ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению.

Широко известны фронтовые устройства, содержащие кольцевые завихрители воздуха и топливораздающие устройства /1/.

Недостатком таких фронтовых устройств является низкая интенсивность процесса горения и как следствие этого большая длина факела и повышенная токсичность продуктов сгорания.

Известно фронтовое устройство камеры сгорания, содержащее два кольцевых коаксиальных завихрителя воздуха и расположенное между ними топливораздающее устройство, сообщенное с топливным коллектором, и установленные на выходе из завихрителей кольцевые дефлекторы, поверхности которых имеют радиальный наклон в сторону топливораздающего устройства и коллектора /2/.

Недостатком этого фронтового устройства является повышенная токсичность продуктов сгорания, обусловленная недостаточной эффективностью процесса предварительного смешения топлива с воздухом.

Основной причиной, препятствующей повышению эффективности процесса предварительного смешения и дальнейшего снижения токсичности продуктов сгорания, является односторонняя закрутка воздуха в завихрителях. Для получения достаточно однородной топливовоздушной смеси при подаче топлива между коаксиальными кольцевыми воздушными струями, закрученными в одну и ту же сторону, требуется очень длинная камера смешения, что неизбежно приведет к проскоку пламени в нее.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в снижении токсичности продуктов сгорания.

Целью изобретения является обеспечение токсичности выхлопа газотурбинных установок в пределах действующих стандартов.

Предлагаемое фронтовое устройство камеры сгорания содержит два или более кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя воздуха, на выходе из которых установлены кольцевые дефлекторы, имеющие наклоненные в сторону топливного коллектора козырьки, и отличается от прототипа тем, что завихрители выполнены с закруткой в противоположном направлении, топливные коллекторы размещены между ними, причем осевое расстояние от топливного коллектора до концов дефлекторов определяется из соотношения

где H радиальное расстояние между дефлекторами у входа из завихрителей;
относительная высота топливного коллектора;
Φ угол закрутки потока в завихрителях.

Суть предлагаемого изобретения состоит в рациональной аэродинамической организации процесса предварительного смешения топлива с воздухом за счет подачи топлива в высокотурбулентный сдвиговый слой между встречно закрученными кольцевыми воздушными струями.

Поверхности дефлекторов, обращенные к топливному коллектору, имеют осерадиальный наклон в сторону коллектора. Отбираемые для предварительного смешения с топливом части кольцевых закрученных струй воздуха направляются вдоль этих поверхностей дефлекторов осерадиально навстречу друг другу. В зоне встречи этих частей закрученных струй возникает сдвиговый слой, характеризующийся очень высокой интенсивностью процессов турбулентного переноса. Струи топлива, истекающие из топливораздающих устройств, попадая в сдвиговый слой, интенсивно перемешиваются с воздухом, что позволяет значительно сократить осевую протяженность фронтового устройства: для многих камер сгорания это весьма существенное преимущество.

Соотношение (1), полученное в результате анализа полей концентраций топливного газа в топливовоздушной смеси, позволяет определить оптимальную длину камеры смешения, обеспечивающую высокую гомогенность смеси при минимальной длине камеры смешения.

Расположение кольцевого топливного коллектора между коаксиальными завихрителями воздуха позволяет применять предлагаемое фронтовое устройство в кольцевых камерах сгорания, а также более эффективно использовать огневое пространство в выносных камерах сгорания большого диаметра.

На фиг. 1 дан продольный разрез предлагаемого фронтового устройства; на фиг. 2 вид на фронтовое устройство со стороны огневой зоны камеры сгорания.

Фронтовое устройство содержит два кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя воздуха 1, имеющих встречные направления закрутки потока, и расположенный между ними кольцевой топливный коллектор 2, на торце которого расположены топливораздающие устройства 3. На выходе из завихрителей 1 установлены кольцевые дефлекторы 4, козырьки 5 которых, обращенные к топливному коллектору 2, имеют осе-радиальный наклон в сторону коллектора. Цифрами 6 и 7 обозначены соответственно наружная и внутренняя пламенные трубы.

При работе камеры сгорания поток воздуха разделяется топливным коллектором 2 на кольцевые коаксиальные струи, которые закручиваются навстречу друг другу лопаточными завихрителями 1. Выходящие из завихрителей 1 кольцевые закрученные струи воздуха разделяются дефлекторами 4 на две части. Ближайшие к топливному коллектору части закрученных струй направляются вдоль козырьков 5 дефлекторов, имеющих осерадиальный наклон, навстречу друг другу. В зоне встречи этих струй воздуха возникает высокотурбулентный сдвиговый слой (см. выше), способствующий интенсивному смешению воздуха с топливом, подаваемым в эту же зону топливораздающими устройствами 3. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поступает в огневую зону камеры сгорания, где она сгорает, взаимодействуя с оставшейся частью воздуха, поступающей в огневую зону в виде кольцевых коаксиальных закрученных струй.

Высокая эффективность предварительного смешения топлива с воздухом при минимальной длине камеры смешения обеспечивается соотношением (1).

Как видано из представленных чертежей, предлагаемое фронтовое устройство содержит широко применяемые в этих устройствах элементы: цилиндрические и конические обечайки, лопаточные завихрители. Поэтому его реализация не вызывает каких-либо технических проблем.

Применение предлагаемого фронтового устройства камеры сгорания позволит снизить токсичность продуктов сгорания (концентрацию оксидов азота) в 2-5 раз при одновременном повышении интенсивности процесса горения и уменьшении недожога.

Использование: энергетическое, транспортное и химическое машиностроение, в частности, камеры сгорания турбин и других топливосжигающих устройств. Сущность изобретения: фронтовое устройство камеры сгорания содержит два кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя воздуха 1 со встречным направлением закрутки потока и установленный между ними кольцевой топливный коллектор 2, на торце которого расположены топливораздающие устройства 3. На выходе из завихрителей 1 установлены кольцевые дефлекторы 4, снабженные козырьками 5, имеющими осерадиальный наклон в сторону коллектора. Благодаря оптимально выбранному соотношению радиального расстояния между дефлекторами у выхода из завихрителей, относительной высоты топливного коллектора и угла закрутки потока в завихрителе обеспечивается высокая эффективность смещения топлива с воздухом при минимальной длине камеры сгорания. 2 ил.

Фронтовое устройство камеры сгорания, содержащее два и более кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя воздуха с установленными на их выходе кольцевыми дефлекторами, имеющими наклоненные в сторону топливного коллектора козырьки, отличающееся тем, что завихрители выполнены с закруткой в противоположном направлении, топливные коллекторы размещены между ними, причем осевое расстояние от топливного коллектора до концов дефлекторов определяется из соотношения

где Н радиальное расстояние между дефлекторами у выхода из завихрителей;
относительная высота топливного коллектора;
Φ - угол закрутки потока в завихрителях.