УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ Российский патент 1997 года по МПК F23D14/02 F23D14/74 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлив, преимущественно в газотурбинных двигателях энергетических установок.

Известны устройства для сжигания жидких топлив, в которых смешение горючего и окислителя, испарение жидкого топлива и его горение осуществляется в одном и том же объеме при диффузионном характере горения (Авт. св. N 805711, кл. F 23 R 3/00).

Известны устройства для сжигания газообразных топлив (Авт. св. N 1153189, кл. F 23 D 14/02).

Основными недостатками существующих устройств для сжигания жидких и газообразных топлив являются в случае жидких топлив:
неполнота сжигания, сопровождающаяся образованием сажи, дыма, нагара и токсичных продуктов моноокиси углерода, окислов азота, несгоревших углеводородов, в том числе образующихся в процессе горения высокомолекулярных концерогенных соединений полиароматического ряда и бензпиренов;
высокие требования к качеству топлив;
при сжигании газообразных топлив:
образование преимущественно окислов азота.

К недостаткам существующих устройств для сжигания всех топлив следует отнести высокие гидравлические сопротивления тракта.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение эффективности и экологической чистоты сжигания топлив, а также улучшение гидравлических характеристик устройств для сжигания топлив.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, снижение требований к качеству топлив, не сопровождающееся образованием сажи, дыма, нагара и т.д. а также снижение гидравлического сопротивления тракта.

В предложенном устройстве для сжигания топлив, содержащем камеры смешения, подготовки и горения топливно-окислительной смеси, указанный технический результат обеспечивается за счет того, что камеры смешения и подготовки топливной смеси выполнены в виде одной камеры смешения-подготовки с устройствами для подачи топлива и необходимого для горения окислителя, имеющей длину 3 5 калибров от места ввода топлива, и камеры горения длиной 0,8 1,5 ее калибра, являющейся аксиальным продолжением камеры смешения-подготовки. Все камеры выполнены в виде прямоточной трубы переменного сечения с резким увеличением площади сечения на входе в камеру горения.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами и результатами испытаний на опытной камере сгорания в стендовых условиях (см. таблицу).

На чертеже схематично показано устройство для сжигания топлив.

Устройство содержит камеру смешения-подготовки топливно-окислительной смеси 1, камеру горения 2, устройство для подачи топлива 3, устройство для поджига смеси 4.

Работа устройства на примере камеры сгорания ВРД состоит в следующем.

Предназначенная для сжигания топлива часть предварительно подогретого воздуха подается в камеру 1 для смешения с топливом, подаваемым устройством 3, при этом обеспечивается коэффициент избытка воздуха в камере смешения-подготовки не менее 0,95 при скорости течения смеси топлива с окислителем в 1,2 1,6 раз больше скорости распространения турбулентного пламени и времени нахождения смеси в камере 1 в пределах 10^-2 - 10^-3 с. Подготовленная таким образом топливно-окислительная смесь, попадая в камеру горения 2, поджигается от запального устройства 4 и сгорает в узкой пространственной зоне. Скорость топливно-окислительной смеси в камере горения конструктивно обеспечивается в пределах, гарантирующих устойчивое горение.

Конструктивно само устройство состоит из камеры смешения-подготовки, выполненной в виде одной камеры (трубы), в которую подаются предназначенные для сжигания топливо и окислитель (воздух). Камера горения представляет собой аксиальное продолжение камеры смешения-подготовки и все камеры выполнены в виде прямоточной трубы переменного сечения с резким увеличением площади сечения на входе в камеру горения. При этом длина камеры смешения-подготовки составляет 3 5 калибров от места ввода топлива, а длина камеры горения 0,8 1,5 ее калибра.

В предлагаемом изобретении эффективность сжигания топлив повышается за счет разделения фаз смешения и подготовки топливно-окислительной смеси и ее горения. Эти процессы происходят в разных объемах, при этом в камере смешения-подготовки за счет выбранной технологии происходит энергонасыщение смеси, в результате чего в камере горения сжигание подготовленной таким образом смеси происходит более полно в узкой пространственной зоне.

Для сравнения в существующих конструкциях ГТД с одноступенчатой схемой сжигания в зоне горения реализуются переобогащенные топливно-воздушные смеси с α≅0,3 для поддержания устойчивого горения на разных режимах. Эти режимы характеризуются повышенным сажеобразованием, дымлением и образованием токсичных продуктов и радиационным нагревом элементов конструкции горячего тракта двигателя. Из-за недостаточной эффективности сжигания увеличивается длина факела, что требует увеличения габаритов и веса конструкции.

В предлагаемой конструкции за счет реализации более эффективного сжигания при оптимальных коэффициентах избытка окислителя длина факела резко сокращается, что приводит к уменьшению длины камеры горения (не более 1,5 калибра) и веса.

Работа устройства по изобретению для сжигания топлив была проверена на опытной камере сгорания ВРД в стендовых условиях на различных топливах (ТС-1, РТ, Т-6). Топлива различались как по углеводородному составу (содержание ароматических углеводородов (АУ) колебалось в пределах 8 38 мас. ), так и по плотности (780 843 кг/м³). При этом содержание АУ в ряде образцов топлив превышало пределы, установленные отечественными (10 22 мас.) и зарубежными нормативами (не более 25 об. или 27 28 мас.).

Следует отметить, что ограничения по содержанию АУ в топливах введены из-за их повышенной склонности к сажеобразованию, дымлению и, как следствие, к повышенному нагреву элементов конструкции горячего тракта двигателей в результате реализации диффузионного механизма горения в камерах сгорания большинства современных ГТД.

Характерным признаком этого является цвет пламени от белого до ярко-желтого в зависимости от концентрации сажи в продуктах горения. Для бессажевого горения характерны голубое или бесцветное пламя.

При проведении экспериментальных работ на опытных устройствах эффективность горения оценивалась по цвету пламени и по количеству отложений частиц сажи на бумажном фильтре при фильтрации через него фиксированного объема продуктов сгорания.

Предлагаемое изобретение, реализующее новый способ горения топлив, было проверено в стендовых условиях на жаровой трубе наиболее совершенного отечественного авиадвигателя ПС-90 путем сравнительных испытаний двух устройств с традиционными подводами топлива и воздуха и с использованием устройства по изобретению.

На существующей конструкции на всех режимах по (коэффициенту избытка воздуха) от взлетного a 3,2 до режима малого газа a 9 процесс горения проходил по диффузионному механизму цвет пламени был неизменно желтым и имелись значительные отложения сажи на бумажном фильтре, а также имелись отложения нагара на внутренней поверхности жаровой трубы. Эта же жаровая труба, оборудованная устройством по изобретению, обеспечила высокую эффективность горения: пламя было устойчивым и его цвет даже при сжигании высокоароматизированных топлив был голубым, на фильтре и внутренней поверхности жаровой трубы практически отсутствовала сажа и нагар.

Из полученных данных следует, что предлагаемое устройство позволяет повысить полноту сгорания, экономичность и, как следствие, снизить выбросы экологически вредных веществ, повысить надежность работы горячей части двигателя даже при работе на более низкосортных топливах. При этом само устройство отличается максимальной простотой и минимальным гидравлическим сопротивлением.

Использование: для сжигания топлив в различных двигателях и энергетических установках. Устройство предназначено для повышения эффективности и экологической чистоты сжигания топлив. Сущность изобретения: устройство для сжигания топлив содержит камеру смешения-подготовки с длиной 3 - 5 калибров от места ввода топлива и камеру горения с длиной 0,8 - 1,5 ее калибра, при этом камера горения представляет собой аксиальное продолжение камеры смешения-подготовки, а все камеры выполнены в виде прямоточной трубы переменного сечения с резким увеличением площади на входе в камеру горения. 1 ил., 1 табл.

Устройство для сжигания топлив, содержащее камеры смешения, подготовки и горения топливо-окислительной смеси с узлами подачи топлива и окислителя, размещенными на входе в устройство, отличающееся тем, что камеры смешения и подготовки выполнены в виде одной камеры смешения-подготовки, камера горения представляет собой аксиальное продолжение камеры смешения-подготовки, а все камеры выполнены в виде прямоточной трубы переменного сечения с резким увеличением площади сечения на входе в камеру горения, при этом длина камеры смешения-подготовки составляет 3 5 ее калибра, а длина камеры горения 0,8 1,5 ее калибра.