Система подачи топлива для камеры сжигания - RU2118756C1

Чертежи

Показать все 20 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к системе подачи топлива для камеры сжигания с сжиганием предварительно подготовленной смеси, в которой в газообразный основной поток, проходящий по каналу, подается газообразное и/или жидкое топливо в виде дополнительного потока, причем дополнительный поток является значительно меньшим по массе потоком, чем основной поток, и канал для предварительного смешения имеет изогнутые стенки.

Примешивание топлива в поток воздуха для горения, проходящий в канале для предварительного смешения, происходит, как правило, посредством радиального впрыскивания топлива в канал с помощью поперечного смесителя.

Количество одной порции топлива настолько ограничено, что близкое к полному перемешиванию достигается только после прохождения участка, равного приблизительно 100 высотам канала.

Также могут применяться смесители Вентури, известно также впрыскивание топлива через решетчатые устройства, наконец, используется также впрыскивание особых завихрителей.

Устройства, работающие на базе сплошных потоков или многослойных потоков, имеют либо очень большой по протяженности участок для смешивания, либо нужен высокий импульс впрыскивания.

При предварительном смешивании при высоком давлении и стехиометрических соотношениях есть опасность обратного удара пламени или даже самовоспламенения смеси.

Отрывы потока и зона стоячей воды в трубе для предварительного смешивания, плотные граничные слои на стенках или возможные предельные профили скоростей над обтекаемым сечением могут послужить причиной для самовоспламенения в трубе или образовать путь, по которому пламя может проскальзывать обратно в трубу для предварительного смешивания из зоны сжигания. Поэтому нужно уделять большое внимание геометрии зоны предварительного смешивания.

В основе изобретения стоит задача в камере предварительно подготовленной смеси принять меры, с помощью которых кратчайшим путем достигается тщательное смешивание воздуха для горения и топлива при одновременно равномерном распределении скоростей в зоне смешивания.

Кроме того, эти меры должны подходить для дополнительного оснащения уже имеющихся камер сжигания.

Согласно изобретению эта задача решается следующим образом: основной поток направляется через вихревые генераторы, многие из которых расположены в ряд по окружности канала по меньшей мере на одной стенке канала, дополнительный поток вводится в канал непосредственно в области вихревых генераторов; вихревой генератор имеет три свободно обтекаемые плоскости, ориентированные в направлении потока, одна из которых является верхней плоскостью, а две другие - боковыми поверхностями; боковые поверхности связаны с той же стенкой канала и заключают между собой угол стреловидности; верхняя плоскость имеет кромку, имеющую поперечное располжение относительно прохождения канала и прилегающую к той же стенке канала, что и боковые стенки; продольно ориентированные кромки верхней плоскости, которые связаны с продольно ориентированными кромками боковых поверхностей, вдающихся в канал, проходит в стенке канала под углом установки θ .

С помощью нового статического смесителя, представляющего собой 3 - размерные вихревые генераторы, можно достигнуть в камере сжигания крайне коротких участков для смешивания при одновременно ограниченном падении напора.

Благодаря формованию продольного вихря без области рециркуляции уже после одного полного витка происходит грубое смешивание обоих потоков, в то время как полное смешивание происходит в результате турбулентного течения и процесса молекулярной диффузии после прохождения участка, который соответствует нескольким малым высотам канала.

Преимущество вихревых генераторов заключается в их особой простоте в любом отношении. Что касается техники изготовления, то элемент, состоящий из 3-х обтекаемых стенок, изготавливается без проблем.

Верхняя плоскость может соединяться с обеими боковыми поверхностями самыми разными способами. Закрепление элемента на плоских изогнутых стенах канала может происходить, в случае если имеются поддающиеся сварке материалы, с помощью обычного сварного шва.

С технической точки зрения элемент обнаруживает крайне незначительное падение напора при обтекании и он образует завихрение без области стоячей воды.

Наконец, элемент можно охлаждать разными способами, используя его полое, как правило, внутреннее пространство и различные средства.

Целесообразно выбирать такое соотношение высоты соединительной кромки обеих концевых поверхностей и высоты H канала, чтобы сформировавшийся вихрь заполнял всю высоту канала или всю высоту части канала, относящейся к вихревому генератору, непосредственно в области перед вихревым генератором.

Целесообразно, когда обе вихревые поверхности, заключающие между собой угол стреловидности α, расположены симметрично относительно оси симметрии. Таким образом формируется завихрение с одинаковыми закрутками.

Если обе боковые поверхности, заключающие между собой угол стреловидности α, , образуют друг с другом по меньшей мере почти острую соединительную кромку, образующую вместе с продольными кромками верхней плоскости острый конец, запирание вряд ли повреждает сечение прохождения.

Если острая соединительная кромка является кромкой выходной стороны вихревого генератора и проходит вертикально относительно той стенки канала, с которой соединены боковые поверхности, то благоприятным является отсутствие области спутной струи.

Если ось симметрии параллельна оси канала, а соединительная кромка обеих боковых поверхностей образует нижний край вихревого генератора, в то время как вследствие этого кромка верхней плоскости, расположенная поперечно относительно прохождения канала, является кромкой, на которую в первую очередь подается нагрузка потока, то около одного вихревого генератора формируются два одинаковых встречных завихрения.

Налицо картина потока с нейтральными завихрениями, при которой оба завихрения нарастают в области соединительной кромки.

Сущность изобретения поясняется ниже чертежами, на которых представлены некоторые примеры выполнения изобретения:
на фиг. 1 - перспективное изображение вихревого генератора,
на фиг. 2 - вариант выполнения вихревого генератора,
на фиг. 3 - кольцевая камера сжигания газовой турбины с установленным в ней вихревым генератором согласно фиг. 1,
на фиг. 4 - частичный продольный разрез камеры сжигания по линии 4-4 на фиг. 3,
на фиг. 5 - несколько вариантов направления дополнительного потока,
на фиг. 6 и фиг. 7 - второй вариант размещения вихревого генератора в кольцевой камере сжигания,
на фиг. 8 и фиг. 9 - третий вариант размещения вихревого генератора в кольцевой камере сжигания,
на фиг. 10 и фиг. 11 - четвертый вариант размещения вихревого генератора согласно фиг. 2 в кольцевой камере сжигания,
на фиг 12 и фиг. 13 - цилиндрическая камера сжигания с первым вариантом расположения вихревого генератора,
на фиг 14 и фиг. 15 - цилиндрическая камера сжигания со вторым вариантом расположения вихревого генератора,
на фиг. 16 и фиг. 17 - цилиндрическая камера сжигания с вариантом расположения вихревого генератора согласно фиг. 2,
на фиг. 18 и фиг. 19 - вариант размещения, как и на фиг. 9, с центральным подводом топлива,
на фиг. 20 и фиг. 21 - топливопровод, оснащенный вихревыми генераторами.

Направление потока рабочего вещества указано стрелками. На разных фигурах одни и те же элементы имеют одинаковые обозначения.

Не существенные для изобретения элементы, например корпус, крепления и т.п., опущены.

Прежде, чем перейти к самой камере сжигания, сначала будет описан вихревой генератор, занимающий важное место для принципа работы изобретения.

На фиг. 1, 2 и 5 собственно канал, по которому проходит основной поток, символически обозначенный большой стрелкой, не показан.

Согласно этим фигурам, вихревой генератор состоит, в основном, из трех свободнообтекаемых треугольных поверхностей.

Это верхняя плоскость 10 и две боковые поверхности 11 и 13. Длины этих поверхностей проходят под определенным углом в направлении потока.

Продольные стороны боковых стенок вихревого генератора, представляющих собой прямоугольный треугольник, закреплены на стенке канала 21, предпочтительно герметично.

Они ориентированы таким образом, что их узкие стороны формируют стык с образованием угла стреловидности α. Стык выполнен как острая соединительная кромка 16 и расположен вертикально относительно каждой стенки канала 21, с которой связаны боковые поверхности.

Обе боковые поверхности 11, 13, образующие угол стреловидности α, на фиг. 1 симметричны по форме, размеру и ориентации и расположены по обе стороны от оси симметрии 17. Эта ось симметрии 17 является выпрямленной как ось канала.

Кромка 15 поверхности 10, занимающая поперечное положение относительно прохождения канала и выполненная очень узкой, прилегает к той же стенке канала 21, что и боковые стенки 11, 13.

Ее продольно ориентированные кромки 12, 14 соединены с продольно ориентированными кромками боковых поверхностей, вдающимися внутрь пропускного канала.

Поверхность 10 проходит к стенке канала 21 под углом установки θ.Ее продольные края 12, 14 образуют вместе с соединительной кромкой 16 острый конец 18.

Конечно, вихревой генератор может быть предусмотрен также с основанием, которое укреплено подходящим образом на стенке канала 21. Такое основание никак не связано с принципом работы элемента.

На фиг. 1 соединительная кромка 16 обеих боковых поверхностей 11, 13 образует нижний край вихревого генератора. Кромка 15 поверхности 10, занимающая поперечное положение относительно прохождения канала, таким образом, кромкой, на которую в первую очередь воздействует поток, проходящий по каналу.

Принцип работы вихревого генератора следующий: при обтекании кромок 12 и 14 основной поток преобразуется в два встречных завихрения.

Оси завихрения находятся на оси основного потока. Число закруток и место разрыва вихря /vortex break down/, поскольку это вообще желательно, определяется с помощью соответствующего выбора угла установки θ и угла стреловидности α.
При увеличении углов интенсивности вихря или число завихрений увеличивается, и место разрыва завихрения перемещается вверх по течению потока до области самого вихревого генератора.

В зависимости от применения, эти оба угла θ и α заданы с помощью конструктивных данных и самого процесса. Соответствовать должны лишь только длина L детали, а также высота h соединительной кромки 16 /фиг. 4/.

На фиг. 2 показан так называемый вихревой полугенератор на базе вихревого генератора согласно фиг. 1, у которого только одна из двух боковых поверхностей вихревого генератора 9а предусмотрена с углом стреловидности α /2.
Другая боковая поверхность прямая и установлена по одной оси с направлением потока. В отличие от симметричного вихревого генератора здесь получается только одно завихрение на стреловидной стороне.

Таким образом, до области расположения вихревого генератора нет никакого вихревого нейтрального поля, и поток вынужден совершать виток.

Вихревые генераторы используются, главным образом, как смесители двух потоков. Основной поток в виде воздуха для горения "атакует" в направлении, указанном стрелкой, поперечно расположенную переднюю кромку 15.

Дополнительный поток в виде газообразного и/или жидкого топлива является значительно меньшим потоком массы, чем основной поток. Он вводится в основной поток непосредственно в области вихревых генераторов.

Введение в канал газообразного и/или жидкого топлива, примешанного в воздух для сжигания топлива, может происходить в соответствии с фиг. 5 по-разному.

Так, может произойти выход топлива в воздух для горения через отверстия в стене 22e, расположенные ступенями на продольных кромках 12 и 14 /или по меньшей мере непосредственно в области кромок/.

Топливо вводится в данном случае сначала при помощи средств, не показанных здесь, через стенку канала 21 во внутреннюю полость вихревого генератора.

Из отверстий 22 c в стенке оно попадает, таким образом, прямо в сформированное завихрение, которое возрастает в области впрыскивания. Здесь существуют определенные условия обтекания.

Топливо может также впрыскиваться через отверстия 22а, находящиеся в стенке 21 канала и расположенные вдоль кромки 15 вихревого генератора.

Угол впрыскивания выбирается таким, чтобы топливо перед смешиванием обтекало верхнюю плоскость вихревого генератора в виде пленки.

Эта "холодная" пленка образует для верхней плоскости защитный слой от горячего основного потока. Такое решение особенно хорошо подходит для двойного режима, при котором как газообразное топливо, так и жидкое примешиваются к основному потоку и затем сжигается.

Жидкое топливо, в данном случае нефть, впрыскивается через отдельное отверстие /здесь не изображено/, примыкающее непосредственно к кромке 15, предпочтительно под тем же углом впрыскивания, что и газ.

Это жидкое топливо перед своим распылением в вихре распределяется как защитная пленка на верхней плоскости. Вместо отверстий 22c в стенках могут использоваться также прорези, здесь не изображенные.

Могут быть предусмотрены также отверстия 22b в стенках перед областью расположения вихревого генератора, через которые топливо вдувают в нарастающий вихревой поток.

Кроме указанных возможностей, топливо может также впрыскиваться через отдельное отверстие, расположенное в области острого конца 18 вихревого генератора.

В этом случае рабочее вещество впрыскивается непосредственно в полностью сформировавшийся вихрь, и именно также в его нарастающее ответвление.

Наконец, подразумевается, что приведенные способы могут сочетаться друг с другом все вместе или по отдельности.

Далее описываются различные варианты установки вихревых генераторов секции предварительного смешивания сжигания.

Фиг. 3 показывает в упрощенном виде камеру сжигания с кольцевым каналом 20. На обеих стенках 21а и 21o расположено в ряд равное количество вихревых генераторов согласно фиг. 1 по окружности без промежутков между ними, причем соединительные кромки 16 двух противоположных вихревых генераторов находятся на одном радиусе.

Если предлагается, что находящиеся друг против друга вихревые генераторы имеют одинаковую высоту, как показывает фиг. 3, то вихревые генераторы внутреннего кольца 21o канала имеют меньший угол стреловидности α.
В продольном сечении на фиг. 4 видно, что это может компенсироваться за счет большего угла установки θ, если нужны одинаковые по закрутке завихрения внутри и снаружи кольцевого сечения.

При таком решении, как показано на фиг. 3, получаются две пары завихрений с соответственно маленькими закрутками, что ведет к сокращению времени смешивания.

Согласно фиг. 4 жидкое топливо впрыскивается через центральный топливопровод 24, конец которого находится в области острых концов 13 вихревых генераторов 9.

Впрыскивание газообразного топлива происходит в данном примере дважды согласно способам, описанным в соответствии с фиг. 5.

Во-первых, как это видно с помощью стрелки, через отверстия в стенках в самых вихревых генераторах и, во-вторых, через отверстия 22o в стенке канала 21o за вихревыми генераторами, причем в эти отверстия в стенках может подаваться рабочее вещество через кольцевой трубопровод.

Подаваемое топливо подхватывается вихрем и смешивается с основным потоком. Оно следует по витку завихрения и в направлении вихревого потока равномерно распределяется в камере.

Благодаря этому уменьшается - при упомянутом впрыскивании топлива в безвихревой поток - опасность соударения потока с противоположной стенкой и образования так называемых "горячих мест".

Так как главный процесс смешения происходит в вихре и является в значительной степени нечувствительности к импульсу впрыскивания дополнительного потока, впрыскивание топлива может варьироваться и этот процесс можно привести в соответствие с другими краевыми условиями.

Таким образом во всей зоне нагрузки может сохраняться одинаковый импульс впрыскивания.

Так как смешение определяется геометрией вихревых генераторов, а не нагрузкой машины, в примере мощностью газовой турбины, горелка работает в оптимальном режиме также в условиях неполной нагрузки.

Процесс сжигания происходит при установлении оптимального режима благодаря соответствию времени задержки воспламенения топлива и продолжительности перемешивания вихревого потока, что обеспечивает минимум эмиссии.

Далее эффективное смешивание влияет на хороший температурный профиль над обтекаемым сечением и уменьшает, кроме того, возможность наступления термоакустической нестабильности.

Только благодаря наличию таковой вихревые генераторы действуют как устройства для демпфирования термоакустических колебаний.

В решениях, представленных на фиг. 6-11, газообразное топливо можно впрыскивать через отверстия в стенках, которые загружаются через кольцевые трубопроводы, расположенные внутри канала.

Конечно, кроме радиально вводимой трубы, показанной на фиг. 4, могут быть предусмотрены также центральные трубы для подачи жидкого топлива, большинство которых распределено по окружности кольцевого канала.

Фиг. 6 имеет ту же конфигурацию, что и фиг. 3, только с меньшими радиусами кольцевой стенки и большой высотой канала. Высоты находящихся друг против друга вихревых генераторов сильно отличаются.

Как правило, высота h соединительной кромки 16 согласовывается с высотой канала H или высотой части канала, где расположен вихревой генератор, таким образом, чтобы образовавшийся вихрь уже непосредственно до области расположения вихревого генератора достигал таких размеров, что заполнялась бы вся высота канала, что ведет к равномерному распределению скорости в области нагружаемого сечения.

Следующим критерием, который может влиять на выбираемое соотношение h/H, является падение напора, которое наступает при обтекании вихревого генератора.

Подразумевается, что при большем соотношении h/H увеличивается также коэффициент падения напора.

У вихревых генераторов, показанных на фиг. 8. 9, соединительные кромки двух противоположных вихревых генераторов смещены на полделения.

Благодаря этому структура завихрения до области расположения вихревых генераторов изменяется в том смысле, что полученные одинаковые боковые закрутки обнаруживают одинаковое направление поворота и при известных условиях соединяются в одно большое завихрение, заполняющее все сечение канала в соответствующем вихревом секторе.

Благодаря этому структура завихрения до области расположения вихревых генераторов изменяется в том смысле, что полученные одинаковые боковые закрутки обнаруживают одинаковое направление поворота и при известных условиях соединяются в одно большое завихрение, заполняющее все сечения канала в соответствующем вихревом секторе.

Благодаря этому можно достигнуть, во-первых, улучшения качества смешения и, во-вторых, большей продолжительности завихрения.

Это решение дает возможность /здесь не показано/ увеличить высоту внутренних вихревых генераторов, так что их острые концы могут вторгаться в область между боковыми стенками обоих противоположных вихревых генераторов.

На фиг. 8, 9 на обеих кольцевых стенках расположены в ряд по окружности так называемые вихревые полугенераторы 9а.

Как показывают стрелки, отдельные завихрения, обнаруживающие одинаковое направление поворота, сливаются в один большой вращающийся вихрь, занимающий область всего канала.

Три устройства, описанные дополнительно, подходят для первичной конструкции или как уже "устаревшая" мера в камере предварительного смешения с круглым сечением канала 20.

Существовавшие до сих пор сопловые решетки или смесительные насадки для газотурбинного топлива заменяются просто кольцевым трубопроводом 25, расположенным внутри камеры предварительного смешения, из которого материал подается к прорезям или отверстиям 22e перед вихревыми генераторами.

Центральный топливопровод также может быть расположен в этом соединении.

Согласно фиг. 12, 13 на стенке 21а расположены в ряд по окружности четыре вихревых генератора 9, причем на стенке канала не оставляются промежутки.

Принцип работы элементов в таком соединении соответствует принципу работы наружных вихревых генераторов на фиг. 3.

На фиг. 10 при том же основном расположении вихревых генераторов 9 их ось симметрии проходит наклонно относительно оси канала.

Обе боковые поверхности обнаруживают, таким образом, навстречу основному потоку разную стреловидность.

Так, на обеих сторонах вихревого генератора возникают завихрения с разным количеством закруток. Это приводит к тому, что потоку присуще завихрение еще до области расположения элементов.

Согласно фиг. 16, 17 вихрь заполняет все сечение канала. Устройство состоит из 4-х групп, в каждой из которых имеется по 3 вихревых генератора 9а согласно фиг. 2.

Одна группа оснащена тремя вихревыми генераторами с соответственно увеличивающейся высотой. Все без исключения полученные завихрения имеют одинаковое вращение.

На фиг. 18 по окружности расположены 4 вихревых генератора. В отличие от положения, показанного на фиг. 12, в данном случае соответствующие соединительные кромки 16 - это те участки, на которые в первую очередь поступает нагрузка в виде потока из канала.

Элементы, в отличие от элементов фиг. 12, повернуты на 180^o. Как видно из рисунка, оба встречных завихрения изменили направление поворота.

Они закручиваются над верхней плоскостью вдоль вихревого генератора и устремляются к стенке, на которой установлен вихревой генератор.

Это решение предлагается для установки центральной трубы 24, по которой топливо подается далее в радиальных направлениях, по которым проходят оси вихревых генераторов. Топливо попадет прямо в завихрение, закручивающееся напротив стенки.

Наконец, на фиг. 20 дан вариант с вихревыми генераторами 9, которые подходят в качестве заменяемой конструктивной единицы в цилиндрических камерах предварительного смешивания.

Кроме того, он составлен для двойного режима, т.е. в воздух для горения может примешиваться как жидкое, так и газообразное топливо.

Блок, собранный и внедренный аксиально в трубу для предварительного смешения, состоит из центральной трубы 24, которая снабжена на конце вихревыми генераторами 9.

Жидкое топливо попадает через нефтепровод 26, расположенный в центральной трубе 24, к насадке для впрыскивания топлива, через которую оно впрыскивается в канал.

Насадки ориентированы, согласно направлению стрелок, по линии симметрии вихревых генераторов. Топливо захватывается, таким образом, поднимающимся завихрением.

Газообразное топливо, которое таким же образом подводится через газопровод 29 в центральной трубе, попадает через полые выступы 27 в газопроводное кольцо 28, благодаря которому система устанавливается по центру и фиксируется.

Из этого газопроводного кольца 28 топливо добавляется в основной поток.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными и показанными примерами. Что касается расположения вихревых генераторов в системе, то здесь возможны многие комбинации, не выходя за рамки изобретения.

Введение дополнительного потока в основной поток также может осуществляться разными способами.

Вариант, например, согласно фиг. 12 подходит в равной степени для камер сжигания, функционирующих по "can"-принципу.

Реферат

Изобретение относится к системе подачи топлива. В системе подачи топлива с сжиганием предварительно подготовленной смеси впрыскивается газообразное и/или жидкое топливо в качестве дополнительного потока в газообразной, проходящий по каналу осовной поток. Дополнительный поток является значительно меньшим по массе потоком, чем основной. Основной поток направляется через вихревые генераторы (9), многие из которых расположены в ряд по окружности канала по меньшей мере на одной стенке канала. Дополнительный поток вводится в канал непосредственно с области расположения вихревых генераторов (9). Вихревой генератор (9) обнаруживает три свободно обтекаемые плоскости, ориентированные в направлении потока, и одна из которых является верхней плоскостью (10), а две другие - боковыми поверхностями (11,13). Топливо подается в канал через насадки, которые находятся за вихревыми генераторами или в них. Изобретение улучшает качество смешивания и увеличивает продолжительность завихрения. 15 з.п.ф-лы, 21 ил.

Формула