ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Известно горелочное устройство [патент ЕПВ(ЕР) №0433790, кл. F 23 D 17/00, 1989]. Горелочное устройство состоит, по крайней мере, из двух расположенных со смещением друг от друга усеченных полуконусов, расширяющихся в направлении потока и образующих тангенциальный канал для прохода воздуха. Выше каждой входной щели вне образованной отдельными коническими телами горелки располагается канал, в котором размещен инжектор для топлива. Топливо истекает из инжектора и смешивается с воздушным потоком, протекающим через канал.

Фирмой ABB запатентовано еще несколько горелочных устройств, работающих по аналогичному принципу, отличающихся исполнением подачи топлива (см., например, патенты: Российской Федерации №2011117, кл. F 23 D 11/00, 1989, ЕР №0321809, кл. F 23 D 17/00, 11/40, F 23 R 3/02).

Горелочные устройства подобной конструкции просты и высокотехнологичны, однако распределенная вдоль по потоку подача топлива является существенным недостатком, так как приводит к большой неравномерности поля концентраций, что ведет к увеличению эмиссии NO_x. Кроме того, данная конструкция обладает неудовлетворительной устойчивостью к срыву пламени при обеднении смеси, в то время как именно обеднение смеси позволяет максимально снизить эмиссию NO_x. Также известно [Черни Я., Рук Т., Ведешкин Г.К., Альбегов Р.В., Белых С.А., Лященко В.П., Фурлетов В.И. Исследование термоаккустической неустойчивости горения в модели кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя. // Тезисы докладов Международной конференции “Двигатели XXI века”. Ч. 2. - М.:2000. с.250-252], что камеры сгорания с горелочными устройствами подобного типа склонны к возникновению в них пульсаций давления, что приводит к снижению ресурса остальных узлов газотурбинной установки и к росту эмиссии NO_x.

Известно горелочное устройство [патент Российской Федерации № 2036383, кл. F 23 D 14/02, 1995], содержащее топливоподводящую трубу, топливный коллектор и смеситель, выполненный в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующих межлопаточные каналы подвода воздуха и топливовоздушной смеси, причем ширина последних больше ширины каналов подвода воздуха, а топливный коллектор выполнен из трубок, установленных перед завихрителем по оси каналов топливовоздушной смеси. Известно [Liljenberg S. Modeling and Stability Analysis of Thermoacoustic Instabilities in Gas Turbine Combustor Section. Master Thesis. Virginia Polytechnic Institute and State University, 2000], что горелочное устройство такой конструкции также склонно к возникновению пульсаций давления, причем конструкция подачи топлива в данном случае такова, что даже незначительные колебания давления, возникающие в процессе работы камеры сгорания приводят к значительной неравномерности поля концентрации по времени, что в свою очередь может привести к погасанию камеры сгорания вне зависимости от состава смеси.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси [патент Российской Федерации № 2137042, кл. F 23 D 14/20, 1998], содержащее внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, по меньшей мере, два ряда газовых сопел, установленных за аксиальным лопаточным завихрителем с постоянным угловым шагом по окружности цилиндрической втулки, перпендикулярно к оси горелочного устройства и имеющих по одному осевому отверстию с возможным выполнением дополнительной топливной магистрали, струевыпрямитель и пережим как продолжение внешнего цилиндрического кожуха. В этом горелочном устройстве действительно обеспечивается высокое качество подготовки смеси, однако возникающие пульсации давления приводят к снижению равномерности поля концентраций по времени, что в свою очередь поддерживает существование пульсаций давления и приводит к увеличению их амплитуды. Особенно сильно данный недостаток проявляется при обогащении топливовоздушной смеси, что ведет к уменьшению диапазона устойчивой, безпульсационной, низкоэмиссионной работы горелочного устройства.

Проблема возникновения пульсаций давления в камерах сгорания, работающих на предварительно подготовленных, технически однородных, топливовоздушных смесях известна достаточно давно, однако до настоящего времени большинство технических решений сводится к введению в конструкцию дополнительных устройств для контроля и регулирования подачи топлива и воздуха, обеспечивающих режим работы горелочного устройства в пределах диапазона устойчивой безпульсационной работы. Такое оборудование, как правило, содержит кинематические подвижные элементы, дополнительные сенсоры, датчики, коммутаторы и т.д., что снижает надежность конструкции и ведет к ее значительному удорожанию.

Технический результат заявляемого изобретения - улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой, безпульсационной работы горелочного устройства за счет выполнения глушителя в виде полого цилиндра внутри цилиндрической втулки, подачи топлива на предварительное смешение на известном расстоянии от концевого сечения внешнего цилиндрического кожуха, заглубления цилиндрической втулки относительно внешнего цилиндрического кожуха, обеспечения известного соотношения внутреннего диаметра внешнего цилиндрического кожуха и наружного диаметра цилиндрической втулки.

Технический результат достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, систему подачи топлива на предварительное смешение в кольцевой канал с возможным выполнением дополнительной топливной магистрали, струевыпрямитель и пережим как продолжение внешнего цилиндрического кожуха, в отличие от прототипа внутри цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива расположен глушитель в виде полого цилиндра, открытый конец которого обращен к зоне горения.

Расстояние от концевого сечения внешнего цилиндрического кожуха до сечения подачи топлива на предварительное смешение l₂ выполнено как

(n-0,3)*U/f<l₂<(n+0,3)*U/f,

где n=0, 1, 2, 3,... и т.д.;

U - среднеосевая скорость воздуха в горелочном устройстве;

f - частота возникающих в камере сгорания пульсаций давления.

В горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, систему подачи топлива на предварительное смешение в кольцевой канал с возможным выполнением дополнительной топливной магистрали, струевыпрямитель и пережим как продолжение внешнего цилиндрического кожуха, в отличие от прототипа внутри цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива расположен глушитель в виде полого цилиндра, открытый конец которого обращен к зоне горения.

Расстояние от концевого сечения внешнего цилиндрического кожуха до сечения подачи топлива на предварительное смешение l₂ выполнено как (n-0,3)*U/f<l₂<(n+0,3)*U/f,

кроме того, расстояние l₃ от концевого вниз по потоку сечения внешнего цилиндрического кожуха до концевого вниз по потоку сечения цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива в интервале l₃/D≥0,25, где D - внутренний диаметр внешнего цилиндрического кожуха.

В горелочном устройстве, содержащем внешний цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, систему подачи топлива на предварительное смешение в кольцевой канал с возможным выполнением дополнительной топливной магистрали, струевыпрямитель и пережим как продолжение внешнего цилиндрического кожуха, в отличие от прототипа внутри цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива расположен глушитель в виде полого цилиндра, открытый конец которого обращен к зоне горения. Расстояние от концевого сечения внешнего цилиндрического кожуха до сечения подачи топлива на предварительное смешение l₂ выполнено как

(n-0,3)*U/f<l₂<(n+0,3)*U/f,

кроме того, отношение наружного диаметра d цилиндрической втулки с топливной магистралью к внутреннему диаметру D внешнего цилиндрического кожуха выполнено в интервале d/D=0,35-0,65.

Сущность конструкции поясняется чертежом. На чертеже изображена схема заявляемого горелочного устройства.

Заявляемое горелочное устройство содержит внешний цилиндрический кожух 1 и цилиндрическую втулку 2, расположенную внутри внешнего цилиндрического кожуха, образующих кольцевой канал для прохода воздуха 3, магистраль подвода топлива 4, расположенную внутри цилиндрической втулки, аксиальный лопаточный завихритель 5, установленный между внешним цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой, систему подачи топлива 6 на предварительное смешение, глушитель 7, выполненный в виде полого цилиндра внутри цилиндрической втулки.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает в кольцевой канал для прохода воздуха 3 горелочного устройства, получает вращательное движение относительно оси горелочного устройства, проходя через аксиальный лопаточный завихритель 5, и далее попадает в первичную зону смешения. Газообразное топливо, проходя через магистраль подвода топлива 4, системой подачи топлива 6 на предварительное смешение подается в первичную зону смешения кольцевого канала. Возникающие пульсации давления при горении топливовоздушной смеси гасятся глушителем, а влияние пульсаций давления на поле концентрации топлива минимизируется за счет выполнения сечения подачи топлива в кольцевой канал на предварительное смешение на известном расстоянии от концевого сечения внешнего цилиндрического кожуха. Дополнительная стабилизация фронта пламени обеспечивается за счет выполнения расстояния от концевого вниз по потоку сечения внешнего цилиндрического кожуха до концевого вниз по потоку сечения цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива в указанном интервале, а также выполнения отношения наружного диаметра цилиндрической втулки с топливной магистралью к внутреннему диаметру внешнего цилиндрического кожуха в указанном интервале.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно размещению глушителя в виде полого цилиндра, открытый конец которого обращен к зоне горения, выполнения системы подачи топлива на предварительное смешение на расстоянии l₂ от концевого сечения внешнего цилиндрического кожуха, взятого из условия (n-0,3)*U/f<l₂ <(n+0,3)*U/f, a также возможного выполнения расстояния l₃ от концевого вниз по потоку сечения внешнего цилиндрического кожуха до концевого вниз по потоку сечения цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива из диапазона l₃/D≥0,25, возможного выполнения отношения наружного диаметра d цилиндрической втулки с топливной магистралью к внутреннему диаметру D внешнего цилиндрического кожуха из диапазона d/D=0,35-0,65, обеспечивается увеличение диапазона устойчивой, безпульсационной, низкоэмиссионной работы горелочного устройства.