КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к области энергетического, транспортного, химического машиностроения и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок.

Широко известны камеры сгорания, содержащие пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее кольцевые лопаточные завихрители воздуха, внутри которых расположены топливораздающие устройства [1]
Недостатком таких камер сгорания является высокая токсичность продуктов сгорания (большая концентрация оксидов азота), обусловленная низкой интенсивностью процесса смешения топлива с воздухом.

Известна камера сгорания, содержащая пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее два кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя воздуха со встречными направлениями закрутки потока, между которыми расположен кольцевой топливный коллектор с топливораздающими устройствами [2] Эта камера сгорания обеспечивает более интенсивное перемешивание топлива с воздухом и, соответственно, более низкую токсичность продуктов сгорания. Однако, концентрация оксидов азота в них остается достаточно высокой, поскольку в данной камере сгорания процессы смешения топлива с воздухом и горения протекают одновременно (диффузионное горение) и в факеле всегда есть стехиометрические или близкие к стехиометрическим зоны, в которых температура весьма высока. Именно эти высокотемпературные зоны и являются основными генераторами оксидов азота. Поэтому в камерах сгорания с диффузионным горением практически невозможно исключить образование значительных количеств оксидов азота.

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

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении заявляемого изобретения, является обеспечение токсичности выхлопа газотурбинных установок в пределах самых жестких зарубежных стандартов и ниже.

Заявляемая камера сгорания содержит пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее два кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя воздуха со встречным направлением закрутки потока, между которыми расположен кольцевой топливный коллектор с топливораздающими устройствами, и отличается от прототипа тем, что с внутренней стороны завихрителя меньшего диаметра установлена кольцевая обечайка, внутри которой расположена дежурная горелка, а на пламенной трубе расположен кольцевой дефлектор-уступ, образующий совместно с концом обечайки кольцевую щель, причем площадь проходного сечения этой щели составляет (0,8^oC1,2) суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха со встречным направлением закрутки потока.

Суть заявляемого изобретения состоит в разделении процессов смешения топлива с воздухом (предварительное смешение) и горения предварительно подготовленной топливовоздушной смеси (кинетическое горение). При этом в факеле отсутствуют высокотемпературные зоны и выход оксидов азота значительно снижается.

Для осуществления предварительного смешения топлива с воздухом служит кольцевая обечайка, установленная с внутренней стороны завихрителя меньшего диаметра, образующая совместно с пламенной трубой и кольцевым дефлектором-уступом смесительную предкамеру. Эффективность предварительного смешения обеспечивается подачей топлива в высокотурбулентный сдвиговый слой между встречно закрученными кольцевыми струями воздуха, выходящими из завихрителей.

Создание камер сгорания с предварительным смешением топлива с воздухом связано с двумя серьезными проблемами: проскоком пламени в зону предварительного смешения и узким диапазоном устойчивого горения предварительно подготовленной смеси. В заявляемой камере сгорания эти проблемы решены следующим образом. Кольцевой дефлектор-уступ, расположенный на пламенной трубе, образует совместно с концом обечайки кольцевую щель, причем площадь проходного сечения этой щели составляет (0,8^oC1,2) суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха со встречным направлением закрутки потока. Указанная площадь проходного сечения щели обеспечивает скорость истечения топливовоздушной смеси из нее, близкую к скорости воздуха на выходе из завихрителей.

При такой скорости топливовоздушной смеси, с одной стороны, практически невозможен проскок пламени в предкамеру, с другой стороны, гидравлические потери сравнительно невелики, и сопротивление камеры сгорания остается в допустимых пределах.

Устойчивое горение предварительно подготовленной топливовоздушной смеси на всех режимах работы в заявляемой камере сгорания обеспечивается тем, что внутри кольцевой обечайки расположена дежурная горелка, поддерживающая в осевой зоне камеры сгорания устойчивый диффузионный факел, а на пламенной трубе у выхода из смесительной предкамеры расположен кольцевой дефлектор-уступ, который направляет топливовоздушную смесь из предкамеры в приосевую зону, где она поджигается факелом дежурной горелки. Кроме того, за уступом образуется устойчивый тороидальный вихрь, который также стабилизирует горение топливовоздушной смеси за счет обратных токов горячих продуктов сгорания.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен продольный разрез камеры сгорания.

Камера сгорания содержит пламенную трубу 1 и фронтовое устройство, включающее два кольцевых лопаточных завихрителя воздуха 2 со встроенными направлениями закрутки потока, между которыми расположен кольцевой топливный коллектор 3 с топливораздающими устройствами 4, и дежурную горелку 5. С внутренней стороны завихрителя меньшего диаметра установлена кольцевая обечайка 6. На пламенной трубе расположен кольцевой дефлектор-уступ 7, образующий совместно с концом обечайки 6 кольцевую щель 8, причем площадь проходного сечения этой щели составляет (0,8^oC1,2) суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха 2. На чертеже показан также корпус камеры сгорания 9.

При работе камеры сгорания воздух через завихрители 2 со встречным направлением закрутки потока подается в смесительную предкамеру, образованную пламенной трубой 1, кольцевой обечайкой 6 и уступом-дефлектором 7. Туда же через топливораздающие устройства 4 из топливного коллектора 3 подается топливо. В смесительной предкамере осуществляется интенсивное перемешивание топлива с воздухом в высокотурбулентном сдвиговом слое между встречно закрученными кольцевыми струями воздуха, выходящими из завихрителей 2. Полученная в результате этого гомогенная топливновоздушная смесь с помощью дефлектора-уступа 7 через кольцевую щель 8 с высокой скоростью, исключающей проскок пламени в предкамеру, направляется в приосевую зону камеры сгорания, где она поджигается устойчивым факелом дежурной горелки 5. За дефлектором-уступом 7 образуется тороидальный вихрь, который оказывает дополнительное стабилизирующее воздействие на горение топливовоздушной смеси. При горении предварительно подготовленной гомогенной топливовоздушной смеси в факеле отсутствуют стехиометрические высокотемпературные зоны, благодаря чему образование оксидов азота незначительно.

Как видно из представленного чертежа, заявляемая камера сгорания содержит широко применяемые в этих устройствах элементы: цилиндрические и конические обечайки, лопаточные завихрители. В качестве дежурной горелки в камере сгорания использована обычная регистровая горелка. Возможно и другое конструктивное исполнение дежурной горелки. Очевидно, что реализация заявляемого изобретения не вызывает каких-либо технологических проблем.

В настоящее время заявляемая камера сгорания находится в стадии экспериментальной обработки.

Область применения: энергетическое, транспортное и химическое машиностроение, в частности, камеры сгорания газовых турбин. Сущность изобретения: камера сгорания содержит пламенную трубу 1 и фронтовое устройство, состоящее из двух кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителей воздуха 2 со встречными направлениями закрутки потока. Между завихрителями установлен кольцевой топливный коллектор 3 с топливораздающими устройствами 4. В приосевой зоне камеры сгорания установлена дежурная горелка 5. Кольцевой обечайкой 6 и кольцевым дефлектором-уступом 7 образована щель 8, площадь проходного сечения которой составляет (0,8-1,2) суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха 2. В смесительную предкамеру, образованную пламенной трубой 1, кольцевой обечайкой 6 и уступом-дефлектором 7, подается кольцевыми встречно закрученными струями воздух и топливо и происходит их интенсивное перемешивание. Затем гомогенная топливовоздушная смесь с помощью дефлектора-уступа 7 через щель 8 с высокой скоростью, исключающей проскок пламени в предкамеру, направляется в приосевую зону камеры сгорания, где поджигается факелом горелки 5. Технический результат: при горении подготовленной гомогенной топливовоздушной смеси в факеле отсутствуют стехиометрические высокотемпературные зоны, что способствует уменьшению образования оксидо азота. 1 ил.

Камера сгорания, содержащая пламенную трубу и фронтовое устройство, включающее два кольцевых коаксиальных лопаточных завихрителя со встречными направлениями закрутки потока и с расположенным между ними кольцевым топливным коллектором с топливно-раздающими устройствами, отличающаяся тем, что камера сгорания снабжена установленной с внутренней стороны меньшего диаметра кольцевой обечайкой с расположенной внутри нее дежурной горелкой, на пламенной трубе выполнен кольцевой дефлектор-уступ, образующий совместно с концом обечайки кольцевую щель с площадью проходного сечения, равной 0,8 1,2 суммарной площади проходного сечения завихрителей воздуха, со встречным направлением закрутки потока.