КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23R3/04 

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

Широко известны камеры сгорания, содержащие пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее кольцевой ряд горелок [1].

Недостатком таких камер сгорания является, как правило, высокая токсичность продуктов сгорания, обусловленная высокой концентрацией в них оксидов азота.

Известна камера сгорания, содержащая пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее ряд расположенных по окружности горелок, содержащих лопаточные завихрители воздуха и топливораздающие устройства, причем по окружности пламенной трубы установлены воздухонаправляющие патрубки [2].

Конструкция прототипа позволяет существенно снизить токсичность продуктов сгорания (в несколько раз уменьшается содержание оксидов азота). Вместе с тем, указанная камера сгорания обладает существенным недостатком: повышенным содержанием окиси углерода в продуктах сгорания. Это обусловлено сосредоточенным вдувом значительного количества холодного воздуха в зону горения, что приводит к резкому снижению температуры и скорости реакции и появлению недожога. Повышенное содержание окиси углерода в продуктах сгорания увеличивает их токсичность и свидетельствует о снижении полноты сгорания топлива.

Целью настоящего изобретения является снижение токсичности продуктов сгорания и увеличение полноты сгорания топлива.

Поставленная цель достигается тем, что воздухонаправляющие патрубки установлены в n кольцевых рядов (n≥2) так, что продолжение осей патрубков i-го ряда (1≅i≅n) пересекает цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок на расстоянии х_i от горелок, равном
x_i= d1 + ± где d_г - наружный диаметр завихрителя воздуха горелки;
Δ_i - коэффициенты смещения (0 ≅ Δ_i ≅ 0,5).

Сущность изобретения заключается в том, что вдуваемый в зону максимальных температур газов относительно холодный воздух подается не сосредоточенно, а порциями, которые равномерно распределяются по длине этой зоны. Для достижения положительного эффекта количество таких порций должно быть не менее двух (n≥2). Выражение для осевой координаты х_i соответствующего сечения зоны максимальных температур, в котором вдувается i-я порция воздуха, имеет следующую структуру.

Первые два слагаемых в скобках определяют осевую координату при разбиении зоны максимальных температур на n равных частей (шагов). Последнее слагаемое позволяет смещать сечение вдува в ту или иную сторону в пределах одного шага. Такое смещение может возникнуть вследствие конструктивных особенностей камеры сгорания или технологических отклонений при ее изготовлении.

При равномерном распределении подаваемого воздуха по длине зоны максимальных температур газов удается поддерживать такой температурный уровень реакции горения, который достаточно высок для того, чтобы реакция протекала быстро и отсутствовал недожег, и, в то же время, температура не превышала бы тех значений, при которых начинается интенсивное образование оксидов азота.

Заявляемая камера сгорания существенно отличается от прототипа тем, что воздухонаправляющие патрубки установлены в n кольцевых ярдов (n≥2) так, что продолжение осей патрубков i-го ряда (1≅i≅n) пересекает цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок на расстоянии х_i от горелок, равном
x_i= d1 + ±
Именно установка нескольких кольцевых рядов воздухонаправляющих патрубков и их ориентация в соответствии с приведенной формулой позволяют равномерно распределить холодный воздух по длине зоны максимальных температур газов, чем и достигается, как сказано выше, цель изобретения.

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 установлен первый кольцевой ряд воздухонаправляющих патрубков 6, а по окружности пламенной трубы - второй ряд патрубков 7 и третий ряд патрубков 8.

Продолжение осей патрубков каждого ряда пересекает цилиндрическую поверхность, проведенную через оси горелок на следующих расстояниях от горелок (n=3; Δ₁ = Δ₂ = Δ₃ = 0); Х₁=1,0; Х₂=1,5; Х₃=2,0.

Нумерация рядов воздухонаправляющих патрубков, т.е. значение числа i, которое присваивается каждому конкретному ряду, никак не связана с расположением этих рядов. Это означает, что номера рядов не обязательно должны отсчитываться от фронтового устройства к выходному сечению, как это показано, например, на фиг.1. Значение числа i говорит лишь о том, что данный ряд патрубков направляет воздух в определенное сечение огневого пространства камеры сгорания, но не указывает на то, из какого сечения камеры этот воздух подается. В частном случае несколько рядов патрубков могут располагаться в одном сечении (например, на одной окружности пламенной трубы), образуя как бы один общий ряд, включающий патрубки с различной ориентацией (с различными значениями i).

Кроме того, на чертежах обозначено: 9 - корпус камеры сгорания, 10 - центральная горелка, 11 - кольцевой завихритель воздуха для охлаждения пламенной трубы.

При работе камеры сгорания воздух по кольцевому каналу, образованному корпусом 9 и пламенной трубой 1, поступает к фронтовому устройству 2. Часть воздуха проходит через лопаточные завихрители 4 горелок 3 и 10 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, 7 и 8 поступает в зону максимальной температуры факелов, причем благодаря указанной выше ориентации рядов патрубков они равномерно распределяют воздух по длине начального участка зоны максимальных температур газов. Этим достигается низкая токсичность продуктов сгорания и высокая полнота сгорания топлива. Третья часть воздуха направляется завихрителем 11 вдоль пламенной трубы для ее охлаждения.

Изобретение находится в стадии экспериментальной отработки. Испытания, проведенные на опытном стенде Всесоюзного теплотехнического института, показали, что даже при наличии только двух рядов патрубков, установленных в соответствии с приведенными выше рекомендациями, содержание окиси углерода в продуктах сгорания уменьшается в 1,5-3,0 раза.

Использование: в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Сущность изобретения: воздухонаправляющие патрубки расположены не менее чем в двух кольцевых рядах 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.

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 камера снабжена дополнительными патрубками, установленными во фронтовом устройстве между горелками, причем основные и дополнительные патрубки установлены не менее чем в двух кольцевых рядах с пересечением их осей с цилиндрической поверхностью, проведенной через оси горелок, на расстоянии от горелок, равном 1 - 2 диаметрам горелок и определяемом для i-го ряда (1 ≅ i ≅ n) по формуле

где Δ_i - коэффициент смешения (0 < Δ_i < 0,5);
d_г - наружный диаметр завихрителя воздуха горелки,
а суммарная площадь проходного сечения патрубков равна 0,5 - 0,8 суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха.