СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ И СЖИГАНИЯ "БЕДНОЙ" ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В МАЛОЭМИССИОННОЙ ГОРЕЛКЕ
METHOD FOR PRELIMINARY PREPARATION AND COMBUSTION OF "LEAN" AIR-FUEL MIXTURE IN LOW-EMISSION BURNER

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы смешения различных жидкостей и газов, в том числе процессы смесеобразования различных топлив с воздухом и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС), 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 или газообразных топлив и воздуха.
Термины и понятия, применяемые ниже в тексте к пневматическому распыливанию жидкостей и смешению жидкостей и газов, заимствованы из работы [1] (Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. 254 с.), а понятия, касающиеся процессов горения в камерах сгорания (КС) ГТД, использованы из работы [2] (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. 566 с.).
x
Известно [2], что наиболее важными параметрами, от которых зависит эмиссия окислов азота (NO) при горении ТВС в камере сгорания (КС) ГТД или ГТУ, являются температура пламени и время пребывания продуктов сгорания (ПС) в зоне высоких температур. Эти параметры, в свою очередь, зависят от концентрации топлива в воздухе, т.е. от коэффициента избытка воздуха в зоне горения, и времени образования реакционной ТВС и ее качества (концентрационной однородности по объему зоны горения) соответственно.
При диффузионном смешении топлива и воздуха образуются смеси с весьма узкими концентрационными пределами воспламенения. «Бедный» (нижний) и «богатый» (верхний) концентрационные пределы распространения пламени зависят от типа топлива и соответствуют минимальной температуре пламени рассматриваемого топлива. ТВС промежуточного стехиометрического состава горит при максимальной температуре, способствующей образованию вредных окислов азота. Горение ТВС (т.е. распространение пламени) уже вблизи «бедного» и «богатого» пределов является неустойчивым. Чтобы значительно уменьшить эмиссию окислов азота, ТВС должна иметь состав с концентрацией существенно ниже «бедного» концентрационного предела. Однако «бедная» ТВС такого концентрационного состава не способна гореть без стабилизирующего («дежурного») пламени. В зарубежной литературе стабилизирующее пламя называют пилотным. «Обеднение» ТВС сопровождается ростом ее концентрационной неоднородности из-за уменьшения значения объемного отношения топлива к воздуху и возникновением локальных «обогащенных» и «переобедненных» зон, в которых соответственно из-за высокой температуры горения «обогащенной» смеси возрастает эмиссия окислов азота и происходит «замораживание» окиси углерода из-за низкой температуры горения «переобедненной» смеси. При существенном «обеднении» ТВС получить качественную смесь жидкого топлива и воздуха намного трудней, чем качественную смесь газообразного топлива и воздуха, так как при одинаковом давлении объем, занимаемый жидкостью, в сотни раз меньше объема, занимаемого газом. Кроме того, дробление капель жидкости происходит тогда, когда аэродинамические силы воздуха превышают силы поверхностного натяжения жидкости.
Чтобы уменьшить эмиссию окислов азота, стремятся также сократить время пребывания ПС в зоне высоких температур при сохранении полноты окисления топлива. Взаимная диффузия топлива и воздуха, результатом действия которой является образование реакционноспособной ТВС, - медленный процесс, занимающий значительное пространство зоны горения ТВС. Поэтому процесс подготовки «бедной» ТВС, лимитирующийся диффузией, стремятся вынести за пределы зоны горения и осуществить предварительно.
Не менее важной проблемой является организация устойчивого горения «бедной» ТВС, концентрация топлива в которой ниже «бедного» концентрационного предела распространения пламени, а также устранение проскока пламени в область предварительной подготовки смеси.
При создании горелок упомянутые выше проблемы и некоторые другие необходимо решать одновременно. Однако в известных способах эти проблемы в горелках решаются либо частично, либо недостаточно эффективно. В то же время попытки их решения приводят к большому разнообразию способов предварительной подготовки и сжигания «бедной» ТВС и устройств, в которых реализуются эти способы.
Известны способы предварительного смешения топлива и воздуха в горелке или горелочном устройстве. При этом струи топлива подают в спутный [3] (Патент Японии №2004053048, 2002, F23R 3/18) и [4] (Патент РФ №2099639, Бюл. №35, 1997, F23R 3/28) или в сносящий воздушный поток [5] (Патент Японии №3174638, 2002, F23R 3/30). В соответствии с другими способами струи топлива подают в предварительно закрученный с помощью лопаточного завихрителя соосный кольцевой поток воздуха, охватывающий устройство подачи топлива [6] (Патент РФ №2094705, Бюл. №30, 1997, F23R 3/16), [7] (Патент РФ №2137042, Бюл. №25, 1999, F23R 3/16), [8] (Патент РФ №2241177, Бюл. №33, 2004, F23R 3/16) и [9] (Патент РФ №2227247, 2001, F23R 3/00). Применяют и два аксиальных закрученных в разные стороны потока воздуха с помощью лопаточных завихрителей, находящихся в одной плоскости [10] (Патент Японии №2003194337, 2008, F23R 3/14) или смещенных относительно друг друга по потоку [11] (Патент РФ №2267710, Бюл. №1, 2006, F23R 3/20) и [12] (Патент Германии №4228816, 1998, F23R 3/14). Либо струи топлива и воздуха предварительно закручивают в разные стороны с помощью соответствующих лопаточных завихрителей, а затем смешивают [13] (Патент РФ №2083926, Бюл. №19, 1997, F23R 3/16). Полученную таким способом в первой ступени ТВС дополнительно последовательно смешивают с предварительно закрученным в противоположную сторону с помощью радиального лопаточного завихрителя кольцевым воздушным потоком во второй ступени, затем с предварительно закрученным в противоположную сторону с помощью радиального лопаточного завихрителя кольцевым воздушным потоком в третьей ступени [14] (Патент Германии №2442895, 1973, F23R 3/14). Предлагается также способ [15] (Патент Великобритании №2179435, 1986 г., F23R 3/28), в соответствии с которым топливо подают в предварительно закрученный с помощью лопаточного завихрителя коаксиальный воздушный поток, полученную смесь для улучшения ее качества дополнительно закручивают с помощью лопаточного завихрителя.
К достоинству этих способов смешения следует отнести тот факт, что применение лопаточных завихрителей позволяет улучшить качество «бедной» ТВС за счет удлинения пути смешения при движении топлива и воздуха в процессе их смешения по винтовой линии и интенсификации турбулентного обмена в условиях ускоренного движения потока. Движение потока по винтовой линии позволяет, кроме того, уменьшить длину горелки и ее массу.
Общим недостатком всех этих рассмотренных способов смешения с применением лопаточных завихрителей, как показывают экспериментальные исследования их газодинамических характеристик [16] (Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982. 200 с.), является значительный рост потерь давления, вызванных увеличенной поверхностью трения лопаток, удлинением пути смешения и ускорением потока при неудовлетворительном качестве ТВС.
Недостатки этих струйных способов смешения топлива и воздуха в горелках с точки зрения повышения качества «бедной» ТВС устраняются в способах [17] (Патент Японии №2000266316, 1999, F23D 11/40), [18] (Патент Японии №3922115 В2, 2008, F23R 3/42), [19] (Патент США №5214912, 1993, F23R 3/40) и [20] (Патент РФ №2252065, Бюл. №14, 2005, B01F 3/04, 5/06) путем применения проницаемых элементов (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 потери давления при смешении топлива и воздуха в горелке с применением ПЭ меньше, чем в горелке с применением лопаточного завихрителя, где турбулентный поток ТВС движется с большими скоростями. Кроме того, ПЭ, в отличие от лопаточного завихрителя, обладает еще одним положительным свойством: за счет своей пористой структуры он демпфирует пульсации давления, не позволяя им распространиться из области горения смеси вверх по потоку.
Стабилизацию горения «бедной» ТВС в двухконтурных горелках, т.е. непрерывную подачу свежей ТВС в зону горения, обеспечивают с помощью аксиально-лопаточного завихрителя путем организации вихревой зоны с возвратным течением «бедной» ТВС, скорость которого меньше скорости распространения пламени, а ее надежное воспламенение и устойчивое горение - с помощью «дежурного» факела [21] (Патент РФ №2087805, Бюл. №23, 1997, F23R 3/16), [22] (Патент РФ №2107869, Бюл. №9, 1998, F23R 3/00), [23] (Патент РФ №2143642, Бюл. №36, 1998, F23R 3/34) и [24] (Патент РФ №2170391, Бюл. №19, 2001, F23R 3/14). Однако такой способ стабилизации горения «бедной» ТВС в горелке, как показывают экспериментальные исследования аксиально-лопаточных завихрителей [16], сопровождается значительным ростом потерь давления в свободном вихре за пределами горелки.
Потери давления при стабилизации горения «бедной» ТВС в двухконтурной горелке с «дежурным» факелом можно существенно уменьшить, если для организации циркуляционной зоны с возвратным течением «бедной» ТВС вместо аксиально-лопаточного завихрителя применить полый конический стабилизатор с окнами, выполненными вдоль образующих конуса. Такой способ стабилизации горения «бедной» ТВС предложен в патенте Японии [3].
Для предотвращения проскока пламени в область предварительной подготовки «бедной» ТВС поток этой смеси ускоряют в специальном сужающем устройстве, которое обеспечивает движение потока ТВС с местной скоростью, превышающей скорость распространения пламени [4], [7], [13], [21] и [25] (Патент США №5285631, 1994, F02C 3/14). Такое сужающее устройство, установленное на выходе из горелки, удлиняет горелку и увеличивает ее массу, что является недостатком.
Этот недостаток устраняется в способах с применением лопаточных завихрителей, установленных в конце пути смешения «бедной» ТВС [5], [20]. Ускорение потока ТВС в них не только способствует улучшению качества смеси, но и предотвращает проскок пламени без установки дополнительного сужающего устройства.
Следует отметить, что применение ПЭ [17]-[20] устраняет проскок пламени в область предварительной подготовки «бедной» ТВС благодаря гашению пламени в микроканалах без ускорения потока смеси при меньших потерях полного давления.
Наиболее близким к предлагаемому способу предварительной подготовки и сжигания «бедной» ТВС в двухконтурной малоэмиссионной горелке является способ, изложенный в патенте [20]. О преимуществах и недостатках этого способа упоминалось выше. Кроме того, следует отметить, что в одноконтурной горелке предусмотрен способ поддержания стабильного циркуляционного движения потока ТВС и ее устойчивого горения с концентрацией топлива в смеси не ниже «бедного» концентрационного предела. Если ТВС «беднее» этого предела, то в ней не обеспечивается устойчивое горение такой ТВС, что является недостатком способа.
Задачами изобретения, направленными на снижение эмиссии окислов азота в КС ГТД или ГТУ с помощью МГ, являются:
- снижение потерь давления при подготовке «бедной» ТВС повышенной однородности;
- обеспечение устойчивости горения «бедной» ТВС с концентрацией топлива в ней ниже «бедного» концентрационного предела;
- снижение эмиссии окислов азота;
- повышение надежности и ресурса работы горелки и другие.
Выполнение поставленных задач обеспечивается с помощью следующих технических решений.
Способ предварительной подготовки и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси в малоэмиссионной горелке, включающей открытую с обоих концов внешнюю втулку, которая содержит подводящий топливный патрубок, кольцевой топливный ресивер и выполненную в конце магистрали подачи топлива дозирующую перфорацию, проницаемый элемент с заданными значениями пористости и дисперсности, выполненный из металла, и аксиально-лопаточный завихритель с центральным телом турбинного типа, расположенный за проницаемым элементом, в соответствии с которым топливо и воздух предварительно смешивают путем подачи топлива в сносящий поток воздуха под избыточным давлением через дозирующую перфорацию с целью сокращения пути смешения и повышения однородности смеси, далее поток образовавшейся «бедной» топливовоздушной смеси пропускают через проницаемый элемент, где происходит основное смешение компонентов с образованием однородной топливовоздушной смеси, затем поток ускоряют и закручивают с целью образованием циркуляционной зоны за малоэмиссионной горелкой путем пропускания потока «бедной» смеси через аксиально-лопаточный завихритель, при этом топливо разделяют на основное и вспомогательное, в качестве центрального тела используют центральную втулку, разделяющую малоэмиссионную горелку на два соосных контура: внешний и внутренний, причем внешний контур охватывает внутренний контур, центральная втулка выполнена в виде стакана так, что она на входе открыта, а на выходе закрыта, центральная втулка соединяется с внешней втулкой с помощью полых радиальных лопаток, каждая втулка (внешняя и центральная) содержит кольцевой топливный ресивер, обе втулки и радиальные лопатки содержат, кроме того, дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива, полости внешнего и центрального топливных ресиверов и полости радиальных лопаток образуют единую топливную полость, весь воздух подают только во внешний контур под давлением, основное топливо предварительно смешивают с воздухом путем подачи основного топлива в сносящий поток воздуха под избыточным давлением через дозирующую перфорацию, выполненную во втулках и лопатках, за аксиально-лопаточным завихрителем устанавливают соосно с ним полый конический стабилизатор, представляющий собой круговой усеченный конус, вершина которого направлена против потока, передний конец стабилизатора закрыт, а его задний конец открыт, за стабилизатором, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона, путем подачи потока «бедной» топливовоздушной смеси на этот стабилизатор, вспомогательное топливо подают по центральной втулке, далее его распределяют в виде системы одиночных струй и одновременно ускоряют путем его пропускания через дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи этого топлива, а затем подают под избыточным давлением в дополнительную циркуляционную зону стабилизатора, где происходит смешение этого топлива с находящейся в ней «бедной» топливовоздушной смесью.
Предпочтительно, что расход вспомогательного топлива регулируют на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива, поддерживая в дополнительной циркуляционной зоне за стабилизатором состав топливовоздушной смеси, близкий к стехиометрическому.
Предпочтительно, что максимальную действительную скорость движения «бедной» топливовоздушной смеси на входе в проницаемый элемент обеспечивают не больше 40-60 м/с за счет соответствующего выбора размера площади поверхности проницаемого элемента.
Предпочтительно, что за полым коническим стабилизатором устанавливают соосно с ним и на некотором осевом расстоянии от него полый конус с вершиной, направленной против потока так, что между внутренней поверхностью стабилизатора и внешней поверхностью полого конуса образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель, соединенная с проточной частью горелки с помощью системы отверстий, выполненных в коническом стабилизаторе равномерно по окружности, конус содержит дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи вспомогательного топлива, причем основание конуса смещено против потока относительно основания конического стабилизатора так, что часть внутренней конической поверхности стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми, «бедную» топливовоздушную смесь перепускают через отверстия, далее подают ее по сужающейся к выходу конической кольцевой щели, а затем в виде пристеночной струи подают вдоль открытой внутренней конической поверхности стабилизатора под действием перепада давлений, возникающего между проточной частью внешнего контура горелки и дополнительной циркуляционной зоной при обтекании конического стабилизатора «бедной» топливовоздушной смесью.
Предпочтительно, что основание полого конуса смещено в осевом направлении против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние, соответствующее расстоянию не более 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели, определяемой в перпендикулярном к оси конуса сечении, проходящем через основание полого конуса.
Предпочтительно, что в потоке воздуха перед проницаемым элементом между внешней и центральной втулками устанавливают полую кольцевую обечайку, соединенную с ними с помощью полых радиальных лопаток, количество лопаток, соединяющих обечайку с центральной втулкой, ограничено возможностью их размещения на центральной втулке, количество лопаток, соединяющих обечайку с внешней втулкой, может быть больше, чем количество таких пилонов, соединяющих обечайку с центральной втулкой, внутренняя полость обечайки, внутренние полости радиальных лопаток и полости центрального и внешнего топливных ресиверов образуют единую топливную полость, обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную, причем отношение расходов воздуха, идущих через периферийную и центральную проточную части внешнего контура, примерно равно отношению их периметров, обе втулки, лопатки и обечайка имеют дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива, основное топливо и воздух предварительно смешивают путем подачи основного топлива под избыточны давлением в сносящий поток воздуха через дозирующую перфорацию втулок, лопаток и обечайки.
Предпочтительно, что контур обечайки и контур радиальных лопаток в соответствующих перпендикулярных сечениях выполняют в форме аэродинамически совершенного симметричного профиля.
Предпочтительно, что струи основного топлива подают под спутными углами к сносящему воздушному потоку.
Предпочтительно, что спутные углы выполняют в диапазоне 30°-60°, а относительный шаг между отверстиями для подачи основного топлива должен быть не меньше 2,5-3,0.
Предпочтительно, что в качестве проницаемого элемента используют или систему усеченных соосных круговых конусов, соединенных между собой по соответствующим окружностям так, что в продольной осевой секущей плоскости горелки проницаемый элемент образует радиальную гофру, площадь поверхности проницаемого элемента для заданной геометрии малоэмиссионной горелки изменяют путем изменения шага гофрирования при выбранных длине образующих конусов и углах между образующими или за счет изменения длин образующих конусов и углов между образующими при выбранном шаге гофрирования, или систему радиальных пластин, установленных между внутренней и наружной втулками под некоторым углом друг к другу и соединенных между собой по радиальным торцам пластин так, что развертка проницаемого элемента в окружной секущей поверхности образует гофру, площадь поверхности проницаемого элемента для заданной геометрии малоэмиссионной горелки изменяют путем изменения шага гофрирования при выбранных ширине пластины и угле между ними или за счет изменения ширины пластины и угла между ними при выбранном шаге гофрирования.
Предпочтительно, что диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяют пропорционально изменению глубины канала, в котором движется воздух, если значение отношения глубины канала к диаметру этого отверстия меньше 20, в противном случае диаметр отверстий для подачи основного топлива сохраняют одним и тем же независимо от изменения глубины канала.
Предпочтительно, что в качестве основного и вспомогательного топлива используют жидкое топливо.
Предпочтительно, что в качестве основного и вспомогательного топлива используют газообразное топливо.
Предпочтительно, что в качестве основного топлива используют жидкое топливо, а в качестве вспомогательного топлива - газообразное топливо.
Предпочтительно, что в качестве основного топлива используют газообразное топливо, а в качестве вспомогательного топлива - жидкое топливо.
Способ поясняется следующими фигурами.
Фиг.1. Схема радиального гофрирования поверхности ПЭ.
Фиг.2. Схема окружного гофрирования поверхности ПЭ.
Фиг.3. Развертка поверхности ПЭ по сечению А - А, указанному на изображении фиг.2.
Фиг.4. Продольный разрез МГ первого типа по сечению А-А, указанному на изображении фиг.5.
Фиг.5. Вид спереди на МГ первого типа по стрелке А, указанной на изображении фиг.4.
Фиг.6. Вид на дозирующую перфорацию 20 в полом конусе 16 по стрелке Б, показанной на изображении фиг.4.
Фиг.7. Вид на перепускные отверстия 17 в коническом стабилизаторе 15 по стрелке Б, показанной на изображении фиг.4.
Фиг.8. Симметричный профиль полой лопатки входного лопаточного аппарата в сечении Б-Б, указанном на изображении фиг.4.
Фиг.9. Развертка аксиально-лопаточного завихрителя турбинного типа в сечении В-В, указанном на изображении фиг.4.
Фиг.10. Продольный разрез МГ второго типа по сечению А-А, указанному на изображении фиг.11.
Фиг.11. Вид спереди на МГ второго типа по стрелке А, указанной на изображении фиг.10.
Фиг.12. Симметричный профиль полой обечайки в сечении Г- Г, указанном на изображении фиг.11.
Фиг.13. Продольный разрез МГ третьего типа по сечению А - А, указанному на изображении фиг.14.
Фиг.14. Вид спереди на МГ третьего типа по стрелке А, указанной на изображении фиг.13.
Приведем обоснования технических решений, приведенных выше.
1. Как уже отмечалось выше, способ в прототипе позволяет обеспечить предварительную подготовку качественной «бедной» ТВС повышенной однородности с концентрацией топлива не ниже «бедного» концентрационного предела, стабилизацию и устойчивое горение этой смеси. Повышенная однородность «бедной» ТВС достигается за счет двухступенчатого смешения топлива и воздуха: струйного смешения топлива и воздуха в первой ступени и дополнительного смешения этих компонентов в разветвленной системе микроканалов ПЭ во второй ступени. Устойчивость горения в одноконтурной МГ из прототипа обеспечивается тем, что при таком составе ТВС происходит ее надежное воспламенение и распространение пламени. Стабилизация горения ТВС, то есть непрерывная подача свежей ТВС в зону горения, достигается благодаря созданной с помощью аксиально-лопаточного завихрителя циркуляционной (вихревой) зоне с возвратным течением смеси, скорость которого меньше скорости распространения пламени.
В предлагаемом способе по сравнению с прототипом диапазон устойчивого горения расширен на смеси с концентрацией топлива в них существенно ниже «бедного» концентрационного предела за счет создания в МГ «дежурного» факела путем введения двух контуров: внешнего и внутреннего. Внутренний контур образуется за счет замены центрального тела аксиально-лопаточного завихрителя на центральную втулку, закрытую на выходе.
Топливо разделяют на основное и вспомогательное. Весь воздух и основное топливо подают только во внешний контур, а вспомогательное топливо подают только во внутренний контур для создания «дежурного» факела.
Во внешнем контуре предлагаемый способ так же, как и способ прототипа, позволяет обеспечить предварительную подготовку качественной «бедной» ТВС повышенной однородности за счет двухступенчатого смешения основного топлива и воздуха, однако ее состав не ограничен «бедным» концентрационным пределом распространения пламени, а гораздо «беднее», и образование основной циркуляционной зоны с помощью аксиально-лопаточного завихрителя.
CT
Г
Если организовать «дежурный» факел на базе основной циркуляционной зоны, то размер эмиссии окислов азота будет соответствовать размеру этой зоны. Заметим, что в «дежурном» факеле происходит высокотемпературное горение реакционноспособной ТВС, образованной за счет «обогащения» «бедной» ТВС вспомогательным топливом в циркуляционной зоне. Размер эмиссии окислов азота и расход вспомогательного топлива можно существенно уменьшить за счет объема циркуляционной зоны. С этой целью за аксиально-лопаточным завихрителем устанавливают соосно с ним полый круговой конический стабилизатор, вершина которого направлена против потока. За стабилизатором, как за плохообтекаемым телом [26] (Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1964. 466 с.), путем подачи потока «бедной» ТВС на этот стабилизатор формируют дополнительную циркуляционную зону, где и локализуется «дежурный» факел. Так как диаметр основания конического стабилизатора D значительно меньше внутреннего диаметра внешней втулки МГ D, то и размер дополнительной циркуляционной зоны существенно меньше размера основной циркуляционной зоны [26].
Внутренний контур в соответствии предлагаемым способом позволяет обеспечить подачу вспомогательного топлива в дополнительную циркуляционную зону в виде системы струй с целью сокращения пути смешения и повышения однородности смеси, стабильное и устойчивое горение вновь образованной реакционноспособной ТВС с пониженной по сравнению с прототипом эмиссией окислов азота. Воспламенение этой ТВС обеспечивают от внешнего источника.
Проскок пламени в данном случае устраняется в микроканалах ПЭ и дополнительно за счет ускорения потока «бедной» ТВС в аксиально-лопаточном завихрителе, который в данном случае, прежде всего, обеспечивает создание циркуляционной зоны.
2. Энергоустановка может функционировать в широком диапазоне режимов работы. При переходе энергоустановки с номинального режима работы на режим малого газа состав ТВС существенно «обедняется». Однако МГ должна обеспечивать устойчивость горения ТВС любого состава. Поэтому предлагается независимо от расхода основного топлива регулировать расход вспомогательного топлива, поддерживая в дополнительной циркуляционной зоне реакционноспособный состав ТВС на любых режимах работы энергоустановки. Чтобы иметь запас устойчивого горения на переходных режимах при вынужденных изменениях в составе ТВС, более целесообразно состав ТВС в дополнительной циркуляционной зоне поддерживать близким к стехиометрическому.
3. Дополнительное смешение предварительно подготовленной ТВС в микроканалах ПЭ сопровождается потерями давления. Чем выше скорость потока смеси, тем больше потери давления. Рассмотрим вначале особенности смешения жидкого топлива и воздуха с помощью ПЭ.
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 исходной температуре.
Качественное смешение жидкого топлива и воздуха достигается в результате дробления жидкого топлива воздухом на капли как можно меньшего размера. Тогда капли топлива быстро испаряются и зона горения ТВС сокращается.
Применение ПЭ позволяет не только значительно уменьшить исходные капли жидкого топлива, но и калибровать их по размеру за счет регулярной структуры микропор ПЭ. 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 показали [27] (Кутыш Д.И. Кандидатская диссертация. Москва. МАИ, 2004. 215 с.), 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 увеличением этого отношения потребная скорость движения смеси, необходимая для дробления капель жидкости, уменьшается. Так при значении этого отношения, равном ~12, потребная скорость движения смеси равна ~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. 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.
Оптимальную скоростью движения ТВС на входе в ПЭ, достаточную для дробления жидкого топлива и не вызывающую существенных потерь давления, на основании известных экспериментальных данных [27] можно принять в диапазоне 40-60 м/с.
Плотность и вязкость газообразного топлива не так значительно отличается от плотности и вязкости воздуха, как плотность и вязкость жидкого топлива. 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.
4. Ресурс работы КС определяют ее наиболее теплонапряженные элементы, к которым относится МГ. Предварительные экспериментальные исследования характеристик МГ, в которой реализуется предлагаемый способ, показали, что происходит недопустимый нагрев выходной кромки конического стабилизатора, обусловленный лучистыми потоками тепла от «дежурного» факела. При обтекании внешней поверхности конического стабилизатора потоком «бедной» ТВС происходит его частичное охлаждение. Однако оно не достаточно для того, чтобы температура материала конического стабилизатора была ниже допустимой. Подобный нагрев выходной кромки конического стабилизатора снижает ресурс МГ и КС в целом. Избежать недопустимого нагрева выходной кромки стабилизатора можно за счет заградительного охлаждения этой кромки еще и с внутренней стороны стабилизатора. Для обеспечения надежности и ресурса работы конического стабилизатора и горелки в целом пристеночную охлаждающую струю предлагается организовать с помощью полого конуса с вершиной против потока, установленного за коническим стабилизатором соосно с ним и на некотором осевом расстоянии от него так, что образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель. Основание полого конуса смещено против потока относительно основания конического стабилизатора. Смещение необходимо, чтобы возникла пристеночная заградительная струя относительно холодной «бедной» ТВС.
Пристеночную струю получают путем подачи «бедной» ТВС из проточной части МГ через перепускные отверстия, выполненные равномерно по окружности в стабилизаторе, далее по конической кольцевой щели под действием перепада давлений, возникающего между проточной частью МГ и внутренней полостью стабилизатора при обтекании его «бедной» ТВС. Коническая кольцевая щель должна быть сужающейся к выходу, чтобы максимальная скорость пристеночной струи устанавливалась в выходном сечении щели.
5. Известно из экспериментальных данных по исследованию плоских струй в сносящем потоке [28] (Кутыш И.И. Численные методы решений экологических задач. М.: «Информ-Знание», 2002. 362 с.), что дальнобойность такой 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 экспериментальных данных следует, что организованное движение потока «бедной» ТВС вдоль внутренней поверхности стабилизатора сохраняется на длине порядка 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели.
Если смещение оснований конического стабилизатора и полого конуса будет слишком большим, то пристеночная струя «бедной» ТВС, движущаяся вдоль внутренней конической поверхности стабилизатора, будет размываться раньше, чем она достигнет его основания, что может привести к перегреву выходного торца стабилизатора. Если смещение оснований конического стабилизатора и полого конуса будет слишком малым, то воздействию высоких температур будет подвергаться не только торец стабилизатора, но и торец полого конуса.
Для получения устойчивой пристеночной струи и предотвращения перегрева выходного торца конического стабилизатора, как показывают полученные экспериментальные данные, основание полого конуса должно быть смещено в осевом направлении против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние, соответствующее расстоянию не более 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели, определяемой в перпендикулярном к оси конуса сечении, проходящем через основание полого конуса, или на меньшее расстояние, чтобы гарантировать устойчивость пристеночной струи.
6. Если центральная втулка имеет небольшой диаметр, то при проектировании МГ с предварительной подготовкой «бедной» ТВС возникают трудности в размещении на этой втулке полых лопаток, через дозирующую перфорацию которых подают основное топливо в сносящий поток воздуха. Эту проблему можно решить путем размещения перед ПЭ полой кольцевой обечайки, также имеющей дозирующую перфорацию для распределения основного топлива на отдельные струи. Обечайка делит проточную часть внешнего контура МГ на периферийную и центральную. Причем отношение расходов воздуха, идущих через периферийную и центральную проточную части внешнего контура, примерно равно отношению их периметров. Так как дозирующая перфорация размещается на поверхности проточной части МГ, то в качестве параметра, по которому распределяется расход воздуха, целесообразно принять периметр проточной части.
Обечайка позволяет подать топливо из внешнего ресивера в центральный ресивер с помощью полых лопаток, число которых в периферийной проточной части и в центральной проточной части МГ можно выбрать произвольно независимо друг от друга. То есть число лопаток в центральной проточной части можно взять меньше, чтобы они могли разместиться на поверхности центральной втулки, а в периферийной проточной части число лопаток может быть существенно больше.
7. Профильные потери давления, обусловленные возникновением пограничного слоя на поверхности обечайки и лопаток [29] (Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. - М.: Физматгиз, 1962. 512 с.), можно уменьшить, если контуры обечайки и лопаток выполнить в виде аэродинамически совершенного симметричного профиля, обладающего минимальными профильными потерями. Такой симметричный профиль можно построить в соответствии с методикой, приведенной в работе [30] (Саламатин Н.Е. Известия вузов «Авиационная техника», №1. 1969.).
8. Экспериментальные исследования закономерностей однорядных систем струй в сносящем воздушном потоке свидетельствуют, что потери давления на смешение струй и сносящего потока при выдуве струй под спутными (острыми) углами к сносящему потоку меньше, чем при выдуве струй под прямым углом или под встречными углами [28]. Причем чем меньше угол, тем меньше потери смешения. Руководствуясь этими экспериментальными данными, принято выдувать струи основного топлива под спутными углами к сносящему воздушному потоку.
9. Выполнить отверстия под очень острыми углами к подстилающей поверхности на практике связано со значительными проблемами. В то же время экспериментальные данные показывают [28], что начиная с острого угла в 60° потери давления на смешение значительно уменьшаются по сравнению с потерями давления на смешение при выдуве струй под прямым или встречными углами. Выполнять отверстия под углом меньше чем 30° нецелесообразно с точки зрения потерь давления на смешение. На основании известных экспериментальных данных [28] и приведенных доводов рекомендован диапазон углов 30°-60°, под которыми целесообразно выполнять отверстия в МГ для подачи основного топлива.
Кроме того, выполненные авторами теоретические расчеты на основании уравнений сохранения энергии, импульсов и расходов основного топлива и воздуха, показали, что давление в потоке после смешения компонентов при выдуве струй топлива под углами 30°-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.
Чтобы не происходило предварительное слияние однорядной системы струй топлива в сплошную пелену с одновременным увеличением ее глубины проникновения в сносящий поток и дальнобойности, относительный шаг между отверстиями должен быть больше 2,5-3,0. Струи однорядной системы с таким относительным шагом, как показывают экспериментальные данные [28], ведут себя как одиночные и быстрее смешиваются со сносящим потоком, чем сплошная пелена.
10. Чтобы можно было установить необходимую для дробления жидкого топлива скорость потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ, единственным параметром, которым можно управлять при заданной геометрии МГ, является площадь поверхности ПЭ. На фиг.1-фиг.3 приведены возможные схемы, в соответствии с которыми могут быть изготовлены ПЭ, где
i
l - длина i-й образующей кругового конуса;
i
α - угол между i-ми образующими конусов;
i
b - ширина i-й проницаемой пластины;
i
φ - угол между i-ми проницаемыми пластинами;
s - шаг гофрирования.
На фиг.1 приведена схема радиального гофрирования поверхности ПЭ, а на фиг.2 - схема окружного гофрирования поверхности ПЭ.
В соответствии со схемой (фиг.1) управлять площадью поверхности ПЭ и скоростью потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ можно следующим образом. Изменяя шаг гофрирования (число гофр на заданном радиусе) при заданных длине образующих круговых конусов и угле между ними или изменяя длину образующих круговых конусов и углы между ними при заданном шаге гофрирования.
В соответствии со схемой (фиг.2 и фиг.3) управлять площадью поверхности ПЭ и скоростью потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ можно следующим образом. Изменяя шаг гофрирования (число гофр на заданной длине участка) при выбранных ширине пластины и угле между ними или изменяя ширины пластин и углы между ними при выбранном шаге гофрирования.
11. Число лопаток во входном лопаточном аппарате МГ может быть выбрано достаточно большим. При этом относительная глубина межлопаточного канала , где Н - действительная глубина канала, d - диаметр отверстия для подачи топлива, по радиусу МГ может изменяться в несколько раз.
Влияние относительных размеров канала на характеристики систем струй топлива обычно оценивают величинами изменения глубины проникновения струи и их дальнобойности и величиной ускорения сносящего потока воздуха, вызванного загромождением канала струями топлива.
В работе [31] (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.) было установлено, что в каналах с относительной глубиной  происходит радикальная перестройка течения в области взаимодействия систем струй топлива и сносящего воздушного потока, заключающаяся в том, что значительно уменьшаются глубина проникновения струй и их дальнобойность и также существенно ускоряется сносящий поток. Причем положение глубины проникновения струй смещается вверх по потоку, а положение максимальной относительной скорости потока - вниз по потоку.
В каналах с  практически сохраняются не только значения этих параметров струй, но и положения их максимальных значений вдоль траектории струи. Поэтому для всех значений гидродинамического параметра начиная со значения  системы струй можно считать полуограниченными, так как изменение глубины проникновения струи и ускорение сносящего потока составляют ~2% или меньше.
Установим закон изменения диаметра отверстия для подачи топлива при изменении глубины канала для случая, когда
При выдуве струй топлива из противоположных стенок канала, чтобы не происходило взаимодействие струй между собой при любой глубине канала, а только со сносящим потоком воздуха, принимаем
max
где y - глубина проникновения струи топлива в сносящий поток, т.е. расстояние, соответствующее максимально удаленной точке траектории струи от подстилающей поверхности;
2
2
C - постоянная величина, которая для любой глубины канала должна быть С<0,5.
Так как истечение струй происходит из общего ресивера при одном и том же давлении, то значение гидродинамического параметра и относительная глубина проникновения струи любого диаметра есть величина постоянная, то есть
V
где q - гидродинамический параметр;
V
W
ρ и ρ - плотность струи топлива и 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 глубине канала
или
который формулируется так: диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяются пропорционально изменению глубины канала, в котором движется воздух.
12. С помощью четырех последних технических решений показаны возможные комбинации использования жидкого и газообразного топлив в МГ при подготовке «бедной» ТВС и ее устойчивое горение в МКС ГТД и стационарных ГТУ.
МГ различных типов, в которых реализуется предложенный способ предварительной подготовки и сжигания «бедной» ТВС, приведены на рисунках (фиг.4-фиг.14).
МГ первого типа, приведенная на фиг.4-фиг.9, содержит подводящий топливный патрубок 21, открытую с обоих концов внешнюю втулку 11 (не обязательно цилиндрическую), включающую внешний топливный ресивер 2 и дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1, открытую на входе и закрытую на выходе центральную втулку 12, установленную соосно с внешней втулкой и включающую центральный топливный ресивер 3 и дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1, полые радиальные лопатки 14, соединяющие внешнюю и центральную втулки и их ресиверы, ПЭ 10, установленный между внешней и центральной втулками за входным лопаточным аппаратом, аксиально-лопаточный завихритель 13, установленный между внешней и центральной втулками за ПЭ, полый круговой конический стабилизатор 15, установленный за аксиально-лопаточным завихрителем соосно с ним вершиной против потока, полый круговой конус 16, включающий дозирующую перфорацию 20, выполненную в конце магистрали подачи вспомогательного топлива 7, и установленный на некотором осевом расстоянии от конического стабилизатора вершиной против потока так, что между внутренней поверхностью конического стабилизатора и внешней поверхностью конуса образуется сужающаяся к выходу кольцевая коническая щель 19. Основание полого конуса 16 смещено против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние L так, что часть внутренней поверхности конического стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми. Расстояние L соответствует расстоянию, которое не превышает 15-20 калибров ширины щели, измеренной в перпендикулярном к оси сечении, проходящем через основание полого конуса.
На виде А (фиг.5) показан входной лопаточный аппарат, а также пример расположения радиальных лопаток 14 в нем и пример выполнения дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1 во втулках 11 и 12 соответственно и в лопатках 14. На местном разрезе вида А (фиг.5) показано, что полость полых лопаток 14 и полости внешнего и центрального топливных ресиверов 2 и 3 соответственно образуют единую топливную полость.
На виде Б (фиг.6) показан пример выполнения дозирующей перфорации 20 в полом конусе 16, а на виде Б (фиг.7) - пример выполнения перепускных отверстий 17 в коническом стабилизаторе 15.
В сечении Б-Б (фиг.8) показан симметричный профиль полой лопатки, выполненный в соответствии с методикой работы [30]. Там же показаны отверстия дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1, выполненные под острым углом α к подстилающей поверхности. Угол α находится в диапазоне 30°≤α≤60°.
В сечении В-В (фиг.9) показана развертка аксиально-лопаточного завихрителя турбинного типа.
ПЭ 10 может быть выполнен с радиальным гофрирование его поверхности в соответствии со схемой, приведенной на фиг.1, или с окружным гофрированием его поверхности в соответствии со схемой, приведенной на фиг.2. и фиг.3.
МГ второго типа, изображенная на фиг.10-фиг.12, отличается от МГ первого типа, изображенной на фиг.4-фиг.9, следующим.
Перед ПЭ в потоке воздуха установлена полая кольцевая обечайка 22, содержащая дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1 (фиг.12).
На виде А (фиг.11) показана обечайка 22 и ее соединение с польми лопатками 14, а на местном разрезе показан пример расположения отверстий дозирующей перфорации 4 на обечайке и на полых лопатках 14. Полость обечайки, полости лопаток и полости топливных ресиверов (внешнего и центрального) образуют единую топливную полость. Обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную части. Причем она делит расход воздуха между периферийной и центральной проточными частями пропорционально периметру, занимаемому этими проточными частями. По существу, это означает, что количество отверстий перфорации пропорционально расходу воздуха.
В сечении Г-Г (фиг.12) показан симметричный профиль полой обечайки, выполненный в соответствии с методикой работы [30]. Там же показаны отверстия дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1, выполненные под острым углом α к подстилающей поверхности. Угол α находится также в диапазоне 30°≤α≤60°.
В данном примере выполнения МГ второго типа (фиг.10-фиг.12) взято минимальное количество радиальных полых лопаток, поэтому обечайка выполнена полой и имеет дозирующую перфорацию.
МГ третьего типа, приведенная на фиг.13 и фиг.14, отличается от МГ второго типа, приведенной на фиг.10-фиг.12, только количеством радиальных полых лопаток во входном лопаточном аппарате. Причем количество полых лопаток, расположенных в периферийной проточной части внешнего контура МГ, в два раза больше радиальных полых лопаток, расположенных в центральной проточной части внешнего контура устройства. Однако количество лопаток в периферийной проточной части внешнего контура МГ может быть любым, никак не связанным с количеством лопаток, расположенных в центральной проточной части, где их количество ограничено возможностью расположения на центральной втулке.
При большом количестве полых лопаток входного лопаточного аппарата, расположенных в периферийной проточной части внешнего контура МГ, обечайку можно выполнить сплошной. В этом случае полые лопатки периферийной проточной части и центральной проточной части внешнего контура должны располагаться на одном радиусе, сообщаться между собой и иметь единую топливную полость. При этом диаметр отверстия перфорации по радиусу полой лопатки следует изменять по закону, приведенному в пункте 11, в том случае, если относительная глубина межлопаточного канала
Реализация предложенного способа в МГ различных типов (фиг.4-фиг.14) осуществляется следующим образом.
Воздух под давлением поступает во внешний контур МГ. Основное топливо 1 по подводящему патрубку 21 поступает вначале во внешний топливный ресивер 2, далее через полые лопатки 14 подается либо в центральный топливный ресивер 3 (см. фиг.4 и фиг.5), либо в кольцевую обечайку 22 и в центральный топливный ресивер 3, если МГ содержит кольцевую обечайку 22 (фиг.10, фиг.11 и фиг.13, фиг.14). Основное топливо 1 поступает в сносящий поток воздуха под избыточным давление в виде струй через дозирующую перфорацию 4, выполненную во внешней и центральной втулках 11 и 12 соответственно, в кольцевой обечайке 22 и в лопатках 14, под спутными углами к сносящему потоку воздуха 6. В результате струйного смешения основного топлива 1 с воздухом 6 в первой ступени МГ образуется «бедная» ТВС 5, не обладающая достаточной концентрационной однородностью. Поэтому основное топливо и воздух дополнительно смешивают во второй ступени путем пропускания «бедной» ТВС 5 через ПЭ 10, где происходит образование качественной (однородной) ТВС.
Затем формируют основную циркуляционную зону 8 путем пропускания «бедной» ТВС 5 через аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа 13 и дополнительную циркуляционную зону 9 существенно меньших размеров путем подачи «бедной» ТВС 5 на конический стабилизатор 15 так же, как за плохообтекаемым телом.
Часть «бедной» ТВС 5 проходит через перепускные отверстия 17 и коническую кольцевую щель 19, где она движется с ускорением под действием перепада давлений, возникающего между проточной частью внешнего контура МГ и дополнительной циркуляционной зоной при обтекании конического стабилизатора «бедной» топливовоздушной смесью. Далее эта часть «бедной» ТВС движется в виде пристеночной струи 18 вдоль внутренней поверхности конического стабилизатора 15, защищая ее от воздействия лучистых потоков «дежурного» факела.
Вспомогательное топливо 7 подают по топливной магистрали, расположенной в центральной втулке 12, далее его одновременно ускоряют и распределяют в виде системы струй путем пропускания через дозирующую перфорацию 20, выполненную в конце магистрали подачи вспомогательного топлива 7, а затем подают под избыточны давлением в дополнительную циркуляционную зону 9, где оно смешивается с «бедной» ТВС 5, обогащая ее до состава, близкого к стехиометрическому, за счет регулирования подачи вспомогательного топлива 7.
Воспламенение ТВС, находящейся в дополнительной циркуляционной зоне 9, осуществляют от внешнего источника.
Можно отметить следующие преимущества предложенного способа, реализованного в МГ различных типов (фиг.4-фиг.14), по сравнению со способом прототипа:
- надежное воспламенение «бедной» ТВС, состав которой ниже «бедного» концентрационного предела распространения пламени;
- пониженная эмиссия окислов азота;
- пониженный расход вспомогательного топлива;
- пониженные потери давления;
- повышенный ресурс работы МГ и др.
Эти преимущества достигаются благодаря применению «дежурного» факела, организации дополнительной циркуляционной зоны существенно меньших размеров, чем размеры основной циркуляционной зоны, подачи основного топлива под спутными углами к сносящему воздушному потоку и поддержанию на номинальном режиме работы МГ небольшой скорости потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ, но достаточной для дробления капель жидкого топлива, введению двойного заградительного охлаждения поверхности конического стабилизатора и других технических решений, указанных выше.