ГОРЕЛКА ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)
BURNER FOR COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к горелкам для газовых турбин и, в частности, к горелкам, выполненным с возможностью стабилизации горения в двигателе, или, более конкретно, к горелкам, в которых для стабилизации процесса горения используется узел огнеупорной амбразуры в сочетании, наряду с другими элементами, со стабилизатором пламени с центральным телом необтекаемой формы.
Уровень техники
Газовые турбины находят широкое применение в различных областях, включая генераторы электрической энергии, военную и гражданскую авиацию, перекачку продуктов по трубопроводам и морские перевозки. В газотурбинном двигателе топливо и воздух подаются в камеру горелки, где они смешиваются и воспламеняются факелом, чем инициируется процесс горения. С процессом горения в газотурбинных двигателях связаны несколько основных проблем. В число этих проблем входят, например, тепловая эффективность камеры сгорания, правильное смешивание топлива и воздуха, стабилизация пламени, устранение вибраций и шумов, и регулирование загрязняющих выбросов, в особенности оксидов азота (NОх). Стабилизация пламени связана с такими проблемами, как фиксация положения пламени в горелке и его интенсивности и, наряду с другими, устранение пульсаций и уменьшение шума.
Стабильное горение в газотурбинных двигателях требует создания циклического процесса для получающихся продуктов сгорания, то есть для тепла и свободных радикалов, которые передаются обратно вверх по направлению основного потока к точке воспламенения с целью активизации процесса горения.
В настоящее время известно завихривание топливовоздушной смеси или придание ей вихревого движения для улучшения стабилизации пламени и тем самым стабилизации процесса горения. Потоки вихревой стабилизации горения улучшают горение путем создания противотока у оси горелки, который возвращает тепло и свободные радикалы обратно вверх по направлению основного потока к не воспламененной топливовоздушной смеси.
В патентах США №№5131334, 5365865 и 5415114, выданных на имя (Монро) Monroe и др., раскрыта угольная горелка, содержащая стабилизатор пламени для завихрения топливовоздушной смеси. Раскрытый стабилизатор пламени содержит несколько разнесенных по радиусу лопаточных элементов, закрепленных на кольцевом элементе, который помещен над центральной трубкой подачи топлива. Лопатки имеют такую форму и ориентацию, чтобы направлять завихренный воздух к нижерасположенному по направлению основного потока краю трубки подачи топлива.
В Патенте США №5477685, выданном на имя Сэмюэлсона (Samuelson), который целиком включен в данное описание в качестве ссылки, раскрыт предназначенный для камеры сгорания газовой турбины вихревой инжектор, работающий на бедных топливовоздушных смесях. В представленном варианте выполнения топливовоздушная смесь выбрасывается из центрально расположенного сопла через несколько ориентированных по радиусу выходных каналов. Завихритель воздуха и направляющее устройство соединены с нижерасположенным по направлению основного потока краем инжектора Сэмюэлсона с целью организации потока рециркуляции. Топливовоздушная смесь, выходящая в радиальном направлении из сопла, смешивается с проходящим через инжектор в осевом направлении воздухом, и вовлекается в движение по спиралевидной траектории благодаря наличию завихрителя воздуха. Огнеупорная амбразура представляет собой устройство, которое используют в промышленных котлах и топочных камерах для увеличения потока и изменения траектории рециркулирующих горячих продуктов сгорания.
Известные горелки, в которых используется вихревая стабилизация горения, как в описанных выше, должны иметь интенсивность завихрения, достаточную для создания рециркуляции у центральной оси, развивающейся как показано на фиг.1.
Как отмечено выше, при горении с вихревой стабилизацией горение стабилизируется, если образующиеся тепло и свободные радикалы поступают обратно вверх по направлению основного потока в зону рециркуляции, где смешиваются с не вступившей в реакцию топливовоздушной смесью и инициируют ее горение. Стабильное горение в значительной степени зависит от поступления этих горячих продуктов сгорания обратно вверх по направлению основного потока. Более того, при возрастании скорости рециркулированных продуктов сгорания поток горячих и химически активных продуктов сгорания вверх по направлению основного потока возрастает, и процесс горения приобретает тенденцию сохранять стабильность в более широком диапазоне режимов работы.
Интенсивность завихрения сильно влияет на размеры, форму и устойчивость зоны рециркуляции горячих продуктов сгорания. Интенсивность завихрения характеризуется безразмерной величиной, определяемой как отношение аксиального потока углового количества движения к аксиальному потоку аксиального количества движения. Вообще говоря, зона рециркуляции не образуется, если вихревое отношение (параметр закрутки) меньше, чем 0,4. Возрастание вихревого отношения приводит к уменьшению давления у передней критической точки. Как показано на фиг.1, передняя критическая точка - это точка, в которой поток продуктов сгорания вдоль оси вверх по направлению основного потока встречается с направленным вниз по основному потоку аксиальным потоком воздуха из горелки, причем в этой точке все скорости равны нулю. Обычно при значениях вихревого отношения больше, чем примерно 0,6, у передней критической точки образуется зона низкого давления. Возникновение этой зоны низкого давления вызывает движение продуктов сгорания от нижерасположенного по направлению основного потока края горелки, где давление в горелке выше, вверх по направлению основного потока к передней критической точке, где давление уменьшается. Этот механизм приводит к образованию основной зоны рециркуляции (смотри фиг.1).
n
n
Возрастание вихревого отношения (S) создает тенденцию снижения давления у передней критической точки и возрастания скорости рециркуляции вблизи оси вверх по направлению основного потока. Этот возросший поток продуктов сгорания вверх по основному потоку вызывает увеличение потока горячих газов и химически активных компонентов к передней критической точке, где может быть инициировано интенсивное горение. При низких значениях вихревого отношения (то есть, когда 0,4<S<0,6) давление у передней критической точки лишь немного ниже, чем давление у задней критической точки зоны рециркуляции. В результате поток горячих и химически активных продуктов сгорания, передаваемых вверх по направлению основного потока, мал, и горение менее стабильно, особенно при работе на бедных топливовоздушных смесях.
n
n
Вихревое отношение имеет и другие механизмы воздействия на зону рециркуляции. Например, возрастание S приводит к снижению низкого давления у передней критической точки и перемещает заднюю критическую точку вверх по направлению основного потока, укорачивая зону рециркуляции. Кроме того, тангенциальные силы, увеличивающиеся при увеличении S, приводят к одновременному увеличению зоны рециркуляции в диаметре.
Огнеупорная амбразура представляет собой устройство, которое используют в промышленных котлах или топочных камерах для того, чтобы избавиться от влияния величины вихревого отношения на протяженность и диаметр зоны рециркуляции. Огнеупорная амбразура также позволяет увеличить диаметр зоны рециркуляции до размера диаметра выхода огнеупорной амбразуры без увеличения Sn. Кроме того, при использовании огнеупорной амбразуры протяженность зоны рециркуляции менее чувствительна к величине вихревого отношения и допускает получение значений протяженности от примерно 2 до примерно 2,5 значений диаметра выхода огнеупорной амбразуры.
n
Использование огнеупорной амбразуры позволяет работать при больших значениях S без образования при этом зоны рециркуляции большого диаметра. Однако в горелках, в которых используется огнеупорная амбразура, при большой интенсивности завихрения пламя имеет тенденцию смещаться вверх по направлению основного потока глубоко внутрь горелки, что приводит к разрушению компонентов горелки. Кроме того, при первоначальном горении смесей с достехиометрическим составом увеличение обогащения смеси увеличивает скорость пламени. Увеличение скорости пламени приводит к тому, что оно перемещается еще дальше вверх по направлению основного потока внутрь горелки. Кроме повреждения элементов горелки неуправляемое продвижение пламени глубоко внутрь горелки может вызвать высокую эмиссию NОх.
Кроме того, проблема стабильности может стать очень значительной при изменении качества топливовоздушной смеси. Когда топливовоздушная смесь становится очень бедной, скорость пламени становится очень чувствительной к изменению качества топливовоздушной смеси. Постоянные изменения скорости пламени часто приводят к смещению положения пламени, вызывающему колебания давления горения и увеличение шумов.
Нестабильность может вызвать при продвижении пламени внутрь горелки изменение соотношения компонентов в топливовоздушной смеси в сторону обогащения смеси, что приведет к дальнейшему продвижению пламени внутрь горелки. Изменение качества топливовоздушной смеси в сторону обогащения обычно компенсируется уменьшением интенсивности завихрения. В результате возникнет циклический процесс перемещения пламени внутрь горелки и обратно из нее. Эта проблема общей нестабильности может привести к очень большим пульсациям давления и росту эмиссии NОх. Эта нестабильность обычно носит характер низкочастотных колебаний, в основном, с частотой в диапазоне от 80 до 150 Гц. Амплитуда пульсаций давления может превышать 0,1 бара, что может быть разрушительным для газотурбинного двигателя. Более того, во время части нестабильного цикла горения в режиме обогащенной смеси может быть выброшено значительное количество NОх.
Исходя из сказанного существует потребность в усовершенствованной горелке с улучшенной стабильностью, уменьшенными пульсациями давления, сниженным шумом и сниженной эмиссией NOx.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к горелке для камеры сгорания газовой турбины, в которой для стабилизации процесса горения используется стабилизатор пламени с центральным телом необтекаемой (плохо обтекаемой) формы и огнеупорная амбразура. Горелка содержит, наряду с другими элементами, цилиндрический корпус и стабилизатор пламени.
Корпус имеет на своих противоположных по оси концах вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части, по меньшей мере один входной топливный канал и по меньшей мере один входной воздушный канал, выполненные в корпусе с возможностью, соответственно, подачи топлива и воздуха во внутреннюю смесительную камеру, сформированную в нижерасположенной по направлению основного потока крайней части корпуса, их завихрения и смешивания в ней. Смесительная камера снабжена внутри несколькими разнесенными по окружности поверхностями, предназначенными для завихрения и смешивания топлива и воздуха, подаваемых в смесительную камеру.
Стабилизатор пламени расположен внутри смесительной камеры и содержит основную (базовую) часть, сопряженную с корпусом горелки, который удерживает ее, и вытянутое тело необтекаемой формы. Тело необтекаемой формы вытянуто от основной части вдоль оси вниз по направлению основного потока через смесительную камеру с возможностью регулирования положения точки воспламенения ниже смесительной камеры по направлению основного потока, т.е. так чтобы установить точку воспламенения ниже смесительной камеры по направлению основного потока. Таким образом, заявляемая горелка снабжена средствами регулирования положения точки воспламенения ниже внутренней области смешивания по направлению основного потока, размещенными внутри смесительной камеры.
В предпочтительном варианте выполнения горелка также содержит узел огнеупорной амбразуры, образующий внутреннюю камеру рециркуляции и выход горелки и расположенный смежно с нижерасположенной по направлению основного потока крайней частью корпуса горелки с возможностью приема предкамерных газов из смесительной камеры и рециркуляции части газообразных продуктов сгорания вверх по направлению основного потока со стабилизированием горения.
n
Тело необтекаемой формы стабилизатора пламени предпочтительно центрировано в смесительной камере и имеет конусообразную вышерасположенную по направлению основного потока часть и увеличенную в радиальном направлении цилиндрическую головную часть. В идеале стабилизатор пламени имеет такую длину в осевом направлении, которая позволяет зафиксировать положение основной зоны рециркуляции и достичь значения величины вихревого отношения S больше 0,6, в частности от примерно 0,6 до примерно 2,0. Вихревое отношение, представляющее собой отношение момента количества движения в тангенциальном направлении к моменту количества движения в осевом направлении, определяет, насколько много воздуха горения, проходящего через горелку, участвует во вращательном движении по сравнению с воздухом горения, выходящим из горелки в виде потока в осевом направлении. Математическое выражение для вихревого отношения может быть найдено в Патенте США №5365865, выданном на имя Монро, который целиком приведен в данном описании в виде ссылки.
n
В предпочтительном варианте выполнения изобретения по меньшей мере один входной воздушный канал направлен в основном по радиусу внутрь корпуса, а по меньшей мере один входной топливный канал расположен с возможностью направления топлива в смесительную камеру в основном в осевом направлении. В идеале, воздух поступает в направлении по касательной и по радиусу вовнутрь в направлении входного воздушного канала и завихривает воздух, проходящий через горелку, так, чтобы достичь значения S большего, чем примерно 0,6.
В других предпочтительных вариантах выполнения изобретения по меньшей мере один входной топливный канал содержит спиралевидную часть придания потоку топлива углового количества движения. Тело необтекаемой формы стабилизатора пламени имеет группу простирающихся по оси бороздок, выполненных на его наружной поверхности.
Для специалистов в данной области будет ясно, что аспекты изобретения, представленные в данном описании, могут быть приложены к любому типу камер сгорания и горелок, например, таким как горелки на твердом топливе или топочные камеры.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено в перспективе поперечное сечение горелки с вихревой стабилизацией, известной из предшествующего уровня техники.
На фиг.2 представлен вид в перспективе поперечного сечения горелки с вихревой стабилизацией, содержащей стабилизатор пламени с телом необтекаемой формы, выполненный в соответствии с изобретением.
На фиг.3 представлен вид в перспективе поперечного сечения горелки с фиг.2, иллюстрирующий завихренный поток в горелке и закрепление положения передней критической точки основной зоны рециркуляции, а также переднего фронта пламени у стабилизатора пламени с центральным телом необтекаемой формы.
На фиг.4 представлено поперечное сечение горелки, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения, на котором показано пламя, стабилизированное у стабилизатора пламени с центральным телом необтекаемой формы.
На фиг.5 представлено поперечное сечение горелки, выполненной в соответствии с предшествующим уровнем техники и не имеющей стабилизатора пламени с центральным телом необтекаемой формы, на котором показан проскок пламени в обратном направлении.
На фиг.6 представлено поперечное сечение горелки с фиг.5, на котором показано положение пламени у нижерасположенного по направлению основного потока края горелки, вблизи выхода.
На фиг.7 представлено поперечное сечение горелки с фиг.5, на котором показано пламя, расположенное вне выхода горелки.
Эти и другие признаки горелки в соответствии с настоящим изобретением станут более понятными для имеющего среднюю подготовку специалиста в данной области техники из следующего подробного описания предпочтительного варианта выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
Обратимся теперь к чертежам, на которых одинаковые ссылочные обозначения относятся к одинаковым элементам. На фиг.2 представлена горелка, используемая в камере сгорания газовой турбины и в общем виде помеченная ссылочным обозначением 100. В горелке 100 использован центральный стабилизатор 20 пламени с удлиненным центральным телом необтекаемой формы и узел 80 огнеупорной амбразуры, предназначенные для стабилизации процесса горения. Горелка 100 содержит наряду с другими элементами цилиндрический корпус 50. Корпус 50 и стабилизатор 20 пламени могут быть соединены друг с другом известным способом - или сочленяться по посадке, или скрепляться механически.
Корпус 50 горелки содержит противоположные по оси, вышерасположенную и нижерасположенную по направлению основного потока крайние части 52 и 54 соответственно. В корпусе 50 выполнены несколько ориентированных по оси входных топливных каналов 56 и несколько ориентированных по радиусу входных воздушных каналов 58. Для специалистов в данной области понятно, что количество и ориентация топливных входных каналов может меняться без отступления от идеи данного изобретения, и что приведенная здесь конфигурация служит только иллюстративным целям.
Входные топливные и воздушные каналы 56 и 58 выполнены с возможностью подачи топлива и воздуха, соответственно, в смесительную камеру 60, сформированную в нижерасположенной по направлению основного потока крайней части 54 корпуса 50. Смесительная камера снабжена внутри несколькими разнесенными по окружности поверхностями 62 или лопатками, предназначенными для придания вихревого движения и смешивания топлива и воздуха, подаваемых в смесительную камеру 60.
Стабилизатор 20 пламени расположен в смесительной камере 60 и содержит основную часть 22 и вытянутое необтекаемое тело 24. Основная часть 22 сопрягается с корпусом 50 горелки 100, который удерживает ее, и вытянутое необтекаемое тело 24 продолжается вдоль оси вниз по направлению основного потока от основной части 22 через внутреннюю смесительную камеру 60, так чтобы установить точку воспламенения или переднюю критическую точку 75 (смотри фиг.3) ниже по основному потоку, чем смесительная камера 60. Вытянутое необтекаемое тело 24 снабжено несколькими простирающимися по оси бороздками 27, выполненными на его наружной поверхности и предназначенными для усиления турбулентности в горелке 100.
Узел 80 огнеупорной амбразуры расположено у нижерасположенной по направлению основного потока крайней части 54 корпуса 50 горелки. Узел 80 огнеупорной амбразуры формирует внутреннюю камеру 82 рециркуляции и выход 84 горелки. Внутренняя камера 82 рециркуляции, ограниченная внутренней поверхностью 82а, выполнена с возможностью приема предкамерных газов из смесительной камеры 60 и рециркуляции части газообразных продуктов сгорания в направлении вверх по основному потоку, что способствует стабилизации горения. В приведенном варианте выполнения изобретения внутренняя камера 82 рециркуляции имеет классическую форму диффузора. Но в изобретении рассматриваются и другие формы, обеспечивающие разделение по перепаду давления смесительной камеры и камеры рециркуляции.
Часть 24 стабилизатора 20 пламени, представляющая собой тело необтекаемой формы, центрирована относительно смесительной камеры 60 и имеет коническую вышерасположенную по направлению основного потока тракта часть 26 и горловину 28, лежащую ниже по основному потоку, с утолщенной по радиусу головкой. Горловине может быть придана форма, обеспечивающая дополнительное улучшение рециркуляции продуктов сгорания и стабильность пламени. Длину стабилизатора 20 пламени выбирают так, чтобы удерживать вихревое отношение для основной рециркуляции большим, чем 0,6, но не превышающим примерно 2,0. Как отмечено ранее, вихревое отношение есть отношение количества вращающегося воздуха горения, проходящего через горелку, к количеству воздуха горения, покидающего горелку в виде направленного вдоль оси потока.
Горелка 100 выполнена с возможностью обеспечения более стабильного циклического процесса горения и существенного снижения для газотурбинного двигателя, работающего на бедных смесях, тенденции к срыву пламени или возникновению колебаний давления, обусловленных нестабильностью горения. Стабилизатор 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы и огнеупорная амбразура 80 создают два основных эффекта: 1) точка инициализации горения зафиксирована в пространстве, и 2) могут быть достигнуты более высокие скорости завихрения без проскоков горения в смесительную камеру 50 горелки 100. Закрепление на центральной оси пламени за счет использования стабилизатора 20 пламени в виде необтекаемого тела позволяет избавиться от изменений положения пламени при естественных флуктуациях качества топливовоздушной смеси и при колебаниях скорости завихрения. Как возможность увеличения интенсивности завихрения без проскоков пламени, так и фиксация точки воспламенения делают процесс горения более стабильным. Следовательно, использование огнеупорной амбразуры 80 и стабилизатора 20 пламени с телом необтекаемой формы в корне изменяют стабильность вихревого горения по сравнению с горелками, известными из предшествующего уровня техники.
Стабилизатор 20 пламени физически предотвращает проскоки пламени по оси горелки 100 в смесительную камеру 50. При условии предотвращения проскоков пламени по оси в смесительную камеру 50 топливовоздушная смесь может иметь более высокое значение тангенциальной компоненты завихрения. Увеличение интенсивности завихрения без проскоков пламени делает более эффективной действие огнеупорной амбразуры по усилению рециркуляции горячих газов вверх по направлению основного потока, что стабилизирует процесс горения в целом. Увеличение количества тепла, рециркулированного вверх по направлению основного потока, позволяет получить стабильное горение более бедных топливовоздушных смесей. Это обеспечивает большую гибкость и устойчивость работы двигателя при одновременном поддержании эмиссии вредных выбросов на низком уровне.
2
Узел 80 огнеупорной амбразуры используется для того, чтобы сделать зону рециркуляции меньше, чем она была бы образована только за счет влияния вихревого отношения. Узел 80 огнеупорной амбразуры позволяет иметь малый диаметр и малую длину зоны рециркуляции при высоких значениях вихревого отношения. Высокое значение вихревого отношения обусловливает большую разницу давлений между передней и задней критическими точками. Высокий перепад давления приводит к тому, что большой поток горячих химически активных газообразных продуктов сгорания с большой скоростью поступает вдоль осевой линии в область передней критической точки, где происходит воспламенение. Наличие большого потока горячих химически активных газообразных продуктов сгорания в месте, где должно начаться горение, позволяет осуществить стабильное горение бедных топливовоздушных смесей. Стабильное горение бедных топливовоздушных смесей очень важно с точки зрения снижения эмиссии азотистых оксидов, NO и NO газотурбинными двигателями.
2
Поддержание малых размеров зоны рециркуляции помогает сохранить химическую активность горячих продуктов сгорания, что способствует более быстрой и стабильной инициализации горения, особенно при низких температурах горения менее 1700 К (1427°С), какие часто имеют место в двигателях с низкой эмиссией NOx (NO и NO). Это малое время нахождения в процессе рециркуляции для химически активных продуктов горения становится более важным при росте давления и снижении температуры, при которых происходит горение. При высоком давлении доля химически активных компонентов, известных также как свободные радикалы, которые играют положительную роль при инициализации быстрого горения, быстро снижается до равновесного уровня под действием этого высокого давления. С ростом давления время жизни свободных радикалов, превышающих равновесный уровень, становится меньше. Эффективное использование этих неравновесных уровней свободных радикалов становится более важным, когда температура горения низка, что имеет место в двигателях с низкой эмиссией NОх, так как равновесные уровни свободных радикалов низки при низких температурах.
На фиг.3 изображено поперечное сечение стабилизированной вихревой горелки 100, и показана рециркуляция продуктов сгорания вверх по направлению основного потока, что поддерживает процесс горения. Вышерасположенный и нижерасположенный по направлению основного потока края горелки 100 обозначены как "U" и "D" соответственно. Как показано на этой фигуре, поток продуктов сгорания разделен на отдельные зоны, а именно основную зону 90 рециркуляции и наружную зону 92 рециркуляции.
Как отмечено ранее, процесс завихрения топливовоздушной смеси таким образом, чтобы вызвать движение продуктов сгорания вверх по основному потоку, широко используется для стабилизации горения. В раскрытой горелке 100 стабилизатор 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы закрепляет основную зону 90 рециркуляции в фиксированном положении. Фронт пламени или точка 94 воспламенения потока горючей смеси проходит вдоль наружной поверхности основной зоны 90 рециркуляции, где тепло и свободные радикалы в сочетании воспламеняют не вступившие в реакцию предварительно смешанные топливо и воздух. Пламя зарождается у края стабилизатора 20 пламени и распространяется конусом вниз по направлению основного потока.
В горелке 100 положение пламени сохраняется фиксированным у головки 24 стабилизатора 20 пламени, даже если меняется качество топливовоздушной смеси. Когда топливовоздушная смесь становится очень бедной, скорость пламени становится очень чувствительной к качеству топливовоздушной смеси. Это изменение в скорости пламени часто приводят к сдвигу положения пламени, что может вызвать колебания давления горения. За счет закрепления пламени стабилизатором 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы и предотвращения перемещения пламени колебания давления также могут быть предотвращены.
На фиг.4 представлен поперечный разрез горелки 100 и показана коническая форма пламени 98, закрепленного у стабилизатора 20 пламени. На фиг.4-7 отображена горелка 200, в которой нет стабилизатора с центральным телом. В горелке 200 в случае, когда интенсивность завихрения велика или при высоком значении качества топливовоздушной смеси, пламя 298 имеет тенденцию перемещаться глубоко внутрь горелки, как показано на фиг.5. При горении смесей с достехиометрическим составом увеличение обогащения смеси увеличивает скорость пламени. Увеличенная скорость пламени делает возможным его продвижение дальше вверх по направлению основного потока. Увеличение интенсивности завихрения также приводит к возникновению тенденции продвижения пламени дальше вверх по направлению основного потока. В основном, нежелательно, чтобы пламя 298 продвигалось в горелку в область 260 смешивания, как показано на фиг.5. Неуправляемое перемещение пламени глубоко в горелку 200 может привести к повреждению оборудования и высокой эмиссии Nox. Добавление стабилизатора 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы к горелке с огнеупорной амбразурой закрепляет положение передней критической точки основной зоны 90 рециркуляции у края стабилизатора 20 пламени, предотвращая перемещение основной зоны 90 рециркуляции и пламени в смесительную камеру 60. Стабилизатор пламени с центральным телом необтекаемой формы закрепляет у края стабилизатора 20 пламени переднюю критическую точку (смотри фиг.3), которая в противном случае при интенсивном завихрении перемещалась бы глубоко внутрь горелки 100 или в направлении выхода 84, или даже наружу горелки 100. Стабилизатор 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы закрепляет переднюю критическую точку и пламя 98 в однозначно фиксированном положении вместо постоянного перемещения при изменении интенсивности завихрения.
Существует оптимальное местоположение для стабилизатора 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы, а именно там, где вихревое отношение может быть одинаково уменьшено или увеличено, при этом критическая точка и пламя 98 остаются закрепленными у стабилизатора 20 пламени. Если интенсивность завихрения постепенно уменьшается, пламя 98 будет оставаться закрепленным у стабилизатора пламени до тех пор, пока, в конце концов, оно не оторвется от стабилизатора пламени и установится на значительном удалении ниже по направлению основного потока или вне выхода 84 горелки. Начиная с некоторого оптимального значения вихревого отношения и положения стабилизатора пламени с центральным телом необтекаемой формы, возрастание интенсивности завихрения не будет оказывать влияния на положение пламени до тех пор, пока при некоторой критической интенсивности завихрения оно не перебросится вверх по направлению основного потока в основную зону рециркуляции, охватывая при этом край стабилизатора 20 пламени. Пока режим работы остается в разумном диапазоне значений интенсивности завихрения и качества топливовоздушной смеси, положение пламени будет оставаться фиксированным, даже если условия работы двигателя меняются. Как выяснено, этот диапазон очень широк, что является достоинством горелки 100.
2
2
2
2
Перемещение пламени является существенной проблемой для устройств камер сгорания, работающих на очень бедных смесях. Пламя 298, показанное на фиг.6 и 7, получается при работе с наиболее бедными топливовоздушными смесями или при самой низкой интенсивности завихрения. При очень низкой интенсивности горения оно при вихревой стабилизации может стать очень нестабильным. Однако рассматриваемый способ, призванный наиболее успешно снизить эмиссию NОх, должен обеспечить такое слабое горение, при котором температура пламени уменьшается ниже температуры, при которой двухатомные азот и кислород (N и O) диссоциируют и рекомбинируют в виде NO и NO. Когда примерно двойное количество воздуха смешивается с топливом перед горением топливовоздушной смеси, избыток воздуха действует как инертная субстанция, которая нагревается в процессе горения. Величина энергии, высвобождаемая в процессе горения, определяется только количеством сожженного топлива, пока достаточное или более чем достаточное количество воздуха вступает в процесс горения. Воздух, избыточный по отношению к необходимому для горения, не влияет на количество энергии, выделенной в процессе горения, но поскольку общая масса топлива и воздуха возрастает, а высвобожденная энергия остается постоянной, температура пламени и температура газообразных продуктов сгорания уменьшается. Уменьшение температуры пламени приводит к уменьшению образования NОх (NO и NO). Фактически, на этом принципе работают в настоящее время все газотурбинные двигатели с низкой эмиссией NОх.
Как было отмечено, введение в горелку 100 стабилизатора 20 пламени с центральным телом необтекаемой формы позволяет увеличивать интенсивность завихрения без проскоков пламени внутрь смесительной камеры 50. Возможность увеличения интенсивности завихрения увеличивает противоток горячих продуктов сгорания обратно вверх по направлению основного потока. Увеличенный поток горячих газообразных продуктов сгорания приносит больше тепла и свободных радикалов, что делает процесс горения более устойчивым и менее подверженным нестабильностям.
Если фронт пламени выходит за пределы горелки, она будет иметь максимальный расход воздуха для данного перепада давления в горелке. Если какое-либо воздействие позволит пламени переброситься внутрь горелки, массовый расход воздуха уменьшится, так как за счет выделившегося в процессе горения тепла воздух расширится, увеличивая объемный расход воздуха через выход горелки. Это увеличение объемного расхода при фиксированном перепаде давления приведет к уменьшению массового расхода воздуха через горелку. В большинстве газотурбинных двигателей в зависимости от развиваемой мощности используется от шести до ста горелок. При проскоках пламени внутрь некоторых горелок, но не всех, горелки, в которые проникло пламя, будут работать в обогащенном режиме. Это связано с тем, что во все горелки через общий топливопровод будет подаваться одно и то же топливо. Горелки с проскоком пламени внутрь работают в обогащенном режиме, так как массовый поток воздуха уменьшается из-за роста объемного расхода, как результата горения внутри выхода горелки. Результатом горения в обогащенном режиме, когда первоначально горение происходило в обедненном режиме, должно явиться увеличение скорости пламени. Увеличение скорости пламени позволяет пламени проникать глубже в горелку. Это увеличит объемный расход и уменьшит, кроме того, массовый расход воздуха, сделав режим горения еще более обогащенным. Проникнув внутрь, пламя может оставаться внутри нескольких горелок, при этом оставаясь снаружи остальных горелок. В этом случае возрастает содержание NОх и на вход турбины попадают горячие включения, соответствующие работающим в обогащенном режиме горелкам.
Процессы горения внутри горелок будут также воздействовать на характеристики завихрения, что может привести к развороту первоначального процесса и втягиванию пламени внутрь горелки. При втягивании пламени внутрь горелки массовый расход воздуха уменьшается. Плотность воздуха, проходящего через завихритель, не изменяется, что приводит к снижению скорости и уменьшению интенсивности завихрения. Снижение интенсивности завихрения создаст тенденцию смещения передней критической точки основной рециркуляции вниз по направлению основного потока. Сам процесс горения также приобретет тенденцию к уменьшению интенсивности завихрения, так как при горении поток распространяется равномерно во всех направлениях. Нестабильность может вызвать при продвижении пламени внутрь горелки изменение соотношения компонентов в топливовоздушной смеси в сторону обогащения смеси, что приведет к дальнейшему продвижению пламени внутрь горелки. Противодействием изменению соотношения компонентов в топливовоздушной смеси в сторону обогащения смеси, вызывающему увеличение скорости пламени, является снижение интенсивности завихрения. В результате возникнет циклический процесс перемещения пламени внутрь горелки и обратно из нее. Это может привести к общей нестабильности с очень большими пульсациями давления и ростом эмиссии NОх. Нестабильность обычно носит характер низкочастотных колебаний, в основном, с частотой в диапазоне от 80 до 150 Гц. Амплитуда пульсаций давления может превышать 0,1 бара, что может быть разрушительным для газотурбинного двигателя. Во время части цикла горения в режиме обогащенной смеси может быть выброшено значительное количество NОх. Введение стабилизатора пламени с центральным телом необтекаемой формы в горелку, размещенную в огнеупорной амбразуре, делает положение пламени независимым от изменений интенсивности завихрения и качества топливовоздушной смеси, что обеспечивает закрепление пламени в фиксированном положении у края стабилизатора пламени. Это устраняет колебания давления и рост эмиссии NОх, которые связаны с перемещениями пламени.
Хотя изобретение описано в связи с предпочтительным вариантом выполнения, специалистам в данной области будет вполне понятно, что в изобретение могут быть внесены различные изменения и/или модификации без отклонения от сущности или выхода за рамки изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.
Вихревое отношение, представляющее собой отношение момента количества движения в тангенциальном направлении к моменту количества движения в осевом направлении, определяет насколько много воздуха горения, проходящего через горелку, участвует во вращательном движении по сравнению с воздухом горения, выходящим из горелки в виде потока в осевом направлении.