КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23R3/04 

Изобретение относится преимущественно к энергетическому транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Широко известны камеры сгорания, содержащие пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее горелку, состоящую из завихрителя воздуха и топливораздающего устройства.

Существенным недостатком таких камер сгорания является высокая токсичность продуктов сгорания (большая концентрация оксидов азота). Это связано с тем, что подача всего топлива через одну горелку неизбежно приводит к образованию длинного факела, продолжительному пребыванию продуктов сгорания с зоне высоких температур и интенсивному образованию оксидов азота.

В значительной степени этот недостаток можно уменьшить применив многогорелочную камеру сгорания. Примером многогорелочной камеры служит камера сгорания газоперекачивающего агрегата ГТК-750-6, широко применяемого на магистральных газопроводах. Она содеpжит пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее ряд расположенных по окружности горелок, содержащих лопаточные завихрители воздуха и топливораздающие устройства. Многогорелочная камера сгорания имеет более низкую токсичность продуктов сгорания, чем камера с одной горелкой. За счет дробления факела на ряд более мелких факелов длина высокотемпературной зоны значительно сокращена. Соответственно уменьшилось и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур, что и привело к снижению концентрации оксидов азота. Вместе с тем, содержание оксидов азота в выхлопных газах агрегатов ГТК-750-6 остается очень высоким (750 мг/м при 15% содержании кислорода, что в 5-7 раз превышает действующий стандарт).

Известна камера сгорания, содержащая пламенную трубу с установленными по ее окружности воздухоподводящими патрубками, фронтовое устройство с рядом расположенных по окружности горелок (см. Патент Великобритании N 1273017, кл. F 23 R 1/04, 1972). Недостаток - токсичность.

Целью настоящего изобретения является снижение токсичности продуктов сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что по окружности пламенной трубы и во фронтовом устройстве установлены воздухонаправляющие патрубки так, что продолжение оси каждого патрубка пересекает цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок, на расстояниях от горелок, равных 1-2 диаметра горелки, а суммарная площадь проходного сечения патрубков составляет 50-80% суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха горелок.

Суть предлагаемого технического решения состоит в том, что в зону максимальных температур газов в камере сгорания направляют дополнительное количество воздуха. Увеличение коэффициента избытка воздуха в указанной зоне существенно снижает максимальную температуру продуктов сгорания, что резко уменьшает скорость образования оксидов азота. При этом для достижения требуемого результата дополнительный воздух должен подаваться в начало зоны максимальной температуры газов, т.к. если воздух подавать в некоторое сечение ниже по потоку, то выше этого сечения максимальная температура сохраняется прежней, и выход оксидов азота уменьшается незначительно или остается на прежнем уровне. Если дополнительный воздух подавать выше по потоку от рекомендуемой зоны, то это может привести к ухудшению стабилизации факела и появлению недожога.

Исследования полей температуры газов в камере сгорания агрегата ГТК-750-6 показали, что начало зоны максимальных температур расположено на расстоянии от горелок равном N 1-2 диаметра горелки.

Для достижения цели изобретения большое значение имеет также количество воздуха, вдуваемое в зону максимальной температуры. Если воздуха вдувается недостаточно, то снизить токсичность продуктов сгорания до величины, определенной стандартом, не удается. С другой стороны, при слишком большом вдуве воздуха снижается полнота сгорания топлива и возможно пульсационное горение, что недопустимо.

Количество вдуваемого воздуха определяется проходным сечением воздухонаправляющих патрубков. Проведенные на ряде гзаоперекачивающих агрегатов исследования показали, что требуемое снижение токсичности продуктов сгорания может быть достигнуто, когда суммарная площадь проходного сечения патрубков превышает 50% суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха горелок. Однако при увеличении площади проходного сечения патрубков до величин более 80% от площади проходного сечения завихрителей становится заметным недожог. Поэтому соотношение указанных площадей должно лежать в пределах 50-80%.

Заявляемая камера сгорания существенно отличается от прототипа тем, что по окружности пламенной трубы и во фронтовом устройстве установлены воздухонаправляющие патрубки. Воздухонаправляющие патрубки позволяют подать дополнительное количество воздуха в зону горения и придать струям воздуха, истекающим из патрубков, требуемое направление.

Заявляемая камера сгорания существенно отличается от прототипа также тем, что продолжение оси каждого патрубка пересекает цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок, на расстояниях от горелок, равных 1-2 диаметра горелки. Указанная ориентация воздухонаправляющих патрубков позволяет направить дополнительное количество воздуха в начало зоны максимальной температуры газов. Как сказано выше, при этом существенно снижается скорость образования оксидов азота без ухудшения стабилизации факела и уменьшения полноты сгорания топлива.

Заявляемая камера сгорания существенно отличается также тем, что суммарная проходная площадь патрубков составляет 50-80% суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха горелок. Такое соотношение проходных площадей позволяет снизить токсичность продуктов сгорания до требуемого уровня без существенного снижения полноты сгорания и устойчивости горения.

Сравнение заявляемой камеры сгорания с прототипом позволило установить ее соответствие критерию "новизна".

При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания; на фиг.2 - вид на фронтовое устройство со стороны зоны горения.

Камера сгорания содержит пламенную трубу 1 и фронтовое устройство 2, включающее ряд расположенных по окружности горелок 3, содержащих лопаточные завихрители воздуха 4 и топливораздающие устройства 5. Во фронтовом устройстве между горелками установлены воздухонаправляющие патрубки 6, а по окружности пламенной трубы напротив горелок - воздухонаправляющие патрубки 7. Все патрубки установлены так, что продолжение оси каждого патрубка пересекает цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок, на расстояниях от горелок, равных 1-2 диаметра горелки (см.фиг.1). На фиг.1 изображена камера сгорания, в которой оси патрубков 7, расположенных напротив горелок, и оси патрубков 6, расположенных между горелками, пересекают цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок на одном и том же расстоянии от горелок. Необходимо отметить, что возможны и другие варианты ориентации патрубков. Например, когда оси патрубков 6 пересекают указанную поверхность на расстоянии, равном 1 диаметру от горелок, а оси патрубков 7 - на расстоянии 2 диаметров от горелок.

Кроме того, на чертежах обозначено: 8 - корпус камеры сгорания, 9 - центральная горелка, 10 - кольцевой завихритель воздуха для охлаждения пламенной трубы.

При работe камеры сгорания воздух по кольцевому каналу, образованному корпусом 8 и пламенной трубой 1, поступает к фронтовому устройству 2. Часть воздуха проходит через лопаточные завихрители 4 горелок 3 и 9 и смешивается с топливом, подаваемым через топливораздающие устройства 5. Благодаря наличию обратных токов в осевых зонах закрученных струй топливовоздушная смесь сгорает, образуя за каждой горелкой стабилизированный факел.

Другая часть воздуха через воздухонаправляющие патрубки 6 и 7 поступает в начало зоны максимальной температуры факелов, что позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания (подробно см. выше). И, наконец, третья часть воздуха направляется завихрителем 10 вдоль пламенной трубы для ее охлаждения.

Заявляемое техническое решение экспериментально проверено. Испытания проводились в натурных условиях на газоперекачивающей станции на одном и том же агрегате ГТК-750-6, что гарантирует достоверность полученных результатов. Испытания показали, что концентрация оксидов азота в продуктах сгорания составляет 150 мг/м при 15% содержании кислорода, что в 5-7 раз ниже, чем в прототипе, т.е. в штатной камере сгорания агрегата ГТК-750-6.

В настоящее время ведется подготовка к серийному внедрению.

Использование: в энергетическом транспортном и химическом машиностроении. Сущность изобретения: воздухонаправляющие патрубки расположены на определенном, описываемом в изобретении расстоянии от горелок, также определена суммарная площадь проходного сечения патрубков в зависимости от площади проходного сечения завихрителей воздуха. 2 ил.

1. КАМЕРА СГОРАНИЯ, содержащая пламенную трубу, фронтовое устройство, включающее ряд расположенных по окружности горелок, имеющих лопаточные завихрители воздуха и топливораздающие устройства, установленные по окружности пламенной трубы основные воздухонаправляющие патрубки, отличающаяся тем, что, с целью снижения токсичности, камера снабжена дополнительными воздухонаправляющими патрубками, установленными во фронтовом устройстве между горелками, причем основные и дополнительные патрубки установлены с пересечением их осей с цилиндрической поверхностью, проведенной через оси горелок, на расстояниях от горелок, равных 1 - 2 диаметрам горелок, а суммарная площадь проходного сечения патрубков равна 0,5 - 0,8 суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха горелок. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что основные и дополнительные патрубки установлены на одинаковом расстоянии. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что основные и дополнительные патрубки установлены на разном расстоянии - основные - на расстоянии, равном двум диаметрам горелок, а вспомогательные - на расстоянии, равном одному диаметру горелок.