СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ПОТОКЕ ВОЗДУХА Российский патент 1996 года по МПК F23R3/34 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, теплоэнергетики, в частности, к камерам сгорания, предназначенным для установки в газотурбинных двигателях, а также в различных теплогазогенераторах, обеспечивающих подачу горячих продуктов сгорания в рабочий объем, и в газотурбинных двигателях наземного применения, используемых в системе газоперекачки или пиковых электростанциях.

Известен способ сжигания газового топлива в потоке воздуха в диффузионном факеле и устройство для осуществления способа (см. заявка ЕПВ N 0488556, F 23 R 3/34, 1992), в котором диффузионная вспомогательная форсунка с предварительным смешиванием имеет диффузионное направляющее устройство, снабженное топливоподающей трубкой с входным концом, выходным концом и несколькими топливонаправляющими трубками, а также воздухоподводящей трубой и камеру предварительного смешивания с входным и выходным концами.

Известен способ регулирования воздуха и топлива к большому числу горелок (см. заявка ФРГ N OS 3638410, опубл. 06.01.88 кл. F 23 N 1/02, 5/00), ближайший по технической сущности и принятый за прототип, в котором для воспламенения горелок подводят определенное количество воздуха и определенное количество топлива. После воспламенения горелки подводят воздух, объем которого согласован с подаваемым количеством топлива.

В известном способе процесс сгорания топлива происходит в диффузионном факеле довольно значительных размеров и, следовательно, имеет следующие недостатки:
большие размеры горелочного пространства или большая длина камеры сгорания для завершения горения,
низкая полнота сгорания, повышенное содержание окиси углерода и несгоревших углеводородов в продуктах сгорания, из-за контакта пламени с твердыми поверхностями элементов топочного устройства или камеры сгорания, что приводит к "замораживанию" химических реакций,
излучение от диффузионного факела больших размеров достигает большой доли от всего выделенного тепла, что вызывает сильный нагрев стенок камеры сгорания,
большое количество окислов азота в продуктах сгорания, из-за большого времени пребывания в условиях высоких температур.

Задачей, решаемой данным изобретением является уменьшение длины факела горения, путем интенсификации процесса сжигания топлива, повышение полноты сгорания, а также снижение концентрации окислов азота в продуктах сгорания.

Поставленная задача решается тем, что способ сжигания газообразного топлива в набегающем потоке воздуха, включает подачу топлива в поток воздуха в виде множества струй по всему сечению горелочного объема, воспламенение топлива в потоке воздуха, сжигание топлива и выхлоп продуктов сгорания. Новым является то, что газ подают со скоростью превышающей скорость набегающего потока воздуха, а соотношение этих скоростей m задают в зависимости от степени подогрева газа, которую определяют коэффициентом избытка воздуха α, при горении с малой степенью подогрева при , при горении с большой степенью подогрева при , при этом относительный шаг между осями струй газа задают из условия , где S шаг между осями струй газа, d_г диаметр струй газа на выходе из сопла.

На фиг. 1 представлена зависимость длины камеры сгорания, отнесенной к шагу между осями газовых струй, потребной для выгорания топлива на 99% в зависимости от соотношения начальных скоростей струй газа и потока воздуха m.

На фиг. 2 представлен продольный разрез камеры сгорания для реализации данного способа.

На фиг.3 разрез А-А фиг.2 для квадратного сечения камеры сгорания.

На фиг.4 разрез А-А фиг.2 для квадратного сечения камеры сгорания.

Сущность способа заключается в следующем. Необходимый расход горючего газа подводится мелкими струями, распределенными в поперечном сечении камеры сгорания по заданному закону. Плотность расположения газовых струй в потоке воздуха (местная концентрация газа) может быть или равномерной, или отвечать заданному полю температуры продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания. При этом скорость подачи газа всегда превышает скорость набегающего потока воздуха, а соотношение этих скоростей задают в зависимости от степени подогрева газа, которая определяется коэффициентом избытка воздуха α. По отношению скоростей подачи газа и набегающего потока воздуха m, а также по диаметру струй газа на выходе из сопла, определяют шаг между осями газовых струй, при котором должен обеспечиваться надежный пламяпереброс между отдельными диффузионными факелами.

Расчеты горения струй газообразного топлива в спутном потоке воздуха показали, что полнота сгорания топлива в некотором диапазоне соотношения скоростей топлива и воздуха очень сильно зависит от этого соотношения. Зависимость длины камеры сгорания, отнесенной к шагу между осями газовых струй, потребной для выгорания топлива на 99% в зависимости от соотношения начальных скоростей струй топлива и потока воздуха представлена на фиг.1. Расчеты проведены для воздуха и природного газа при коэффициенте избытка воздуха равном a = 3,0.. Из графика (фиг. 1) видно, что при скоростях струй газа, превышающих скорость потока воздуха, потребная относительная длина камеры в 2. 3 раза короче, чем при обратном соотношении скоростей. Поэтому, с целью обеспечения высокоинтенсивного сжигания струй газа в потоке воздуха следует организовывать подачу газа со скоростью, превышающей скорость потока воздуха.

Результаты показывают также, что по мере роста скорости струй газа относительно скорости потока воздуха потребная относительная длина камеры сгорания уменьшается, т. е. процесс горения становится более интенсивным. Соотношение скоростей W_г/W_в= 5 можно принять критическим, т.е. ниже этого значения начинается довольно крутой рост потребной длины камеры сгорания. Поэтому, с целью обеспечения высокой полноты сгорания в камере наименьшей длины необходимо, чтобы скорость истечения газовых топливных струй превышала скорость спутного воздуха, по возможности, более чем в пять раз.

Ограничения на величину m накладываются условиями надежного пламяпереброса между отдельными диффузионными факелами. Предельный шаг, выше которого пламяпереброс становится ненадежным, зависит от размера сопла струи по соотношению
S_пред= Ad_г,
где A≈ 15 получено из экспериментальных данных.

В соответствии с выводами, сделанными ниже (для природного газа в потоке воздуха при нормальных условиях)
откуда
При a≥ 6 назначают соотношение скоростей m m_пред.

При α< 6 назначают соотношение скоростей в диапазоне
5≅m≅m_пред
Коэффициенту α=6 соответствует подогрев всего на . То есть этот подогрев можно принять близким к минимальному. Поэтому наиболее распространенный случай будет, когда α<6, а 5≅m≅m_пред.

Если в некоторых случаях требуется малый подогрев ΔΤ< 400^°C и α>6, то назначение m= m_пред<5 не приведет к существенному росту длины камеры сгорания, т. к. влияние роста α на уменьшение длины камеры сгорания проявляется всегда сильнее, чем влияние соотношения скоростей m.

Для определения расположения по сечению горелочного объема и количества необходимых факелов, а также диаметров струй газа на выходе из сопла, исходными является скорость воздуха W_в, расход воздуха G_в и плотность воздуха , род горючего газа, его теплотворная способность, плотность ρ_г и коэффициент избытка воздуха для камеры сгорания α.

Имея площадь поперечного сечения камеры
, а также потребный расход газа

(L₀ стехиометрический коэффициент для газа), задаваясь определенным соотношением скоростей m=W_г/W_в, определяют скорость истечения газовых струй
W_г=W_в • m, а затем и суммарную площадь сопел газа

Задаваясь диаметром струи газа на выходе из сопла, можно определить количество необходимых струй газа, или количество сопел, или равное ему количество ячеек

Тогда относительный шаг между осями газовых струй и, следовательно шаг, например, отверстий при квадратной форме ячеек наводят из выражения

Для воздуха и природного газа (метана) при нормальных атмосферных условиях
На выбор величины m накладывают свое влияние также ограничения, связанные с выбором диаметра газовых струй и шага между осями газовых струй. Предельный шаг связан с необходимостью обеспечения устойчивого, надежного пламяпереброса между струями.

Предельный шаг определяется из соотношения
S_пред ≈ Ad_г
где A ≈ 15 (значение получено из экспериментальных данных), т.е. с увеличением диаметра сопла возрастает и предельное значение шага между осями газовых струй, т.е. возрастает шаг между осями сопел, выше которого пламяпереброс перестает быть надежным. В общем случае можно задать
,
то есть шаг между осями топливных струй при заданном α зависит от соотношения скоростей и диаметра сопел топливных струй. Последний выбирается исходя из допустимой длины камеры сгорания по соображениям технологического процесса, из соображений засоряемости сопел в зависимости от наличия пылевых включений в газе и отложения сажи на краях сопел, в диапазоне d_г 0,5.3,0 мм.

Устройство для реализации данного способа (фиг.2) представляет собой камеру сгорания 1, на входе которой расположено фронтовое устройство 2 для подвода горючего газа, его поджигания и обеспечения устойчивого горения. Камера сгорания 1 имеет наружный корпус 3 и жаровую трубу 4 с несколькими поясами 5 воздушного пристеночного охлаждения, распределенными по длине камеры сгорания 1. Фронтовое устройство 2 камеры сгорания 1 содержит, например, блок горелок 6, расположенных по всему сечению входа в камеру сгорания 1, каждая горелка 6 сообщена с коллектором 7 подвода газообразного топлива. Расположение горелок определяется заданным полем температуры на выходе из камеры сгорания. Форма поперечного сечения камеры сгорания 1 может быть любая, например, круглая (фиг. 3), прямоугольная (фиг.4). Диаметр сопел топливных струй выбирается по конструктивным и технологическим соображениям, при этом учитывается засоряемость сопел в зависимости от качества топлива. Длина камеры сгорания 1 определяется по зависимостям, предложенным в способе с учетом диаметра сопел и относительного шага между осями сопел подачи газа.

Работает устройство следующим образом. В набегающий поток воздуха, проходящий через камеру сгорания 1 подают струи газа из горелок 6. Поджигают топливо с помощью постороннего источника (на фиг. не показан). Устанавливают заданный расход воздуха и газа в соответствие с режимом работы установки при выдерживании соотношения скоростей топлива и воздуха m, при , а при .

При этом обеспечивается короткая длина факела сжигания газа и, следовательно, короткая камера сгорания.

Таким образом преимуществами предлагаемого способа сжигания газообразного топлива в потоке воздуха по сравнению с известными является:
сжигание множества мелких струй топлива в набегающем потоке воздуха с заданным соотношением скоростей подачи газа и воздуха в зависимости от заданной степени подогрева, причем скорость подачи газа всегда превышает скорость набегающего потока воздуха, что приводит к интенсификации процесса сжигания на короткой длине и, следовательно, к сокращению длины камеры сгорания,
высокая полнота сгорания ( до 99%) и, следовательно, низкое содержание окиси углерода и несгоревших углеводородов в продуктах сгорания,
снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания из-за малого времени пребывания в условиях высоких температур, т.к. интенсивное сжигание газа осуществляется на короткой длине.

Использование: в камерах сгорания, предназначенных для установки в газотурбинных двигателях, в газогенераторах. Сущность изобретения: необходимый расход горючего газа подводится мелкими струями, распределенными в поперечном сечении камеры сгорания. Скорость подачи газа всегда превышает скорость набегающего потока воздуха, а соотношение этих скоростей задают в зависимости от степени подогрева газа, которая определяется коэффициентом избытка воздуха альфа. По отношению скоростей подачи газа и набегающего потока воздуха m, а также по диаметру струй при котором должен обеспечиваться надежный пламя переброс между отдельными диффузионными факелами. 4 ил.

Способ сжигания газообразного топлива в потоке воздуха путем подачи газа в набегающий поток воздуха в виде множества струй по всему сечению горелочного объема, воспламенения топлива в потоке воздуха, сжигания и выхлопа продуктов сгорания, отличающийся тем, что газ подают со скоростью, превышающей скорость набегающего потока, а соотношение этих скоростей m задают в зависимости от степени подогрева газа, которую определяют коэффициентом избытка воздуха α, причем при горении с малой степенью подогрева при при гонении с большой степенью подогрева при , при этом относительный шаг между осями струй газа задают из условия

где S шаг между осями струй газа;
d_г диаметр струй газа на выходе из сопла.