Огнеупорные амбразуры в горелке

Огнеупорные амбразуры в горелке

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к огнеупорным амбразурам в горелке, предпочтительно предназначенной для использования в газотурбинных двигателях, и, более точно, к огнеупорным амбразурам в горелке, приспособленной для стабилизации сгорания в двигателе, и, кроме того, к горелке, в которой используется вспомогательная (пилотная) камера сгорания для получения продуктов горения для стабилизации основного процесса сжигания предварительно образованных бедных смесей.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Газотурбинные двигатели используются в множестве разных применений, включая выработку электроэнергии, военную и гражданскую авиацию, транспортировку по трубопроводам и морские перевозки. В газотурбинном двигателе, который работает в режиме сжигания предварительно частично образованных бедных смесей, топливо и воздух подаются в камеру горелки, где они смешиваются и воспламеняются посредством факела, в результате чего инициируется сгорание. Основные проблемы, связанные с процессом сжигания в газотурбинных двигателях, помимо термического кпд и надлежащего смешивания топлива и воздуха, связаны со стабилизацией пламени, устранением пульсаций и шума и борьбой с загрязняющими выбросами, особенно с оксидами азота (NO_x), СО, несгоревшими углеводородами, дымом и выбросами твердых частиц.

В промышленных газотурбинных двигателях, которые работают в режиме сжигания предварительно частично образованных бедных смесей, температуру пламени снижают посредством добавления большего количества воздуха, чем требуется для самого процесса сжигания. Избыточный воздух, который не вступает в реакцию, должен нагреваться во время сгорания, и в результате температура пламени в процессе сгорания снижается (ниже стехиометрической точки) от приблизительно 2300 К до 1800 К и ниже. Данное снижение температуры пламени требуется для значительного уменьшения выбросов оксидов азота. Способ, который, как было доказано, является наиболее успешным при уменьшении выбросов NO_x, заключается в том, чтобы сделать процесс сжигания сжиганием настолько бедной смеси, чтобы температура пламени снизилась до температур ниже температуры, при которой происходит диссоциация двухатомных азота и кислорода (N₂ и O₂) и рекомбинация их с образованием NO и NO₂. Потоки сгорания при стабилизации пламени с помощью вихря широко используются в промышленных газотурбинных двигателях для стабилизации сгорания посредством создания, как указано выше, обратного потока (зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря) над осевой линией, в результате чего обратный поток обеспечивает возврат тепла и свободных радикалов назад в поступающую несгоревшую топливовоздушную смесь. Тепло и свободные радикалы от ранее вступивших в реакцию топлива и воздуха необходимы для инициирования (для подвергания топлива пиролизу и инициирования процесса разветвления цепей) и поддержания стабильного сгорания/сжигания свежей непрореагировавшей топливовоздушной смеси. Стабильное сгорание в газотурбинных двигателях требует циклического процесса сгорания, вызывающего образование продуктов горения, которые транспортируются обратно в зону, расположенную выше по ходу потока, для инициирования процесса сгорания. Фронт распространения пламени стабилизируется в пограничном слое зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря. В пределах пограничного слоя «Локальная скорость распространения турбулентного пламени воздушно-топливной смеси» должна быть выше «Локальной скорости воздушно-топливной смеси», и в результате фронт распространения пламени/процесс сгорания может быть стабилизирован.

Сгорание предварительно образованных бедных смесей по своей природе является менее стабильным, чем диффузионное пламенное горение, по следующим причинам.

1. Количество воздуха, необходимое для снижения температуры пламени от 2300 К до 1700-1800 К, приблизительно в два раза превышает количество воздуха, необходимое для стехиометрического горения. Это делает общее отношение компонентов топливовоздушной смеси (□) очень близким (около или менее 0,5; □≥0,5) или аналогичным отношению компонентов топливовоздушной смеси, при котором происходит угасание пламени бедной предварительно образованной смеси. При данных условиях пламя может локально угасать и снова возникать периодическим образом.

2. Вблизи предельного значения, соответствующего угасанию при сжигании бедной смеси, скорость распространения пламени предварительно частично образованных бедных смесей очень чувствительна к отклонениям соотношения компонентов. Флуктуации скорости распространения пламени могут приводить к пространственным отклонениям/перемещениям фронта распространения пламени (зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря). Менее стабильный, легко перемещающийся фронт распространения пламени предварительно образованной смеси приводит к периодическим изменениям интенсивности тепловыделения, что, в свою очередь, приводит к перемещению пламени, нестабильным гидроаэродинамическим процессам и возникновению термоакустических нестабильностей.

3. Флуктуации соотношения компонентов, вероятно, представляют собой наиболее «общий соединительный механизм», связывающий неустойчивое тепловыделение с неустойчивыми колебаниями давления.

4. Чтобы сделать сжигание сжиганием достаточной бедной смеси для обеспечения возможности значительного уменьшения выбросов оксидов азота NO_x, почти весь воздух, используемый в двигателе, должен проходить через форсунку и должен предварительно смешиваться с топливом. Следовательно, весь поток в горелках потенциально является реакционноспособным и требует того, чтобы точка, в которой начинается горение, была фиксированной.

5. В том случае, когда тепло, требуемое для протекания реакций, представляет собой фактор, ограничивающий стабильность, очень незначительные временные флуктуации соотношений компонентов топливовоздушной смеси (которые могут возникать в результате флуктуации или потока топлива, или потока воздуха через горелку/форсунку) могут вызывать частичное гашение и повторное возникновение пламени.

6. Дополнительная и очень важная причина уменьшения стабильности пламени предварительно образованной смеси заключается в том, что резкий градиент смешивания топлива и воздуха устраняется из процесса сгорания. Это создает возможность возгорания предварительно смешанного потока в любом месте, где имеется достаточная температура для протекания реакции. Когда пламя может возникать с большей легкостью в множестве мест, оно становится более нестабильным. Единственный способ стабилизации пламени предварительно образованной смеси с обеспечением его фиксированного положения основан на температурном градиенте, возникающем в том месте, где несгоревшие предварительно смешанные топливо и воздух смешиваются с горячими продуктами горения (пламя не может возникать там, где температура слишком низкая). Это делает температурный градиент, возникающий за счет выделения, излучения, рассеивания тепла и конвективной теплопередачи, средством стабилизации пламени предварительно образованной смеси. Радиационный нагрев текучей среды не создает резкого градиента; следовательно, источником стабильности должны быть выделение, рассеивание тепла и конвективная теплопередача в зону, предварительно подвергнутую реакции. Рассеивание вызывает резкий градиент только в ламинарных, а не в турбулентных потоках, при этом только конвективная теплопередача и выработка энергии остаются средствами, вызывающими резкие градиенты, желательные для стабилизации пламени, которые фактически представляют собой тепловой градиент и градиент свободных радикалов. Как тепло, так и свободные радикалы образуются, рассеиваются и передаются за счет конвекции с обеспечением их градиента посредством тех же механизмов за счет циркулирующих продуктов горения в пределах зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря.

7. В предварительно смешанных потоках, а также в диффузионных потоках быстрое расширение вызывает разделение и вихревые циркулирующие потоки, которые оба широко используются для образования градиентов тепла и свободных радикалов и подачи их в предварительно подвергнутые реакции топливо и воздух.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке огнеупорной амбразуры, которая обеспечивает усиление стабилизации процесса сгорания в горелке.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты, относящиеся к огнеупорной амбразуре в соответствии с настоящим изобретением, описаны здесь в качестве примера в связи с горелкой для сжигания в обедненной и обогащенной зонах частично предварительно образованной смеси с малым выходом вредных веществ, предназначенной для камеры сгорания газовой турбины, которая обеспечивает стабильный процесс воспламенения и сгорания при всех режимах нагружения двигателя. Данная горелка работает в соответствии с принципом «подачи» тепла и свободных радикалов в высокой концентрации из выходной части вспомогательной камеры сгорания в основное пламя, горящее в вихре бедной предварительно образованной воздушно-топливной смеси, в результате чего поддерживается быстрое и стабильное горение основного пламени бедной предварительно образованной смеси. Вспомогательная камера сгорания обеспечивает подачу тепла и добавление свободных радикалов в высокой концентрации непосредственно в переднюю точку торможения и пограничный слой основной зоны рециркуляции, образованной с помощью вихря, где основной бедный предварительно смешанный поток смешивается с горячими газообразными продуктами горения, обеспечиваемыми посредством вспомогательной камеры сгорания. Это обеспечивает возможность сжигания более бедной смеси и более низких температур горения вихря основной предварительно образованной воздушно-топливной смеси, которое в противном случае не было бы самоподдерживающимся в циркулирующих потоках, стабилизированных с помощью вихря, при условиях эксплуатации горелки.

В соответствии с первым аспектом изобретения здесь представлена огнеупорная амбразура, отличающаяся признаками пункта 1 формулы изобретения.

В соответствии со вторым аспектом изобретения представлен способ использования огнеупорной амбразуры, отличающийся тем, что представлено в независимом пункте формулы изобретения на способ.

Дополнительные аспекты изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В горелке используются:

вихрь из воздуха/топлива с коэффициентом (S_N) завихрения, превышающим 0,7 (то есть превышающим критическое значение S_N=0,6), образуемый/подаваемый в поток посредством радиального завихрителя;

активные вещества - неравновесные свободные радикалы, выделяющиеся вблизи передней точки торможения;

особый тип геометрии горелки с многокомпонентной огнеупорной амбразурой (термин «многокомпонентная огнеупорная амбразура» (multi quarl) используется здесь в качестве названия огнеупорной амбразуры для горелки, при этом огнеупорная амбразура состоит из множества секций огнеупорной амбразуры, образующих конструкцию огнеупорной амбразуры); и

внутреннее разделение топлива и воздуха в горелке на ступени для стабилизации процесса сгорания при всех режимах работы газовой турбины.

Одним словом, раскрытая горелка обеспечивает стабильный процесс воспламенения и сгорания при всех режимах нагружения двигателя. Некоторыми важными признаками, относящимися к горелке по изобретению, являются:

геометрическое расположение элементов горелки;

количество топлива и воздуха, разделенное на ступени в горелке;

минимальное количество активных веществ - радикалов, образуемых и требуемых при разных режимах работы двигателя/горелки;

профиль топлива;

смешивание топлива и воздуха при разных режимах работы двигателя;

придаваемая степень завихрения;

многокомпонентная конструкция огнеупорной амбразуры (состоящая минимум из двух секций огнеупорная амбразура).

Для достижения как можно более низких уровней выбросов вредных веществ задача, решаемая данной конструкцией/изобретением, состоит в обеспечении наличия равномерных профилей смешивания на выходе каналов для предварительного образования бедных смесей. В горелке, охватываемой данным описанием, существуют две отдельные зоны сжигания/сгорания, в которых топливо всегда сжигается одновременно. Обе зоны сгорания стабилизированы с помощью вихря, и топливо и воздух предварительно смешиваются перед процессом сгорания. Основной процесс сгорания, во время которого сжигается более 90% топлива, представляет собой процесс сжигания бедной смеси. Поддерживающий процесс сгорания, который происходит в малой вспомогательной камере сгорания, в которой расходуется до 1% всего потока топлива, может представлять собой процесс сжигания бедной топливной смеси, стехиометрический процесс и процесс сжигания с недостатком воздуха (с соотношением компонентов в смеси Φ=1,4 и выше).

Важное различие между раскрытой горелкой и аналогичной конструкцией горелки по предшествующему уровню техники состоит в том, что во вспомогательной камере сгорания не требуется плохо обтекаемое тело, поскольку в настоящем изобретении используется неблокированный поток радикалов, направленный вперед по потоку из зоны сгорания вспомогательной камеры сгорания вдоль осевой линии вспомогательной камеры сгорания, при этом указанный поток радикалов выпускается через всю площадь сечения отверстия горловины вспомогательной камеры сгорания на выходе вспомогательной камеры сгорания.

Основная причина, по которой поддерживающий процесс сгорания в малой вспомогательной камере сгорания может представлять собой процесс сжигания бедной топливной смеси, стехиометрический процесс или процесс сжигания с недостатком воздуха и, тем не менее, обеспечивать стабильный процесс воспламенения и сгорания при всех режимах нагружения двигателя, связана с эффективностью/полнотой сгорания. Процесс сгорания, который происходит в малой вспомогательной камере сгорания, имеет низкую эффективность вследствие большой площади поверхности, которая приводит к отводу тепла пламени в стенку вспомогательной камеры сгорания. Неэффективный процесс сгорания независимо от того, представляет ли он процесс сжигания бедной топливной смеси, стехиометрический процесс или процесс сжигания с недостатком воздуха, может генерировать большой объем активных веществ - радикалов, который необходим для повышения стабильности основного пламени бедной смеси и предпочтителен для успешной работы горелки по данной конструкции/изобретению (Примечание: пламя, возникающее в предварительно образованной бедной воздушно-топливной смеси, названо здесь пламенем бедной смеси).

Очень трудно поддерживать горение (но не инициировать, поскольку малая вспомогательная камера сгорания может функционировать как факельное запальное устройство) в пограничном слое основной зоны рециркуляции при параметрах ниже предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси, у основного пламени бедной смеси (приблизительно Т>1350 К и Φ≥0,25). Для обеспечения работы двигателя при параметрах ниже предельных значений для основного пламени бедной смеси, при которых происходит срыв пламени бедной смеси, в данной конструкции горелки используется/обеспечивается дополнительное «разделение на ступени» вспомогательной камеры сгорания. Воздух, который используется для охлаждения внутренних стенок малой вспомогательной камеры сгорания (выполняемого за счет комбинации удара и конвективного охлаждения) и который составляет приблизительно 5-8% от всего потока воздуха, проходящего через горелку, предварительно смешивается с топливом перед завихрителем. Сравнительно большое количество топлива может быть добавлено в воздух для охлаждения малой вспомогательной камеры сгорания, что соответствует соотношениям компонентов (Φ>3), характерным для очень богатых смесей. Подвергнутые завихрению охлаждающий воздух и топливо, и горячие продукты горения из малой вспомогательной камеры сгорания могут очень эффективно поддерживать горение основного пламени бедной смеси при параметрах, которые находятся ниже, на уровне и выше предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси. Процесс сгорания является очень стабильным и эффективным, поскольку горячие продукты горения и очень горячий охлаждающий воздух (с температурой выше 750°С), предварительно смешанный с топливом, обеспечивают подачу тепла и активных веществ (радикалов) в переднюю точку торможения в зоне рециркуляции основного пламени. Во время данного процесса сгорания малая вспомогательная камера сгорания в сочетании с очень горячим охлаждающим воздухом (с температурой выше 750°С), предварительно смешанным с топливом, функционирует как беспламенная горелка, в которой реагенты (кислород и топливо) предварительно смешиваются с продуктами горения, и распределенное пламя образуется в передней точке торможения в зоне рециркуляции, образованной с помощью вихря.

Для обеспечения возможности надлежащего функционирования и стабильной работы горелки, раскрытой в данной заявке, требуется, чтобы придаваемая степень завихрения и коэффициент завихрения (уравнение 1) были выше критических (не ниже 0,6 и не выше 0,8), при которых зона рециркуляции с распадом вихря будет образовываться и будет устойчиво находиться в пределах многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры. Передняя точка Р торможения должна быть расположена в пределах огнеупорной амбразуры и у выхода вспомогательной камеры сгорания. Основные причины, обуславливающие необходимость соблюдения данного требования, следующие:

Если приданная степень завихрения является низкой и получающийся в результате коэффициент завихрения составляет менее 0,6, то при большинстве геометрий горелок будет образовываться зона слабой рециркуляции и может иметь место нестабильное горение.

Зона сильной рециркуляции необходима для обеспечения возможности транспортировки тепла и свободных радикалов от ранее подвергнутых сгоранию топлива и воздуха назад против потока по направлению к фронту распространения пламени. Зона достаточно устойчивой и сильной рециркуляции требуется для создания зоны пограничного слоя, в которой скорость распространения турбулентного пламени может «согласовываться» или может соответствовать локальной топливовоздушной смеси и может устанавливаться стабильное пламя. Данный фронт распространения пламени, образованный в пограничном слое основной зоны рециркуляции, должен быть устойчивым, и не должно происходить никаких периодических движений или перемещения фронта распространения пламени. Приданный коэффициент завихрения может иметь большое значение, но не должен превышать 0,8, поскольку при данном значении коэффициента завихрения и при значениях выше него более 80% от всего объема потока будет возвращаться назад за счет рециркуляции. Дальнейшее увеличение коэффициента завихрения не будет способствовать большему увеличению количества подвергаемой рециркуляции массы продуктов горения, и пламя в пограничном слое зоны рециркуляции будет подвергаться значительному завихрению и напряжениям, что может привести к теплоотводу в стенку камеры сгорания и частичному угасанию и повторному возникновению пламени. В горелке, охватываемой данным описанием, может быть использован любой тип вихрегенератора, радиальный, осевой и аксиально-радиальный. В данном описании показана радиальная конфигурация завихрителя.

В горелке используется аэродинамическая стабилизация пламени и ограничивается зона стабилизации пламени - зона рециркуляции - в многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры. Многокомпонентная конструкция огнеупорной амбразуры представляет собой важный признак конструкции разработанной горелки по следующим причинам. Огнеупорная амбразура (или также называемый диффузор):

- обеспечивает фронт распространения пламени (основную зону рециркуляции) с удерживанием пламени в определенном месте в пространстве без необходимости удерживания пламени у твердой поверхности/плохо обтекаемого тела, и, таким образом, избегают большой тепловой нагрузки и проблем, связанных с механической целостностью горелки;

- геометрические характеристики (половина α угла и длина L огнеупорной амбразуры) имеют важное значение для регулирования размера и формы зоны рециркуляции совместно с коэффициентом завихрения. Длина зоны рециркуляции приблизительно в 2-2,5 раза превышает длину огнеупорной амбразуры;

- оптимальная длина L составляет порядка L/D=1 (D - диаметр горловины огнеупорной амбразуры). Минимальная длина огнеупорной амбразуры не должна быть меньше L/D=0,5 и не должна быть больше L/D=2;

- половина α оптимального угла огнеупорной амбразуры должна составлять не менее 20 и не более 25 градусов;

- обеспечивает возможность наличия меньшего вихря до того, как будет иметь место снижение стабильности, по сравнению с менее ограниченным фронтом распространения пламени; и

- имеет важную задачу регулирования размера и формы зоны рециркуляции, поскольку расширение горячих газов в результате сгорания обеспечивает уменьшение времени транспортировки свободных радикалов в зоне рециркуляции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой упрощенное сечение, схематически показывающее горелку в соответствии с аспектами изобретения, заключенную в корпус, без каких-либо деталей, показывающих, как горелка конфигурирована внутри указанного корпуса.

Фиг.2 представляет собой сечение горелки, схематически показывающее секцию над осью симметрии, при этом поворот вокруг оси симметрии обеспечивает образование тела вращения, отображающего компоновку горелки.

Фиг.3 показывает график изменения пределов стабильности пламени в зависимости от коэффициента завихрения, приданной степени завихрения и соотношения компонентов смеси.

Фиг.4а показывает схему, характеризующую аэродинамику в ближней зоне камеры сгорания.

Фиг.4b показывает схему, характеризующую аэродинамику в ближней зоне камеры сгорания.

Фиг.5 показывает график изменения интенсивности турбулентности.

Фиг.6 показывает график изменения времени релаксации в зависимости от давления сгорания.

Фиг.7 показывает в принципе огнеупорную амбразуру, имеющую множество секций огнеупорной амбразуры, в соответствии с одним аспектом изобретения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В дальнейшем некоторое число вариантов осуществления будет описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг.1 показана горелка, при этом горелка 1 имеет корпус 2, окружающий компоненты горелки.

Фиг.2 показывает для ясности сечение горелки над осью вращательной симметрии. Основными частями горелки являются радиальный завихритель 3, многокомпонентная огнеупорная амбразура 4а, 4b, 4с и вспомогательная камера 5 сгорания.

Как утверждалось, горелка 1 работает в соответствии с принципом «подачи» тепла и свободных радикалов в высокой концентрации из выходной части 6 вспомогательной камеры 5 сгорания в основное пламя 7, горящее в вихре бедной предварительно образованной воздушно-топливной смеси, выходящем из первого выхода 8 первого канала 10 для предварительного образования бедной смеси и из второго выхода 9 второго канала 11 для предварительного образования бедной смеси, в результате чего поддерживается быстрое и стабильное горение основного пламени 7 бедной предварительно образованной смеси. Указанный первый канал 10 для предварительного образования бедной смеси образован стенками 4а и 4b и между стенками 4а и 4b многокомпонентной огнеупорной амбразуры. Второй канал 11 для предварительного образования бедной смеси образован стенками 4b и 4с и между стенками 4b и 4с многокомпонентной огнеупорной амбразуры. Самая дальняя от центра ротационно-симметричная стенка 4с многокомпонентной огнеупорной амбразуры выполнена с выступающей частью 4с1 для обеспечения оптимальной длины многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры. Первый 10 и второй 11 каналы для предварительного образования бедной смеси снабжены лопастями завихрителя, образующими завихритель 3, для придания вращения воздушно-топливной смеси, проходящей по каналам.

Воздух 12 подается в первый 10 и второй 11 каналы на входе 13 указанных первого и второго каналов. В соответствии с показанным вариантом осуществления завихритель 3 расположен рядом с входом 13 первого и второго каналов. Кроме того, топливо 14 вводится в вихрь воздушно-топливной смеси по трубе 15, выполненной с малыми рассеивающими отверстиями 15а, которая расположена у входа 13 для воздуха 12 между лопастями завихрителя 3, в результате чего топливо распределяется в виде аэрозоля в воздушном потоке посредством указанных отверстий и эффективно смешивается с воздушным потоком. Дополнительное топливо может быть добавлено по второй трубе 16, выходящей в первый канал 10.

При сгорании потока предварительно образованной бедной воздушно-топливной смеси образуется основное пламя 7. Пламя 7 образуется в виде конического ротационно-симметричного пограничного слоя 18 вокруг основной зоны 20 рециркуляции (в дальнейшем иногда используется аббревиатура RZ. Пламя 7 заключено внутри выступающей части 4с1 самой дальней от центра секции огнеупорной амбразуры, в данном примере - секции 4с огнеупорной амбразуры.

Вспомогательная камера 5 сгорания обеспечивает подачу тепла и добавление свободных радикалов в высокой концентрации непосредственно в переднюю точку Р торможения и пограничный слой 18 основной зоны 20 рециркуляции, образованной с помощью вихря, где основной поток бедной предварительно образованной смеси смешивается с горячими газообразными продуктами горения, образуемыми во вспомогательной камере 5 сгорания.

Вспомогательная камера 5 сгорания выполнена со стенками 21, окружающими пространство для сгорания для вспомогательной зоны 22 сгорания. Воздух подается в пространство для сгорания по каналу 23 для топлива и воздушному каналу 24. Вокруг стенок 21 вспомогательной камеры 5 сгорания имеется распределительная плита 25, выполненная с отверстиями по поверхности плиты. Указанная распределительная плита 25 расположена на некотором расстоянии от указанных стенок 21, при этом образуется охлаждающий пространственный слой 25а. Охлаждающий воздух 26 всасывается через входное отверстие 27 для охлаждения и сталкивается с наружной стороной указанной распределительной плиты 25, после чего охлаждающий воздух 26 распределяется по стенкам 21 вспомогательной камеры сгорания для эффективного охлаждения указанных стенок 21. Охлаждающий воздух 26 после указанного охлаждения выпускается через второй завихритель 28, расположенный вокруг вспомогательной огнеупорной амбразуры 29 вспомогательной камеры 5 сгорания. Дополнительное топливо может быть добавлено в основное пламя 7 бедной смеси при горении посредством подачи топлива в канал 30, расположенный вокруг и снаружи охлаждающего пространственного слоя 25а. Указанное дополнительное топливо затем выпускается и проходит во второй завихритель 28, в котором теперь горячий охлаждающий воздух 26 и топливо, добавляемое по каналу 30, эффективно предварительно смешиваются.

Сравнительно большое количество топлива может быть добавлено в воздух, предназначенный для охлаждения малой вспомогательной камеры 5 сгорания, что соответствует соотношениям компонентов очень богатых смесей (Φ>3). Подвергнутые завихрению охлаждающий воздух и топливо и горячие продукты горения из малой вспомогательной камеры сгорания могут очень эффективно поддерживать горение основного пламени 7 бедной смеси при параметрах, которые находятся ниже, на уровне и выше предельных значений, при которых происходит срыв пламени бедной смеси. Процесс сгорания является очень стабильным и эффективным, поскольку горячие продукты горения и очень горячий охлаждающий воздух (с температурой выше 750°С), предварительно смешанный с топливом, обеспечивают подачу тепла и активных веществ (радикалов) в переднюю точку Р торможения в зоне 20 рециркуляции основного пламени. Во время данного процесса сгорания малая вспомогательная камера 5 сгорания в сочетании с очень горячим охлаждающим воздухом (с температурой выше 750°С), предварительно смешанным с топливом, функционирует как беспламенная горелка, в которой реагенты (кислород и топливо) предварительно смешиваются с продуктами горения, и распределенное пламя образуется в передней точке Р торможения в зоне 20 рециркуляции, образованной с помощью вихря.

Для обеспечения возможности надлежащего функционирования и стабильной работы горелки 1, раскрытой в данной заявке, требуется, чтобы придаваемая степень завихрения и коэффициент завихрения были выше критических (не ниже 0,6 и не выше 0,8, см. также фиг.3), при которых зона 20 рециркуляции с распадом вихря будет образовываться и будет устойчиво находиться в пределах многокомпонентной конструкции огнеупорной амбразуры 4а, 4b, 4с. Передняя точка Р торможения должна быть расположена в пределах огнеупорной амбразуры 4а, 4b, 4с и у выхода 6 вспомогательной камеры 5 сгорания. Некоторые основные причины, обуславливающие необходимость соблюдения данного требования, были упомянуты выше в разделе «Краткое изложение сущности изобретения». Дополнительная причина заключается в том, что:

Если коэффициент завихрения превышает 0,8, завихряющийся поток будет проходить до выхода из камеры сгорания, что может приводить к перегреву расположенных далее, направляющих лопаток турбины.

Ниже представлены итоговые требования к придаваемой степени завихрения и коэффициенту завихрения. См. также фиг.4а и 4b.

Приданная степень завихрения (соотношение между тангенциальным и осевым моментом) должна быть выше критической (0,4-0,6) для обеспечения возможности образования стабильной центральной зоны 20 рециркуляции. Критический коэффициент S_N завихрения также зависит от геометрии горелки, что является причиной того, почему он варьируется от 0,4 до 0,6. Если приданный коэффициент завихрения составляет ≤0,4 или находится в пределах от 0,4 до 0,6, основная зона 20 рециркуляции может вообще не образовываться или может периодически образовываться и гаситься с низкой частотой (менее 150 Гц), и получающаяся в результате аэродинамика может быть очень нестабильной, что приведет к переходному процессу сгорания.

В пограничном слое 18 стабильной и устойчивой зоны 20 рециркуляции с сильным градиентом скоростей и уровнями турбулентности стабилизация пламени может иметь место, если:

скорость (ST) распространения турбулентного пламени > локальной скорости топливовоздушной смеси (UF/A).

Циркулирующие продукты, которые представляют собой: источник тепла и активных веществ (символически изображенных посредством стрелок 1а и 1b), находящийся в пределах зоны 20 рециркуляции, должны быть стационарными в пространстве и времени за секцией смешивания в горелке 1 по ходу потока для обеспечения возможности пиролиза поступающей смеси топлива и воздуха. Если устойчивый процесс сгорания не будет преобладающим, будут возникать термоакустические нестабильности.

Пламя, стабилизированное с помощью вихря, имеет длину, которая максимум в пять раз меньше, чем длина струйного пламени, и имеет предельные значения, при которых происходит срыв пламени бедной смеси, характерные для значительно более бедных смесей, чем в случае струйного пламени.

Вихрь при сгорании предварительной образованной смеси или турбулентном диффузионном горении обеспечивает эффективное средство предварительного смешивания топлива и воздуха.

Вовлечение топливовоздушной смеси в пограничный слой зоны 20 рециркуляции соответствует стойкости зоны рециркуляции, коэффициенту завихрения и характеристической скорости URZ в зоне рециркуляции.

Характеристическая скорость URZ в зоне рециркуляции может быть выражена следующим образом:

URZ=UF/A f (MR, dF/A,cent / dF/A, S_N),

где

MR=rcent (UF/A,cent)2 / rF/A (UF/A)2

Эксперименты (Driscoll 1990, Whitelaw 1991) показали, что

стойкость зоны рециркуляции=(MR) exp -1/2 (dF/A / dF/A,cent) (URZ / UF/A) (b / dF/A),

и

MR должно быть <1.

Значение (dF/A / dF/A,cent) имеет важное значение только для турбулентного диффузионного пламени.

Отношение размер/длина зон рециркуляции является «фиксированным» и соответствует 2-2,5 dF/A.

Не более приблизительно 80% массы циркулирует в обратном направлении при значении S_N, превышающем 0,8, независимо от того, насколько сильно значение S_N повысится в дальнейшем.

Добавление расходящихся стенок огнеупорной амбразуры за амбразурой горелки по ходу потока обеспечивает усиление рециркуляции (Batchelor 67, Hallet 87, Lauckel 70, Whitelow 90), и Lauckel 70 установил, что оптимальные геометрические коэффициенты были такими: α=20-25°, L / dF/A,min=1 и выше.

Это предполагает, что dquarl / dF/A=2-3, но стабильность пламени предполагает, что предельные значения, характеризующие срыв пламени бедной смеси и характерные для более бедных смесей, были достигнуты для величин, близких к 2 (Whitelaw 90).

Исходя из экспериментов и практического опыта также полагают, что отношение UF/A должно составлять более 30-50 м/с для пламени предварительно образованной смеси вследствие рисков обратной вспышки (Proctor 85).

Если операция обратной подрезки торца будет выполнена у выхода огнеупорной амбразуры, то будет образована внешняя зона рециркуляции. Длина LERZ внешней зоны рециркуляции обычно составляет 2/3 hERZ.

Активные вещества - радикалы

При горении, стабилизированном с помощью вихря, процесс инициируется и стабилизируется посредством транспортировки тепла и свободных радикалов 31 из ранее сгоревшего топлива и воздуха обратно в направлении против потока к фронту 7 распространения пламени. Если процесс сгорания представляет собой процесс сжигания очень бедной смеси, как в случае систем сжигания бедных частично предварительно образованных смесей, и в результате температура горения является низкой, то равновесный уровень свободных радикалов также является очень низким. Кроме того, при высоких давлениях в двигателе происходит быстрая релаксация свободных радикалов, образованных за счет процесса сгорания, см. фиг.6, до равновесного уровня, который соответствует температуре продуктов горения. Это обусловлено тем, что скорость данной релаксации свободных радикалов до равновесного уровня увеличивается экспоненциально при увеличении давления, в то время как, с другой стороны, равновесный уровень свободных радикалов уменьшается экспоненциально при снижении температуры. Чем выше уровень свободных радикалов, доступных для инициирования сгорания, тем в большей степени проявляется тенденция к более быстрому и стабильному процессу сгорания. При более высоких давлениях, при которых горелки в современных газотурбинных двигателях работают в режиме сжигания бедной, частично предварительно образованной смеси, время релаксации свободных радикалов может быть коротким по сравнению с временем «транспортировки», необходимым для конвективного переноса свободных радикалов (символически изображенных стрелками 31) дальше по ходу потока, от места, где они были образованы в пограничном слое 18 основной зоны 20 рециркуляции, в обратном направлении против потока, к фронту 7 распространения пламени и передней точке Р торможения в основной зоне 20 рециркуляции. Вследствие этого к тому моменту, когда поток радикалов 31, циркулирующий в обратном направлении в пределах основной зоны 20 рециркуляции, обеспечит перемещение свободных радикалов 31 назад к фронту 7 распространения пламени и когда они начнут смешиваться с поступающей «свежей» предварительно образованной бедной топливовоздушной смесью из первого 10 и второго 11 каналов в передней точке Р торможения для инициирования/поддержания процесса сгорания, свободные радикалы 31 могут уже достичь низких равновесных уровней.

В данном изобретении используются высокие неравновесные уровни свободных радикалов 32 для стабилизации основного сгорания 7 бедной смеси. В данном изобретении размер малой