EA000904B1 - Устройство и способ сжигания топлива - Google Patents

Description

Изобретение относится к горелке для пригодного к распылению, в частности газообразного, топлива, содержащей, по существу, цилиндрическую жаровую трубу, ее крышку, расположенную на лежащем выше по потоку конце жаровой трубы, топливную форсунку, входящую по центру в крышку жаровой трубы, а также множество первых и вторых средств для ввода воздуха для горения в жаровую трубу.

Подобные конструктивные формы находят применение прежде всего в качестве стандартных горелок для газовых турбин.

Подобного рода горелка известна, например, из FR-A 2272338. Жаровая труба имеет две зоны горения, в которые воздух для горения поступает через множество первых и вторых отверстий.

Далее изобретение относится к способу эксплуатации описанной выше горелки.

Основная цель современного сжигательного оборудования состоит в том, чтобы вырабатывать отходящие газы с небольшим содержанием токсичных веществ. Помимо полного выгорания, во избежание образования моноксида углерода требуется, в частности, низкое содержание NO_x.

Обычно в головной части горелки образуется зона горения, в которую воздух для горения вдувают через соответствующие отверстия в крышке жаровой трубы, и в жаровой трубе причем происходит охлаждение материала жаровой трубы. Дополнительный воздух для горения подают через чешуйчатые отверстия, распределенные по всей жаровой трубе.

Было обнаружено, что подобного рода устройства и способы еще требуют усовершенствований. Поэтому в основе изобретения лежит задача сделать равномерным распределение температуры в жаровой трубе и за счет этого уменьшить образование токсичных веществ.

Эта задача решается для устройства описанного выше рода за счет того, что средства для ввода воздуха для горения в жаровую трубу выполнены в виде воздухонаправляющих патрубков, что первые и вторые воздухонаправляющие патрубки наклонены в противоточном направлении к оси жаровой трубы, что первые воздухонаправляющие патрубки заканчиваются на жаровой трубе, тогда как вторые воздухонаправляющие патрубки проходят внутрь жаровой трубы, и что непосредственно рядом с каждым вторым воздухонаправляющим патрубком вверх по потоку расположен первый воздухонаправляющий патрубок.

Способ описанного выше рода для решения поставленной задачи отличается тем, что воздух для горения вдувают в зону горения таким образом, что в плоскости перпендикулярно оси жаровой трубы возникает высокотурбулентный тороидальный вихрь, направление вращения которого во внутренней области направлено в осевом направлении в противотоке к потоку продуктов горения.

Существенные усовершенствования изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

Созданный в головной части горелки тороидальный вихрь или вихревое кольцо создает очень интенсивную турбулентную циркуляцию и, тем самым, хорошее смешивание топлива и воздуха. За счет повышения степени однородности топливно-воздушной смеси уменьшается число тех локальных областей, которые имеют стехиометрическую или близкую к стехиометрической концентрацию смеси и вследствие своих предельных температур образуют основные источники выделения NO_x.

Камера сгорания, согласно изобретению, относится к так называемым диффузионным камерам, в которых скорость процесса горения определяется скоростью завихрения топливновоздушной смеси, а не скоростью химических реакций. Поэтому интенсивность .смешивания, возросшая за счет высокотурбулентного тороидального вихря в лежащей вверх по потоку области жаровой трубы, приводит к более короткой продолжительности пребывания продуктов горения в высокотемпературной области, что благоприятно сказывается на уменьшении образования NO_x.

Кроме того изобретение способствует усиленному проникновению потока топлива через выходящие из первых и вторых воздухонаправляющих патрубков воздушные струи, которые преимущественно образуют существенную долю воздуха для горения. В частности, направленные внутрь жаровой трубы вторые воздухонаправляющие патрубки способствуют образованию вихря. За счет этого достигаются равномерное распределение воздуха по сечению жаровой трубы и, таким образом, уменьшение неоднородностей поля температур газа в зоне горения. Это, в частности, имеет важное значение тогда, когда камеру сгорания используют в качестве камеры сгорания турбины, в чем фактически состоит одна из ее основных областей применения. Пики температур представляют собой значительную нагрузку на лопатки турбины и сокращают срок их службы.

Выходящие из второго воздухонаправляющего патрубка воздушные струи глубоко проникают в поток горячего газа. Они охлаждают за счет этого высокотемпературную область вплоть до оси жаровой трубы.

Вторые воздухонаправляющие патрубки входят, правда, в зону горения, однако температурная нагрузка уменьшается за счет того, что непосредственно рядом с каждым вторым воздухонаправляющим патрубком расположен лежащий вверх по потоку первый воздухонаправляющий патрубок и преимущественно также лежащий вниз по потоку третий воздухонаправляющий патрубок. Вторые воздухонаправляю3 щие патрубки охлаждаются, следовательно, воздухом, выходящим из первых воздухонаправляющих патрубков и, при необходимости, из третьих воздухонаправляющих патрубков. Число первых и третьих воздухонаправляющих патрубков одного вида может быть увеличено с помощью четвертых воздухонаправляющих патрубков одного вида с ними, которые, если смотреть в направлении периферии, расположены каждый между соседними вторыми воздухонаправляющими патрубками. Было обнаружено, что распределение сечения между обоими видами воздухонаправляющих патрубков существенно повышает равномерность распределения температуры на выходе камеры сгорания.

Критической величиной для образования оптимального высокотурбулентного тороидального вихря является, помимо расположения воздухонаправляющих патрубков угол их наклона к оси жаровой трубы. Весьма оптимальным оказался угол наклона от 55 до 60°. Критическое значение имеет далее осевое расстояние от первых воздухонаправляющих патрубков до топливной форсунки. Было обнаружено, что это расстояние зависит от диаметра жаровой трубы и составляет преимущественно 0,70-0,85кратную величину диаметра жаровой трубы.

Изобретение обеспечивает не только повышение интенсивности завихрения топливновоздушной смеси и, тем самым, процесса горения, но одновременно также высокую стабилизацию пламени во всех диапазонах нагрузки.

Для оптимального распределения воздуха по сечению жаровой трубы и, тем самым для очень равномерного поля температур газа на выходе камеры сгорания наряду с расположением воздухонаправляющих патрубков критическое значение имеет их расстояние до оси жаровой трубы. Также эти значения опять-таки зависят от диаметра жаровой трубы. В то время,как выходные устья первых, а также, при необходимости, третьих и четвертых воздухонаправляющих патрубков соосны с жаровой трубой, выходные устья вторых воздухонаправляющих патрубков должны лежать от жаровой трубы на расстоянии, составляющем предпочтительно 0,15-0,18-кратную величину диаметра жаровой трубы. Критическим в этой связи является далее отношение между общими сечениями обоих видов воздухонаправляющих патрубков. При этом особенно предпочтительным оказалось то, что общее сечение вторых воздухонаправляющих патрубков составляет 0,6-0,7-кратную величину общего сечения первых, а также, при необходимости, третьих и четвертых воздухонаправляющих патрубков.

Дополнительный воздух для горения может подаваться в области крышки жаровой трубы и при этом охлаждать крышку. Далее существует возможность подачи воздуха для горения вниз по потоку за воздухонаправляющими патрубками через отверстия в стенке жаровой трубы. Эта мера оказывается предпочтительной для уменьшения образования моноксида углерода.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью предпочтительного примера его выполнения в связи с прилагаемыми чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - схематично осевой частичный разрез горелки согласно первой форме выполнения;

на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - схематично осевой частичный разрез горелки, согласно второй форме выполнения;

на фиг. 4- вид по стрелке А на фиг. 3.

Горелка на фиг. 1 и 2 содержит крышку 1 жаровой трубы, в центре которой расположена присоединенная к газовой трубке топливная форсунка 2. К крышке 1 примыкает цилиндрическая жаровая труба 3, диаметр которой обозначен буквой d.

На жаровой трубе 3 расположено множество первых 4 и вторых 5 воздухонаправляющих патрубков. Из них первые воздухонаправляющие патрубки 4 образуют лежащий вверху по потоку первый ряд 6, а вторые воздухонаправляющие патрубки 5 - непосредственно соседний, лежащий ниже по потоку второй ряд 7. Все воздухонаправляющие патрубки 4, 5 наклонены в противоточном направлении к оси жаровой трубы 3, а именно под общим углом φ, который в случае примера выполнения составляет 60°.

Воздух для горения вводят главным образом через воздухонаправляющие патрубки 4,5 в зону горения таким образом, что образуется высокотурбулентный тороидальный вихрь или вихревое кольцо, которое обозначено на фиг. 1 штрихпунктирными стрелками. Интенсивное перемешивание приводит к однородному распределению топлива в воздухе для горения, в результате чего уменьшается образование NO_x вследствие сокращения времени пребывания в зоне горения в сочетании с равномерностью распределения температуры уже в жаровой трубе.

Расстояние х между воздухонаправляющими патрубками 4,5 первого ряда 6 и топливной форсункой 2 составляет 0,70-кратную величину диаметра d жаровой трубы. Это способствует стабилизации вихревого кольца и обеспечивает, кроме того, стабильный характер воспламенения по всему нагрузочному диапазону.

Как хорошо видно из фиг. 1 , устья первых воздухонаправляющих патрубков 4 первого ряда 6 соосны с жаровой трубой, тогда как вторые воздухонаправляющие патрубки 5 второго ряда 7 входят внутрь жаровой трубы, а именно на расстояние у, составляющее 0,17-кратную величину диаметра d жаровой трубы. Выходящие из вторых воздухонаправляющих патрубков 5 воздушные струи проникают, следовательно, в зону горения до оси жаровой трубы 3, охватывают центральную область зоны горения и образуют затем в процессе своего направленного вверх по потоку движения вместе с выходящими из первых воздухонаправляющих патрубков 4 воздушными струями упомянутый высокотурбулентный тороидальный вихрь. Этот вид вдувания воздуха для горения через уравновешенную комбинацию воздухонаправляющих патрубков 4,5 обеспечивает очень равномерное распределение по сечению зоны горения, что способствует равномерности распределения температуры. Основной ввод воздуха происходит через первые воздухонаправляющие патрубки 4.

Расположение воздухонаправляющих патрубков 4,5 рассчитано так, что вверх по потоку за каждым вторым воздухонаправляющим патрубком 5 находится один первый воздухонаправляющий патрубок 4. Входящие внутрь зоны горения вторые воздухонаправляющие патрубки 5 надежно охлаждаются, следовательно, воздухом для горения, выходящим из соответствующих первых воздухонаправляющих патрубков 4.

Другой признак, способствующий вихреили смесеобразованию и гомогенизации смеси и, тем самым, снижению температуры и равномерному распределению температуры, состоит в том, что сечение первых воздухонаправляющих патрубков 4 в противоположность круглому сечению вторых воздухонаправляющих патрубков 5 вытянуто в направлении оси жаровой трубы, так что поступление воздуха происходит по определенной осевой длине. Две направляющие лопатки 8 в первых воздухонаправляющих патрубках 4 способствуют направленному вводу воздуха для горения в жаровую трубу 3.

Оптимальному управлению потоком способствует далее то, что каждое выходное устье вторых воздухонаправляющих патрубков 5 второго ряда 7 лежит в плоскости перпендикулярно оси соответствующего воздухонаправляющего патрубка.

Как показано на фиг. 1, крышка 1 жаровой трубы образует с внутренней стороны идущее от топливной форсунки 2 коническое расширение к жаровой трубе 3. Такое выполнение области крышки жаровой трубы способствует стабилизации вихревого потока. В него газ вдувают наискось наружу, для чего топливная форсунка имеет выходные отверстия 9, наклоненные в направлении потока от оси жаровой трубы 3.

Фиг. 3 и 4 представляют особенно предпочтительную форму выполнения горелки, которая отличается от формы выполнения по фиг. 1 и 2, в основном, тем, что вторым воздухонаправляющим патрубкам 5 ниже по потоку приданы третьи воздухонаправляющие патрубки 4'. Последние создают, следовательно, дополнительную воздушную струю, проходящую вдоль лежащей ниже по потоку стороны соответствующего воздухонаправляющего патрубка 5. Это усиливает эффект охлаждения и способствует в остальном образованию высокотурбулентного тороидального вихря.

Общим для обеих форм выполнения является то, что предусмотрены четвертые воздухонаправляющие патрубки 4, как это видно из фиг. 2 и 4. Они лежат, если смотреть в осевом направлении, между каждыми соседними вторыми воздухонаправляющими патрубками 5. В случае формы выполнения по фиг. 1 и 2 они находятся на высоте первых воздухонаправляющих патрубков 4. В случае формы выполнения на фиг. 3 и 4 они соосны, если смотреть в направлении периферии, с первыми 4 и третьими 4' воздухонаправляющими патрубками. В остальном они соответствуют по углу наклона и расположению первым и третьим воздухонаправляющим патрубкам.

Если рассмотреть оба вида воздухонаправляющих патрубков, то число вторых воздухонаправляющих патрубков меньше числа воздухонаправляющих патрубков другого вида. Это относится и к соотношению сечений. Так общее сечение вторых воздухонаправляющих патрубков 5 составляет 0,6-0,7-кратную величину общего сечения первых 4 и четвертых 4 воздухонаправляющих патрубков (фиг. 1 и 2) или общего сечения первых 4, третьих 4' и четвертых 4 воздухонаправляющих патрубков (фиг. 3 и 4).

В остальном жаровая труба 3 в обоих примерах выполнения имеет ниже по потоку за воздухонаправляющими патрубками дополнительные отверстия для воздуха для горения, с тем, чтобы уменьшить образование СО. Также не показаны отверстия в крышке 1 жаровой трубы и в лежащей выше по потоку области жаровой трубы 3, причем поступающий здесь воздух для горения служит преимущественно для охлаждения крышки жаровой трубы и самой жаровой трубы.

В рамках изобретения вполне возможны модификации. Так, воздухонаправляющие патрубки могут быть наклонены под разными углами. Далее существует возможность ввода топлива аксиально в жаровую трубу. В данном примере выполнения воздух для горения подают главным образом через воздухонаправляющие патрубки обоих видов. В качестве альтернативы этому существует возможность смещения частичных количеств воздуха с мест, лежащих выше по потоку, в места, лежащие ниже по потоку.

Изобретение было описано на примере газовой горелки, поскольку в этом состоит предпочтительная область его применения. Оно может, однако, применяться и для горелок для парообразного, жидкого или текучего твердого топлива.

Claims (18)

1. Горелка для пригодного к распылению, в частности газообразного, топлива, содержа7 щая, по существу, цилиндрическую жаровую трубу (3), ее крышку (1), расположенную на лежащем выше по потоку конце жаровой трубы (3), топливную форсунку (2), входящую по центру в крышку (1) жаровой трубы, а также множество первых и вторых средств для ввода воздуха для горения в жаровую трубу, отличающаяся тем, что средства для ввода воздуха для горения в жаровую трубу (3) выполнены в виде воздухонаправляющих патрубков (4, 5), первые и вторые воздухонаправляющие патрубки (4, 5) наклонены в противоточном направлении к оси жаровой трубы (3), первые воздухонаправляющие патрубки (4) заканчиваются на жаровой трубе (3), тогда как вторые воздухонаправляющие патрубки (5) проходят внутрь жаровой трубы, при этом непосредственно рядом с каждым вторым воздухонаправляющим патрубком (5) выше по потоку расположен первый воздухонаправляющий патрубок (4).

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что непосредственно рядом с каждым вторым воздухонаправляющим патрубком (5) ниже по потоку расположен первый воздухонаправляющий патрубок (4'), причем третьи воздухонаправляющие патрубки (4') наклонены в противоточном направлении к оси жаровой трубы (3) и заканчиваются на жаровой трубе.

3. Горелка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что между каждыми двумя соседними вторыми воздухонаправляющими патрубками (5), если смотреть в осевом направлении, расположен четвертый воздухонаправляющий патрубок (4), причем четвертые воздухонаправляющие патрубки (4) наклонены в противоточном направлении к оси жаровой трубы (3) и заканчиваются на жаровой трубе.

4. Горелка по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что первые воздухонаправляющие патрубки (4) расположены в первом, перпендикулярном к оси ряду (6), при этом осевое расстояние (х) между топливной форсункой (2) и устьями первых воздухонаправляющих патрубков (4) составляет примерно 0,70-0,85-кратную величину диаметра (d) жаровой трубы.

5. Горелка по одному из пп. 1 -4, отличающаяся тем, что воздухонаправляющие патрубки (4, 5, 4', 4) наклонены к оси жаровой трубы (3) под одинаковым углом (φ) .

6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что воздухонаправляющие патрубки (4, 5, 4', 4) наклонены к оси жаровой трубы (3) под углом 55-60°.

7. Горелка по одному из пп. 1 -4, отличающаяся тем, что устья вторых воздухонаправляющих патрубков (5) входят внутрь жаровой трубы (3) на расстояние (у), составляющее 0,150,18-кратную величину диаметра (d) жаровой трубы.

8. Горелка по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что общее сечение вторых воздухонаправляющих патрубков (5) составляет 0,6-0,7кратную величину общего сечения первых и, при необходимости, третьих и четвертых воздухонаправляющих патрубков (4, 4', 4).

9. Горелка по одному из пп.1-8, отличающаяся тем, что первые и, при необходимости, третьи и четвертые воздухонаправляющие патрубки (4) имеют разные сечения, из которых, по меньшей мере, некоторые вытянуты в направлении оси жаровой трубы (3).

10. Горелка по п.9, отличающаяся тем, что первые и, при необходимости, четвертые воздухонаправляющие патрубки (4, 4) содержат каждый самое большее два направляющих щитка (8), которые ориентированы преимущественно поперек оси жаровой трубы (3).

11. Горелка по одному из пп.1-10, отличающаяся тем, что каждое выходное устье вторых воздухонаправляющих патрубков (5) лежит в плоскости поперек оси соответствующего воздухонаправляющего патрубка (5).

12. Горелка по одному из пп.1-11, отличающаяся тем, что крышка (1) жаровой трубы (3) с внутренней стороны конически расширяется от топливной форсунки (2) к жаровой трубе (3).

13. Горелка по одному из пп.1-12, отличающаяся тем, что топливная форсунка (2) содержит кольцо выходных отверстий (9), наклоненных в направлении потока от оси жаровой трубы (3).

14. Горелка по п.13, отличающаяся тем, что угол наклона выходных отверстий (9) топливной форсунки (2) к оси жаровой трубы (3) составляет 40-45°.

15. Горелка по одному из пп.1-14, отличающаяся тем, что жаровая труба (3) ниже по потоку за воздухонаправляющими патрубками (4, 5, 4', 4) снабжена несколькими кольцеобразно расположенными отверстиями для воздуха для горения.

16. Способ эксплуатации горелки по п.1, причем топливо вводят в зону горения и смешивают там с воздухом для горения, отличающийся тем, что воздух для горения вдувают в зону горения таким образом, что в плоскости перпендикулярно к оси жаровой трубы возникает высокотурбулентный тороидальный вихрь, направление вращения которого во внутренней области направлено в осевом направлении в противотоке к потоку продуктов горения.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что топливо вводят, в основном, в форме открытого конуса в тороидальный вихрь.

18. Способ по п. 16 или 17, отличающийся тем, что высокотурбулентный тороидальный вихрь охватывает центр зоны горения.