ПАРОГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F02C3/30 F01K21/04 F02K9/64 

Изобретение относится к области силовых установок, преимущественно газотурбинных, использующих в качестве рабочего тела пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента с горячим газом
продуктом сгорания водорода в кислороде, а более конкретно, к конструкциям парогенераторов.

Известны силовые установки газотурбинного типа, камера сгорания которых содержит цилиндрическую жаровую трубу с зоной горения и зоной смешения, разделенными диафрагмой и выполненные в виде эксцентрично установленных полуцилиндров [1] В каналах, образованных взаимным перекрытием цилиндрических корпусов зон горения и смешения, установлены форсунки топлива. В зоне смешения продукты горения разбавляются вторичным воздухом, подаваемым по каналам охлаждения корпуса.

Камеры горения и смешения кинематически связаны с приводами, которые управляются автоматически в соответствии с заданными режимами изменений расхода топлива и, следовательно, площади перекрытия каналов. Устройство исключает проскок пламени из зоны горения, чем повышается надежность действия.

Однако, недостатком известного агрегата является конструктивная сложность и, главное, системы регулирования и управления в динамике.

Указанный недостаток устранен в конструкции парогенератора для производства водяного пара за счет тепла сжигаемого кислородно-водородного топлива, который содержит распределительную головку с коллекторами топлива и окислителя и форкамеру с запальны устройством инициирования запального факела, описанного в [2] Парогенератор представляет собой водоохлаждаемую камеру сгорания, оснащенную системой подачи балластировочной воды, работает на химическом топливе кислород-водород с добавлением воды или снижения температуры рабочего тела до заданного уровня по трехкаскадной схеме последовательно смонтированных в камере блоков смешения устройств подачи балластировочной воды.

Недостатком известного парогенератора является сложность его конструкции, повышенный вес и габариты, ограничивающие область использования.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы парогенератора и упрощение конструкции и пневмогидравлической схемы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном парогенераторе, содержащем форкамеру с электрозапальным устройством, охлаждаемый корпус, внутри которого размещены камеры сгорания и смешения, разделенные устройством подачи балластировочной воды, выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован с поднутрением, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большего проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания.

Отличительные признаки обеспечили заданный уровень равномерности поля температур на выходе из парогенератора в одном блоке смешения при существенном (примерно в три раза) сокращении продольного габарита агрегата при том же уровне мощности и, как следствие, эквивалентном снижении его массы, и позволили исключить необходимость наружного охлаждения камеры смешения, что значительно упростило гидравлическую схему агрегата, его конструкцию и технологию изготовления.

Выполнение в виде кольцевого ступенчатой формы вкладыша устройства подачи балластировочного компонента обеспечивает его распределение в заданном соотношении, направляя вихрем основной расход (-80%) посредством поднутрения диффузора расчетного профиля под углом в поток высокотемпературного газа, сформированного выходным соплом камеры сгорания.

Таким образом, происходит эффективное принудительное перемешивание балластировочного компонента с продуктами сгорания, выходящими из сопла, а часть балластировочного компонента (-20%), направляемая каналами вкладыша вдоль стенок, обеспечивает активное охлаждение корпуса камеры смешения, а что исключает необходимость в специальном устройстве для внешнего охлаждения.

Профиль поднутрения диффузора сопла оптимизирован по углу внедрения балластировочного компонента в виде струй в факел продуктов сгорания для максимального снижения температуры, практически без градиента в поперечном сечении.

Выбранный профиль поднутрения описывается функциональной однозначной зависимостью и представляет собой инженерную расчетную формулу, которая составляет предмет "ноу-хау".

Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечили получение нового технического эффекта, не присущего частям, т.е. эффект от суммы признаков, а не сумму эффектов.

Изобретение поясняется фиг. 1-3, которые носят чисто иллюстративный характер и не ограничивают объема прав совокупности существенных признаков, где изображено: на фиг. 1 схематично парогенератор; на фиг. 2 вкладыш, узел 1 на фиг. 1, повернуто; на фиг. 3 разрез А-А на фиг.1.

Парогенератор включает в себя форкамеру 1, коллектор 2 горючего и окислителя, водоохлаждаемую камеру 3 сгорания и камеру 4 смешения, разделенные устройством 5 подачи балластировочного компонента (воды). В форкамере 1 смонтировано электрозапальное устройство, содержащее свечу 6 зажигания и магистрали 7, 8 подачи горючего и окислителя соответственно. Коллектор 2 сообщается с магистралью 9 горючего и магистралью 10 окислителя. Корпус камеры 3 сгорания имеет тракт охлаждения, образуемый продольными ребрами 11 с каналами 12 между ними для протекания охлаждения воды. Выход камеры 3 сгорания выполнен в виде сопла 13, диффузор 14 которого спрофилирован с поднутрением по расчетной кривой.

Внутри устройства 5 подачи балластировочной воды смонтирован кольцевой вкладыш 15 (фиг. 3), на периферии которого выполнены ступенчатой формы каналы (фиг. 2). Выход 16 каналов большего проходного сечения направлен в сторону камеры 3 сгорания, а выход 17 каналов меньшего проходного сечения на выход парогенератора, в камеру 4 смешения.

Работает парогенератор следующим образом. Водород по магистрали 7 и кислород по магистрали 3 в отношении 1:5 поступают в форкамеру 1, где электрическим разрядом свечи 6 их смесь воспламеняется. Образовавшийся запальный факел поступает в камеру 3 сгорания, где посредством коллектора 2 от магистралей 9 и 10 образуется горючая химическая смесь водород-кислород в отношении 1:1. Эта смесь в камере 3 воспламеняется запальным факелом форкамеры 1 и сгорает. Корпус камеры 3 охлаждается водой, которая подается по каналам 12 и затем сбрасывается в камеру 4 смешения.

Центральный факел продуктов сгорания, сформированный соплом 13, разбивается мощными обратными вихрями струйных потоков воды из каналов 16 вкладыша 15 устройства 5, направляемыми поднутрением диффузора 14. Горячие газы факела из камеры 3 сгорания при этом активно перемешиваются с рабочим объемом балластировочной воды, а образующаяся паро-газовая смесь (рабочее тело) через центральное отверстие вкладыша 15 поступает в камеру 4 смешения, где стабилизируются параметры назначения (температура, скорость, давление).

Выбранный профиль диффузора 14 обеспечивает высокоскоростной вихрь струй балластировочного компонента (воды, пара), от каналов 16 вкладыша 15, дискретно пересекающих поток продуктов сгорания на выходе сопла 13 под оптимальным углом, в частности 45^o, определенным расчетно-экспериментальным путем по характеристикам выравнивания температуры рабочего тела на минимальной длине камеры 4 смешения.

Часть воды, поступающей через каналы 17 вкладыша 15 подается вдоль корпуса камеры 4 и за счет испарения активно его охлаждает.

Предложенное техническое решение обеспечивает получение заданной температуры рабочего тела в объеме, т.е. практически равномерное распределение в поперечном сечении потока (T_ср), и краткое снижение его высокотемпературной зоны за один этап смешения в камере без специального устройства охлаждения корпуса. Агрегат втрое легче прототипа, что позволяет использовать его для летательных аппаратов, при этом исключено разрушительное действие горячих газов на элементы силовой установки, чем повышена ее живучесть. Устройство просто по конструкции, технологично в изготовлении и надежно при эксплуатации.

Использование: в силовых установках, в частности, в газотурбинных. Сущность изобретения: выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован с поднутрением, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большого проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания. 3 ил.

Парогенератор, содержащий форкамеру с электрозапальным устройством, охлаждаемый корпус, внутри которого размещены камеры сгорания и смешения, разделенные устройством подачи балластировочного компонента, отличающийся тем, что выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован с поднутрением, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большего проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания.