ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к устройствам с непосредственным впрыскиванием жидкого углеводородного топлива нормальной или повышенной вязкости в капельном состоянии в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) и подготовкой топливовоздушной смеси (ТВС) для сжигания в зоне горения с помощью воздуха. Горелка может быть использована во многих типах теплоэнергетических установок.
В настоящее время актуальной задачей является создание камер сгорания ГТД и наземных газотурбинных установок (ГТУ), которые могут работать на топливах с нормальной или повышенной вязкостью при сохранении низкого уровня эмиссии вредных веществ. Это связано с замедлением темпов и удорожанием добычи нефти. В качестве альтернативы реактивным топливам могут рассматриваться топлива с повышенной вязкостью такие как, например, дизельные и судовые топлива, имеющие больший объем и меньшую стоимость производства, чем топлива для реактивных двигателей.
2
2
2
3
Стандартное авиационное топливо (например, керосин марки ТС-1 по ГОСТ 10227-86 «Топлива для реактивных двигателей») имеет кинематическую вязкость при плюс 20°С от 1,25 до 1,30 мм/с (сСт). Дизельное топливо по ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное» имеет кинематическую вязкость при плюс 20°С от 3,0 до 6,0 мм/с (летнее) и от 1,8 до 5,0 мм/с (зимнее). В этих стандартах указано повышенное содержание, практически в десять раз, наличия смол в дизельном топливе по сравнению с топливом для реактивных двигателей. Концентрация смол, мг на 100 см для топлива ТС-1 составляет от 3 до 5, а для дизельного топлива от 30 до 40. Чтобы топливо легко прокачивалось по системе питания, вязкость его при минус 40°С не должна превышать 16 сСт. В настоящее время также действует постановление Правительства РФ №118 от 27.02.2008 - технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту». Следовательно, необходимо обеспечить беспрепятствованную прокачиваемость топлива с повышенной вязкостью через систему питания двигателя в заданном температурном диапазоне.
В то же время, ухудшение экологического состояния окружающей среды и ужесточение норм на вредные выбросы требуют разработки экологически «чистых» камер сгорания ГТД и ГТУ, что обязывает разработчиков совершенствовать процессы распыла жидкого топлива в камерах сгорания и процессы гомогенизации ТВС.
x
зг
зг
Кроме того, при разработке камер сгорания, работающих на дизельном топливе важнейшими задачами являются надежность, воспламеняемость ТВС и обеспечение заданного ресурса при сохранении уровня эмиссии вредных веществ заданных для реактивных топлив. Основное внимание здесь уделяется снижению в продуктах сгорания оксидов азота (NO), монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (UHC) и снижению дымления (сажеобразования). Эмиссия этих веществ характерна для любой тепловой машины, работающей на природном топливе. При создании низкоэмисионных камер сгорания основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация устойчивого горения бедных смесей. Например, генерация оксидов азота по основному, термическому механизму Зельдовича, сильно зависит от температуры в зоне горения Т и при ее значении, меньшем 1730К становится практически несущественной. В этом диапазоне температур (Т<1730К) индекс эмиссии оксидов азота очень слабо зависит от времени пребывания газа в камере сгорания.
Одним из путей снижения вредных выбросов, например, авиационными камерами сгорания является использование камер, в которых горение происходит в двух зонах: вспомогательной (пилотной) и основной. В первой организуется горение богатой топливовоздушной смеси, во второй - .бедной гомогенной. Зоны могут располагаться относительно друг друга последовательно или параллельно.
Однако использование пилотной зоны, в которой горение происходит по диффузионному механизму, существенно увеличивает эмиссию оксидов азота. В камерах сгорания авиационных двигателей, где время пребывания газа мало (≈7 мс), избавится от пилотной, постоянно работающей диффузионной зоны горения, без ущерба для устойчивого воспламенения и горения топливовоздушной смеси, а также обеспечения полноты ее сгорания не удается.
Для камер сгорания наземных ГТУ указанные проблемы со стабилизацией и полнотой сгорания бедной топливовоздушной смеси можно решить за счет увеличения объема камеры сгорания и увеличения размера зоны стабилизации пламени в ней, уменьшения скорости течения смеси.
Для обеспечения снижения уровня эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания камер авиационных ГТД и наземных ГТУ основной проблемой остается достижение эффективного предварительного распыла на мелкие однородные капли и смешения распыленного топлива с воздухом перед сгоранием (гомогенизация топливовоздушной смеси).
Известен способ и устройство перемешивания топлива для уменьшения эмиссии вредных выбросов из камеры сгорания (Патент США №6,484,489 B1, F02C 7/26, Nov.26.2002) фирмы General Electric Company (US). Камера сгорания выполнена с высокой эффективностью горения, низкой эмиссией окиси углерода, окиси азота и дымления на всех режимах работы ГТД. Камера сгорания содержит смесительный узел состоящий из вспомогательного и основного смесителей. Вспомогательный смеситель имеет вспомогательную топливную форсунку, по меньшей мере, один завихритель и разделитель воздуха. Основной смеситель расположен вокруг вспомогательного смесителя. Каналы для подачи топлива и завихрители воздуха расположены перед отверстиями для впрыска топлива. При работе на режиме малого газа вспомогательный смеситель аэродинамически изолирован от основного смесителя и через основной смеситель подается только воздух. С увеличением мощности двигателя топливо подается в основной смеситель, а завихритель основного смесителя смешивает топливо с воздухом для обеспечения равномерного распределения по окружности и горения. ТВС равномерно распределяется внутри камеры сгорания, что способствует полному сгоранию топлива и снижению выброса окиси азота на максимальном режиме работы ГТД. Однако одноступенчатый распыл струй топлива повышенной вязкости через основной смеситель не способствует приготовлению однородной мелкораспыленной ТВС.
Известна форсунка с очищающим коллектором (Патент США №6073436, F02C 7/26, 13.06.2000) фирмы Rolls-Royce plc, London (GB). Форсунка состоит из двух завихрителей, окружающих основное топливное сопло и пилотное топливное сопло. Основное топливо дробится и смешивается с закрученным воздухом на выходе из цилиндрического канала. При этом внешний воздушный завихритель лишь предотвращает вылет полидисперсных капель за границу факела и не участвует в интенсивном перемешивании из-за своей удаленности от кромки распыливания топлива. Пилотное топливо дробится и смешивается с закрученным воздушным потоком внутри цилиндрического канала. Такое расположение кромки впрыска пилотного топлива может повысить коэффициент перемешивания смеси, но с другой стороны повышает риск нагарообразования более вязкого топлива на внутренней поверхности цилиндрического канала и создает опасность проскока пламени по оси и поверхностям форсунки.
Известна двухканальная по топливу горелка с двумя подводами воздуха (Патент США №6715292, F02С 7/22, 06.04.2004). Горелка для сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал с магистралью подвода топлива на входе и завихрителем внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом коаксиально расположен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал снабжен лопаточным завихрителем внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Причем лопаточные завихрители воздуха внутреннего и внешнего каналов содержат, жестко закрепленные на выходных кромках лопаток, упругие стержневые элементы, например набор плоских пружин. Топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки, для топлива повышенной вязкости, энергии воздушных потоков, которые подают в камеру сгорания через горелку недостаточно, чтобы распылить топливо, поступающее в камеру сгорания до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива в струях с воздухом в достаточной мере.
Наиболее близким аналогом по назначению и конструкции, что и заявляемое техническое решение является двухканальная по топливу горелка с двумя подводами воздуха (Патент РФ на полезную модель №86281, F23D 11/10, 02.04.2009). Горелка для сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал с магистралью подвода топлива на входе и завихрителем внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом коаксиально расположен, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал снабжен. лопаточным завихрителем внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону. Причем лопаточные завихрители воздуха внутреннего и внешнего каналов содержат, жестко закрепленные на выходных кромках лопаток, упругие стержневые элементы, например набор плоских пружин. Топливовоздушная горелка позволяет повысить полноту распыла топлива и его смешения с воздухом, улучшить устойчивость горения и снизить выбросы токсичных веществ. Однако при такой конструкции горелки, для топлива повышенной вязкости, энергии воздушных потоков, которые подают в камеру сгорания через горелку недостаточно, чтобы распылить все поступающее в камеру топливо до удовлетворительной мелкости капель и смешать капли топлива в струях с воздухом в достаточной мере.
В основу полезной модели положено решение следующих задач для авиационных ГТД и наземных ГТУ:
- разработка конструкции горелки, работающей на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, которая обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах для реактивных двигателей;
x
- обеспечения эмиссии вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.
Это достигается путем подготовки бедной предварительно перемешенной и частично испаренной топливовоздушной смеси к сжиганию без ущерба для топливной экономичности двигателя и ресурса работы его горячих частей. Основной проблемой здесь остается достижение эффективного ступенчатого распыла капель жидкого топлива нормальной или повышенной вязкости и смешения его с воздухом (гомогенизация топливовоздушной смеси) в горелке и на выходе из нее.
Поставленные задачи решаются тем, что горелка для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов.
Вспомогательный контур включает аксиальный топливный канал с магистралью подвода топлива на входе, завихрителем внутри и суживающимся соплом на выходе. Относительно аксиального топливного канала коаксиально размещен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внутренний суживающийся канал с лопаточным завихрителем внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом, связанный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, топливный внешний суживающийся канал. Топливный внешний канал содержит магистраль подвода топлива на входе и завихритель внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом, коаксиально расположен, сопряженный с ним через стенку с острой кромкой на выходе, воздушный внешний суживающийся канал. Воздушный внешний канал содержит лопаточный завихритель внутри и ограничен наружной стенкой с острой кромкой на выходе. Закрутка завихрителей воздушных каналов и завихрителей топливных каналов направлена в одну сторону; Это, при уменьшенной длине камеры сгорания, позволяет обеспечить необходимое время контакта для смешения закрученной топливной пелены и сопряженных с ней закрученных воздушных потоков вспомогательного и основного контуров горелки. Причем лопаточные завихрители воздуха внутреннего и внешнего каналов содержат, жестко закрепленные на выходных кромках лопаток, упругие стержневые элементы.
Новым в горелке является то, что в каждой лопатке завихрителя воздушного канала выполнена полость, сообщающаяся отверстием с полостью сопряженного топливного канала, причем на боковых поверхностях лопатки имеется, по крайней мере, одно сквозное в полость лопатки отверстие, направленное на боковую поверхность упругого стержневого элемента смежной лопатки. Дополнительная подача топлива на упругие элементы лопаток завихрителей воздуха позволяет ввести еще одну ступень мелкодисперсного распыла топлива вспомогательного и/или основного контуров. Это повышает интенсивность турбулентного смесеобразования топлива и воздуха. В этом случае энергии потоков воздуха в каналах достаточно, чтобы сформировать в пространстве сгорания камеры мелкодисперсную хорошо перемешанную ТВС из топлива нормальной или повышенной вязкости. Это обеспечивает высокую полноту сгорания приготовленной ТВС и позволяет снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания топлив повышенной вязкости до требуемых современными стандартами уровней.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение.
Полость каждой лопатки может сообщаться отверстием с полостью сопряженного топливного канала до его завихрителя, что позволяет поднять давление подачи топлива из полостей лопаток на упругие элементы воздушного внешнего канала и улучшить эффективность распыла топлива.
Отдельный упругий стержневой элемент может быть выполнен в виде пластины или из проволочной щетки материала с высоким модулем упругости. Это улучшает мелкость распыла и улучшает перемешивание топлива с воздухом.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи:
- разработана конструкции горелки, работающей на топливах нормальной и повышенной вязкости, например реактивном или дизельном, которая обеспечивает основные показатели и характеристики камер сгорания не ниже показателей камер сгорания работающих на топливах для реактивных двигателей;
x
- обеспечена эмиссия вредных веществ (NO, CO, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью, например дизельном, на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием горелки для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя и ее работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1-7, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания газотурбинного двигателя с горелкой;
на фиг.2 - элемент I на фиг.1;
на фиг.3 - вид А на фиг.2;
на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3 цилиндрической поверхностью, развертываемой в плоскость, по лопаткам завихрителя воздушного внутреннего канала;
на фиг.5 - элемент II на фиг.4;
на фиг.6 - вид В на фиг.4 на лопатку завихрителя воздушного канала, где упругие элементы выполнены в виде пластин;
на фиг.7 - вид В на фиг.4 на лопатку завихрителя воздушного канала, где упругие элементы выполнены в виде плоской проволочной щетки.
Горелка для сжигания топлив с нормальной или повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя содержит (см. фиг.1 и 2) систему подачи жидкого топлива, состоящую из вспомогательного и основного контуров, и сопряженных с ними воздушных каналов. Вспомогательный контур включает аксиальный внутренний топливный канал 1 с магистралью 2 подвода топлива на входе, завихрителем топлива 3 внутри, камерой 4 закручивания топлива и суживающимся соплом 5 на выходе. Относительно аксиального топливного канала 1, коаксиально размещен связанный с ним через стенку 6 с острой кромкой 7 на выходе воздушный внутренний суживающийся канал 8 с лопаточным завихрителем 9 внутри. Основной контур включает коаксиально расположенный над воздушным внутренним каналом 8, связанный с ним через стенку 10 с острой кромкой 11 на выходе, топливный внешний суживающийся канал 12 с магистралью 13 подвода топлива на входе и завихрителем 14 внутри. Кроме того, над топливным внешним каналом 12 коаксиально расположен, связанный с ним через стенку 15 с острой кромкой 16 на выходе, воздушный внешний суживающийся канал 17 с лопаточным завихрителем 18 внутри, ограниченный наружной стенкой 19 с острой кромкой 20 на выходе. Закрутка завихрителей 9 и 18 воздушных каналов 8 и 17 и завихрителей 3 и 14 топливных каналов 1 и 12 направлена в одну сторону. Лопаточный завихритель 9 (по аналогичному завихрителю 18 не показано) воздуха содержит (см. фиг.4) жестко закрепленные на выходных кромках 21 лопаток 22, упругие стержневые элементы.
Выходная кромка 21 каждой лопатки 22 завихрителей 9 и 18 (для завихрителя поз.18 не показано) воздуха имеет (см. фиг.4) продольный паз 23. Отдельный упругий стержневой элемент может быть выполнен в виде набора пластин 24 (см. фиг.4, 6) или проволочной щетки 25 (см. фиг.4, 7) из материала с высоким модулем упругости, которые жестко закреплены в пазу 23. Крепление пластин 24 или проволочных щеток 25 в пазах 23 лопаток 22 можно выполнить, например, пайкой или обжимом кромок 21. В каждой лопатке 22 завихрителей воздуха 9 и 18, например завихрителя 9 воздушного канала 8 выполнена полость 26 (см. фиг.4 и фиг.5) сообщающаяся (см. фиг.2) отверстием 27 с полостью сопряженного топливного канала 1. Причем на боковых поверхностях каждой лопатки 22 (см. фиг.4) имеется, по крайней мере, одно сквозное в полость 26 лопатки 22 отверстие 28, направленное на боковую поверхность упругого стержневого элемента 24 или 25 смежной лопатки 22. Полость 26 каждой лопатки 22 сообщается отверстием 27 с полостью топливного канала 1 до его завихрителя 9. Причем отверстия 28 могут быть направлены на боковую поверхность упругих стержневых элементов 24, 25 смежных лопаток 22 по направлению закрутки и/или против направления закрутки лопаток.
Горелка для сжигания топлива с повышенной вязкостью в камере сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом. При работе используют пневматические способы обработки жидкого топлива, которые обеспечивают получение однородно перемешанной воздухом распыленной в зоне сгорания камеры пелены топлива с обеспечением малых размеров жидких капель. Здесь также достигают дополнительный выигрыш в энергетике насосов за счет низких потребных давлений подачи топлива.
В начальный момент времени (на режиме запуска двигателя) через горелку (см. фиг.1 и фиг.2) подают небольшой, но достаточный для работы камеры сгорания поток воздуха. В горелке воздух проходит воздушный внутренний канал 8 с завихрителем 9 и внешний канал 17 с завихрителем 18, которые снабжены на выходных кромках 21 лопаток 22 завихрителей 9 и 18 стержневыми упругими элементами 24 или 25.
На режиме запуска топливо через магистраль 2 подают только в аксиальный канал 1. В канале 1 топливо закручивают завихрителем 3 и через камеру закручивания 4, а затем суживающуюся часть сопла 5 подают в зону горения камеры сгорания. На выходе сопла 5 поток топлива раскрывается в коническую пелену. Срываясь с острой кромки 7 сопла 5, топливная пелена в камере сгорания распадается на капли под действием внешних турбулизированных потоков воздуха прошедших каналы 8 и 17 с колеблющимися стержневыми упругими элементами 24 и/или 25. Одновременно часть топлива из канала 1 через отверстия 27 подают в полости 26 каждой лопатки 22. Из полостей 26 топливо через отверстия 28 направляют на боковые поверхности упругих элементов 24 и/или 25 смежных лопаток 22 по направлению или против направления их закрутки. Распыливаясь с колеблющихся упругих элементов 24 или 25 топливо в канале 8 смешивается с закрученным высокотурбулизированным потоком воздуха. Начальный розжиг подготовленной ТВС осуществляют с помощью воспламенителей разного типа (не показано).
При переходе на режимы повышенной мощности топливо (см. фиг.2) через основную магистраль 13 подают в канал 12 с завихрителем 14 внутри. В канале 12 топливо закручивают шнековым завихрителем 14 и по описанному выше принципу направляют с распыливающей кромки 16 стенки 15 в виде второй пелены в камеру сгорания. Срываясь с острой кромки 16 стенки 15, топливная пленка дробится на капли между двух закрученных высокотурбулизированных потоков воздуха прошедших каналы 8 и 17. Одновременно часть топлива из канала 12 через отверстия 29 подают в полости 30 каждой лопатки 22 завихрителя 18. Из полостей 30 топливо через отверстия 31 направляют на боковые поверхности упругих элементов 24 или 25 смежных лопаток 22 завихрителя 18 аналогично работе завихрителя 9 (не показано). Распыливаясь с колеблющихся упругих элементов 24 или 25 топливо в канале 17 смешивается с закрученным высокотурбулизированным потоком воздуха. Полученую в основном контуре ТВ С подают в зону горения камеры, где она воспламеняется от продуктов сгорания топлива поступившего в камеру из аксиального канала 1 вспомогательного контура. Предварительная подготовка закрученных турбулизированных воздушных потоков в воздушных каналах 8 и 17 с упругими стержневыми элементами и распыленных в каналах 8 и 17 струй жидкого топлива вспомогательного и основного контуров обеспечивает высокую эффективность смешения топлива повышенной вязкости с воздухом, например дизельного, а вследствие этого и высокую эффективность горения. Выбор разных типов упругих колебательных элементов 24 или 25 определяется многими факторами: вязкостью топлива, режимами работы горелки, возможностями производства и т.д.
Горелка позволяет достичь основных показателей и характеристик камер сгорания не ниже показателей и характеристик камер сгорания работающих только на топливах для реактивных двигателей.
х.
Горелка позволяет сохранить эмиссию вредных веществ (NO, СО, UHC, сажи) в продуктах сгорания топлив с повышенной вязкостью на уровне эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания известных топлив для реактивных двигателей.