Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя

 

Изобретение относится к горелкам камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на газообразном топливе. Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит в каждой горелке две зоны горения: дежурную и основную. В дежурной зоне процесс горения организован с коэффициентом избытка воздуха = 1,2 - 1,4, а в основной - - с = 1,8 - 2,0, 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к камерам сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), работающих преимущественно на газообразном топливе.

Известны устройства топливовоздушных горелок, расположенных во фронтовом устройстве (КС) [1], содержащие осесимметричные лопаточные завихрители с расположенными по их оси топливными форсунками. В таком устройстве топливо из форсунок подается в зону обратных токов (ЗОТ), образующуюся ниже по потоку за завихрителем, создавая в ней переобогащенную топливом смесь. При горении такой смеси в ЗОТ (из-за высокой температуры и большого времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур) образуются в большом количестве оксиды азота, которые вместе с продуктами сгорания выходят из ГТД, загрязняя окружающую среду, что является недостатком таких устройств.

В настоящее время как у нас, так и за рубежом введены жесткие ограничения на количество выбрасываемых ГТД оксидов азота.

Известны камеры сгорания, в которых для уменьшения количества оксидов азота они выполняются с двумя зонами горения (см. например, пат. США 3872664 и [2] , в первой зоне организован процесс горения на богатом составе смеси, но с подачей малого расхода топлива в нее (10 - 20%), а во второй зоне - при бедном составе смеси остального топлива на продуктах горения в первой зоне. Во второй зоне образуется малое количество оксидов азота, однако такие камеры сгорания сложны, имеют большой вес, что является их недостатком.

Известно устройство топливовоздушной горелки [3] (прототип), в которой для уменьшения выделения оксидов азота в нее подают до 55% воздуха, идущего в КС, обедняя смесь, что уменьшает образование оксидов азота. Однако из дежурной зоны, расположенной по центру горелки, затрудняется переброс пламени к дежурной зоне рядом расположенных аналогичных горелок, т.к. они разделены слоями бедного состава смеси, выходящими по периферии горелок. Это затрудняет запуск камеры сгорания, что является недостатком таких устройств.

Целью изобретения является снижение токсичности продуктов сгорания и обеспечение надежного запуска камеры сгорания.

Эта цель достигается тем, что в горелке организован процесс горения одновременно в двух зонах. В одной зоне, расположенной по периферии горелки, процесс горения малого расхода топлива организован на "богатом" составе смеси, а в другой, расположенной по оси горелки, процесс горения остального топлива организован на "бедном" составе смеси.

Предложенное техническое решение находится на уровне изобретения, обладающего новизной и полезностью.

Сущность изобретения поясняется примерами конструктивного выполнения, приведенными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 приведен продольный разрез горелки; на фиг. 2 - поперечный разрез топливного коллектора.

На входе горелки размещен осесимметричный завихритель 1 с отверстием 2 по оси и кольцевым разделителем 3 по высоте лопаток, которые по обе стороны от него могут быть установлены под разными углами относительно оси завихрителя 1. На периферии завихрителя 2 размещен топливный коллектор 4, подключенный к топливораздающему углу, образованному двумя рядами форсуночных отверстий 5, 6, при этом оси отверстий 5 расположены перпендикулярно оси завихрителя 1, а оси отверстий 6 - параллельны ей. Суммарная площадь отверстий 6 выполнена равной 10 - 20% от суммарной площади отверстий 5, 6.

За завихрителем 1 расположены две конфузорные концентрично расположенные втулки 7, 8, между которыми образован конфузорный канал 9, против входа которого расположены отверстия 6. Наружная втулка 8 выполнена с окнами (щелью) 10 на входе и с раструбом на выходе. Окна 10 могут быть выполнены на внутренней втулке 7.

Площадь окон 10 выбирается из условия получения коэффициента избытка воздуха в смеси канала 9, равного 1,2- 1,4. На выходе из канала 9 размещен осесимметричный завихритель 11. Кольцевое пространство за раструбом втулки 8, завихрителем 11 и выходной кромкой втулки 7 образует зону стабилизации 12.

Для варианта горелки с раздельной подачей топлива в каждый из двух рядов отверстий 5, 6 полость топливного коллектора 2 разделена перегородкой 13 на две полости 14, 15, при этом подвод топлива к каждой из них производится по отдельным топливоподводящим каналам 16, 17.

Горелка установлена во фронтовом устройстве жаровой трубы 18 камеры сгорания.

Работает топливовоздушная горелка следующим образом.

При включении камеры сгорания подается топливо в коллектор 4, из которого оно поступает через форсуночные отверстия 5, 6. При этом топливо через отверстия 5 подается поперек потока воздуха в зону за завихритель 1, где смешивается с турбулизированным завихрителем 1, воздухом образует гомогенную (однородную) смесь, которая далее по конфузорному каналу втулки 7 выходит за ее срез. Топливо из отверстий 6 подается в канал 9, где смешивается с воздухом, поступающим через окна 10, и далее через завихритель 11 выходит в зону стабилизации 12. Горючая топливовоздушная смесь с = 1,2 - 1,4 воспламеняется от постороннего источника (например, от свечи), образует дежурную зону горения, от пламени, которым поджигается смесь с = 1,8...2,0, выходящая из сопла втулки 7, образуя основную зону горения. Процесс горения бедной смеси с = 1,8 - 2,0 в основной зоне происходит с низкой температурой пламени, которая оказывается недостаточной для интенсивного образования оксидов азота. Наличие отверстия 2 по оси завихрителя 1 предотвращает образование зоны обратных токов за ним, что уменьшает время пребывания продуктов горения в этой зоне, а следовательно, уменьшает образование оксидов азота в основной зоне.

Процесс горения в дежурной зоне происходит при более высокой температуре пламени, поэтому в ней образуются оксиды азота, однако в этой зоне сгорает малое количество топлива (10 - 20%) и концентрация их, отнесенная ко всему расходу топлива, оказывается малой.

При наличии в коллекторе двух полостей 14, 15 (и соответственно двух регуляторов расхода в системе двигателя) топливо сначала подается в полость 14 до достижения оптимального режима в дежурной зоне, а после этого подается топливо в полость 15, т.е. в основную зону горения, дальнейшее увеличение режима производства происходит за счет увеличения расхода топлива в основную зону горения.

Воспламенение топливовоздушной смеси в рядом расположенных горелках происходит от пламени дежурной зоны, воспламенение смеси в которой происходит от постороннего источника, что обеспечивает надежный запуск камеры сгорания.

На нашем предприятии изготовлен опытный экземпляр таких горелок и испытан на полноразмерном двигателе (РГ-N 1 сб. 6) с положительными результатами, а именно при расходе топлива в дежурную зону 7 - 15% концентрация оксидов азота в выхлопных газах двигателя оказалась на 30 - 40% меньше по сравнению с двигателем, оснащенным горелками прототипа.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции топливовоздушной горелки на камере сгорания газотурбинного двигателя позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота в выхлопных газах двигателя, а следовательно, уменьшить их токсичность и улучшить эмиссионные характеристики двигателя.

Формула изобретения

1. Горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливораздающий узел, подключенный к коллектору, и осесимметричный завихритель с конфузорной втулкой на выходе, отличающаяся тем, что коллектор размещен по периферии завихрителя, а топливораздающий узел образован двумя рядами форсуночных отверстий, при этом оси отверстий первого ряда направлены перпендикулярно оси завихрителя, а оси второго ряда - параллельно ей и обращены к входу конфузорного канала, образованного внутренней и наружной конфузорными втулками, последняя из которых имеет окна на входе и раструб на выходе, причем канал на выходе снабжен осесимметричным завихрителем.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что полость топливного коллектора разделена перегородкой на две полости так, что одна из них сообщается с форсуночными отверстиями одного ряда, а другая - с отверстиями второго ряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2