ПОСТАДИЙНОЕ СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В ГОРЕЛКЕ
STAGE-BY-STAGE FUEL COMBUSTION IN BURNER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к горелке, предпочтительно предназначенной для использования в газотурбинных двигателях, и, более точно, к постадийному (ступенчатому) сжиганию топлива в горелке, приспособленной для стабилизации процесса сгорания в двигателе, и, кроме того, к постадийному (ступенчатому) сжиганию топлива в горелке, в которой используется вспомогательная (пилотная) камера сгорания для получения продуктов горения для стабилизации основного процесса сжигания предварительно образованных бедных смесей.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
x
Газотурбинные двигатели используются в множестве разных применений, включая выработку электроэнергии, военную и гражданскую авиацию, транспортировку по трубопроводам и морские перевозки. В газотурбинном двигателе, который работает в режиме сжигания предварительно частично образованных бедных смесей, топливо и воздух подаются в камеру горелки, где они смешиваются и воспламеняются посредством факела, в результате чего инициируется сгорание. Основные проблемы, связанные с процессом сжигания в газотурбинных двигателях, помимо термического кпд и надлежащего смешивания топлива и воздуха, связаны со стабилизацией пламени, устранением пульсаций и шума и борьбой с загрязняющими выбросами, особенно с оксидами азота (NO), CO, несгоревшими углеводородами, дымом и выбросами твердых частиц.
x
В заявке на патент EP 1659339 A1 раскрыт способ запуска горелки, предпочтительно предназначенной для сжигания синтетического газа, который включает в себя работу вспомогательной горелки с диффузионным пламенем, расположенной в центре сопел завихрителя, обеспечивающих подачу смеси топлива и воздуха. В патенте США 5321948 A1 раскрыта камера сгорания с зонами сжигания предварительно образованных смесей и сухим подавлением NO, содержащая, по меньшей мере, два концентрических цилиндра, расположенных с уступами, между которыми образован канал для подачи смеси топлива и воздуха в зону сгорания.
x
2
2
2
В промышленных газотурбинных двигателях, которые работают в режиме сжигания предварительно частично образованных бедных смесей, температуру пламени снижают посредством добавления большего количества воздуха, чем требуется для самого процесса сжигания. Избыточный воздух, который не вступает в реакцию, должен нагреваться во время сгорания, и в результате температура пламени в процессе сгорания снижается (ниже стехиометрической точки) от приблизительно 2300 К до 1800 К и ниже. Данное снижение температуры пламени требуется для значительного уменьшения выбросов оксидов азота. Способ, который, как было доказано, является наиболее успешным при уменьшении выбросов NO, заключается в том, чтобы сделать процесс сжигания сжиганием настолько бедной смеси, чтобы температура пламени снизилась до температур ниже температуры, при которой происходит диссоциация двухатомных азота и кислорода (N и O) и рекомбинация их с образованием NO и NO. Потоки сгорания при стабилизации пламени с помощью вихря широко используются в промышленных газотурбинных двигателях для стабилизации горения посредством создания, как указано выше, обратного потока (зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря) над осевой линией, в результате чего обратный поток обеспечивает возврат тепла и свободных радикалов назад в поступающую несгоревшую топливовоздушную смесь. Тепло и свободные радикалы от ранее вступивших в реакцию топлива и воздуха необходимы для инициирования (для подвергания топлива пиролизу и инициирования процесса разветвления цепей) и поддержания стабильного сгорания/сжигания свежей непрореагировавшей топливовоздушной смеси. Стабильное горение в газотурбинных двигателях требует циклического процесса сгорания, вызывающего образование продуктов горения, которые транспортируются обратно в зону, расположенную выше по ходу потока, для инициирования процесса сгорания. Фронт распространения пламени стабилизируется в пограничном слое зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря. В пределах пограничного слоя «Локальная скорость распространения турбулентного пламени воздушно-топливной смеси» должна быть выше «Локальной скорости воздушно-топливной смеси», и в результате фронт распространения пламени/процесс сгорания может быть стабилизирован.
Сжигание предварительно образованных бедных смесей по своей природе является менее стабильным, чем диффузионное пламенное горение, по следующим причинам.
1. Количество воздуха, необходимое для снижения температуры пламени от 2300 К до 1700-1800 К, приблизительно в два раза превышает количество воздуха, необходимое для стехиометрического горения. Это делает общее отношение компонентов топливовоздушной смеси (Ф) очень близким (около или менее 0,5; Ф≥0,5) или аналогичным отношению компонентов топливовоздушной смеси, при котором происходит угасание пламени бедной предварительно образованной смеси. При данных условиях пламя может локально угасать и снова возникать периодическим образом.
2. Вблизи предельного значения, соответствующего угасанию при сжигании бедной смеси, скорость распространения пламени предварительно частично образованных бедных смесей очень чувствительна к отклонениям соотношения компонентов. Флуктуации скорости распространения пламени могут приводить к пространственным отклонениям/перемещениям фронта распространения пламени (зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря). Менее стабильный, легко перемещающийся фронт распространения пламени предварительно образованной смеси приводит к периодическим изменениям интенсивности тепловыделения, что, в свою очередь, приводит к перемещению пламени, нестабильным гидроаэродинамическим процессам и возникновению термоакустических нестабильностей.
3. Флуктуации соотношения компонентов, вероятно, представляют собой наиболее «общий соединительный механизм», связывающий неустойчивое тепловыделение с неустойчивыми колебаниями давления.
x
4. Чтобы сделать сжигание сжиганием достаточной бедной смеси для обеспечения возможности значительного уменьшения выбросов оксидов азота NO, почти весь воздух, используемый в двигателе, должен проходить через форсунку и должен предварительно смешиваться с топливом. Следовательно, весь поток в горелках потенциально является реакционноспособным и требует того, чтобы точка, в которой начинается горение, была фиксированной.
5. В том случае, когда тепло, требуемое для протекания реакций, представляет собой фактор, ограничивающий стабильность, очень незначительные временные флуктуации соотношений компонентов топливовоздушной смеси (которые могут возникать в результате флуктуации или потока топлива, или потока воздуха через горелку/форсунку) могут вызывать частичное гашение и повторное возникновение пламени.
6. Дополнительная и очень важная причина уменьшения стабильности пламени предварительно образованной смеси заключается в том, что резкий градиент смешивания топлива и воздуха устраняется из процесса сгорания. Это создает возможность возгорания предварительно смешанного потока в любом месте, где имеется достаточная температура для протекания реакции. Когда пламя может возникать с большей легкостью в множестве мест, оно становится более нестабильным. Единственный способ стабилизации пламени предварительно образованной смеси с обеспечением его фиксированного положения основан на температурном градиенте, возникающем в том месте, где несгоревшие, предварительно смешанные топливо и воздух смешиваются с горячими продуктами горения (пламя не может возникать там, где температура слишком низкая). Это делает температурный градиент, возникающий за счет выделения, излучения, рассеивания тепла и конвективной теплопередачи, средством стабилизации пламени предварительно образованной смеси. Радиационный нагрев текучей среды не создает резкого градиента; следовательно, источником стабильности должны быть выделение, рассеивание тепла и конвективная теплопередача в зону, предварительно подвергнутую реакции. Рассеивание вызывает резкий градиент только в ламинарных, а не в турбулентных потоках, при этом только конвективная теплопередача и выработка энергии остаются средствами, вызывающими резкие градиенты, желательные для стабилизации пламени, которые фактически представляют собой тепловой градиент и градиент свободных радикалов. Как тепло, так и свободные радикалы образуются, рассеиваются и передаются за счет конвекции с обеспечением их градиента посредством тех же механизмов за счет циркулирующих продуктов горения в пределах зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря.
7. В предварительно смешанных потоках, а также в диффузионных потоках быстрое расширение вызывает разделение и вихревые циркулирующие потоки, которые оба широко используются для образования градиентов тепла и свободных радикалов и подачи их в предварительно подвергнутые реакции топливо и воздух.
В документе WO 2005/040682 А2 описано решение, направленное на горелку для газотурбинных двигателей, в которых используется вспомогательное пламя для того, чтобы способствовать поддержанию и стабилизации процесса сгорания.
Когда запальное устройство, как в горелках по предшествующему уровню техники, расположено в наружной зоне рециркуляции, топливовоздушная смесь, поступающая в данную зону, часто должна быть сделана богатой для того, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру пламени для поддержания стабильного горения в данной зоне. В этом случае пламя часто не может распространяться в основную зону рециркуляции до тех пор, пока основной поток предварительно смешанных топлива и воздуха не станет достаточно богатым, горячим и не будет иметь достаточного количества свободных радикалов, что происходит при более высоких расходах топлива. Когда пламя не может распространяться из наружной зоны рециркуляции во внутреннюю основную зону рециркуляции вскоре после воспламенения, оно должно распространяться при более высоком давлении после того, как частота вращения двигателя начнет увеличиваться. Данный перенос инициирования основного пламени из наружной зоны рециркуляции только после того, как давление в камере сгорания начнет расти, приводит к более быстрой релаксации свободных радикалов до низких равновесных уровней, что является нежелательной характеристикой, которая контрпродуктивна для зажигания пламени в передней точке торможения в основной зоне рециркуляции. Воспламенение в основной зоне рециркуляции может не происходить до тех пор, пока вспомогательная камера сгорания не обеспечит достаточного повышения средней объемной температуры до уровня, при котором равновесные уровни свободных радикалов, захваченных в основной зоне рециркуляции, и образование дополнительных свободных радикалов в предварительно образованной основной смеси топлива и воздуха будут достаточными для воспламенения основной зоны рециркуляции. В процессе обеспечения распространения пламени от наружной к основной зоне рециркуляции значительные количества топлива выходят из двигателя без сжигания из невоспламененной предварительно образованной основной топливовоздушной смеси. Проблема возникает, если пламя распространяется в основную зону рециркуляции в некоторой горелке ранее его распространения в остальных горелках в одном и том же двигателе, поскольку горелки, в которых пламя стабилизировано с внутренней стороны, обеспечивают сжигание с более высокими температурами, так как все топливо сгорает. Это приводит к варьированию температур между горелками, что может вызвать повреждение компонентов двигателя.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты постадийного сжигания топлива в соответствии с настоящим изобретением описаны здесь в качестве примера в связи с горелкой для сжигания в обедненной и обогащенной зонах частично предварительно образованной смеси с малым выходом вредных веществ, предназначенной для камеры сгорания газовой турбины, которая обеспечивает стабильный процесс воспламенения и сгорания при всех режимах нагружения двигателя. Данная горелка работает в соответствии с принципом «подачи» тепла и свободных радикалов в высокой концентрации из выходной части вспомогательной камеры сгорания в основное пламя, горящее в вихре бедной предварительно образованной воздушно-топливной смеси, в результате чего поддерживается быстрое и стабильное горение основного пламени бедной предварительно образованной смеси. Вспомогательная камера сгорания обеспечивает подачу тепла и добавление свободных радикалов в высокой концентрации непосредственно в переднюю точку торможения и основной зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря, где основной бедный предварительно смешанный поток смешивается с горячими газообразными продуктами горения, обеспечиваемыми посредством вспомогательной камеры сгорания. Это обеспечивает возможность сжигания более бедной смеси и более низких температур горения вихря основной предварительно образованной воздушно-топливной смеси, которое в противном случае не было бы самоподдерживающимся в циркулирующих потоках, стабилизированных с помощью вихря, при условиях эксплуатации горелки.
В соответствии с первым аспектом изобретения здесь представлен способ постадийного сжигания топлива, отличающийся признаками пункта 1 формулы изобретения.
Дополнительные аспекты изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В горелке используются:
N
N
вихрь из воздуха/топлива с коэффициентом (S) завихрения, превышающим 0,7 (то есть превышающим критическое значение S=0,6), образуемый/подаваемый в поток посредством радиального завихрителя;
активные вещества - неравновесные свободные радикалы, выделяющиеся вблизи передней точки торможения;
особый тип геометрии горелки с многокомпонентной огнеупорной амбразурой; и
внутреннее постадийное сжигание топлива и воздуха в горелке на ступени для стабилизации процесса сгорания при всех режимах работы газовой турбины.
Одним словом, раскрытая горелка обеспечивает стабильный процесс воспламенения и сгорания при всех режимах нагружения двигателя. Некоторыми важными признаками, относящимися к горелке по изобретению, являются:
геометрическое расположение элементов горелки;
количество топлива и воздуха, разделенное на ступени в горелке;
минимальное количество активных веществ - радикалов, образуемых и требуемых при разных режимах работы двигателя/горелки/профиль топлива;
смешивание топлива и воздуха при разных режимах работы двигателя;
придаваемая степень завихрения;
многокомпонентная конструкция огнеупорной амбразуры (состоящая минимум из двух секций огнеупорная амбразура).
Для достижения как можно более низких уровней выбросов вредных веществ задача, решаемая данной конструкцией/изобретением, состоит в обеспечении наличия равномерных профилей смешивания на выходе каналов для предварительного образования бедных смесей. В горелке, охватываемой данным описанием, существуют две отдельные зоны сжигания/сгорания, в которых топливо всегда сжигается одновременно. Обе зоны сгорания стабилизированы с помощью вихря, и топливо, и воздух предварительно смешиваются перед процессом сжигания. Основной процесс сгорания, во время которого сжигается более 90% топлива, представляет собой процесс сжигания бедной смеси. Поддерживающий процесс сгорания, который происходит в малой вспомогательной камере сгорания, в которой расходуется до 1% всего потока топлива, может представлять собой процесс сжигания бедной топливной смеси, стехиометрический процесс и процесс сжигания с недостатком воздуха (с соотношением компонентов в смеси Ф=1,4 и выше).
Важное различие между раскрытой горелкой и горелкой, представленной в документе по предшествующему уровню техники, состоит в том, что во вспомогательной камере сгорания не требуется плохо обтекаемое тело, поскольку в настоящем изобретении используется неблокированный поток радикалов, направленный вперед по потоку из зоны сгорания вспомогательной камеры сгорания вдоль осевой линии вспомогательной камеры сгорания, при этом указанный поток радикалов выпускается через всю площадь сечения отверстия горловины вспомогательной камеры сгорания на выходе вспомогательной камеры сгорания.
Основная причина, по которой поддерживающий процесс сгорания в малой вспомогательной камере сгорания может представлять собой процесс сжигания бедной топливной смеси, стехиометрический процесс или процесс сжигания с недостатком воздуха и тем не менее обеспечивать стабильный процесс воспламенения и сжигания при всех режимах нагружения двигателя, связана с эффективностью/полнотой сгорания. Процесс сгорания, который происходит в малой вспомогательной камере сгорания, имеет низкую эффективность вследствие большой площади поверхности, которая приводит к отводу тепла пламени в стенку вспомогательной камеры сгорания. Неэффективный процесс сгорания независимо от того, представляет ли он процесс сжигания бедной топливной смеси, стехиометрический процесс или процесс сжигания с недостатком воздуха, может генерировать большой объем активных веществ - радикалов, который необходим для повышения стабильности основного пламени бедной смеси и предпочтителен для успешной работы горелки по данной конструкции/изобретению. (Примечание: пламя, возникающее в предварительно образованной бедной воздушно-топливной смеси, названо здесь пламенем бедной смеси).
Очень трудно поддерживать горение (но не инициировать, поскольку малая вспомогательная камера сгорания может функционировать как факельное запальное устройство) в пограничном слое основной зоны рециркуляции при параметрах ниже предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси, у основного пламени бедной смеси (приблизительно Т>1350 К и Ф≥0,25). Для обеспечения работы двигателя при параметрах ниже предельных значений для основного пламени бедной смеси, при которых происходит срыв пламени бедной смеси, в данной конструкции горелки используется/обеспечивается дополнительное «разделение на ступени» вспомогательной камеры сгорания. Воздух, который используется для охлаждения внутренних стенок малой вспомогательной камеры сгорания (выполняемого за счет комбинации удара и конвективного охлаждения) и который составляет приблизительно 5-8% от всего потока воздуха, проходящего через горелку, предварительно смешивается с топливом перед завихрителем. Сравнительно большое количество топлива может быть добавлено в воздух для охлаждения малой вспомогательной камеры сгорания, что соответствует соотношениям компонентов (Ф>3), характерным для очень богатых смесей. Подвергнутые завихрению охлаждающий воздух и топливо, и горячие продукты горения из малой вспомогательной камеры сгорания могут очень эффективно поддерживать горение основного пламени бедной смеси при параметрах, которые находятся ниже, на уровне и выше предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси. Процесс сгорания является очень стабильным и эффективным, поскольку горячие продукты горения и очень горячий охлаждающий воздух (с температурой выше 750°C), предварительно смешанный с топливом, обеспечивают подачу тепла и активных веществ (радикалов) в переднюю точку торможения в зоне рециркуляции основного пламени. Во время данного процесса сгорания малая вспомогательная камера сгорания в сочетании с очень горячим охлаждающим воздухом (с температурой выше 750°C), предварительно смешанным с топливом, функционирует как беспламенная горелка, в которой реагенты (кислород и топливо) предварительно смешиваются с продуктами горения, и распределенное пламя образуется в передней точке торможения в зоне рециркуляции, образованной с помощью вихря.
Для обеспечения возможности надлежащего функционирования и стабильной работы горелки, раскрытой в данной заявке, требуется, чтобы придаваемая степень завихрения и коэффициент завихрения были выше критических (не ниже 0,6 и не выше 0,8), при которых зона рециркуляции с распадом вихря будет образовываться и будет устойчиво находиться в пределах многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры. Передняя точка Р торможения должна быть расположена в пределах огнеупорной амбразуры и у выхода вспомогательной камеры сгорания. Основные причины, обуславливающие необходимость соблюдения данного требования, следующие:
Если приданная степень завихрения является низкой и получающийся в результате коэффициент завихрения составляет менее 0,6, то при большинстве геометрий горелок будет образовываться зона слабой рециркуляции и может иметь место нестабильное горение.
Зона сильной рециркуляции необходима для обеспечения возможности транспортировки тепла и свободных радикалов от ранее подвергнутых сгоранию топлива и воздуха назад против потока по направлению к фронту распространения пламени. Зона достаточно устойчивой и сильной рециркуляции требуется для создания зоны пограничного слоя, в которой скорость распространения турбулентного пламени может «согласовываться» или может соответствовать локальной топливовоздушной смеси и может устанавливаться стабильное пламя. Данный фронт распространения пламени, образованный в пограничном слое основной зоны рециркуляции, должен быть устойчивым, и не должно происходить никаких периодических движений или перемещения фронта распространения пламени. Приданный коэффициент завихрения может иметь большое значение, но не должен превышать 0,8, поскольку при данном значении коэффициента завихрения и при значениях выше него более 80% от всего объема потока будет возвращаться назад за счет рециркуляции. Дальнейшее увеличение коэффициента завихрения не будет способствовать большему увеличению количества подвергаемой рециркуляции массы продуктов горения, и пламя в пограничном слое зоны рециркуляции будет подвергаться значительному завихрению и напряжениям, что может привести к отводу тепла в стенку камеры сгорания и частичному угасанию и повторному возникновению пламени. В горелке, охватываемой данным описанием, может быть использован любой тип вихрегенератора, радиальный, осевой и аксиально-радиальный. В данном описании показана радиальная конфигурация завихрителя.
В горелке используется аэродинамическая стабилизация пламени и ограничивается зона стабилизации пламени - зона рециркуляции - в многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры. Многокомпонентная конструкция огнеупорной амбразуры представляет собой важный признак конструкции разработанной горелки по следующим причинам. Огнеупорная амбразура (или также называемый диффузор):
- обеспечивает фронт распространения пламени (основную зону рециркуляции) с удерживанием пламени в определенном месте в пространстве без необходимости удерживания пламени у твердой поверхности/плохо обтекаемого тела, и, таким образом, избегают большой тепловой нагрузки и проблем, связанных с механической целостностью горелки;
- геометрические характеристики (половина α угла и длина L огнеупорной амбразуры) имеют важное значение для регулирования размера и формы зоны рециркуляции совместно с коэффициентом завихрения. Длина зоны рециркуляции приблизительно в 2-2,5 раза превышает длину огнеупорной амбразуры;
- оптимальная длина L составляет порядка L/D=1 (D - диаметр горловины огнеупорной амбразуры). Минимальная длина огнеупорной амбразуры не должна быть меньше L/D=0,5 и не должна быть больше L/D=2;
- половина α оптимального угла огнеупорной амбразуры должна составлять не менее 20 и не более 25 градусов;
- обеспечивает возможность наличия меньшего вихря до того, как будет иметь место снижение стабильности, по сравнению с менее ограниченным фронтом распространения пламени; и
- имеет важную задачу регулирования размера и формы зоны рециркуляции, поскольку расширение горячих газов в результате сгорания обеспечивает уменьшение времени транспортировки свободных радикалов в зоне рециркуляции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой упрощенное сечение, схематически показывающее горелку в соответствии с аспектами изобретения, заключенную в корпус, без каких-либо деталей, показывающих, как горелка конфигурирована внутри указанного корпуса.
Фиг.2 представляет собой сечение горелки, схематически показывающее секцию над осью симметрии, при этом поворот вокруг оси симметрии обеспечивает образование тела вращения, отображающего компоновку горелки.
Фиг.3 показывает график изменения пределов стабильности пламени в зависимости от коэффициента завихрения, приданной степени завихрения и соотношения компонентов смеси.
Фиг.4а показывает схему, характеризующую аэродинамику в ближней зоне камеры сгорания.
Фиг.4b показывает схему, характеризующую аэродинамику в ближней зоне камеры сгорания.
Фиг.5 показывает график изменения интенсивности турбулентности.
Фиг.6 показывает график изменения времени релаксации в зависимости от давления сгорания.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В дальнейшем некоторое число вариантов осуществления будет описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг.1 показана горелка, при этом горелка 1 имеет корпус 2, окружающий компоненты горелки.
Фиг.2 показывает для ясности сечение горелки над осью вращательной симметрии. Основными частями горелки являются радиальный завихритель 3, многокомпонентная огнеупорная амбразура 4а, 4b, 4c и вспомогательная камера 5 сгорания.
Как утверждалось, горелка 1 работает в соответствии с принципом «подачи» тепла и свободных радикалов в высокой концентрации из выходной части 6 вспомогательной камеры 5 сгорания в основное пламя 7, горящее в вихре бедной предварительно образованной воздушно-топливной смеси, выходящем из первого выхода 8 первого канала 10 для предварительного образования бедной смеси и из второго выхода 9 второго канала 11 для предварительного образования бедной смеси, в результате чего поддерживается быстрое и стабильное горение основного пламени 7 бедной предварительно образованной смеси. Указанный первый канал 10 для предварительного образования бедной смеси образован стенками 4а и 4b и между стенками 4а и 4b многокомпонентной огнеупорной амбразуры. Второй канал 11 для предварительного образования бедной смеси образован стенками 4b и 4c и между стенками 4b и 4c многокомпонентной огнеупорной амбразуры. Самая дальняя от центра ротационно-симметричная стенка 4с многокомпонентной огнеупорной амбразуры выполнена с выступающей частью 4с1 для обеспечения оптимальной длины многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры. Первый 10 и второй 11 каналы для предварительного образования бедной смеси снабжены лопастями завихрителя, образующими завихритель 3, для придания вращения воздушно-топливной смеси, проходящей по каналам.
Воздух 12 подается в первый 10 и второй 11 каналы на входе 13 указанных первого и второго каналов. В соответствии с показанным вариантом осуществления завихритель 3 расположен рядом с входом 13 первого и второго каналов. Кроме того, топливо 14 вводится в вихрь воздушно-топливной смеси по трубе 15, выполненной с малыми рассеивающими отверстиями 15b, которая расположена у входа 13 для воздуха 12 между лопастями завихрителя 3, в результате чего топливо распределяется в виде аэрозоля в воздушном потоке посредством указанных отверстий и эффективно смешивается с воздушным потоком. Дополнительное топливо может быть добавлено по второй трубе 16, выходящей в первый канал 10.
При сгорании потока предварительно образованной бедной воздушно-топливной смеси образуется основное пламя 7. Пламя 7 образуется в виде конического ротационно-симметричного пограничного слоя 18 вокруг основной зоны 20 рециркуляции (в дальнейшем иногда используется аббревиатура RZ). Пламя 7 заключено внутри выступающей части 4с1 самой дальней от центра секции огнеупорной амбразуры, в данном примере - секции 4с огнеупорной амбразуры.
Вспомогательная камера 5 сгорания обеспечивает подачу тепла и добавление свободных радикалов в высокой концентрации непосредственно в переднюю точку Р торможения и пограничный слой 18 основной зоны 20 рециркуляции, образованной с помощью вихря, где основной поток бедной предварительно образованной смеси смешивается с горячими газообразными продуктами горения, образуемыми во вспомогательной камере 5 сгорания.
Вспомогательная камера 5 сгорания выполнена со стенками 21, окружающими пространство для сгорания для вспомогательной зоны 22 сгорания. Воздух подается в пространство для сгорания по каналу 23 для топлива и воздушному каналу 24. Вокруг стенок 21 вспомогательной камеры 5 сгорания имеется распределительная плита 25, выполненная с отверстиями по поверхности плиты. Указанная распределительная плита 25 расположена на некотором расстоянии от указанных стенок 21, при этом образуется охлаждающий пространственный слой 25а. Охлаждающий воздух 26 всасывается через входное отверстие 27 для охлаждения и сталкивается с наружной стороной указанной распределительной плиты 25, после чего охлаждающий воздух 26 распределяется по стенкам 21 вспомогательной камеры сгорания для эффективного охлаждения указанных стенок 21. Охлаждающий воздух 26 после указанного охлаждения выпускается через второй завихритель 28, расположенный вокруг вспомогательной огнеупорной амбразуры 29 вспомогательной камеры 5 сгорания. Дополнительное топливо может быть добавлено в основное пламя 7 бедной смеси при сгорании посредством подачи топлива в канал 30, расположенный вокруг и снаружи охлаждающего пространственного слоя 25а. Указанное дополнительное топливо затем выпускается и проходит во второй завихритель 28, в котором теперь горячий охлаждающий воздух 26 и топливо, добавляемое по каналу 30, эффективно предварительно смешиваются.
Сравнительно большое количество топлива может быть добавлено в воздух, предназначенный для охлаждения малой вспомогательной камеры 5 сгорания, что соответствует соотношениям компонентов очень богатых смесей (Ф>3). Подвергнутые завихрению охлаждающий воздух и топливо, и горячие продукты горения из малой вспомогательной камеры сгорания могут очень эффективно поддерживать горение основного пламени 7 бедной смеси при параметрах, которые находятся ниже, на уровне и выше предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси. Процесс сгорания является очень стабильным и эффективным, поскольку горячие продукты горения и очень горячий охлаждающий воздух (с температурой выше 750°C), предварительно смешанный с топливом, обеспечивают подачу тепла и активных веществ (радикалов) в переднюю точку Р торможения в зоне 20 рециркуляции основного пламени. Во время данного процесса сгорания малая вспомогательная камера 5 сгорания в сочетании с очень горячим охлаждающим воздухом (с температурой выше 750°C), предварительно смешанным с топливом, функционирует как беспламенная горелка, в которой реагенты (кислород и топливо) предварительно смешиваются с продуктами горения, и распределенное пламя образуется в передней точке Р торможения в зоне 20 рециркуляции, образованной с помощью вихря.
Для обеспечения возможности надлежащего функционирования и стабильной работы горелки 1, раскрытой в данной заявке, требуется, чтобы придаваемая степень завихрения и коэффициент завихрения были выше критических (не ниже 0,6 и не выше 0,8, см. также фиг.3), при которых зона 20 рециркуляции с распадом вихря будет образовываться и будет устойчиво находиться в пределах многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры 4а, 4b, 4с. Передняя точка Р торможения должна быть расположена в пределах огнеупорной амбразуры 4а, 4b, 4с и у выхода 6 вспомогательной камеры 5 сгорания. Некоторые основные причины, обуславливающие необходимость соблюдения данного требования, были упомянуты выше в разделе «Краткое изложение сущности изобретения». Дополнительная причина заключается в том, что:
Если коэффициент завихрения превышает 0,8, завихряющийся поток будет проходить до выхода из камеры сгорания, что может приводить к перегреву расположенных далее, направляющих лопаток турбины.
Ниже представлены итоговые требования к придаваемой степени завихрения и коэффициенту завихрения. См. также фиг.4а и 4b.
N
Приданная степень завихрения (соотношение между тангенциальным и осевым моментом) должна быть выше критической (0,4-0,6) для обеспечения возможности образования стабильной центральной зоны 20 рециркуляции. Критический коэффициент S завихрения также зависит от геометрии горелки, что является причиной того, почему он варьируется от 0,4 до 0,6. Если приданный коэффициент завихрения составляет ≤0,4 или находится в пределах от 0,4 до 0,6, основная зона 20 рециркуляции может гаситься с низкой частотой (менее 150 Гц), и получающаяся в результате аэродинамика может быть очень нестабильной, что приведет к переходному процессу сгорания.
В пограничном слое 18 стабильной и устойчивой зоны 20 рециркуляции с сильным градиентом скоростей и уровнями турбулентности стабилизация пламени может иметь место, если:
скорость (ST) распространения турбулентного пламени > локальной скорости топливовоздушной смеси (UF/A).
Циркулирующие продукты, которые представляют собой: источник тепла и активных веществ (символически изображенных посредством стрелок 1а и 1b), находящийся в пределах зоны 20 рециркуляции, должны быть стационарными в пространстве и времени ниже по потоку относительно секции смешивания в горелке 1 для обеспечения возможности пиролиза поступающей смеси топлива и воздуха. Если устойчивый процесс сгорания не будет преобладающим, будут возникать термоакустические нестабильности.
Пламя, стабилизированное с помощью вихря, имеет длину, которая максимум в пять раз меньше, чем длина струйного пламени, и имеет предельные значения, при которых происходит срыв пламени бедной смеси, характерные для значительно более бедных смесей, чем в случае струйного пламени.
Вихрь при сгорании предварительной образованной смеси или турбулентном диффузионном горении обеспечивает эффективное средство предварительного смешивания топлива и воздуха.
Вовлечение топливовоздушной смеси в пограничный слой зоны 20 рециркуляции соответствует стойкости зоны рециркуляции, коэффициенту завихрения и характеристической скорости URZ в зоне рециркуляции соответствует стойкости зоны рециркуляции, коэффициенту завихрения и характеристической скорости URZ в зоне рециркуляции.
Характеристическая скорость URZ в зоне рециркуляции может быть выражена следующим образом:
N
URZ=UF/A f (MR, dF/A, cent / dF/A, S),
где:
MR=rcent (UF/A,cent)2 / rF/A (UF/A)2
Эксперименты (Driscoll 1990, Whitelaw 1991) показали, что
стойкость зоны рециркуляции=(MR) ехр -1/2 (dF/A / dF/A,cent) (URZ / UF/A) (b / dF/A),
и
MR должно быть<1.
Значение (dF/A / dF/A,cent) имеет важное значение только для турбулентного диффузионного пламени.
Отношение размер/длина зон рециркуляции является «фиксированным» и соответствует 2-2,5 dF/A.
N
N
Не более приблизительно 80% массы циркулирует в обратном направлении при значении S, превышающем 0,8, независимо от того, насколько сильно значение S повысится в дальнейшем.
Добавление расходящихся стенок огнеупорной амбразуры за амбразурой горелки по ходу потока обеспечивает усиление рециркуляции (Batchelor 67, Hallet 87, Lauckel 70, Whitelow 90), и Lauckel 70 установил, что оптимальные геометрические параметры были такими: α=20-25°, L / dF/A,min=1 и выше.
Это предполагает, что dquarl / dF/A=2-3, но стабильность пламени предполагает, что предельные значения, характеризующие срыв пламени бедной смеси и характерные для более бедных смесей, были достигнуты для величин, близких к 2 (Whitelaw 90).
Исходя из экспериментов и практического опыта также полагают, что отношение UF/A должно составлять более 30-50 м/с для пламени предварительно образованной смеси вследствие рисков обратной вспышки (Proctor 85).
Если операция обратной подрезки торца будет выполнена у выхода огнеупорной амбразуры, то будет образована внешняя зона рециркуляции. Длина LERZ внешней зоны рециркуляции обычно составляет 2/3 hERZ.
Активные вещества - радикалы
При горении, стабилизированном с помощью вихря, процесс инициируется и стабилизируется посредством транспортировки тепла и свободных радикалов 31 из ранее сгоревшего топлива и воздуха обратно в направлении против потока к фронту 7 распространения пламени. Если процесс сгорания представляет собой процесс сжигания очень бедной смеси, как в случае систем сжигания бедных частично предварительно образованных смесей, и в результате температура горения является низкой, то равновесные уровни свободных радикалов также являются очень низкими. Кроме того, при высоких давлениях в двигателе происходит быстрая релаксация свободных радикалов, образованных за счет процесса сгорания, см. фиг.6, до равновесного уровня, который соответствует температуре продуктов горения. Это обусловлено тем, что скорость данной релаксации свободных радикалов до равновесного уровня увеличивается экспоненциально при увеличении давления, в то время как, с другой стороны, равновесный уровень свободных радикалов уменьшается экспоненциально при снижении температуры. Чем выше уровень свободных радикалов, доступных для инициирования сгорания, тем в большей степени проявляется тенденция к более быстрому и стабильному процессу сгорания. При более высоких давлениях, при которых горелки в современных газотурбинных двигателях работают в режиме сжигания бедной, частично предварительно образованной смеси, время релаксации свободных радикалов может быть коротким по сравнению с временем «транспортировки», необходимым для конвективного переноса свободных радикалов (символически изображенных стрелками 31) дальше по ходу потока, от места, где они были образованы в пограничном слое 18 основной зоны 20 рециркуляции, в обратном направлении против потока, к фронту 7 распространения пламени и передней точке Р торможения в основной зоне 20 рециркуляции. Вследствие этого к тому моменту, когда поток радикалов 31, циркулирующий в обратном направлении в пределах основной зоны 20 рециркуляции, обеспечит перемещение свободных радикалов 31 назад к фронту 7 распространения пламени и когда они начнут смешиваться с поступающей «свежей» предварительно образованной бедной топливовоздушной смесью из первого 10 и второго 11 каналов в передней точке Р торможения для инициирования/поддержания процесса сгорания, свободные радикалы 31 могут уже достичь низких равновесных уровней.
В данном изобретении используются высокие неравновесные уровни свободных радикалов 32 для стабилизации основного сгорания 7 бедной смеси. В данном изобретении размер малой вспомогательной камеры 5 сгорания сохраняется малым, и большая часть сжигания топлива происходит в основной камере сгорания бедной предварительно образованной смеси (в местах, обозначенных 7 и 18), а не в малой вспомогательной камере 5 сгорания. Малая камера 5 сгорания может сохраняться малой, поскольку свободные радикалы 32 выделяются рядом с передней точкой Р торможения в основной зоне 20 рециркуляции. Это обычно представляет собой наиболее эффективное место для подачи дополнительного тепла и свободных радикалов в процесс (7) сгорания, стабилизированный с помощью вихря. Поскольку выход 6 малой вспомогательной камеры 5 сгорания расположен у передней точки Р торможения основного бедного рециркулирующего потока 20, интервал времени между блокированием и использованием свободных радикалов 32 является очень коротким и не обеспечивает возможности релаксации свободных радикалов 32 до низких равновесных уровней. Передняя точка Р торможения в основной зоне 20 рециркуляции бедной смеси сохраняется и аэродинамически стабилизирована в секции (4а) огнеупорной амбразуры, у выхода 6 малой вспомогательной камеры 5 сгорания. Для гарантирования того, что расстояние и время от сгорания бедной, стехиометрической или богатой смеси (зоны 22) в пределах малой вспомогательной камеры 5 сгорания будут как можно более короткими и прямыми, выход малой вспомогательной камеры 5 сгорания расположен на осевой линии и у горловины 33 малой вспомогательной камеры 5 сгорания. На осевой линии у горловины 33 малой вспомогательной камеры 5 сгорания и в пределах секции 4а огнеупорной амбразуры свободные радикалы 32 смешиваются с продуктами 31 горения бедной смеси, сильно предварительно нагретой смесью топлива и воздуха из канала 30 и пространства 25а и впоследствии с предварительно смешанными топливом 14 и воздухом 12 в пограничном слое 18 основной зоны 20 рециркуляции бедной смеси. Это очень предпочтительно для газотурбинных двигателей с газовыми турбинами высокого давления, которые по своей природе характеризуются наиболее серьезными термоакустическими нестабильностями. Кроме того, поскольку свободные радикалы и тепло, образуемые посредством малой вспомогательной камеры 5 сгорания, используются эффективно, ее размер может быть малым и процесс блокирования не требуется. Возможность поддержания малого размера вспомогательной камеры 5 сгорания также оказывает положительное воздействие на выбросы вредных веществ.
ГЕОМЕТРИЯ ГОРЕЛКИ С МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ ОГНЕУПОРНОЙ АМБРАЗУРЫ
В горелке используется аэродинамическая стабилизация пламени и ограничена зона стабилизации пламени - зона (5) рециркуляции в многокомпонентной конструкции (4а, 4b и 4с) огнеупорной амбразуры. Многокомпонентная конструкция огнеупорной амбразуры представляет собой важный признак конструкции раскрытой горелки по причинам, перечисленным ниже. Огнеупорная амбразура (или иногда называемая диффузором):
обеспечивает фронт 7 распространения пламени (удерживается основная зона 20 рециркуляции без необходимости удерживания пламени у твердой поверхности/плохо обтекаемого тела, и, таким образом, избегают большой тепловой нагрузки и проблем, связанных с механической целостностью горелки;
геометрические характеристики (половина α угла и длина L огнеупорной амбразуры) имеют важное значение для регулирования размера и формы зоны 20 рециркуляции совместно с коэффициентом завихрения. Длина зоны 20 рециркуляции приблизительно в 2-2,5 раза превышает длину L огнеупорной амбразуры;
оптимальная длина составляет порядка L/D=1 (D - диаметр горловины огнеупорной амбразуры). Минимальная длина огнеупорной амбразуры не должна быть меньше 0,5 и не должна быть больше 2 (Ссылка 1: The influence of Burner Geometry and Flow Rates on the Stability and Symmetry of Swirl-Stabilized Nonpremixed Flames; V. Milosavljevic et al.; Combustion and Flame 80, страницы 196-208, 1990);
половина α оптимального угла (Ссылка 1) огнеупорной амбразуры должна составлять не менее 20 и не более 25 градусов;
обеспечивает возможность наличия меньшего коэффициента завихрения до того, как будет иметь место снижение стабильности, по сравнению с менее ограниченным фронтом распространения пламени;
имеет важную задачу регулирования размера и формы зоны рециркуляции, поскольку расширение в результате сгорания обеспечивает уменьшение времени транспортировки свободных радикалов в зоне рециркуляции.
ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ГОРЕЛКИ
Огнеупорная амбразура (или диффузор) и приданное завихрение обеспечивают возможность простого изменения геометрических характеристик раскрытой горелки для разной мощности горелки.
Для уменьшения размера горелки (пример):
канал 11 должен быть удален, и образующая оболочку секция 4с огнеупорной амбразуры должна, таким образом, заменить ранее образующую оболочку секцию 4b огнеупорной амбразуры, которая удалена; геометрические характеристики секции 4с огнеупорной амбразуры должны быть такими же, как геометрические характеристики ранее существовавшей секции 4b огнеупорной амбразуры;
коэффициент завихрения в канале 10 должен оставаться таким же;
все остальные части горелки должны быть такими же;
разделение топлива внутри горелки должно оставаться таким же или аналогичным.
Для увеличения размера горелки:
каналы 10 и 11 должны оставаться такими, какие они есть;
секция 4с огнеупорной амбразуры должна быть спроектирована так же, как секция 4b огнеупорной амбразуры (образована в виде тонкой разделяющей плиты);
новый третий канал (в данном случае фиктивно названный 11b и не раскрытый) должен быть расположен снаружи и вокруг второго канала 11, и новая секция 4d огнеупорной амбразуры (не показанная на чертежах) должна быть расположена снаружи и вокруг второго канала 11, в результате чего образуется наружная стенка третьего канала; форма новой секции 4d огнеупорной амбразуры должна быть аналогична форме ранее самой дальней от центра секции 4с огнеупорной амбразуры;
N
N
N
N
коэффициенты завихрения в каналах должны быть такими: S, 10>S, 11>S, 11b, но все они должны превышать S=0,6 и составлять не более 0,8;
оставаться такими же или аналогичными.
ПОСТАДИЙНОЕ СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА И РАБОТА ГОРЕЛКИ
Настоящее изобретение также обеспечивает возможность осуществления воспламенения основной зоны 7 сгорания в передней точке Р торможения в основной зоне 20 рециркуляции. В большинстве газотурбинных двигателей наружная зона рециркуляции, см. фиг.4b, должна использоваться в качестве места, в котором искровое или факельное запальное устройство обеспечивает воспламенение в двигателе. Воспламенение может происходить только в том случае, если также может иметь место стабильное горение; в противном случае пламя будет срываться сразу же после воспламенения. Внутренняя или основная зона 22 рециркуляции, как в настоящем изобретении, как правило, обеспечивает более успешную стабилизацию пламени, поскольку подвергнутый рециркуляции газ 31 перемещается в направлении назад и тепло от продуктов горения в подвергнутом рециркуляции газе 31 концентрируется в небольшой зоне у передней точки Р торможения в основной зоне 20 рециркуляции. Зона сгорания - фронт 7 распространения пламени также расширяется наружу с конической формой от данной передней точки Р торможения, как проиллюстрировано на фиг.2. Данное коническое расширение выше по потоку позволяет теплу и свободным радикалам 32, образованным выше по ходу потока, обеспечивать поддержание горения выше по потоку, что позволяет фронту 7 распространения пламени расширяться по мере его перемещения дальше по ходу потока. Огнеупорная амбразура (4а, 4b, 4с), проиллюстрированная на фиг.2, при сравнении с сжиганием, стабилизированным с помощью вихря, без огнеупорной амбразуры, показывает, как огнеупорная амбразура придает пламени более коническую форму и форму, менее напоминающую полусферу по природе. Фронт распространения пламени, имеющий в большей степени коническую форму, позволяет точечному источнику тепла эффективно инициировать сгорание всего поля потока.
В настоящем изобретения процесс сгорания в горелке 1 разделен на ступени (стадии). На первой ступени, то есть ступени воспламенения, пламя 35 бедной смеси инициируется в малой вспомогательной камере 5 сгорания посредством добавления топлива 23, смешанного с воздухом 24, и воспламенения смеси посредством использования запального устройства 34. После воспламенения соотношение компонентов пламени 35 в малой вспомогательной камере 5 сгорания регулируют для условий сжигания или бедной смеси (с соотношением компонентов, составляющим менее 1, и при соотношении компонентов, приблизительно равном 0,8), или богатой смеси (с соотношением компонентов, превышающим 1, и при соотношении компонентов, приблизительно составляющем от 1,4 до 1,6). Причина, по которой соотношение компонентов в малой вспомогательной камере 5 сгорания при режиме сжигания богатой смеси находится в пределах от 1,4 до 1,6, - это уровни выбросов вредных веществ. Существует возможность работы и поддержания пламени 35 в малой вспомогательной камере 5 сгорания при стехиометрических условиях (при соотношении компонентов, равном 1), но данная опция не рекомендуется, поскольку она может привести к высоким уровням выбросов вредных веществ и большей термической нагрузке на стенки 21. Преимущество работы и рекомендуется, поскольку она может привести к высоким уровням выбросов вредных веществ и большей термической нагрузке на стенки 21. Преимущество работы и поддержания пламени 35 в малой вспомогательной камере сгорания при режиме сжигания или бедной смеси, или богатой смеси заключается в том, что генерируемые выбросы вредных веществ являются незначительными и термическая нагрузка на стенки 21 является низкой.
На следующей стадии, второй стадии с низкой нагрузкой, топливо добавляется по каналу 30 в охлаждающий воздух 27, и ему сообщается вихревое движение в завихрителе 28. Таким образом очень эффективно поддерживается горение основного пламени 7 бедной смеси при параметрах, которые находятся ниже, на уровне и выше предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси. Количество топлива, которое может быть добавлено в горячий охлаждающий воздух (предварительно нагретый до температур, существенно превышающих 750°C), может соответствовать соотношениям компонентов, превышающим 3.
На следующей стадии работы горелки третья часть 15а топлива, соответствующая ступени с полной нагрузкой, постепенно добавляется к воздуху 12, который представляет собой основной воздушный поток, поступающий в основное пламя 7.