Двухконтурная горелка
DOUBLE CIRCUIT BURNER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для непрерывного пламенного сжигания подготовленных топливовоздушных смесей газообразного углеводородного топлива в камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ).
Одной из важнейших задач при разработке камер сгорания для газотурбинных установок является снижение уровня эмиссии загрязняющих веществ, выбрасываемых с отработавшими газами в атмосферу. Эмиссия загрязняющих веществ характерна для любых тепловых машин, работающих на природном топливе. При создании низкоэмиссионных камер сгорания для газотурбинной установки решение проблемы загрязнения атмосферного воздуха достигается за счет эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организации подачи в камеру сгорания бедной топливовоздушной смеси с достижением устойчивого процесса горения.
Известна двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус с каналом подвода воздуха, каналом подвода вспомогательного топлива, коллектором основного газообразного топлива, подключенным к каналу подвода основного газообразного топлива, и цилиндрическим насадком с конусообразным стабилизатором пламени и форсунками, расположенными в торцевой части насадка и подключенными к каналу подвода вспомогательного топлива, и кожух с коническим раструбом, расположенный коаксиально цилиндрическому насадку с образованием между ними кольцевой полости со смесительной камерой, сообщенной с каналом подвода воздуха, причем в смесительной камере установлены топливоподающие трубки с калиброванными отверстиями, расположенные перпендикулярно направлению потока воздуха и сообщенные с коллектором основного газообразного топлива, а также средства воздействия на поток топливовоздушной смеси (RU 2456510, 2012 г.).
Известная горелка выполнена с одной смесительной камерой и одним коллектором основного газообразного топлива. Недостатком технического решения является то, что работа камеры сгорания с таким горел очным устройством на дроссельных режимах горения (при мощности менее 100%) приводит к существенному снижению полноты сгорания топлива и росту эмиссии вредных веществ, в частности угарного газа. Особенно сильно эти эффекты проявляются в коротких камерах сгорания при значениях длины камеры, отнесенной к ее диаметру менее двух.
Известна двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус с каналом подвода воздуха, каналом подвода вспомогательного топлива, коллектором основного газообразного топлива, подключенным к каналу подвода основного газообразного топлива, и цилиндрическим насадком с форсунками, расположенными в торцевой части насадка и подключенными к каналу подвода вспомогательного топлива, кожух с коническим раструбом, расположенный коаксиально цилиндрическому насадку с образованием между ними кольцевой полости, и кольцевую тонкостенную перегородку, установленную в кольцевой полости с образованием двух смесительных камер, сообщенных с каналом подвода воздуха, причем в каждой смесительной камере установлены топливоподающие трубки с калиброванными отверстиями, расположенные перпендикулярно направлению потока воздуха и сообщенные с коллектором основного газообразного топлива, а также средства воздействия на поток топливовоздушной смеси (US 5408825, 1995 г.).
В известной горелке топливо подается в обе смесительные камеры из одного коллектора основного газообразного топлива, т.е. состав топливовоздушной смеси, образующийся в обеих смесительных камерах, идентичен, причем обе камеры работают постоянно на всех режимах, а сгорание газообразного топлива при обедненной топливовоздушной смеси обеспечивается тем, что потоки топливовоздушной смеси в смесительных камерах закручиваются в противоположных направлениях и тем самым повышается качество перемешивания топлива с воздухом.
При этом в известной двухконтурной горелке работа камеры сгорания на дроссельных режимах горения (при мощности менее 100%) и, особенно, при низких температурах окружающего воздуха приводит к существенному снижению полноты сгорания топлива и росту эмиссии вредных веществ.
Наиболее близким аналогом изобретения является двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус с каналом подвода воздуха, каналом подвода вспомогательного топлива, двумя коллекторами основного газообразного топлива, подключенными к каналам подвода основного газообразного топлива, и цилиндрическим насадком с форсунками, расположенными в торцевой части насадка и подключенными к каналу подвода вспомогательного топлива, кожух с коническим раструбом, расположенный коаксиально цилиндрическому насадку с образованием между ними кольцевой полости, и кольцевую тонкостенную перегородку, установленную в кольцевой полости с образованием двух смесительных камер, сообщенных с каналом подвода воздуха, причем в каждой смесительной камере установлены топливоподающие трубки с калиброванными отверстиями, расположенные перпендикулярно направлению потока воздуха и сообщенные с одним из коллекторов основного газообразного топлива, а также средства воздействия на поток топливовоздушной смеси (US 5983642, 1999 г.).
В известной горелке с двумя контурами смешения топлива с воздухом обеспечивается возможность раздельной подачи топлива в отдельные смесительные камеры горелки. Такое решение позволяет на дроссельных режимах и при низких температурах воздуха подавать топливо только во внутреннюю смесительную камеру, создавая в этом контуре более богатую смесь, способную обеспечивать высокую полноту сгорания топлива и низкую эмиссию СО в неблагоприятных условиях.
x
x
При выходе на режимы полной мощности и при росте температур воздуха на входе в газотурбинную установку и на входе в камеру сгорания топливо, кроме внутренней смесительной камеры, начинает подаваться во внешнюю смесительную камеру горелки. При этом снижается концентрация топлива на выходе из двух смесительных камер и температура продуктов сгорания в камере сгорания, что приводит к росту уровня эмиссии СО и снижению содержания NO. В диапазоне режимов, близких к максимальным, уровень СО снижается, а содержание NO растет до приемлемых значений.
Однако в реальных условиях эксплуатации газотурбинных установок известная двухконтурная горелка не полностью обеспечивает заданные эмиссионные характеристики, особенно на дроссельных режимах и на максимальных режимах в зимних условиях.
При работе на дроссельных режимах при подаче топлива только во внутреннюю смесительную камеру горелки развитие фронта пламени идет от центральной зоны стабилизации горения (от кромок стабилизатора пламени) постепенно развиваясь в сечении на выходе из внутренней смесительной камеры и приближаясь к струе чистого воздуха, истекающего из внешней смесительной камеры горелки.
При этом на участке от окончания разделительной пластины до фронта пламени на границе смешения струй, истекающих из обеих смесительных камер, происходит смешение топливовоздушной смеси, истекающей из внутренней смесительной камеры, с чистым воздухом, истекающим из внешней смесительной камеры, приводя к обеднению состава смеси на границе двух струй. Это приводит к снижению скоростей горения и избыточному росту эмиссии СО. При этом интенсивность смешения струй, обеднение смеси и рост СО, в известной горелке в значительной степени, определяется интенсивностью закрутки потока в смесительных камерах горелки.
Аналогичное ухудшение характеристик происходит на режимах максимальной мощности в зимнее время в условиях низких температур воздуха. В этих условиях, несмотря на то, что топливо подается в оба смесительных контура горелки, из-за снижения температур воздуха на входе в ГТУ и на входе в камеру сгорания температура пламени снижается, что приводит к снижению скоростей горения и снижению полноты сгорания.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается предлагаемым изобретением, заключается в оптимизации состава топливовоздушной смеси, подаваемой в зону горения на дроссельных и экстремальных режимах работы камеры сгорания.
x
Техническим результатом изобретения является снижение эмиссии вредных веществ (NO и СО) в продуктах сгорания до уровня требований международных стандартов на дроссельных и экстремальных режимах работы камеры сгорания.
Технический результат достигается за счет того, что двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки содержит корпус с каналом подвода воздуха, каналом подвода вспомогательного топлива, двумя коллекторами основного газообразного топлива, подключенными к каналам подвода основного газообразного топлива, и цилиндрическим насадком с форсунками, расположенными в торцевой части насадка и подключенными к каналу подвода вспомогательного топлива, кожух с коническим раструбом, расположенный коаксиально цилиндрическому насадку с образованием между ними кольцевой полости, и кольцевую тонкостенную перегородку, установленную в кольцевой полости с образованием двух смесительных камер, сообщенных с каналом подвода воздуха, причем в каждой смесительной камере установлены топливоподающие трубки с калиброванными отверстиями, расположенные перпендикулярно направлению потока воздуха и сообщенные с одним из коллекторов основного газообразного топлива, а также средства воздействия на поток топливовоздушной смеси. Горелка снабжена конусообразным стабилизатором пламени, расположенным в торцевой части цилиндрического насадка, а средства воздействия на поток топливовоздушной смеси выполнены в виде радиально расположенных рассекателей, установленных на выходе смесительных камер между коническим раструбом кожуха и конусообразным стабилизатором пламени, причем рассекатели в поперечном сечении имеют V-образную форму с закругленной передней кромкой, направленной навстречу потоку топливовоздушной смеси, а задние кромки рассекателей соединяют торцевую кромку конусообразного стабилизатора пламени с кромкой кольцевой тонкостенной перегородки и коническим раструбом кожуха.
Ширина каждого рассекателя по задним кромкам у его основания на поверхности конусообразного стабилизатора пламени может быть равна половине расстояния между плоскостями симметрии соседних рассекателей, а отношение длины профиля рассекателя к его ширине может выбираться в диапазоне от 3 до 5.
Задние кромки рассекателей могут быть выполнены параллельными между собой.
Рассекатели могут быть выполнены с изменяющейся шириной по задним кромкам, причем ширина рассекателей увеличивается от конусообразного стабилизатора пламени к коническому раструбу кожуха пропорционально расстоянию до оси насадка по высоте рассекателя.
Топливоподающие трубки могут быть снабжены клинообразными обтекателями.
x
Существенность отличительных признаков двухконтурной горелки подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - снижение эмиссии вредных веществ (NO и СО) в продуктах сгорания до уровня требований международных стандартов на дроссельных и экстремальных режимах работы камеры сгорания.
Пример реализации изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан продольный разрез двухконтурной горелки с рассекателями на выходе внутренней и наружной смесительных камер;
на фиг. 2 - схема коллекторов основного газообразного топлива, вид Б и вид В фиг. 1;
на фиг. 3 - поперечное сечение обтекателей, установленных на топливоподающих трубках, сечение Д-Д фиг. 1;
на фиг. 4 - поперечное сечение рассекателя, сечение Г-Г фиг 1;
на фиг. 5 - вид А фиг. 1 на горелку со стороны камеры сгорания с параллельными задними кромками рассекателей;
на фиг. 6 - вид А фиг. 1 на горелку со стороны камеры сгорания с изменяющейся шириной задних кромок рассекателей;
на фиг. 7 - график зависимости величины относительных потерь давления при обтекании рассекателей от величины отношения длины рассекателя к его ширине;
на фиг. 8 - график зависимости относительной длины зоны рециркуляционной стабилизации горения от величины отношения длины рассекателя к его ширине.
Двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки содержит корпус 1 с каналом 2 подвода воздуха, каналом 3 подвода вспомогательного топлива, двумя коллекторами 4 и 5 основного газообразного топлива, подключенными к каналам 6 и 7 подвода основного газообразного топлива, и цилиндрическим насадком 8 с форсунками 9, расположенными в торцевой части 10 насадка 8 и подключенными к каналу 3 подвода вспомогательного топлива (фиг.1).
Кожух 11 с коническим раструбом 12 расположен коаксиально цилиндрическому насадку 8 с образованием между ними кольцевой полости 13, в которой установлена кольцевая тонкостенная перегородка 14 с образованием двух смесительных камер - внутренней 15 и внешней 16, сообщенных с каналом 2 подвода воздуха.
Во внутренней смесительной камере 15 установлены топливоподающие трубки 17 с калиброванными отверстиями 18, расположенные перпендикулярно направлению потока воздуха и сообщенные с коллектором 4 основного газообразного топлива (фиг. 2,В). Во внешней смесительной камере 16 установлены топливоподающие трубки 19 с калиброванными отверстиями 20, также расположенные перпендикулярно направлению потока воздуха и сообщенные с коллектором 5 основного газообразного топлива (фиг. 2,Б). На топливоподающих трубках 17 и 19 установлены клинообразные обтекатели 21 (фиг. 3) с острой задней кромкой 22, направленной к оси корпуса 1.
Двухконтурная горелка снабжена конусообразным стабилизатором пламени 23, расположенным в торцевой части 10 цилиндрического насадка 8, и средствами воздействия на поток топливовоздушной смеси, выполненными в виде радиально расположенных рассекателей 24, установленных на выходе смесительных камер 15 и 16 между коническим раструбом 12 кожуха 11 и конусообразным стабилизатором пламени 23. Рассекатели 24 равномерно расположены по окружности стабилизатора пламени 23, а в поперечном сечении имеют V-образную форму с закругленной передней кромкой 25 (фиг. 4), направленной навстречу потоку топливовоздушной смеси, причем задние кромки 26 рассекателей 24 соединяют торцевую кромку 27 конусообразного стабилизатора пламени 23 с кромкой 28 кольцевой тонкостенной перегородки 14 и коническим раструбом 12 кожуха 11.
Задние кромки 26 рассекателей 24 могут быть выполнены параллельными между собой (фиг. 5). В другом варианте исполнения (фиг. 6) рассекатели 24 могут быть выполнены с изменяющейся шириной по задним кромкам 26, причем ширина рассекателей 24 увеличивается от конусообразного стабилизатора пламени 23 к коническому раструбу 12 кожуха 11 пропорционально расстоянию до оси насадка 8 по высоте рассекателя 24.
Ширина b каждого рассекателя 24 по задним кромкам 26 у его основания на поверхности конусообразного стабилизатора пламени 23 равна половине расстояния d между плоскостями симметрии соседних рассекателей, а отношение длины  профиля рассекателя 24 к его ширине Ь выбирается в диапазоне от 3 до 5. При этом минимальное значение относительной длины рассекателей 24, равное 3 определяется быстрым нарастанием потерь полного давления газа при уменьшении относительной длины ниже этого значения (фиг. 7). Максимальное значение относительной длины рассекателя 24, равное 5, определяется быстрым уменьшением относительной длины зоны рециркуляционной стабилизации горения, определяющей границы срыва пламени за рассекателями 24 при увеличении относительной длины выше этого значения (фиг. 8).
Форсунки 9 вспомогательного топлива могут быть расположены на торцевой кромке 10 цилиндрического насадка 8 в сечениях, проходящих через оси симметрии рассекателей 24, и связаны с каналом 3 подвода вспомогательного топлива через кольцевой коллектор 29 и каналы 30.
Двухконтурная горелка может быть оснащена средством зажигания 31. На оси корпуса 1 горелки может быть расположена форсунка 32 жидкого резервного топлива.
Двухконтурная горелка для камеры сгорания газотурбинной установки работает следующим образом.
При запуске камеры сгорания воздух через канал подвода воздуха 2 подается во внутреннюю и внешнюю смесительные камеры 15 и 16 и через конический раструб 12 подается в камеру сгорания.
При обтекании воздухом конусообразного стабилизатора пламени 23 за его торцевой кромкой 27 образуется зона рециркуляционного течения, которая сохраняется примерно до середины длины камеры сгорания. Зона рециркуляционного течения используется для стабилизации пламени при работе двухконтурной горелки. При подаче газообразного вспомогательного топлива из кольцевого коллектора 29 через канал 30 к форсункам 9 в зоне рециркуляционного течения образуется топливовоздушная смесь. Эта смесь распространяется и в зонах отрыва потока за рассекателями 24 от центральной зоны рециркуляционного течения до конического раструба 12 кожуха 11.
После включения средства зажигания 31 топливовоздушная смесь воспламеняется в следах за рассекателями 24 и распространяется на центральную зону рециркуляционного течения, создавая очаг стабилизации горения в центральной зоне рециркуляции и в зонах отрыва потока за рассекателями 24. Подача вспомогательного топлива через форсунки 9 и горение этого топлива по диффузионному механизму осуществляется от режима запуска до режима 50% мощности ГТУ. В этом диапазоне режимов от 0 до 50% мощности эмиссионные характеристики ГТУ не лимитируются. Эмиссионные характеристики лимитируются при работе на газообразном топливе в диапазоне мощности ГТУ от 50 до 100%.
x
На режиме 50% мощности доля пилотного вспомогательного топлива, подаваемого через форсунки 9, уменьшается до минимальных значений (5-10%), при этом открывается подача основного газообразного топлива из канала 6 во внутреннюю смесительную камеру 15 и доля основного газообразного топлива, подаваемого в камеру сгорания увеличивается для поддержания мощности ГТУ на режиме 50%. Подача воздуха и топлива во внутреннюю смесительную камеру 15 создает на выходе из нее гомогенизированную бедную смесь, которая при сгорании в камере сгорания обеспечивает низкую эмиссию СО и NO.
Стабилизация горения на этом режиме осуществляется от основной зоны отрыва течения, формируемой за конусообразным стабилизатором пламени 23, а также дополнительно от зон стабилизации горения за рассекателями 24. Такая двойная схема стабилизации горения интенсифицирует процесс сгорания при подаче топлива только во внутреннюю смесительную камеру 15 и сокращает длину факела. При этом воздух из внешней смесительной камеры 16 начинает смешиваться с продуктами сгорания, формируемыми на выходе из внутренней смесительной камеры 15, а не с топливовоздушной смесью. Снижению интенсивности смешения потоков из внешней и внутренней смесительных камер 16 и 15 и, тем самым, снижению эмиссии СО способствует формирование параллельных не закрученных потоков течения газа в этих камерах за счет установки клинообразных обтекателей 21, направленных к оси корпуса 1 горелки и формирующих параллельные потоки без закрутки газа. Установленные на топливоподающих трубках 17 и 19 клинообразные обтекатели 21 исключают возможность формирования зон отрыва потока и исключают возможность воспламенения и стабилизации горения за ними, что предохраняет их и горелку от прогара.
x
При увеличении мощности ГТУ от 50 до 75% расход основного топлива во внутреннюю смесительную камеру 15 увеличивается. При этом увеличивается концентрация топлива в топливовоздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания и эмиссия оксидов азота при горении на режиме 75% приближается к предельным значениям. На этом режиме для снижения эмиссии NO открывается канал 7 подачи основного топлива во внешнюю смесительную камеру 16. При этом снижается концентрация топлива в обоих контурах горелки, что приводит к снижению эмиссии оксидов азота и росту до приемлемых уровней эмиссии СО.
x
Ограничению до приемлемых уровней эмиссии СО способствует стабилизация горения топливовоздушной смеси, истекающей из внешнего смесительного контура, с помощью рассекателей 24, установленных на выходе из внешней смесительной камеры 16. При снижении температуры окружающего воздуха установка на выходе из смесительных камер 15 и 16 рассекателей 24, интенсифицирующих горение, также приводит к увеличению полноты сгорания и снижению эмиссии СО. При дальнейшем росте мощности ГТУ от 75 до 100% расход основного топлива увеличивается через обе смесительные камеры 15 и 16, что приводит к увеличению концентрации топлива и росту эмиссии оксидов азота и дополнительному падению эмиссии СО. На режиме 100% мощности эмиссия NO увеличивается до максимальных предельных значений, а эмиссия СО снижается до минимальных значений.
x
Таким образом, в диапазоне мощности от 50 до 100% и при снижении температур воздуха за счет перераспределения топлива в двух смесительных камерах 15 и 16, а также за счет интенсификации горения с помощью установленных на выходе рассекателей 24, обеспечивается в требуемом диапазоне поддержание эмиссионных характеристик по NO и СО.
При снижении мощности ниже 100% для поддержания эмиссионных характеристик реализуется обратная последовательность операций подачи топлива в оба смесительных контура горелки.
В случае временного отсутствия газообразного топлива в камеру сгорания через форсунку 32 подается жидкое резервное топливо.