Способ создания поперечной струи воздуха с топливом в камере сгорания газотурбинной установки с циркуляционным течением в головной части

Способ создания поперечной струи воздуха с топливом в камере сгорания газотурбинной установки с циркуляционным течением в головной части

Реферат

 

Использование: в газотурбинных установках различного назначения. Сущность изобретения: в центральной области поперечной струи формируют определенное распределение концентрации топлива и создают в этой струе обедненный наружный защитный слой, для чего по контуру отверстия в жаровой трубе как завесу подают воздух из внешней полости камеры сгорания и одновременно струями топливо (или топливовоздушную смесь) в центральную область воздушного потока, где перемешивают его с воздухом, обеспечивая в сечениях потока отношение максимальной концентрации топлива к среднерасходной в диапазоне значений от 1,6 до 10 на участке струи длиной не менее половины гидравлического диаметра отверстия в жаровой трубе до ее стенки. 20 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам подготовки и подачи топливовоздушной смеси для сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) различного назначения, нацелено на совершенствование рабочего процесса в камере сгорания (КС), в том числе на снижение эмиссии вредных веществ.

Одним из перспективных направлений совершенствования ГТУ является создание камер сгорания с интенсивной циркуляцией газов в ее первичной зоне с применением вдува через отверстия в жаровой трубе струй смеси воздуха и топлива.

Циркуляционное течение вовлекает топливо, воздух и горячие газы в область пламени, благодаря чему образуется зона, (первичная зона горения КС), в которой возможно устойчивое горение бедных смесей. Известны несколько схем организации рабочего процесса в камерах сгорания с первичной циркуляционной зоной с циркуляцией, обусловленной вдувом через отверстия в жаровой трубе воздуха или смеси воздуха и топлива в КС с фронтовым устройством и без него или же с закруткой потока на входе в первичную зону, а также другие схемы.

На эффективность сжигания в таких камерах влияет множество факторов: расход газа во вдуваемых струях, размеры отверстия, угол вдува и состав вдуваемой смеси, отношение скоростей струи и потока в камере сгорания и другие параметры.

В общих чертах рассматриваемый рабочий процесс в камере сгорания можно представить следующим образом. Вдуваемая струя смеси топлива и воздуха проникает в центральную область жаровой трубы, где часть расхода струи вовлекается в циркуляционную область первичной зоны КС, а другая попадает в зоны догорания и разбавления. Кроме того, струя по мере движения к центру камеры размывается потоком газа в жаровой трубе и, в частности, пристеночным слоем охлаждающего воздуха. В результате часть вещества струи смешивается с охлаждающим воздухом и уносится в пристеночную область камеры. Если в начальных сечениях поперечной струи на ее периферии имеется топливо, то рассмотренный выше процесс приводит к повышению выбросов продуктов неполного сгорания, т. е. к повышению выбросов окиси углерода и тяжелых углеводородов.

Значительная концентрация топлива на периферии начального участка может привести и к возникновению зон горения поперечной струи. Последнее вызывает повышение выбросов окислов азота и повышение температуры стенок жаровой трубы, т.е. является нежелательным.

Изложенное позволяет заключить, что для организации процесса горения с малыми (уменьшенными) выбросами вредных веществ необходимо, чтобы во внешней области начального участка поперечной струи не было топлива. Важно, что сформулированное условие является необходимым, но недостаточным для достижения режима горения с низкими выбросами окислов азота. Оказывается, что важным является и распределение топлива в центральной области начального участка поперечной струи.

На фиг. 1 приведены результаты измерения выбросов NOх при испытании камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя на природном газе. В экспериментах топливо подавалось через фронтовое устройство и в поперечные струи, вдуваемые через отверстия в жаровой трубе. При этом изменялось соотношение расходов топлива, подаваемого через фронтовое устройство и в струи, при выбранном коэффициенте избытка воздуха по камере 3,7. На фиг.1 обозначено: ЕINOх индекс эмиссии окислов азота (количество грамм NOх, образующихся при сгорании одного килограмма топлива); Gmi G1/(G1+G2) относительный расход топлива, подаваемого в головную часть камеры (G1 расход топлива в головную часть камеры, G2 расход топлива, подаваемого в поперечную струю). Результаты представлены для двух распределений топлива в сечениях начального участка поперечной струи воздуха: при центральной подаче одной струи природного газа по направлению воздушной струи (обозначено кружками) и путем вдува топлива через 4 канала в подводящей трубке поперек течения воздушной струи (обозначено треугольниками). Как видно, эмиссия Noх cущественно зависит от начального распределения концентрации топлива в сечении струи.

За прототип изобретения выбрана камера сгорания для газотурбинного двигателя (патент GB N 1475707, кл. F 23 R 1/10, 1977), в которой топливо поступает к отверстию в жаровой трубе ГТУ по трубкам, выходные концы которых вставлены в отверстия с той стороны, которая расположена ближе к фронтовой части камеры сгорания. Топливо подается внутрь жаровой трубы по направлению воздушного потока, втекающего в отверстия жаровой трубы или перпендикулярно ему.

Однако эта камера не обеспечивает уменьшение уноса топлива в пристеночной области камеры и не позволяет формировать распределение концентрации топлива в центральной области сечений на начальном участке вдуваемой поперечной струи.

Техническим результатом изобретения является снижение эмиссии вредных веществ и исключение возникновения зон горения у корня поперечной струи.

Технический результат достигается тем, что в центральной области поперечной струи формируют определенное распределение концентрации топлива и создают обедненный наружный защитный слой, для чего по контуру отверстия в жаровой трубе в кольцевой канал, образованный этим отверстием и топливоподающим устройством, подают воздух из внешней полости камеры сгорания и одновременно струями топливо в центральную область воздушного потока, где перемешивают его с воздухом, обеспечивая в сечениях потока, отстоящих от стенки жаровой трубы на расстоянии, равном половине гидравлического диаметра отверстия, отношение максимальной концентрации топлива к расходной, изменяющееся в диапазоне значений от 1,6 до 10.

Расходная концентрация топлива отношение расхода топлива через отверстие в жаровой трубе к сумме расходов топлива и воздуха через это отверстие. Максимальная концентрация соответствует максимальному ее значению на поверхности распределения концентрации топлива в сечении поперечной струи.

В этом случае исключаетcя как точечное распределение концентрации топлива в сечении поперечной струи, получаемое при одноструйной подаче топлива по направлению потока, так и равномерное (по всему сечению струи) распределение топлива. В струе образуется обедненный наружный защитный слой, уменьшающий унос топлива и предотвращающий возникновение зон горения в области подачи топлива. При этом уменьшается эмиссия вредных веществ за счет перемешивания топлива и воздуха в центральной области струи.

Способ может быть использован в различных схемах камер сгорания с поперечной струей: с фронтовым устройством и без него, с регистровой закруткой потока на входе в ее первичную зону и в других схемах при сжигании жидких и газообразных топлив. Например, многоструйная подача топлива позволяет регулировать распределение его концентрации в сечении струи за счет количества струй, размера отверстий каналов подачи и угла наклона. Возможна подача компонентов смеси по отдельным патрубкам, соединенным с источником топлива, которые перекрываются на некоторых режимах, а также топливовоздушной смеси путем установки промежуточных смесительных устройств для предварительного смешивания топлива и воздуха.

На фиг.2 показан продольный разрез трубчатой камеры сгорания, включающий корпус 1, жаровую трубу 2 с отверстием 6 для вдува поперечной струи воздуха. В центральной части отверстия располагается концевая часть топливоподающего устройства 7. В фронтовой части 3 жаровой трубы установлен завихритель 4 с форсункой 5, служащей для подачи части от общего расхода топлива.

Схема течения потоков в первичной зоне жаровой трубы при вдуве поперечной струи показана на фиг.3. Часть топлива подается (стрелка 8) в форсунку 5. На выходе из нее струйки 9 топлива смешиваются с потоком 10 воздуха из завихрителя 4 и сгорают в диффузионном пламени, расположенном между потоками 11 воздуха охлаждения стенки жаровой трубы и циркулирующим потоком 15. Другая часть топлива подается (стрелка 13) в устройство 7, где разделяется на струйки 14, истекающие в поток воздуха из внешней полости камеры сгорания, показанный на схеме стрелками 12.

Воздушный поток обтекает и увлекает струйки с топливом. При этом параметры потоков выбираются таким образом, что создается в поперечной струе наружный защитный слой (между потоками 14 и 15), уменьшающий унос топлива из струи холодными потоками 11 воздуха. Часть потока поперечной струи в центральной области жаровой трубы отклоняется в сторону зоны догорания и разбавления (стрелка 16).

Камеры сгорания кольцевого типа и камеры сгорания без фронтовой подачи топлива могут быть представлены аналогичными схемами.

На фиг. 4 приведена конструктивная схема топливоподающего устройства. В нем содержится трубка 17 с наконечником 18. В трубке имеются каналы (отверстия) 19 для подачи топлива или смеси его с воздухом. Каналы располагаются под углом к потоку воздуха. Трубка или отдельные каналы патрубками 20 соединяются с источником топлива или топливовоздушной смеси.

Концевая часть устройства размещается в центральной области отверстия в жаровой трубе. При этом выходные отверстия каналов подачи топлива располагаются внутри жаровой трубы на расстоянии от ее стенки не более половины гидравлического диаметра отверстия в жаровой трубе.

На фиг. 5 показан вариант конструктивной схемы топливоподающего устройства, приведенного на фиг.4; на фиг.6 вид А на фиг.5. Здесь отверстия 19 для подачи газообразного топлива выполнены в насадках 21 с целью расширения центральной области в поперечной струе, в которую подается топливо.

На фиг.7 приведена конструкция устройства для жидкого топлива; на фиг.8 вид Б на фиг.7; на фиг.9 сечение В-В на фиг.7.

Топливо подается по трубе 22 в кольцевую полость 23 смесителя. Тангенциальный подвод обеспечивает равномерное распределение топлива в полости 23. На выходе из кольцевой полости образуется тонкая пленка топлива, первоначальное дробление которой (потоком воздуха, поступающим из внешней полости КС и обозначенным стрелками 26) происходит за кольцевым уступом 24. Далее газокапельная топливовоздушная смесь поступает к отверстиям 25, где происходит вторичное дробление капель и вдув смеси в поперечную струю.

На фиг.10 и 11 показаны варианты конструкции топливоподающего устройства для энергетических газотурбинных установок, работающих как на жидком, так и газообразном топливах.

Жидкое топливо подается по патрубку 22, а газообразное по патрубку 20. Жидкое топливо в обеих конструкциях распыливается и перемешивается с потоком воздуха, поступающим из внешней полости КС и в составе топливовоздушной смеси подается в поперечную струю через отверстия 27. В конструкции на фиг.10 газовое топливо подводится к отверстиям 27 по трубе 29 и вытекает в смеситель по каналам 28, расположенным против отверстий 27. В конструкции на фиг.11 трубка 29 выходит за пределы смесителя и газовое топливо подается через отверстия 28 непосредственно в поперечную струю.

Вариант конструкции топливоподающего устройства со смесителем для газообразного топлива представлен на фиг.12. Здесь газ вдувается в канал, образованный цилиндрической поверхностью трубки 17 и тонкостенной конической обечайкой 30, предварительно перемешивается с потоком воздуха (стрелки 31) и затем в составе смеси подается в отверстие 6. Для образования защитного слоя у корня струи в кольцевой канал между обечайкой 30 и краями отверстия 6 подается поток воздуха, обозначенный на фиг.12 стрелками 12.

На фиг.13 и 16 показаны варианты конструкции компактных топливоподающих устройств, применение которых целесообразно в камерах сгорания с малым размером канала Н между корпусом 1 и стенкой жаровой трубы 2. На фиг.14 и 15 показаны виды Г и Д на фиг.13 соответственно; на фиг.17 вид Е на фиг.16. В указанных конструкциях газовое топливо подводится к отверстию 6 жаровой трубы по патрубку 20, который оканчивается коллектором 32, установленным на стойках 34 (фиг. 13-15) или в углублениях 35 (фиг. 16 и 17), выполненных в стенке жаровой трубы. Газовое топливо подается в поперечную струю через отверстия 33. На фиг. 13-15 показан вариант поперечного расположения коллектора, применение которого целесообразно для отверстий 6 овальной формы. На фиг. 16-17 показан вариант продольного расположения коллектора, более компактного чем вариант на фиг.13-15.

Для камер сгорания большого диаметра (соответственно возрастает и размер отверстий 6) в отверстиях жаровой трубы возможна установка нескольких трубок для подачи топлива. Трубки 17 устанавливаются в общем корпусе 36, подвод топлива в поперечную струю осуществляется из отверстий 19, выполненных на концах трубок 17. На фиг.18-20 показаны варианты размещены топливоподающих трубок в круглых отверстиях жаровой трубы (вариант 1 на фиг.19) и в отверстиях овальной формы (вариант 2 на фиг.20).

Изобретение обладает новизной и дает положительный эффект, подтвержденный в экспериментальных исследованиях. Основной технический результат при его осуществлении состоит в значительном снижении эмиссии вредных веществ при сжигании жидких и газообразных топлив в КС газотурбинных установок.

Формула изобретения

СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ СТРУИ ВОЗДУХА С ТОПЛИВОМ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ТЕЧЕНИЕМ В ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ, заключающийся в подаче струи воздуха из внешней полости камеры сгорания через отверстия в жаровой трубе в ее внутреннюю полость, подачи топлива или топливовоздушной смеси в центральную часть струи воздуха с помощью топливоподающего устройства и их смешивание друг с другом, отличающийся тем, что обеспечивают отношение максимальной концентрации топлива к среднерасходной, равное 1,6 - 10,0, в сечении поперечной струи, отстоящем от стенки жаровой трубы на расстоянии, равном половине гидравлического диаметра отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20