КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23R3/14 

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 кольцевой ряд горелок [1].

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

Известна также 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].

Недостатком этой камеры сгорания является повышенная токсичность продуктов сгорания, обусловленная малой глубиной проникновения струй воздуха, истекающих из воздухонаправляющих патрубков, в огневую зону камеры сгорания. Дальнобойности струй не хватает для того, чтобы достичь зоны максимальных температур факела и подать в нее необходимое количество воздуха. Струи воздуха размываются набегающим потоком газа, не достигая зоны максимальных температур факела, а воздухонаправляющие патрубки не дают ожидаемого эффекта.

Кроме того, при малой глубине проникновения струй воздуха в огневое пространство наблюдается повышенная неравномерность температурного поля газов на выходе из камеры.

Целью настоящего изобретения является снижение токсичности продуктов сгорания и уменьшение неравномерности температурного поля газов на выходе из камеры.

Поставленная цель достигается тем, что воздухонаправляющие патрубки, установленные по окружности пламенной трубы, выступают в огневое пространство камеры сгорания, причем длина выступающих частей патрубков составляет
h_п= (0,7÷1,3) - 3,3d_пsin (1) где D_п - диаметр пламенной трубы, на котором установлены воздухонаправляющие патрубки;
D_г - диаметр кольцевого ряда горелок (по осям горелок);
α - угол установки патрубка (угол между осями патрубка и камеры сгорания);
d_п - внутренний диаметр патрубка.

Суть заявляемого технического решения состоит в том, что благодаря выступающим в огневое пространство частям воздухонаправляющих патрубков удается увеличить глубину проникновения струй воздуха в огневое пространство камеры сгорания и подать необходимое количество воздуха в зону максимальной температуры газов. Это позволяет снизить уровень максимальной температуры до величины, при которой образование токсичных веществ незначительно.

Кроме того, при этом интенсифицируются процессы перемешивания в камере сгорания и существенно снижается неравномерность температурного поля газов на выходе из камеры.

Существенным отличием заявляемой камеры сгорания является то, что воздухонаправляющие патрубки выступают в огневое пространство камеры сгорания, причем длина выступающих частей патрубков определяется по формуле (1) в зависимости от геометрических характеристик камеры сгорания (D_п, D_г), диаметра патрубков (d_п) и угла их установки (α). Именно при такой длине выступающей части патрубка истекающая из него струя достигает зоны максимальных температур газов.

Формула (1) для определения длины выступающей в огневое пространство части воздухонаправляющего патрубка получена исходя из следующих соображений.

Для эффективной работы патрубков необходимо, чтобы подаваемые ими струи воздуха проникали в огневое пространство камеры сгорания до зоны максимальных температур, т.е. до цилиндрической поверхности, проходящей через продолжение осей горелок. Это условие можно записать так
= sinα(h_п+h_c) (2)
где D_п - диаметр пламенной трубы, на котором установлены воздухоподводящие патрубки;
D_г - диаметр кольцевого ряда горелок (по осям горелок);
α - угол установки патрубков - угол между осями патрубка и камеры сгорания;
h_п - длина выступающей в огневое пространство части патрубка;
h_с - дальнобойность струи воздуха, истекающей из патрубка.

Тогда длина выступающей части патрубка равна
h_п= - h_c (3)
Оценим дальнобойность струи, истекающей из патрубка, используя соотношение (см. Э.Г.Нарежный, А.В.Сударев. Камеры сгорания судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1973, с.231).

h_c= 2d_пsin (4) где d_п - внутренний диаметр патрубка;
Ψ - угол атаки;
U_с,U_о - скорости струи и сносящего потока;
Т_с,Т_о - температуры струи и сносящего потока.

Учитывая закрутку потока в камере сгорания, угол атаки можно определить по формуле
Ψ = arctg (5) где ϕ - угол закрутки потока.

В реальных камерах сгорания углы α и ϕ лежат в пределах (45-60)^о. Учитывая это и анализируя формулу (5) с погрешностью, не превышающей 12%, можно принять
sinΨ = sin (6)
Отношение скоростей струи и сносящего потока примерно равно корню из отношения коэффициентов гидравлического сопротивления завихрителя и патрубка
≃ (7) Поскольку коэффициенты гидравлического сопротивления различаются незначительно можно считать, что
≈ 1 (8)
Оценим теперь величину . Температура струи равна температуре воздуха на входе в камеру, которая для современных камер сгорания лежит в пределах
Т_с=Т_в=(600-800)К.

Температура сносящего потока меняется по радиусу камеры от Т_в у стенки до температуры факела у оси горелки, которая составляет Т_ф=(2000-2100)К. Полагая в первом приближении
T_o= (9) получим интервал 1,50 < < 1,75 Тогда с погрешностью, не превышающей 8%, можно принять
≈ 1,63 (10)
Подставляя в формулу (4) значения параметров из соотношений (6), (8) и (10), получим формулу
h_c= 3,26d_пsin (11)
Тогда из формулы (3) получим
h_п= - 3,26 d_пsin (12)
Вводя поправочный коэффициент 0,7-1,3, учитывающий принятые допущения и соответствующие погрешности, получим формулу (1).

Если длина выступающей части патрубков будет меньше рекомендуемой, то струя воздуха будет размываться набегающим потоком до того, как она достигнет зоны максимальной температуры факела, и установка патрубков будет неэффективной. При излишней длине выступающей части патрубка его эффективность также снижается, причем возможен перегрев патрубка, а такжке захолаживание приосевой зоны камеры сгорания, т.е. увеличение неравномерности температурного поля газов на выходе из камеры.

На чертеже изображен продольный разрез камеры сгорания.

Камера сгорания содержит пламенную трубу 1 и фронтовое устройство 2, включающее ряд расположенных по окружности горелок 3. По окружности пламенной трубы установлены воздухонаправляющие патрубки 5. Кроме того, на чертеже обозначено: кольцевой завихритель воздуха охлаждения пламенной трубы - 4, корпус - 6, центральная горелка - 7.

При работе камеры сгорания воздух по кольцевому каналу, образованному корпусом 6 и пламенной трубой 1, поступает к фронтовому устройству 2. Часть воздуха проходит через лопаточные завихрители горелок 3 и смешивается с топливом, подаваемым топливораздающими устройствами горелок. Благодаря наличию обратных токов в осевых зонах закрученных струй топливовоздушная смесь сгорает, образуя за каждой горелкой стабилизированный факел. Другая часть воздуха через воздухонаправляющие патрубки 5 поступает в зону максимальной температуры факелов, причем благодаря тому, что патрубки выступают в огневое пространство камеры сгорания на заданную величину (см. формулу (1)) обеспечивается требуемая глубина проникновения струй воздуха в огневую зону камеры. Этим достигаются низкие токсичность продуктов сгорания и неравномерность температурного поля газов на выходе из камеры (подробно см. выше).

И, наконец, третья часть воздуха направляется завихрителем 4 вдоль пламенной трубы для ее охлаждения.

Заявляемое техническое решение экспериментально проверено. Испытания проводились в натурных условиях на газоперекачивающем агрегате ГТК-750-6. Испытания показали, что концентрация оксидов азота в продуктах сгорания по сравнению со штатной камерой сгорания уменьшается в 5-6 раз при одновременном уменьшении неравномерности температурного поля газов в 1,5-2,0 раза.

В настоящее время ведется подготовка к серийному внедрению.

Использование: в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Сущность изобретения: воздухонаправляющие патрубки расположены на определенном расстоянии от горелок, заглублены в огневое пространство пламенной трубы на определенную длину, описываемую в изобретении. Так же определена суммарная площадь проходного сечения патрубков в зависимости от площади проходного сечения завихрителей воздуха. 1 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 с выступанием в ее огневое пространство основные воздухонаправляющие патрубки, отличающаяся тем, что 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 расстоянии от горелок, равном 1 - 2 диаметрам горелок, суммарная площадь проходного сечения патрубков равна 0,5 - 0,8 суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха горелок, а длина h_п выступающей в огневое пространство части основных воздухонаправляющих патрубков равна

где D_п - диаметр пламенной трубы, на котором установлены воздухонаправляющие патрубки;
D_г - диаметр окружности, на которой расположены горелки (по осям горелок);
α - угол между осями патрубка и камеры сгорания;
d_п - внутренний диаметр патрубка.