученные при горении метановоздушной смеси [1].
Фиг. 14. Сопоставление площадей дополнительных зон горения в ТМГ (а) и в горелке прототипа (б).
Приведем обоснования технических решений, представленных выше.
1. Во внешней втулке 8 установлены разные патрубки 10 и 7, чтобы иметь возможность подавать соответственно основное газообразное топливо 1 и пилотное газообразное топливо 2 в ТМГ и регулировать их расходы независимо друг от друга (фиг. 1).
2. Для подачи основного газообразного топлива 1 во все радиальные полые лопатки ВЛА 13, а также для подачи пилотного газообразного топлива 2 во все радиальные полые лопатки основного АЛЗ 12 применяются объединяющие их кольцевые ресиверы 6 и 9 соответственно (фиг. 1).
3. Чтобы подать струи основного газообразного топлива 1 в сносящий поток основного воздуха 4 в промежутках между радиальными лопатками ВЛА 13, кроме кольцевого ресивера 6, вьшолненного во внешней втулке 8, применяется кольцевой ресивер 27, выполненный в центральной втулке 20 (фиг. 1).
max
4. Число лопаток в ВЛА может быть выбрано достаточно большим. При этом относительная ширина межлопаточного канала , где Н - действительная ширина канала, d - диаметр отверстия для подачи струи топлива, может изменяться в несколько раз по радиусу ТМГ (фиг. 2). Влияние относительных размеров канала на характеристики систем струй топлива обычно оценивают величинами изменения глубины проникновения струи , где y - максимальная действительная глубина проникновения струи топлива в сносящий поток воздуха, т.е. расстояние, соответствующее максимально удаленной точке траектории струи от подстилающей поверхности, и их дальнобойности, а также величиной ускорения сносящего потока воздуха, вызванного загромождением канала струями топлива.
V
В работах [30] и в работе [31] было установлено, что в ограниченных каналах с относительной шириной  больше 20 система струй топлива ведет себя так же, как полуограниченная струя. То есть в такой системе струй практически полностью совпадают с полуограниченной струей не только относительные значения глубины проникновения струи в сносящий поток воздуха и дальнобойность струи, но и положения максимальных значений этих параметров вдоль траектории струи. Поэтому для всех значений гидродинамического параметра q, начиная со значения  больше 20, системы струй можно считать полуограниченными, так как изменение глубины проникновения струи и ускорение сносящего потока составляют 2% или меньше того.
В ограниченном канале с относительной шириной  меньше 20 происходит радикальная перестройка течения в области взаимодействия систем струй топлива и сносящего воздушного потока, заключающаяся в том, что значительно уменьшаются относительная глубина проникновения струй и их дальнобойность и так же существенно ускоряется сносящий поток. Причем положение глубины проникновения струй смещается вверх по потоку, а положение максимальной относительной скорости потока - вниз по потоку.
Напомним, что диаметр струи d является параметром подобия для круглых струй. Установим закон изменения диаметра отверстия для подачи топлива при изменении ширины канала для случая, когда  меньше 20.
V
При выдуве струй топлива из противоположных стенок канала, чтобы не происходило взаимодействие струй между собой при любой ширине канала, а только со сносящим потоком воздуха, принимаем q≤6,
2
где С - постоянная величина для любой ширины канала.
V
Так как истечение струй происходит из общего ресивера при одном и том же давлении, то значение гидродинамического параметра q и относительная глубина проникновения струи любого диаметра есть величина постоянная, то есть
V
W
где ρ и ρ - плотность струи топлива и потока воздуха соответственно;
V и W - скорость струи топлива и воздуха соответственно.
1
Значение постоянной С определим из условий истечения струи на периферии проточной части:
где индекс «П» относится к параметрам на периферии проточной части горелки.
Тогда из (1) с учетом соотношений (2) и (3) следует закон изменения диаметра отверстия для подачи топлива по относительной ширине канала
который формулируется так: диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяются вдоль высоты межлопаточного канала пропорционально изменению относительной ширины канала, в котором движется воздух. То есть диаметры отверстий для подачи топлива по высоте межлопаточного канала изменяются по закону (4).
5. Профильные потери давления, обусловленные возникновением пограничного слоя на поверхности радиальных полых лопаток ВЛА, можно уменьшить, если профили лопаток выполнить в виде аэродинамически совершенного симметричного профиля, обладающего минимальными профильными потерями [28]. Такой симметричный профиль, показанный на фиг. 3 в относительных размерах, можно построить в соответствии с методикой, приведенной в работе [29].
6. В горелках камер сгорания подача газообразного или жидкого топлива в сносящий поток воздуха обычно осуществляется в виде системы струй через системы отверстий, выполненных в стенках радиальных полых лопаток и кольцевых ресиверов. Такие струи характеризуются:
- углом выдува струи θ, то есть углом между осью струи и касательной к подстилающей поверхности;
V
V
W
V
W
2
2
- гидродинамическим параметром q=ρV/ρW, где ρ и V - плотность и скорость струи топлива, а ρ и W - плотность и скорость сносящего потока;
- относительным шагом между отверстиями  где s - шаг между отверстиями, a d - диаметр отверстия.
V
V
В горелках камер сгорания ГТД значение q обычно меньше или равно 6 и струи с такими значениями q называются слабыми.
При струйной подаче топлива в сносящий поток воздуха стремятся к тому, чтобы компоненты перемешались на малом расстоянии и с меньшими потерями давления.
Из экспериментальных данных, полученных автором в монографии [25], было установлено, что если значение  меньше или равно 2.5-3.0, то струи сливаются в сплошную пелену с одновременным увеличением ее дальнобойности и глубины проникновения в сносящий поток, приближающиеся к дальнобойности и глубине проникновения плоской струи. Такие струи более устойчивы к смешению со сносящим потоком и применяются при заградительном охлаждении теплонапряженных элементов горелок и камер сгорания.
Чтобы не происходило слияние однорядной системы струй топлива в сплошную пелену, относительный шаг между отверстиями  для подачи топлива должен быть больше 3.0. Струи однорядной системы с таким относительным шагом, как показывают экспериментальные данные [25], ведут себя как одиночные и быстрее смешиваются со сносящим потоком воздуха, чем плоская струя. Что и требуется при получении ТВС высокого качества.
Кроме того, потери давления при смешении однорядных систем струй и сносящего потока существенно зависят от угла истечения θ. Чем больше угол θ, тем на меньшем расстоянии от устья струи происходит ее смешение со сносящим потоком и тем большие потери полного давления реализуются при их смешении. Поэтому пытаются уменьшить угол истечения струй. Однако выполнить отверстия для подачи струй топлива под очень острыми углами к поверхности, из которой истекают струи, связано со значительными трудностями. В то же время экспериментальные данные показывают [25], что, начиная с углов θ меньше или равно 60°, потери давления на смешение выдуваемой струи со сносящим потоком воздуха значительно уменьшаются по сравнению с потерями давления на смешение при выдуве струй под прямыми или встречными углами к подстилающей поверхности.
Теоретические расчеты, выполненные на основании уравнений сохранения энергии, импульсов и расходов топлива, подаваемого в виде системы струй в сносящий поток воздуха, показали [25], что давление в потоке после смешения компонентов при выдуве струй топлива под углами θ больше или равно 30° и под углами θ меньше или равно 60° даже немного возрастает. Так как энергия, вносимая топливом при подаче его в сносящий поток воздуха под некоторым избыточным давлением, превышает потери энергии потока воздуха от смешения его с топливом. Поэтому выполнять отверстия под углами θ меньше 45° нет необходимости и нецелесообразно.
V
На основании известных экспериментальных данных [25] и приведенных доводов, если значение q меньше или равно 6, можно рекомендовать оптимальные углы θ, близкие к 45°, под которыми целесообразно выполнять отверстия в стенках полых лопаток ВЛА 13 (фиг. 3) и в стенках кольцевых ресиверов 6 (фиг. 4), 27 (фиг. 5) и 30 (фиг. 1) для подачи газообразного или жидкого топлива в сносящий поток воздуха.
При организации охлаждения заднего торца полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки относительный шаг между перепускными отверстиями, выполненными в стенке этого стабилизатора, необходимо выбирать меньшим или равным 2.5, а угол между осью этих отверстий и касательной к подстилающей поверхности в месте истечения струй необходимо выбирать близким к 45°.
7. Через внешний и внутренний контуры ТМГ обычно поступает разный расход воздуха. Поэтому, чтобы поддерживать в «горле» каждой турбинной решетки основного АЛЗ 12 и вспомогательного АЛЗ 19 скорость потока, превышающую нормальную скорость распространения пламени применяемого топлива (газообразного или жидкого), приходится выбирать не только разные углы установки лопаток ϕ в турбинной решетке (фиг. 6 и фиг. 7), но и разное число радиальных полых лопаток 12 и 19. Если число радиальных полых лопаток в турбинных решетках основного АЛЗ 12 и вспомогательного АЛЗ 19 не совпадает, то, чтобы обеспечить подачу пилотного газообразного топлива 2 в приосевую топливную полость 21 пилотного контура, полости радиальных полых лопаток, принадлежащие к разным АЛЗ (основному 12 и вспомогательному 19), сообщаются между собой с помощью промежуточного кольцевого ресивера 25.
x
B
T
0
x
8. Как было установлено экспериментально, причиной появления локальных зон горения ТВС, и связанных с ними пульсаций давления, виброгорения и повышенной эмиссии NO и СО при значительном «обеднении» ТВС является недостаточное качество этой смеси. При струйной подаче топлива в сносящий поток воздуха не удается обеспечить высокое качество «бедной» ТВС из-за существенного увеличения относительного расхода воздуха , где G и G - расходы воздуха и топлива соответственно, a L - стехиометрический коэффициент. Например, при коэффициенте избытка воздуха α=2.5 расход воздуха, примерно, в 43 раза больше расхода метана. Концентрационная неоднородность такой ТВС составляет %: 15-20, что приводит к возникновению локальных зон, в которых содержится либо «переобедненная» ТВС, при окислении которой «замораживается» СО, либо возникает ТВС, близкая по составу к «стехиометрической» ТВС, сопровождающаяся виброгорением и резким ростом эмиссии NO. Поэтому в предлагаемой ТМГ в проточной части внешнего и внутреннего контуров установлены проницаемые элементы (ПЭ) 14 и 15 (фиг. 1). Что позволяет реализовать двухступенчатую схему предварительного смешения газообразного или жидкого топлива и воздуха: струйную подачу основного газообразного топлива 1 и его предварительное смешение со сносящим потоком основного воздуха 4 в первой ступени, а затем дополнительное смешение полученной ТВС в микроканалах пористого тела ПЭ 14 во второй ступени, где устраняются турбулентные пульсации всех параметров смеси (давления, скорости, температуры и топливной концентрации) и достигается высокое качество смеси, независимо от значения . В такой двухступенчатой системе смешения компонентов с применением ПЭ ТВС имеет концентрационную неоднородность не превышающую %: 2-3. То есть получается ТВС, близкая к полному термодинамическому перемешиванию. Поэтому такая ТВС горит, практически, без образования оксидов азота и пульсаций давления.
Однако ПЭ вызывает дополнительные потери давления в потоке. Чем выше скорость потока смеси, тем больше потери давления. Для снижения этих потерь были проведены детальные экспериментальные исследования гидравлических характеристик проницаемых материалов, из которых изготовлены ПЭ 14 и ПЭ 15 [30-33]. Рассматривались проницаемые материалы, изготовленные из металлических микронных порошков, сеток и волокон. Оказалось, что минимальным сопротивлением, максимальной пропускной способностью и максимальной прочностью обладают материалы, изготовленные из тканых металлических микронных сеток регулярной структуры с квадратными ячейками.
На основании анализа полученных экспериментальных данных рассмотрим вначале особенности смешения жидкого топлива и воздуха с помощью ПЭ.
Применение ПЭ позволяет не только значительно уменьшить размер исходных капель жидкого топлива, но и калибровать их по размеру за счет регулярной структуры микропор ПЭ, что позволяет испарить все капли жидкого топлива одновременно и за короткое время. Степень измельчения исходной капли будет зависеть от размера пор и частиц, образующих ПЭ, пористости материала ПЭ, плотности воздуха и значения отношения расхода воздуха к расходу жидкого топлива на режиме дробления капель жидкого топлива.
Экспериментальные исследования режимов дробления капель жидкости газовым потоком, выполненные в работах [32 и 33], показали, что на режиме дробления капель жидкости с применением ПЭ максимальная действительная скорость смеси ~ 85-87 м/с достигается при значении отношения расхода газа к расходу жидкости, равном 3. С увеличение этого отношения потребная скорость движения смеси, необходимая для дробления капель жидкости, уменьшается. Так, при значении этого отношения, равном 12, потребная скорость движения смеси равна, приблизительно, 70 м/с.
В условиях КС ГТД значение отношения расхода воздуха к расходу жидкого топлива даже для стехиометрической ТВС составляет около 15-17. Если сжигать «бедную» ТВС значение этого отношения существенно растет в соответствии со значением коэффициента избытка воздуха α. Следовательно, потребная скорость движения ТВС существенно падает, что снижает потери давления в ПЭ. Однако с ростом площади поверхности ПЭ, обусловленной снижением потребной скорости движения в нем ТВС, растет пространство, занимаемое ПЭ, и вес горелки.
Оптимальной скоростью движения ТВС на входе в ПЭ, достаточной для дробления жидкого топлива, и не вызывающей существенных потерь давления на основании известных экспериментальных данных [32 и 33] можно принять близкой к 60 м/с.
Известно, что плотность жидкости в сотни раз больше плотности газа, а вязкость жидкости в десятки раз больше вязкости газа при той же температуре. С увеличением температуры вязкость жидкости падает, а вязкость газа растет, компенсируя разницу этих вязкостей при начальной температуре.
Плотность и вязкость газообразного топлива весьма незначительно отличается от плотности и вязкости воздуха. Причем с увеличением температуры их вязкости одновременно растут, не изменяя условий смешения этих компонентов. Поэтому качественно смешать газообразное топливо и воздух гораздо легче, чем жидкое топливо и воздух.
При небольших дозвуковых скоростях законы, описывающие движение жидкости, остаются справедливыми для изучения движений газа. Следовательно, оптимальная скорость движения ТВС на входе в ПЭ, обоснованная для случая смешения жидкого топлива и воздуха, остается справедливой и для смешения газообразного топлива и воздуха.
H
H
x
x
9. В камерах сгорания ГТД средняя скорость потока горючей ТВС всегда больше НСРП в стехиометрической смеси u. При организации зоны устойчивого горения ТВС задача состоит в том, чтобы создать локальную циркуляционную зону, в которой поток ТВС двигался бы с меньшей скоростью, чем u. Для создания таких зон на практике применяются плохообтекаемые тела, типа полого конического стабилизатора. Для обеспечения устойчивого горения «бедной» ТВС использовать плохообтекаемые тела не достаточно. Поэтому в предлагаемой ТМГ для повышения устойчивости горения предварительно подготовленной «бедной» смеси газообразного или жидкого топлива и воздуха применяется дополнительная стабилизация горения за счет использования АЛЗ с центральным телом. АЛЗ создает основную вихревую циркуляционную зону горения «бедной» ТВС путем закрутки потока этой смеси, а за центральным телом, роль которого выполняет плохообтекаемое тело в виде полого конусного стабилизатора, возникает дополнительная циркуляционная зона, где пилотное газообразное тело сжигается диффузионно, образуя высокотемпературный «дежурный» факел - источник тепла для основной циркуляционной зоны. Такая двойная стабилизация горения позволяет сжигать более «бедную» ТВС с концентрацией в ней топлива меньше нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПРП) и обеспечивать пониженную эмиссию NO по сравнению с эмиссией NO, возникающей при сжигании ТВС реакционноспособного состава.
ТМГ содержит два АЛЗ с центральными телами: основной АЛЗ 12 создает вихревую стабилизацию горения смеси основного газообразного топлива и основного воздуха, а вспомогательный АЛЗ 19 - вихревую стабилизацию горения смеси жидкого топлива и вспомогательного воздуха, а также дополнительную вихревую стабилизацию диффузионного горения пилотного газообразного топлива в закромочной области полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки. Закрутка потока в этих АЛЗ должна быть согласована и должна осуществляться в одну сторону: либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. В противном случае закрутка потока ТВС, создаваемая с помощью одного АЛЗ, будет устраняться закруткой потока ТВС, создаваемой с помощью другого АЛЗ, что приведет к снижению устойчивости горения ТВС в основной и дополнительной циркуляционных зонах.
10. Явление стабилизации пламени плохообтекаемыми телами оказалось сложным, зависящим не только от кинетических характеристик смеси, но и от газодинамики потока. Чем больше отклоняется вектор скорости потока, обтекающего конусный стабилизатор, от осевого направления, тем больше ширина закромочного следа, разрежение в закромочной области, размеры зоны обратных токов с большим временем пребывания в них ТВС и устойчивость горения ТВС. Одновременно с этим растет сопротивление стабилизатора потоку. Из экспериментальных данных, полученных в работах [2] и [27], следует, что оптимальным углом при вершине конического стабилизатора, обеспечивающего достаточное разрежение в его закромочной области для устойчивого горения ТВС и допустимое сопротивление потоку, является угол 2β, близкий к 30°.
x
x
11. При переходе камеры сгорания на номинальный режим работы происходит увеличение давления и температуры воздуха, и, как следствие, увеличение начальной температуры «бедной» ТВС. В этом случае необходимо учитывать важное свойство любого углеводородного топлива увеличивать НСРП при горении его смеси с воздухом и расширять границы устойчивого горения этой смеси, когда происходит рост начальной температуры «бедной» ТВС. В частности, на фиг. 11 приведено влияние начальной температуры метановоздушной смеси и ее состава на НСРП метана [2]. Из приведенных экспериментальных данных (фиг. 11) видно, что НСРП при горении метановоздушной смеси увеличивается более чем в 10 раз, когда начальная температура этой смеси увеличивается только в ~3.25 раза, то есть с 293 K до 953 K. Поэтому на номинальных режимах работы камеры сгорания диапазон регулирования относительного расхода пилотного газообразного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного газообразного топлива к сумме расходов пилотного и основного газообразных топлив, можно существенно расширить с целью снижения эмиссии NO, сохраняя устойчивость горения в «дежурном» факеле. То есть путем уменьшения относительного расхода пилотного газообразного топлива и объема высокотемпературной зоны горения с ростом начальной температуры ТВС, можно эффективно уменьшать эмиссию NO.
x
Hmax
H
Hmax
H
Такой способ борьбы с эмиссией NO справедлив для любого углеводородного топлива, в том числе и для водорода. На фиг 12 приведены зависимости максимальной скорости распространения пламени (МСРП) u от температуры свежей смеси T для наиболее распространенных газовых топлив и бензина [2]. Из этих данных видно, что для всех газообразных топлив их МСРП u существенно возрастает с увеличением начальной температуры их смеси с воздухом T.
B
T
o
12. Любое газообразное углеводородное топливо, в том числе и водородное топливо, имеет свой диапазон устойчивого горения в смеси с воздухом, который оценивается коэффициентом избытка воздуха α=G/(GL),
B
T
где G и G - расходы воздуха и топлива соответственно;
0
L - стехиометрический коэффициент.
В пределах этого диапазона и температура ПС ТВС, и эмиссия оксидов азота идентично зависят от α. В качестве примера на фиг. 13 показаны типичные термодинамические и экологические характеристики, полученные при горении метановоздушной смеси [1]. Из этих характеристик видно, что максимальная температура ПС и максимальная эмиссия оксидов азота достигаются при горении ТВС, близкой к стехиометрическому составу (α примерно равен 1). При «обеднении» ТВС (α больше 1) или «обогащении» ТВС (α меньше 1) и температура ПС, и эмиссия оксидов азота существенно уменьшаются. Это уменьшенное значения температуры ПС можно получить при работе камеры сгорания на «богатой» ветви характеристики в точке А и точно такое же уменьшенное значения температуры ПС можно получить и при работе на «бедной» ветви характеристики в точке Б (фиг. 13). Однако из экономических соображений целесообразно «обеднять» ТВС, так как достигается существенная экономия топлива. Чтобы получить максимальный экономический и максимальный экологический эффект, необходимо сжигать «переобедненную» ТВС (α существенно больше 1) с концентрацией топлива в ней меньше, чем концентрация топлива в смеси, соответствующая НКПРП для данного топлива.
Под концентрационным пределом распространения пламени (КПРП) мы понимаем предельные концентрации топлива (горючего) в смеси, при которых еще возможно локальное воспламенение смеси и распространение пламени по всей смеси. ТВС с такими КПРП будем называть также реакционноспособной.
Однако, если концентрация топлива в ТВС меньше, чем НКПРП, то такая ТВС самостоятельно не горит и для прохождения реакций окисления топлива необходимо подводить тепло от внешнего источника тепла.
Устройством, в котором можно реализовать такой способ сжигания топлива, является двухконтурная малоэмиссионная горелка, если сжигается только газообразное топливо. Или - предлагаемая ТМГ, если сжигается и газообразное, и жидкое топливо. В основной циркуляционной зоне 35 такой ТМГ сжигается «переобедненная» ТВС газообразного топлива 1 и основного воздуха 4 или в основной циркуляционной зоне 36 такой ТМГ сжигается «переобедненная» ТВС жидкого топлива 3 со вторичным воздухом 5 с концентрацией в них топлива меньшей или большей, чем НКПРП для выбранного жидкого топлива, а в ее дополнительной циркуляционной зоне 37 обеспечивается устойчивое горение смеси пилотного газообразного топлива 2 и вторичного воздуха 5, близкой к смеси стехиометрического состава.
opt
Например, оптимальной с экономической и экологической точек зрения, а также с точки зрения уровня температуры ПС, достаточной для получения заданной работы турбины, является смесь природного газа и воздуха с такой концентрацией в ней природного газа (по метану), при которой α находится в диапазоне от 2.4 до 2.5 (фиг. 13).
x
x
13. Для устойчивого горения «дежурного» факела в дополнительной циркуляционной зоне состав реакционноспособной ТВС должен быть близким к стехиометрическому составу, но для экономии пилотного топлива должен соответствовать «бедной» ветви ТВС. Горение такой ТВС происходит при очень высоких температурах и сопровождается максимальной эмиссией оксидов азота. Поэтому для уменьшения эмиссии NO, необходимо стремиться к уменьшению размеров дополнительной циркуляционной зоны. При диффузионном сжигании пилотного топлива размер «дежурного» факела дополнительной циркуляционной зоны практически полностью определяется расходом пилотного газообразного топлива. Следовательно, регулируя расход этого топлива, можно эффективно управлять размером дополнительной циркуляционной зоны и количеством NO.
14. Ресурс работы КС определяют ее наиболее теплонапряженные элементы, к которым относится ТМГ. При обтекании поверхности полого конусного стабилизатора 26 с обеих сторон: потоком «бедной» ТВС с внешней стороны и потоком чистого воздуха с внутренней стороны, имеющих, примерно, одинаковые умеренные температуры (400-600)°С, опасности за надежность его охлаждения не возникает, так как эта температура гораздо меньше допустимой рабочей температуры 1100°С материала, из которого изготовлен данный стабилизатор.
Предварительные экспериментальные исследования характеристик ТМГ, в которой реализуется предлагаемый способ, показали, что происходит недопустимый нагрев выходной кромки полого конусного стабилизатора 18, так как он обтекается потоком «бедной» ТВС только с одной (внешней) стороны, а с внутренней стороны он подвергается воздействию лучистых потоков тепла от «дежурного» факела дополнительной циркуляционной зоны 37, где реализуются очень высокие температуры, порядка ~(2300-2500) K. Поэтому результирующая температура этого конического стабилизатора может превысить температуру, при которой начинается разложения метана на сажу и водород, что приведет к отложениям сажи на внутренней поверхности конического стабилизатора, а в итоге - к нагарообразованию, что отрицательно скажется на эффективности охлаждения конического стабилизатора. Хорошо известно, что термическое разложение метана и других газообразных углеводородных топлив на сажу и водород начинается при ~1400 K [24].
Подобный нагрев выходной кромки конического стабилизатора снижает ресурс ТМГ и КС в целом. Чтобы повысить эффективность охлаждения конусного стабилизатора 18 и обеспечить его ресурс работы и горелки в целом, целесообразно использовать значительный хладоресурс пилотного газообразного топлива, которое подается в КС обычно при температуре ~20°С. Для этого внутри полого конусного стабилизатора 18 пилотного контура горелки установлен еще один усеченный полый конус 29 меньшего размера, чем размер конусного стабилизатора 18. В результате образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель 28 для подачи пилотного газообразного топлива, а в выходном сечении щели достигается максимальная скорость его истечения. В результате увеличения скорости охладителя с пониженной температурой в этой щели существенно повышается коэффициент теплоотдачи от стенки конусного стабилизатора к охладителю, и его эффективность охлаждения. При работе только на жидком топливе обеспечивается также охлаждение внутренней поверхности полого конусного стабилизатора путем выполнения перепускных отверстий в стенке полого конусного стабилизатора, которые выполняются с относительным шагом между отверстиями  меньше или равным 2.5, чтобы повысить устойчивость заградительной пленки, и под спутными углами θ к подстилающей поверхности в месте истечения струи, близкими к 45°.
Причем основание усеченного полого конуса 29 смещено против потока относительно основания конического стабилизатора 18 для того, чтобы возникла пристеночная заградительная струя относительно холодного пилотного газообразного топлива. При таком двухстороннем обтекании конусного стабилизатора 18 можно обеспечить его температуру (700-800)°С, что гораздо меньше допустимой температуры (1100°С). Такая температура конусного стабилизатора 18 обеспечивается путем задания скорости истечения пилотного газообразного топлива 2 из кольцевой щели 28 при заданном его расходе за счет выбора площади конической щели в ее выходном сечении, а также выбора суммарных площадей перепускных отверстий, выполненных в цилиндрической стенке полого конуса и в стенке полого конусного стабилизатора. Эта скорость потока будет задавать необходимый коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности конического стабилизатора 18 и, в итоге, позволит получить его заданную температуру. Расчеты показывают, что для поддержания температуры конусного стабилизатора 18 в диапазоне (700-800)°С при заданном расходе пилотного газообразного топлива достаточно иметь на выходе из кольцевой щели скорость потока этого топлива в диапазоне от 5 м/с до 10 м/с.
15. Известно из экспериментальных данных по исследованию однорядных систем струй и плоских струй в сносящем потоке [25], что дальнобойность любой струи зависит от угла ее истечения. Чем меньше угол истечения струи, тем больше ее дальнобойность и тем устойчивей струя. Пристеночная струя обладает максимальной дальнобойностью и устойчивостью. Из приведенных в монографии [25] экспериментальных данных следует, что организованное пристеночное движение потока пилотного газообразного топлива, то есть струйное течение топлива вдоль внутренней поверхности конусного стабилизатора 18, может сохраниться с такой дальнобойностью, при которой его длина составляет 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели.
Если смещение оснований конического стабилизатора и полого конуса будет слишком большим, то пристеночная струя пилотного газообразного топлива, движущаяся вдоль внутренней конической поверхности стабилизатора 18, будет размываться раньше, чем она достигнет его основания. Что может привести к перегреву выходного торца конического стабилизатора 18 (фиг. 1). Если смещение оснований конического стабилизатора и усеченного полого конуса будет слишком малым, то воздействию высоких температур будет подвергаться не только торец конического стабилизатора, но и торец усеченного полого конуса.
Для получения устойчивой пристеночной струи и предотвращения перегрева выходного торца конусного стабилизатора 18, как показывают полученные экспериментальные данные [25], основание усеченного полого конуса должно быть смещено в осевом направлении против потока относительно основания конусного стабилизатора на расстояние, соответствующее оптимальному расстоянию L=15-20 калибрам минимальной ширины кольцевой щели 28, определяемой в перпендикулярном к оси усеченного полого конуса 29 сечении, проходящем через его основание, чтобы гарантировать устойчивость пристеночной струи.
16. Горение «околостехиометрической» ТВС в «дежурном» факеле обычно сопровождается образованием весьма большого количества сажи, которая откладывается на днище усеченного полого конуса, препятствуя поступлению пилотного газообразного топлива в зону горения, и не может сублимировать, так как температура днища обычно существенно меньше температуры сублимации сажи на обычной некаталитической поверхности (600-650)°С. Для борьбы с этим явлением в основании усеченного полого конуса устанавливают проницаемую пластину, выполненную из металлических микронных сеток регулярной структуры, которая обеспечивается, например, на ткацких станках, на разветвленной поверхности которой наносят катализатор. Применение катализаторов позволяет понизить температуру сублимации сажи примерно на (300-350)° и предотвратить процесс отложения сажи на режимах запуска камеры сгорания и малого газа, при которых температура проницаемой пластины меньше 600°С. В работе [26] исследовался процесс горения метановоздушных смесей в присутствии одинарной проволочной сетки с каталитическими покрытиями, расположенной перпендикулярно потоку, и каталитическая активность 8-ми материалов: Pt-Cu-Ag-латунь-Cr-Ni-Cd-нержавеющая сталь. Было установлено, что платина является наиболее активным катализатором при горении смеси метана с воздухом. Близкой по каталитической активности к платине оказалась медь. Следует подчеркнуть, что результаты исследований активности катализаторов справедливы не только при горении метановоздушных смесей, но и при горении смесей любых других углеводородных топлив и воздуха. Учитывая полученные в работе [26] результаты, в качестве катализаторов для нанесения на разветвленную поверхность проницаемой пластины необходимо применять платину или медь. При почти одинаковой каталитической активности платины и меди рекомендовано применять преимущественно медь, так как она намного дешевле платины. Применение катализатором позволяет также увеличить надежность и ресурс работы ТМГ.
Целесообразность применения платины вместо меди возникает в том случае, когда на номинальных режимах работы камеры сгорания температура проницаемой пластины ТМГ может достигнуть температуры плавления меди, что неизбежно приведет к разрушению каталитического покрытия и выходу из строя самой проницаемой пластины, не способной далее функционировать из-за потери своей пропускной способности.
x
17. Чтобы обеспечить минимальный объем дополнительной высокотемпературной зоны горения пилотного газообразного топлива и зависящие от него потери полного давления и эмиссию NO, пилотный контур установлен на оси ТМГ в виде полого конусного стабилизатора 18. Преимущество предлагаемого расположения пилотного контура для достижения поставленных целей по сравнению с периферийным его расположением, применяемым в прототипе, легко показать путем сравнения площадей, занимаемых соответствующими зонами горения.
На фиг. 14 показаны альтернативные схемы предлагаемой приосевой дополнительной циркуляционной зоны горения (а) и периферийной дополнительной циркуляционной зоны горения (б), используемой в прототипе. Для корректного сравнения площадей, занимаемых этими зонами в сечении выхода из горелки, необходимо, в первом приближении, принять одинаковую степень разрежения в них. Пусть высота уступа периферийной дополнительной циркуляционной зоны равна h, тогда диаметр d приосевой дополнительной циркуляционной зоны, обеспечивающий такое же разрежение, как и уступ высотой h, равен d=2h.
1
2
Площади сечений, занимаемые периферийной дополнительной циркуляционной зоной F и приосевой дополнительной циркуляционной зоной F, можно определить по формулам:
1
1
где D - диаметр проточной части внешнего контура горелки, D=D+2h
Откуда
x
x
Принимая на основании схемы прототипа D/h=8, получим k=7. То есть при том же разрежении площадь приосевой дополнительной циркуляционной зоны горения оказывается в 7 раз меньше площади периферийной кольцевой зоны уступа, и способна обеспечивать, в принятом первом приближении, в 7 раз меньшую эмиссию NO и в 7 раз меньшие потери полного давления, чем эмиссия NO и потери полного давления от периферийной дополнительной циркуляционной зоны.
x
x
Однако такое существенное сокращение объема дополнительной циркуляционной зоны горения 37 не позволяет обеспечить достаточную устойчивость горения «бедной» смеси основного газообразного топлива и воздуха в основной циркуляционной зоне 35 или горения «бедной» смеси жидкого топлива и воздуха в основной циркуляционной зоне 36. Поэтому применяется дополнительная вихревая стабилизация горения в основных циркуляционных зонах 35 и 36 соответственно за счет установки во внешнем контуре основного АЛЗ 12 с центральным телом, роль которого выполняет полый конусный стабилизатор 26, а во внутреннем контуре - вспомогательного АЛЗ 19 с центральным телом, роль которого выполняет приосевой полый конусный стабилизатор 18 пилотного контура горелки. Суммарные потери полного давления и эмиссия NO в такой ТМГ, стабилизация горения ТВС в которой обеспечивается за счет плохообтекаемого тела и дополнительно за счет вихревой стабилизации с помощью основного АЛЗ 12, оказываются меньше, чем потери полного давления и эмиссия NO в горелке прототипа, где стабилизация горения «бедной» смеси основного газообразного топлива и основного воздуха достигается за кольцевым периферийным уступом.
x
Следует подчеркнуть, что в прототипе при работе горелки только на жидком топливе можно сжигать только «бедную» реакционноспособную смесь этого топлив и воздуха с увеличенной эмиссией NO, так как при этом пилотное газообразное топливо не подается в периферийный пилотный контур горелки.
x
В предлагаемой ТМГ при работе на жидком топливе предоставляется возможность подавать пилотное газообразное топливо в приосевой пилотный контур с целью получения «дежурного» высокотемпературного факела и сжигать в основной циркуляционной зоне 36 более «бедную» смесь жидкого топлива и воздуха с концентрацией в ней жидкого топлива меньше НКПРП для данного жидкого топлива и получать гораздо меньшую эмиссию NO.
ТМГ, в которой реализуется предложенный способ сжигания предварительно подготовленной «бедной» ТВС, показана на изображениях (фиг. 1 - фиг. 14).
На фиг. 1 приведено изображение продольного разреза ТМГ В - В. В соответствии с фиг. 1 ТМГ содержит открытую с обоих концов внешнюю втулку 8 (не обязательно цилиндрическую), в которой, ближе к ее началу, установлен патрубок 10 для подвода основного газообразного топлива 1, а в ее теле выполнен основной кольцевой топливный ресивер 6. Кроме того, во внешней втулке 8 ближе к ее концу установлен патрубок 7 для подачи пилотного газообразного топлива 2, а в ее теле выполнен вспомогательный кольцевой топливный ресивер 9.
За внешней втулкой 8 установлена свеча 11, с помощью которой обеспечивают воспламенение ТВС от внешнего источника энергии.
Соосно с внешней втулкой 8 установлена цилиндрическая втулка 20, в теле которой ближе к ее входу выполнен кольцевой топливный ресивер 27. Цилиндрическая втулка 20 завершается полым конусным стабилизатором 26, образуя кольцевую обечайку, разделяющую горелку на два соосных контура: внешний и внутренний. Причем внешний контур горелки охватывает ее внутренний контур. Внешняя втулка 8 и внутренняя цилиндрическая втулка 20 кольцевой обечайки соединяются радиальными полыми лопатками 13, содержащими дозирующие отверстия 38 для подачи основного газообразного топлива 1 в сносящий поток основного воздуха 4. Причем оси дозирующих отверстий 38, выполненных в лопатках 13, образуют с касательной к подстилающей поверхности в месте истечения струи угол θ, близкий к 45°.
Такие же дозирующие отверстия для подачи основного газообразного топлива 1 в сносящий поток основного воздуха 4 выполнены в стенках кольцевых топливных ресиверов 6 и 27.
Внутренние полости радиальных полых лопаток 13 ВЛА, полости основного кольцевого топливного ресивера 6 и кольцевого топливного ресивера 27, вместе со своими дозирующими отверстиями 38,32 и 39 образуют единую полость основного газообразного топлива 1.
Ближе к выходу из горелки:
- в ее внешнем контуре установлен основной АЛЗ 12 турбинного типа с радиальными полыми лопатками и с центральным телом. В качестве центрального тела выступает полый конусный стабилизатор 26 кольцевой обечайки;
- во внутреннем контуре установлен вспомогательный АЛЗ 19 турбинного типа с радиальными полыми лопатками и с центральным телом. В качестве центрального тела используют пилотный контур горелки, представляющий собой плохообтекаемое тело в виде полого конусного стабилизатора 18, передняя часть которого закрыта и выполнена газодинамически обтекаемой, например, в виде сферы, а его задний торец открыт.
Причем крутка лопаток в обоих АЛЗ выбрана в одном направлении. На изображении продольного разреза горелки В-В показано одинаковое число радиальных полых лопаток в турбинных решетках основного АЛЗ 12 и вспомогательного АЛЗ 19. Однако число лопаток в этих АЛЗ может быть различным. Тогда полости их полых радиальных лопаток будут сообщаться между собой с помощью промежуточного кольцевого топливного ресивера 25.
Внутри полого конусного стабилизатора 18 имеется приосевая топливная полость 21. В полом конусном стабилизаторе 18 установлен еще один усеченный полый конус 29 меньшего размера так, что между внутренней поверхностью полого конусного стабилизатора 18 и наружной поверхностью усеченного полого конуса 29 образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель 28. Передний торец усеченного полого конуса 29 закрыт днищем, в котором выполнены дозирующие отверстия 23 для подачи пилотного газообразного топлива 2, а его задний торец закрыт проницаемой пластиной 24, выполненной из металлических микронных сеток регулярной структуры. В стенке полого конусного стабилизатора пилотного контура горелки выполнены перепускные отверстия с относительным шагом между отверстиями  меньше или равным 2.5 под углом θ к подстилающей поверхности в месте истечения струи, близким к 45°. С помощью этих перепускных отверстий внутренний контур горелки сообщается с конической кольцевой щелью 28. Задний торец полого конуса 29 смещен против потока воздуха относительно торца полого конусного стабилизатора 18 на расстояние L. Приосевая топливная полость 21 полого конусного стабилизатора 18 сообщается с конической кольцевой щелью 28 с помощью перепускных отверстий 22, выполненных в разделяющей их цилиндрической стенке.
В конусном стабилизаторе 26 кольцевой обечайки выполнен промежуточный кольцевой топливный ресивер 25. Причем полость дополнительного кольцевого топливного ресивера 9, выполненного во внешней втулке горелки, полость промежуточного кольцевого топливного ресивера 25, выполненного в конусном стабилизаторе 26 кольцевой обечайки, полости полых радиальных лопаток основного АЛЗ 12 и вспомогательного АЛЗ 19, а также приосевая топливная полость 21 пилотного контура 18, вместе с перепускными отверстиями 22 и дозирующими отверстиями 23 образуют единую полость пилотного газообразного топлива 2.
В проточной части внешнего контура горелки между ВЛА 13 и основным АЛЗ 12 установлен ПЭ 14, а во внутреннем контуре горелки перед вспомогательным АЛЗ 19 установлен ПЭ 15.
Выходные торцы полого конусного стабилизатора 26 и полого конусного стабилизатора 18 располагаются в одной плоскости, проведенной перпендикулярно оси горелки.
Изображение разреза горелки в сечении Е-Е, совмещенного с изображением вида на горелку по стрелке А, приведено на фиг. 2. Сечение Е-Е и стрелка А заданы на разрезе ТМГ В-В. Показан пример расположения радиальных полых лопаток 13, соединяющих внешнюю втулку 8 с внутренней цилиндрической втулкой 20 и кольцевой обечайкой, делящей проточную часть ТМГ на внешний и внутренний контуры. В данном примере выполнения ТМГ взято количество полых радиальных лопаток, равное 12-ти. Однако ТМГ может содержать любое количество полых радиальных лопаток 13, которое ограничено возможностью их размещения на внутренней втулке 20. Кроме того, показан пример выполнения дозирующей перфорации 32, выполненной в стенке кольцевого топливного ресивера 6, и дозирующей перфорации 39, выполненной в стенке кольцевого топливного ресивера 27, для подачи основного газообразного топлива 1 в сносящий поток основного воздуха 4. На разрезе справа (фиг. 2) показано, что полость кольцевого топливного ресивера 6, полости радиальных лопаток 13, дозирующая перфорация 32, 38 и 39 и полость кольцевого топливного ресивера 27 образуют единую топливную полость.
На фиг. 3 показано изображение симметричного профиля радиальной полой лопатки ВЛА 13 с дозирующими отверстиями 38 в сечении С-С, которое задано на изображении продольного разреза ТМГ В-В (фиг. 1). Форма симметричного профиля лопатки 13 представлена в относительных размерах в соответствии с работой [29].
Изображения местных разрезов в сечениях К-К и И-И по дозирующим отверстиям 32 и 39, выполненным в стенках кольцевых ресиверов 6 и 27 соответственно, показаны на фиг. 4 и фиг. 5. Сечения К-К и И-И заданы на изображении вида ТМГ по стрелке А, совмещенного с разрезом ТМГ по сечению Е-Е (фиг. 2).
Изображения разверток турбинных решеток с полыми лопатками в сечении А-А для основного АЛЗ 12 и в сечении Б-Б для вспомогательного АЛЗ 19 показаны на фиг. 6 и фиг. 7 соответственно. Сечения А-А и Б-Б заданы на изображении продольного разреза ТМГ (фиг. 1).
Изображения перепускных отверстий 22, выполненных в цилиндрической стенке усеченного полого конуса 29, в соответствии с сечением Д-Д, перепускных отверстий 40, выполненных в полом конусном стабилизаторе 18, и дозирующих отверстий 23, выполненных в днище полого конуса 29, по стрелке Б показаны на фиг. 8, фиг. 10 и фиг. 9 соответственно. Сечение Д-Д и стрелка Б заданы на изображении разреза горелки В-В (фиг. 1).
H
H
На фиг. 11 представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию начальной температуры метановоздушной смеси T и ее состава, который задается коэффициентом избытка воздуха α, на нормальную скорость распространения пламени u [2].
Hmax
H
Сопоставление зависимостей изменения максимальной скорости распространения пламени u от начальной температуры свежей смеси T наиболее распространенных газовых топлив и бензина с воздухом показано на фиг. 12.
Типичные термодинамические и экологические характеристики, полученные при горении метановоздушной смеси, представлены на фиг. 13.
На фиг. 14. приведено сопоставление площадей дополнительных зон горения в ТМГ (а) и в горелке прототипа (б).
Реализация трех вариантов предложенного способа в ТМГ осуществляется следующим образом.
1. Реализация первого варианта предложенного способа, то есть описание работы ТМГ только на газообразном топливе.
Основной воздух 4 под давлением поступает во внешний контур ТМГ. Основное газообразное топливо 1 по подводящему патрубку 10 поступает вначале во внешний кольцевой топливный ресивер 6. Далее оно по радиальным полым лопаткам 13 поступает в кольцевой топливный ресивер 27 (см. фиг. 2). Основное газообразное топливо 1 поступает в сносящий поток основного воздуха 4 под избыточным давление в виде систем струй через дозирующую перфорацию 32 и 39, выполненную во внешней втулке 8 (фиг. 4) и в центральной втулке 20 (фиг. 5) соответственно, а также через дозирующие отверстия 38, выполненные в радиальных полых лопатках 13, под спутными углами θ к сносящему потоку основного воздуха 4, близкими к 45° (см. фиг. 3). В результате струйного смешения основного газообразного топлива 1 с основным воздухом 4 в первой ступени внешнего контура ТМГ образуется «бедная» ТВС, не обладающая достаточной концентрационной однородностью. Для получения качественной (однородной) ТВС предварительно подготовленную «бедную» ТВС дополнительно пропускают через ПЭ 14 во второй ступени, где в микроканалах его пористого тела происходит сглаживание турбулентных пульсаций температуры, давления, скорости и концентрации с образованием высококачественной «бедной» ТВС 33.
Затем формируют основную циркуляционную зону 35 путем подачи «бедной» ТВС 33 на полый конусный стабилизатор 26 и пропускания ее через основной АЛЗ 12 турбинного типа, где поток «бедной» ТВС закручивают с целью повышения устойчивости ее горения.
x
Одновременно с основным воздухом 4 во внутренний контур ТМГ поступает под тем же давлением вспомогательный воздух 5, который пропускают через ПЭ 15, где устраняются пульсации давления, и дополнительно закручивают путем пропускания его через вспомогательный АЛЗ 19 в ту же сторону, что и поток «бедной» ТВС в основном АЛЗ 12. Вспомогательный воздух 34 затем смешивают с «бедной» ТВС, содержащейся в основной циркуляционная зона 35, так что образуется новая основная циркуляционная зона 36 основного газообразного топлива. Причем концентрацию основного газообразного топлива в зоне 36 с целью снижения эмиссии NO, а также с целью увеличения эффективности и полноты сжигания этого топлива поддерживают меньше нижнего концентрационного предела распространения пламени для данного газообразного топлива, контролируя и поддерживая значение коэффициента избытка воздуха α в диапазоне от 2,4 до 2,5 путем регулирования расхода основного газообразного топлива 1 независимо от расхода пилотного газообразного топлива 2.
Кроме того, на оси за полым конусным стабилизатором 18 пилотного контура горелки, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону 37 существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона 36, путем подачи вспомогательного воздуха 34 на этот стабилизатор 18 (фиг. 1). В эту дополнительную зону 37 также подают пилотное газообразное топливо 2, где его диффузионно смешивают со вспомогательным воздухом, поступающим в эту зону из внутреннего контура горелки. Причем пилотное газообразное топливо 2 вначале подают по подводящему патрубку 7, далее его подают в приосевую полость 21 пилотного контура горелки, используя полости дополнительного кольцевого топливного ресивера 9 и полости радиальных полых лопаток основного АЛЗ 12 (фиг. 6) и вспомогательного АЛЗ 19 (фиг. 7), а также полость промежуточного кольцевого ресивера 25, если числа радиальных полых лопаток 12 в основном АЛЗ (см. фиг. 6) и радиальных полых лопаток 19 во вспомогательном АЛЗ (см. фиг. 7) не совпадают. В кольцевой полости 21 пилотное газообразное топливо 2 разделяют. Причем основную его часть подают из кольцевой полости 21 через радиальные перепускные отверстия 22 (фиг. 8), выполненные в цилиндрической стенке полого конуса 29, и далее - в кольцевую щель 28, его смешивают со вспомогательным воздухом, поступающим в эту щель из внутреннего контура горелки через перепускные отверстия 40, выполненные в полом конусном стабилизаторе 18. Образовавшуюся топливовоздушную смесь затем подают в дополнительную циркуляционную зону 37 в виде пристеночной струи вдоль внутренней поверхности полого конусного стабилизатора 18, защищая его от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания «дежурного» факела.
Остальное пилотное газообразное топливо 2 подают из полости 21 через дозирующие отверстия 23 (см. фиг. 9), выполненные в днище полого конуса 29, и через проницаемую пластину 24 (см. фиг. 1), установленную в основании этого конуса, в дополнительную циркуляционную зону 37, где это топливо диффузионно сжигают после предварительного смешения со вспомогательным воздухом, поступающим в эту зону из внутреннего контура горелки.
x
Пилотное газообразное топливо 2 регулируют независимо от основного газообразного топлива 1 с целью получения минимальной эмиссии NO, сохраняя устойчивость горения ТВС в дополнительной циркуляционной зоны 37. Причем при увеличении температуры воздуха и температуры «бедной» ТВС относительный расход пилотного газообразного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного газообразного топлива к сумме расходов пилотного газообразного топлива и основного газообразного топлива, уменьшают, сохраняя устойчивость горения реакционноспособной ТВС в дополнительной циркуляционной зоне 37. При этом используется свойство любого углеводородного топлива увеличивать свою нормальную скорость распространения пламени при увеличении начальной температуры его смеси с воздухом (см. фиг. 11 и фиг. 12).
Заметим, что при сжатии воздуха в компрессоре ГТД одновременно с ростом давления воздуха растет и его температура.
Воспламенение «бедной» околостехиометрической ТВС, находящейся в дополнительной циркуляционную зону 37, осуществляют от внешнего источника с помощью свечи 11.
2. Реализация второго варианта предложенного способа, то есть описание работы ТМГ только на жидком топливе.
В отличие от первого варианта во втором варианте предложенного способа во внешний контур горелки поступает под давлением только основной воздух 4. Основное топливо 1 в горелку не поступает.
Вспомогательный воздух 5 под тем же давлением поступает во внутренний контур горелки, а жидкое топливо 3 по подводящему патрубку 17 поступает вначале в кольцевой топливный ресивер 30. Далее оно поступает в сносящий поток вспомогательного воздуха 5 под избыточным давлением в виде систем струй через дозирующие отверстия 31, выполненные в стенке форсунки 16 (см. фиг. 1). В результате струйного смешения жидкого топлива 3 со вспомогательным воздухом 5 в первой ступени внутреннего контура ТМГ образуется двухфазная «богатая» ТВС, не обладающая достаточной концентрационной однородностью. Для получения качественной (однородной) ТВС предварительно подготовленную двухфазную ТВС дополнительно пропускают через ПЭ 15 во второй ступени, где в микроканалах его пористого тела происходит сглаживание турбулентных пульсаций температуры, давления, скорости и концентрации, а также - дробление крупных капель жидкого топлива на более мелкие капли топлива с образованием высококачественной двухфазной ТВС. Жидкое топливо 3 после прохождения ПЭ 15 содержится в смеси в виде микронных калиброванных капель, которые примерно одновременно и из-за их малого размера быстро испаряются в камере смешения под действием тепла, поступающего от вспомогательного воздуха 5, с образованием гомогенной ТВС 34.
Затем формируют основную циркуляционную зону 36 путем подачи этой ТВС 34 на конусный стабилизатор 18. Кроме того, гомогенную ТВС 34 дополнительно закручивают с целью повышения устойчивости ее горения за счет пропускания через вспомогательный АЛЗ 19, закрутка потока в котором совпадает с закруткой потока в основном АЛЗ 12. В основной циркуляционной зоне 36 гомогенную ТВС 34 «обедняют» основным воздухом, поступающим в эту зону из внешнего контура горелки, где его предварительно пропускают через ПЭ 14, а затем закручивают путем пропускания через основной АЛЗ 12 в ту же сторону, что и поток гомогенной ТВС во вспомогательном АЛЗ 19.
Кроме того, за полым конусным стабилизатором 18 пилотного контура горелки, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону 37 существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона 36. Чтобы сохранить устойчивость горения ТВС в этой зоне, концентрацию жидкого топлива в смеси поддерживают выше НКПРП для этого жидкого топлива 3 путем регулирования его расхода. Причем концентрация жидкого топлива в смеси, находящейся в основной циркуляционной зоне 36, может быть и меньше НКПРП для этого жидкого топлива. В этом случае реакции окисления топлива в такой смеси будут поддерживаться за счет тепла, поступающего к ней от «дежурного» факела дополнительной циркуляционной зоны 37.
При этом используется свойство любого углеводородного топлива увеличивать свою нормальную скорость распространения пламени при увеличении начальной температуры его смеси с воздухом (см. фиг. 11 и фиг. 12).
Воспламенение ТВС, находящейся в дополнительной циркуляционную зону 37, осуществляют от внешнего источника с помощью свечи 11.
Охлаждение заднего торца полого конусного стабилизатора 18 и его ресурс работы обеспечивается за счет его двухстороннего охлаждения относительно холодной ТВС 34. Причем с внутренней стороны стабилизатор 18 защищает от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания заградительная пленка смеси 34, образованная системой струй с помощью перепускных отверстий 40.
3. Реализация третьего варианта предложенного способа, то есть описание работы ТМГ на двойном топливе: жидком и газообразном.
Вспомогательный воздух 5 под давлением поступает во внутренний контур ТМГ, а жидкое топливо 3 по подводящему патрубку 17 поступает вначале в кольцевой топливный ресивер 30. Далее оно поступает в сносящий поток вспомогательного воздуха 5 под избыточным давлением в виде систем струй через дозирующие отверстия 31, выполненные в стенке форсунки 16 (см. фиг. 1). В результате струйного смешения жидкого топлива 3 со вспомогательным воздухом 5 в первой ступени внутреннего контура ТМГ образуется двухфазная ТВС, не обладающая достаточной концентрационной однородностью. Для получения качественной (однородной) ТВС предварительно подготовленную двухфазную ТВС дополнительно пропускают через ПЭ 15 во второй ступени, где в микроканалах его пористого тела происходит сглаживание турбулентных пульсаций температуры, давления, скорости и концентрации, а также - дробление крупных капель жидкого топлива на более мелкие капли топлива с образованием высококачественной «богатой» ТВС 34. Жидкое топливо 3 после прохождения ПЭ 15 содержится в смеси в виде микронных калиброванных капель, которые примерно одновременно, а из-за малого их размера весьма быстро испаряются в камере смешения под действием тепла, поступающего к ним от вспомогательного воздуха 5.
Затем формируют основную циркуляционную зону 36 путем подачи гомогенной ТВС 34 на конусный стабилизатор 18. Кроме того, эту ТВС закручивают с целью повышения устойчивости ее горения за счет ее пропускания через вспомогательный АЛЗ 19.
Кроме того, на оси за полым конусным стабилизатором 18 пилотного контура ТМГ, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону 37 существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона 36, путем подачи ТВС 34 на конусный стабилизатор 18 (фиг. 1). В эту дополнительную зону 37 также подают пилотное газообразное топливо 2, которое в ней сжигают диффузионно. Причем пилотное газообразное топливо 2 вначале подают по подводящему патрубку 7, далее его подают в приосевую полость 21 пилотного контура горелки, используя радиальные полые лопатки основного АЛЗ 12 (фиг. 6) и вспомогательного АЛЗ 19 (фиг. 7), а также промежуточный кольцевой ресивер 25 (фиг. 1, если число радиальных полых лопаток в основном АЛЗ 12 и вспомогательном АЛЗ 19 не совпадают. Из кольцевой полости 21 меньшую часть пилотного газообразного топлива 2 подают в дополнительную циркуляционную зону 37 через дозирующие отверстия 23 (фиг. 9), выполненные в днище полого конуса 29, и через проницаемую пластину 24, установленную в основании этого полого конуса 29. Большую часть пилотного газообразного топлива 2 подают через радиальные перепускные отверстия 22 (фиг. 8), выполненные в цилиндрической стенке полого конуса 29, в кольцевой щели 28, где его смешивают с системой струй ТВС, используя перепускные отверстия 40. Образовавшуюся смесь подают в виде пристеночной струи вдоль внутренней поверхности конусного стабилизатора 18, защищая его от воздействия высокотемпературных ПС «дежурного» факела, в дополнительную циркуляционную зону 37, где ее диффузионно сжигают.
x
Одновременно со вспомогательным воздухом 5 во внешний контур ТМГ поступает основной воздух 4, который пропускают через ПЭ 14, где устраняются пульсации давления, и дополнительно закручивают путем пропускания его через основной АЛЗ 12 в ту же сторону, что и поток гомогенной ТВС во вспомогательном АЛЗ 19. Основной воздух 33 затем смешивают в основной циркуляционной зоне 36 с гомогенной ТВС, обедняя ее. Причем концентрацию жидкого топлива 3 в ней с целью снижения эмиссии NO, а также с целью увеличения эффективности и полноты сжигания жидкого топлива 3 после «обеднения» гомогенной ТВС 34 поддерживают меньше НКПРП для данного жидкого топлива 3, контролируя и поддерживая значение коэффициента избытка воздуха в диапазоне α≈2,4-2,5 путем регулирования расхода жидкого топлива 3 независимо от расхода пилотного газообразного топлива 2. При этом окисление топлива в ней обеспечивают за счет тепла, поступающего в основную циркуляционную зону 36 от дополнительной циркуляционной зоны 37.
x
Расход пилотного газообразного топлива 2 регулируют независимо от расхода жидкого топлива 3 из условия достижения минимальной эмиссии NO при сохранении устойчивого горения ТВС в «дежурном» факеле дополнительной циркуляционной зоны 37. Причем при увеличении температуры вспомогательного воздуха и температуры гомогенной ТВС относительный расход пилотного газообразного топлива 2, определяемый как отношение расхода пилотного газообразного топлива 2 к сумме расходов пилотного газообразного топлива 2 и жидкого топлива 3, уменьшают, сохраняя устойчивость горения околостехиометрической смеси в дополнительной циркуляционной зоне 37. При этом используется свойство любого углеводородного топлива увеличивать свою НСРП при увеличении начальной температуры его смеси с воздухом (см. фиг. 11 и фиг. 12).
Воспламенение ТВС, находящейся в дополнительной циркуляционную зону 37, обеспечивают от внешнего источника с помощью свечи 11.
0Ж
0Г
Сравним по экономичности работу ТМГ только на жидком топливе и ее работу на комбинированном (двойном) топливе (жидком и газообразном). В качестве жидкого топлива 3 принимаем керосин, для которого принимаем стехиометрический коэффициент L=14,8, а в качестве пилотного газообразного топлива 2 принимаем природный газ (по метану), для которого L=17,2.
Расчет выполним для 1 кг воздуха.
Вначале рассмотрим работу ТМГ только на жидком топливе - керосине.
Ж
Ж1
Расход керосина G находим, полагая, что для устойчивого горения «бедной» смеси керосина и воздуха необходимо поддерживать коэффициент избытка воздуха α=1-4, соответствующий его НКПРП. Тогда расход керосина находим из соотношения
Далее рассмотрим работу ТМГ на комбинированном топливе.
Ж2
Ж2
В этом случае в основной циркуляционной зоне ТМГ целесообразно иметь предварительно подготовленную «переобедненную», но качественную нереакционноспособную ТВС при α=2,5, а ее устойчивость горения обеспечивать за счет дежурного факела, в котором диффузионно сжигается природный газ (см. графики на фиг. 13). Значение αдля этой «переобедненной» ТВС выбрано таким, чтобы получить заданную температуру ПС на выходе из КС, достаточную для получения заданной работы турбины.
Ж2
Ж2
Определяем расход керосина G через основную циркуляционную зону ТМГ при α=2.5:
Из экспериментальных данных известно, что для устойчивой работы ТМГ на номинальном режиме при такой «переобедненной» ТВС в основной циркуляционной зоне относительный расход природного газа для подачи его в дополнительную циркуляционную зону 37 должен быть
Г
Ж2
G и G - расходы природного газа и керосина соответственно.
Из соотношения (7) находим выражение для определения расхода природного газа
Ж2
Подставляя значение G из выражения (6) в выражение (8), находим расход природного газа
Г
Ж2
G=G0.087=27.03 г × 0.087=2.35 г.
Тогда для второго случая суммарный расход топлива через ТМГ равен:
TΣ
Г
Ж2
G=G+G=2.35 г+27.03 г=29.38 г.
Теперь можно определить относительное сокращение расхода топлива при работе ТМГ на двойном топливе по сравнению с расходом топлива при работой ТМГ только на жидком топливе по формуле:
T
Ж1
TΣ
Ж1
ΔG=(G-G)/G=(48.26 г - 29.38 г)/48.26 г=0.3912 (39.12%).
То есть при работе ТМГ на двойном топливе можно получить его экономию почти на 40% по сравнению с тем вариантом, когда ТМГ работает только на жидком топливе.
Можно отметить следующие преимущества предложенного способа, реализованного в ТМГ (фиг. 1 - фиг. 14), по сравнению со способом прототипа на основании приведенных выше технических решений:
- увеличение эффективности и полноты сжигания газообразного и жидкого топлива;
- повышение устойчивости горения «бедной» ТВС с концентрацией топлива в ней меньше НКПРП;
- снижение эмиссии оксидов азота;
- повышение надежности и ресурса работы ТМГ.
Эти преимущества достигаются благодаря организации дополнительной циркуляционной зоны существенно меньших размеров, чем размеры основной циркуляционной зоны, для диффузионного сжигания пилотного газообразного топлива. Благодаря сжиганию «переобедненной» смеси газообразного или жидкого топлива и воздуха в основной циркуляционной зоне горелки. Благодаря независимому регулированию расхода основного газообразного топлива и жидкого топлива от регулирования расхода пилотного газообразного топлива. Благодаря подаче газообразного и жидкого топлива под спутными углами к сносящему воздушному потоку и поддержанию на номинальном режиме работы ТМГ небольшой скорости потока ТВС на входе в ПЭ, но достаточной для дробления капель жидкого топлива. А также благодаря введению двухстороннего заградительного охлаждения поверхности полого конусного стабилизатора пилотного контура ТМГ и других технических решений, указанных выше.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. 566 с.
2. Раушенбах Б.В., Белых С.А., Беспалов И.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Изд-во «Машиностроение». 1964. 526 с.
3. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982. 200 с.
4. Патент ER №908671, кл. 6 F23D 17/00, 1990.
5. Патент США №6880340, МПК F02C 1/00, 2005.
6. Патент США №5355668, 1994, F02C 7/00.
7. Патент РФ №2270402, МПК F23R 3/00, 2006.
8. Патент РФ №2324117, МПК F23R 3/42, F23D 17/00, 2006.
9. Патент ER №98538, кл. 6 F23D 17/00, 1990.
10. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика // Изд. 3-е Перераб. М.: Наука, 1969, 824 с.
11. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распиливания жидкости // М.: Химия, 1984, 254 с.
12. Патент РФ №2107869 C1, 6 F23R 3/00, 1998.
13. Патент РФ №2143642 C1, 6 F23R 3/34, 1999.
14. Патент РФ №2170391 C1, 7 F23R3/14, 2001.
15. Патент США GB №2179435 A, F23R 3/28, 1987.
16. Патент РФ №2267710 C1, F23R 3/20, 2006.
17. Патент РФ №2227247 С2, 7 F23C 11/00, 2004.
18. Патент ЕР 2623867 А1, 2013.
19. Патент Японии №2000266316, 1999, F23D11/40.
20. Патент Японии №3922115 В2, 2008, F23R 3/42.
21. Патент США №5214912, 1993, F23R 3/40.
22. Патент РФ №2252065, Бюл. №14, 2005, B01F 3/04, 5/06.
23. New.Siemens.com
24. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин и др. - М.: Химия, 1989. 672 с.
25. Кутыш И.И. Основы и приложения улучшенного спектрального метода к решению краевых задач // LAP LAMBERT Academic Peblishing, 2018. 399 с.
26. Карим и Кибрайя. Изменение пределов критерия срыва пламени в результате обеднения смеси при горении гомогенного метановоздушного потока в присутствии сетки // Энергетические машины, 1986, №3. С. 7-11.
27. Теория воздушно-реактивных двигателей. Под ред. д-ра техн. наук С.М. Шляхтенко, М.: Машиностроение, 1975, 568 с.
28. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. - М.: Физматгиз, 1962. 512 с.
29. Саламатин Н.Е. Известия вузов «Авиационная техника», №1. 1969.
30. Кутыш И.И., Кутыш Д.И. К вопросу предварительной подготовки топливовоздушной смеси при конверсии углеводородного топлива для малоэмиссионной ГТУ // Конверсия в машиностроении, 2003, №6. С. 55-67.
31. Кутыш И.И. Способы и устройства очистки газов энергоустановок. Учебн. пособие для вузов. М.: МГОФ «Знание», 2012. 800 с., илл., издание второе, перераб. и дополн.
32. Кутыш Д.И. Кандидатская диссертация. Москва. МАИ, 2004. 215 с.
33. Кутыш И.И., Кутыш А.И., Кутыш Д.И. Метод определения диаметра капли при пневматическом дроблении жидкости с помощью проницаемого материала // Материалы VIII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2010), 25-31 мая 2010 г., Алушта. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010, с. 123-126.