ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F23R3/26 

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

Известно фронтовое устройство, содержащее кольцевой стабилизатор горения, коаксиально установленные относительно него два кольцевых лопаточных завихрителя воздуха, имеющих встречную закрутку, и топливораздающие устройства (см. а.с. СССР N 493140, 1976 г.).

Недостатком этого фронтового устройства является высокая токсичность продуктов сгорания, обусловленная повышенной концентрацией оксидов азота. В описанном фронтовом устройстве имеет место чисто диффузионное горение, при котором процессы смешения топлива с воздухом и собственно горение протекают одновременно. При этом в потоке неизбежно образуются зоны, в которых горение протекает при соотношениях топлива с воздухом, близких к стехиометрическому. Эти зоны имеют очень высокую температуру и являются основными источниками образования оксидов азота.

Известно фронтовое устройство камеры сгорания, содержащее кольцевой стабилизатор горения, коаксиально установленные относительно него три кольцевых лопаточных завихрителя воздуха наружный и два внутренних, имеющих встречную закрутку, кольцевую обечайку, примыкающую к внутреннему завихрителю, топливораздающие устройства (см. патент Швейцарии N 626436, Мкл. Г-23R12, опубл. 1981 г. фиг. 11).

Однако интенсивность процесса смешения топлива с воздухом в данном фронтовом устройстве недостаточна для получения гомогенной смеси, необходимой для низкотоксичного сжигания топлива. Вследствие недостаточной интенсивности перемешивания топлива с воздухом и значительной неравномерности поля концентраций топливовоздушной смеси, подаваемой в зону горения за стабилизатором, в факеле существуют зоны повышенной температуры, являющиеся источниками образования значительного количества оксидов азота. Поэтому для рассмотренного фронтового устройства также характерен повышенный уровень токсичности продуктов сгорания.

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

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, является обеспечение токсичности выхлопа газотурбинных установок в пределах действующих стандартов.

Предлагаемое фронтовое устройство камеры сгорания содержит кольцевой стабилизатор горения, коаксиально установленные относительно него три кольцевых лопаточных завихрителя воздуха наружный и два внутренних, имеющих встречную закрутку, кольцевую обечайку, примыкающую к внутреннему завихрителю, топливораздающие устройства, отличается от прототипа тем, что внутренние завихрители смещены вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности стабилизатора и установлены с образованием совместно с кольцевой обечайкой предкамеры, причем часть топливораздающих устройств также смещена вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности стабилизатора, расположена на входе в предкамеру и направлена в слой смешения закрученных струй воздуха, выходящих из внутренних завихрителей.

Суть изобретения состоит в организации эффективного предварительного смешения топлива с воздухом. При этом процессы смешения и горения протекают последовательно, горение носит кинетический характер, отсутствуют высокотемпературные зоны в факеле, которые являются основными генераторами оксидов азота.

Для осуществления эффективного предварительного смешения топлива с воздухом служит предкамера, образованная смещенными вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности стабилизатора внутренними завихрителями, боковой стенкой стабилизатора и кольцевой обечайкой, примыкающей к внутреннему завихрителю.

Эффективность предварительного смешения топлива с воздухом обеспечивается тем, что внутренние завихрители имеют встречную закрутку и смещены вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности стабилизатора, а часть топливозраздающих устройств расположена на входе в предкамеру и направлена в слой смешения кольцевых закрученных струй воздуха, выходящих из внутренних завихрителей.

При взаимодействии встречно закрученных струй воздуха, выходящих из внутренних завихрителей, образуется высокотурбулентный слой смешения. Благодаря очень высокой интенсивности процессов турбулентного обмена в этом слое при подаче в него топлива смешение топлива с воздухом происходит на участке малой протяженности, а получаемая топливовоздушная смесь имеет достаточно равномерное поле концентраций. В результате этого процесс горения топливовоздушной смеси за стабилизатором носит кинетический характер, что и позволяет, как сказано выше, обеспечить низкую эмиссию оксидов азота.

На фиг. 1 изображен продольный разрез фронтового устройства с выносным топливным коллектором, на фиг. 2 продольный разрез фронтового устройства с топливным коллектором-стабилизатором.

Фронтовое устройство камеры сгорания содержит стабилизатор горения 1, коаксиально которому установлены три кольцевых лопаточных завихрителя воздуха: наружный 2 и два внутренних 3 и 4, имеющих встречную закрутку, а также топливораздающие устройства 5, по меньшей мере часть которых расположена со смещением вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности 6 стабилизатора. Внутренние завихрители 3 и 4 также смещены вверх по потоку по отношению к поверхности 6 и образуют совместно с боковой стенкой стабилизатора и кольцевой обечайкой 7, примыкающей к завихрителю 4, предкамеру 8. Часть топливораздающих устройств расположена на входе в предкамеру и направлена в слой смешения (на фиг. 1 и 2 его границы условно показаны штриховыми линиями) кольцевых закрученных струй воздуха, выходящих из завихрителей 3 и 4.

Кроме того, обозначено: 9 пламенная труба, 10 дежурная горелка (фиг. 1), 11 подвод топлива к коллектору-стабилизатору (фиг. 2).

При работе фронтового устройства воздух, проходя через завихрители 3 и 4, попадает в предкамеру 8 в виде встречно закрученных кольцевых струй. В слой смешения, образующийся при взаимодействии этих струй, с помощью топливораздающих устройств 5, расположенных на входе в предкамеру, подают топливо. Благодаря высокой интенсивности процессов турбулентного перемешивания в этом слое на выходе из предкамеры образуется достаточно однородная топливовоздушная смесь, которая затем попадает в рециркуляционную зону за стабилизатором. В рециркуляционной зоне топливовоздушная смесь из предкамеры горит с одновременным смешением с закрученной струей воздуха, выходящей из завихрителя 2. Поскольку в факеле предварительно подготовленной топливовоздушной смеси отсутствуют высокотемпературные стехиометрические зоны, эмиссия оксидов азота незначительна.

Для повышения устойчивости горения предварительно подготовленной смеси могут применяться различного рода дежурные диффузионные горелки. Например, во фронтовом устройстве (фиг. 1) в качестве дежурной горелки использована обычная регистровая горелка 10, расположенная по оси фронтового устройства. Во фронтовом устройстве (фиг. 2) дополнительная стабилизация факела осуществляется за счет подачи дежурного газа через топливораздающие устройства, расположенные на рабочей поверхности 6 стабилизатора 1.

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

Использование: энергетическое, транспортное и химическое машиностроение, в частности камеры сгорания газотурбинных установок. Сущность изобретения: во фронтовом устройстве камеры сгорания коаксиально кольцевому стабилизатору горения 1 установлены три кольцевых лопаточных завихрителя воздуха: наружный 2 и два внутренних 3 и 4, имеющих встречную закрутку. Часть топливораздающих устройств 5, а также внутренние завихрители 3 и 4 расположены со смещением вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности 6 стабилизатора горения. При этом завихрители 3 и 4 образуют совместно с боковой стенкой стабилизатора и кольцевой обечайкой 7 предкамеру 8, на входе которой расположена часть топливораздающих устройств 5. В предкамеру 8 поступают закрученные завихрителями 3 и 4 струи воздуха, образуя слой смешения, и в этот слой через топливораздающие устройства поступает топливо. После интенсивного перемешивания достаточно однородная топливоздушная смесь из предкамеры поступает в рециркуляционную зону за стабилизатором и горит, смешиваясь с закрученной струей воздуха, выходящей из завихрителя 2. 2 ил.

Фронтовое устройство камеры сгорания, содержащее кольцевой стабилизатор горения, коаксиально установленные относительно него три кольцевых лопаточных завихрителя воздуха наружный и два внутренних, имеющих встречную закрутку, кольцевую обечайку, примыкающую к внутреннему завихрителю, топливораздающие устройства, отличающееся тем, что внутренние завихрители смещены вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности стабилизатора и установлены с образованием совместно с кольцевой обечайкой предкамеры, причем часть топливораздающих устройств также смещена вверх по потоку по отношению к рабочей поверхности стабилизатора, расположены на входе в предкамеру и направлена в слой смещения закрученных струй воздуха, выходящих из внутренних завихрителей.