Горелка предварительного смешивания

Горелка предварительного смешивания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к горелке предварительного смешивания для работы теплового генератора, по меньшей мере, содержащей вихревой генератор, смесительную секцию, ниже по потоку от вихревого генератора, и переходной элемент для передачи закрученного потока от вихревого генератора в смесительную секцию. Изобретение дополнительно относится к переходному элементу для такой горелки предварительного смешивания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Горелки предварительного смешивания вышеуказанного общего типа известны из многих публикаций, например ЕР 704657, ЕР 780629.

Горелки предварительного смешивания этого типа основаны на общем принципе действия нагнетания воздуха для горения и газообразного и/или жидкого топлива в конически выполненный вихревой генератор, смешивания в нем и генерирования закрученного потока смеси топлива/воздуха, причем вихревой генератор обеспечен по меньшей мере двумя коническими полуоболочками, собранными с взаимным перекрытием для образования тангенциальных впускных щелей для топлива и воздуха. Ниже по потоку от вихревого генератора расположена область смешивания для однородного смешивания топлива и воздуха перед возникновением воспламенения. Воспламенение и сгорание смеси происходят внутри камеры сгорания с пламенем предварительно перемешанной смеси. В связи с прерывистым переходом из горелки в камеру сгорания на выпуске горелки закрученный поток становится нестабильным и в конце концов распадается на кольцевой поток с центральной областью рециркуляции, в передней области которой формируется пламя предварительно перемешанной смеси. Пространственное положение пламени предварительно перемешанной смеси определяется аэродинамической характеристикой закрученного потока на выпуске области смешивания.

Поток от вихревого генератора направлен в область смешивания через переходной элемент.

Переходные элементы были раскрыты в ЕР 1714081 или в WO 2006094939. Фиг.2 является точной копией фиг.7 из ЕР 1714081. Сегменты 4 конической оболочки вихревого генератора 1 расположены относительно оси А горелки, продолжающейся центрально через горелку предварительного смешивания. Конические оболочки 4 разграничивают вихревую область коническим расширением в направлении потока. В каждом случае два сегмента 4 оболочки, расположенные рядом друг с другом, образуют воздушную впускную щель 5, через которую воздушный поток проникает в вихревую область. Каждый отдельный сегмент 4 конической оболочки имеет магистраль 6 подачи топлива для подмешивания топлива во входящий воздушный поток, проходящий через воздушные впускные щели 5. Отдельные сегменты 4 конической оболочки раскрываются с их нижнего по потоку конца на внутреннюю стенку 7 переходного элемента 2. Вдоль линии 8 пересечения отдельные конические оболочки 4 соединены с внутренней стенкой 7 переходного элемента 2. Эта стенка 7 может содержать часть усеченного конуса, сужающуюся конически в направлении вниз по потоку.

Часть проблемы современных переходных элементов заключается в том, что острые края должны быть невыступающими для направления закручивающегося потока от углового сечения нагнетания к круговому сечению. Ранее было установлено, что основным фактором риска этих переходных элементов был обратный удар пламени, обусловленный полосой низкой скорости или ранним самовоспламенением, посредством создания локальных областей рециркуляции. Форма и характеристики конечной области завихрителя являются важным параметром для общей надежности горелки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на оптимизацию переходного элемента между вихревым генератором и областью смешивания для устранения вышеуказанных недостатков известных переходных элементов. Задачей данного изобретения является обеспечение плавного перехода ограничивающего поток контура от вихревого генератора в область смешивания. Эта и другие задачи изобретения решаются посредством предмета независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение основано на главной концепции, чтобы заменить нижний по потоку конец вихревого генератора, который продолжается выступающими задними краями оболочки в область смешивания, используя острые края переходного элемента (см., например, ЕР 1714081, фиг.5) посредством увеличения диаметра завихрителя и добавления радиального переходного участка, причем радиальный переходной участок добавляется для обеспечения радиального компонента скорости для поступающего потока у нижнего по потоку конца щелей и обеспечения плавного перехода к внутренней стенке смесительной трубки.

Важный аспект изобретения относится к горелке предварительного смешивания для теплового генератора, по существу содержащей:

- вихревой генератор, содержащий по меньшей мере две оболочки горелки, которые ответны друг другу для образования аксиально конически расширяющейся вихревой области и которые взаимно образуют в аксиальном коническом продольном направлении тангенциальные щели, через которые воздух для горения подается в вихревую область, и

средство для подачи топлива в поток воздуха для горения, расположенное по меньшей мере на участках вдоль тангенциальных щелей,

- смесительную трубку ниже по потоку от вихревого генератора для однородного смешивания топлива и воздуха для горения перед поступлением топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, где происходит воспламенение,

- переходной элемент между вихревым генератором и смесительной трубкой для передачи потока воздуха для горения и топлива из вихревого генератора в смесительную трубку, причем переходной элемент содержит впуск, соединенный с вихревым генератором, выпуск, соединенный со смесительной трубкой и ограничивающий непрерывный поток внутренний контур между указанным впуском и указанным выпуском,

- при этом по меньшей мере на впускном участке указанный внутренний контур изогнут радиально внутрь к внутреннему диаметру смесительной трубки, а на выпуске внутренний контур расположен на одном уровне с внутренней стенкой смесительной трубки.

Другой аспект изобретения относится к переходному элементу для горелки предварительного смешивания, по существу содержащей:

- вихревой генератор, содержащий по меньшей мере две оболочки горелки, которые ответны друг другу для образования аксиально конически расширяющейся вихревой области и которые взаимно образуют, в аксиальном коническом продольном направлении, тангенциальные щели, через которые воздух для горения поступает в вихревую область, и

средство для подачи топлива в поток воздуха для горения, расположенное по меньшей мере на участках вдоль тангенциальных щелей, при этом

переходной элемент выполнен с возможностью соединения с выпуском вихревого генератора указанной горелки предварительного смешивания,

- причем указанный переходной элемент по меньшей мере содержит корпус с внутренним каналом, впуск, выпуск и ограничивающий непрерывный поток внутренний контур между указанным впуском и указанным выпуском, и

- по меньшей мере на впускном участке указанный внутренний контур изогнут радиально внутрь.

Изогнутый радиально внутрь впускной участок переходного элемента начинается от переднего края щелей на нижнем по потоку конце вихревого генератора.

Посредством этого радиальная составляющая скорости накладывается на входящий поток воздуха для горения и топлива.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения внутренний контур на входе переходного элемента выполнен с вогнутой формой.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления изобретения внутренний контур на входе переходного элемента выполнен с профилем дуги окружности.

Преимуществом этой меры является упрощенная конструкция.

Согласно одному аспекту изобретения изогнутый радиально внутрь участок ограничивающего поток внутреннего контура продолжается вплоть до выпуска переходного элемента, будучи на одном уровне с впускным диаметром смесительной трубки.

В соответствии с другим аспектом изобретения изогнутый радиально внутрь участок внутреннего контура заканчивается на участке выше по потоку от выпуска, и от указанного верхнего по потоку участка внутренний контур продолжается с постоянным диаметром до выпуска.

Настоящее изобретение направлено на улучшение работы горелки для предотвращения местных рециркуляций и областей низкой скорости в протоке, тем самым снижения риска обратного удара пламени. Это существенный факт, что проход внутреннего контура в переходной элемент не имеет точки резкого перегиба, что позволяет избежать риска срыва потока. Это важное преимущество, в частности, при работе горелки со средне- или высокореакционно-способными топливами.

Раскрытая конфигурация перехода создает увеличение аксиального распределения скоростей по направлению к центру смесительной трубки таким образом, что риск преждевременного зажигания сводится к минимуму.

Настоящее изобретение применимо к любому типу "конической горелки", независимо от номинального диаметра или угла конусности. Горелки диаметром менее 180 мм и углом конусности меньше 20°, как правило, рассматриваются в данном изобретении, хотя настоящее изобретение не ограничивает размер горелки.

Для специалиста в данной области "коническая горелка" является общим техническим термином. Конические горелки раскрыты, например, в ЕР 321809, в ЕР 704657 или ЕР 780629.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В порядке примера, вариант осуществления настоящего изобретения описан ниже более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг.1 изображен общий вид сбоку в разрезе типовой горелки предварительного смешивания;

На фиг.2 изображен общий вид переходного элемента из уровня техники;

На фиг.3 изображен общий вид переходного элемента по изобретению;

На фиг.4а, b изображены на сечении виды сбоку двух примеров вариантов осуществления переходного элемента по изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения теперь будут описаны с обращением к чертежам, везде на которых одинаковые ссылочные позиции используются для ссылки на одинаковые элементы. В следующем описании, для целей пояснения, многие конкретные подробности изложены, чтобы предусмотреть полное понимание изобретения. Однако настоящее изобретение может быть осуществлено без этих конкретных подробностей и не ограничиваться примером варианта осуществления, описанным здесь.

На фиг.1 и 2 схематично изображен принцип конструкции типовой горелки предварительного смешивания для теплового генератора. Областью применения таких горелок являются стационарные газовые турбины. Указанная горелка состоит из конического вихревого генератора 1 с по меньшей мере двумя полыми коническими оболочками 4, которые вложены друг в друга для образования конически расширяющейся внутренней вихревой области 9 и выполнения продольных щелей 5, через которые воздух для горения тангенциально вводится внутрь вихревой области 9. В начальной части вихревой области 9 расположена центральная топливная трубка 10, предпочтительно для впрыскивания жидкого топлива. Расположенные вдоль тангенциальные воздушные впускные щели 5 конических секционных оболочек 4 каждая имеет топливную магистраль 6 с отверстиями для введения предпочтительно газообразного топлива в воздух для горения, проходящий через них. Воздух для горения и топливо, тангенциально входящие в вихревую область 9, образуют закручивающийся поток в нем. Закручивающийся поток от вихревого генератора 1 направлен в смесительную трубку 3. Это делается посредством переходного элемента 2, который передает поток в примыкающую сечением смесительную трубку 3. Плавное введение потока без потерь между вихревым генератором 1 и смесительной трубкой 3 предотвращает прямое образование области обратного течения.

Детали конструкции ограничивающего поток внутреннего контура внутри переходного участка, характеризующие плавный переход от вихревого генератора 1 в смесительную трубку 3, показаны на фиг.3 и 4. Переходной элемент 2 обеспечивает ограничивающий непрерывный поток внутренний контур 12 между впуском и выпуском без каких-либо резких перегибов. Переходной участок 2 начинается на передних краях оболочек 4 на нижнем по потоку конце щелей 5 в вихревом генераторе 1. Здесь ограничивающий поток контур 12 входит радиально внутрь изогнутого участка. Нижние по потоку концы конических оболочек 4 примыкают к внутреннему контуру 12 на этом изогнутом радиально внутрь участке. Максимальный уклон 13 изогнутого участка расположен в начальной точке. В направлении вниз по потоку уклон 13 равномерно снижается. Когда уклон 13 приближается к нулю, средний диаметр 16 смесительной трубки 3 будет достигнут.

Одним вариантом для изогнутого радиально внутрь прохода внутреннего контура 12 является профиль дуги окружности. Преимуществом такого профиля является его легкая конструкция.

В предпочтительном варианте осуществления указанный изогнутый радиально внутрь участок ограничивающего поток внутреннего контура 12 продолжается до выпуска 15 переходного участка 2.

Согласно другому варианту осуществления изогнутый радиально внутрь участок внутреннего контура 12 заканчивается на участке выше по потоку от выпуска, и от этого верхнего по потоку участка внутренний контур 12 продолжается с постоянным диаметром до выпуска 15.

В любом случае, на его выпуске внутренний контур 12 переходного элемента 2 расположен на одном уровне с внутренним контуром 16 смесительной трубки 3, т.е. переходит без острой кромки или скачка сечения.

Список ссылочных позиций

1 - Вихревой генератор

2 - Переходной элемент

3 - Смесительная трубка

4 - Сегмент конической оболочки

5 - Щель

6 - Магистраль подачи топлива

7 - Внутренняя стенка переходного элемента

8 - Линия пересечения

9 - Внутренняя область

10 - Топливная трубка

11 - Топливо

12 - Внутренний контур переходного элемента

13 - Уклон

14 - Впуск переходного элемента

15 - Выпуск переходного элемента

16 - Внутренний контур/средний диаметр смесительной трубки

1. Горелка предварительного смешивания для теплового генератора, по существу содержащая:вихревой генератор (1), содержащий по меньшей мере две оболочки (4) горелки, которые ответны друг другу для образования аксиально конически расширяющейся вихревой области (9) и которые взаимно образуют в аксиальном коническом продольном направлении тангенциальные щели (5), через которые воздух для горения поступает в вихревую область (9),и средство (6) для подачи топлива в поток воздуха для горения, расположенное по меньшей мере на участках вдоль тангенциальных щелей (5),смесительную трубку (3) ниже по потоку от вихревого генератора (1) для однородного смешивания топлива и воздуха для горения перед введением топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, где происходит воспламенение,переходной элемент (2) между вихревым генератором (1) и смесительной трубкой (3) для передачи потока воздуха для горения и топлива из вихревого генератора (1) в смесительную трубку (3),отличающаяся тем, что переходной элемент (2) содержит впуск (14), соединенный с вихревым генератором (1), выпуск (15), соединенный со смесительной трубкой (3), и ограничивающий непрерывный поток внутренний контур (12) между указанным впуском (14) и указанным выпуском (15), при этом по меньшей мере на впускном участке указанный внутренний контур (12) изогнут радиально внутрь к внутреннему диаметру смесительной трубки (3), а выпуск (15) внутреннего контура (12) расположен на одном уровне с внутренним ограничивающим поток контуром смесительной трубки (3).

2. Горелка предварительного смешивания по п.1, в которой указанный изогнутый радиально внутрь внутренний контур (12) переходного элемента (2) начинается на нижнем по потоку конце вихревого генератора (1) от переднего края щелей (5).

3. Горелка предварительного смешивания по п.1 или 2, в которой внутренний контур (12) на впускном участке переходного элемента (2) выполнен с вогнутой формой.

4. Горелка предварительного смешивания по п.1, в которой изогнутый радиально внутрь контур (12) имеет уклон (13), уменьшающийся в направлении вниз по потоку.

5. Горелка предварительного смешивания по п.4, в которой внутренний контур (12) на впускном участке переходного элемента (2) выполнен с профилем дуги окружности.

6. Горелка предварительного смешивания по п.5, в которой указанный участок профиля дуги окружности включает в себя центральный угол (µ), причем µ ≤ 90°.

7. Горелка предварительного смешивания по п.6, в которой µ ≤ 45°.

8. Горелка предварительного смешивания по п.1, в которой указанный изогнутый радиально внутрь участок внутреннего контура (12) продолжается от впуска (14) переходного элемента (2) до его выпуска (15).

9. Горелка предварительного смешивания по п.1, в которой изогнутый радиально внутрь участок внутреннего контура (12) заканчивается выше по потоку от выпуска (15).

10. Горелка предварительного смешивания по п.9, в которой переходной элемент (2) содержит внутренний ограничивающий поток контур (12) с изогнутым радиально внутрь впускным участком и цилиндрическим выпускным участком.

11. Горелка предварительного смешивания по п.10, в которой цилиндрический выпускной участок расположен на одном уровне с внутренним контуром смесительной трубки (3).

12. Горелка предварительного смешивания по п.1, в которой переходной элемент (2) является интегральной частью вихревого генератора (1).

13. Переходной элемент для горелки предварительного смешивания, по существу содержащей:вихревой генератор (1), содержащий по меньшей мере две оболочки (4) горелки, которые ответны друг другу для образования аксиально конически расширяющейся вихревой области (9) и которые взаимно образуют в аксиальном коническом продольном направлении тангенциальные щели (5), через которые воздух для горения поступает в вихревую область (9),и средство (6) для подачи топлива в поток воздуха для горения, расположенное по меньшей мере на участках вдоль тангенциальных щелей (5),при этом переходной элемент (2) выполнен с возможностью соединения с выпуском вихревого генератора (1) указанной горелки предварительного смешивания,отличающийся тем, что переходной элемент (2) по меньшей мере содержит корпус с внутренним каналом, впуск (14), выпуск (15) и ограничивающий непрерывный поток внутренний контур (12) между указанным впуском (14) и указанным выпуском (15), причем по меньшей мере на впускном участке указанный внутренний контур (12) изогнут радиально внутрь.

14. Переходной элемент по п.13, в котором по меньшей мере на впускном участке внутренний контур (12) выполнен с вогнутой формой.

15. Переходной элемент по п.13 или 14, в котором изогнутый радиально внутрь контур (12) имеет уклон (13), уменьшающийся в направлении вниз по потоку.

16. Переходной элемент по п.15, в котором по меньшей мере на впускном участке внутренний контур (12) выполнен с профилем дуги окружности.

17. Переходной элемент по п.16, в котором указанный профиль дуги окружности включает в себя центральный угол (µ), причем µ ≤ 90°.

18. Переходной элемент по п.17, в котором µ ≤ 45°.

19. Переходной элемент по п.13, в котором изогнутый радиально внутрь впускной участок продолжается от его впуска (14) до его выпуска (15).

20. Переходной элемент по п.13, в котором внутренний контур (12) содержит изогнутый радиально внутрь впускной участок и цилиндрический выпускной участок.