ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1998 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к трубчато-кольцевым камерам сгорания газотурбинных энергетических установок, работающих преимущественно на сжатом природном газе с низкими выбросами оксидов азота и углерода.

Известна камера сгорания со ступенчатым горением, включающая в себя коаксиальную трубчатую конструкцию, состоящую из наружного цилиндра и коаксиально расположенного с ним внутреннего цилиндра, при этом внутренний цилиндр по длине короче наружного и располагается в зоне горения на участке восходящего потока, в осевом направлении, и образует кольцевую зону, ограниченную собственной стенкой и стенкой наружного цилиндра. В стенке наружного цилиндра, которая охватывает внутреннюю кольцевую часть внутреннего цилиндра, выполнен ряд отверстий, а на расстоянии, не меньшем, чем диаметр этого наружного цилиндра, располагается еще один ряд воздухоподводящих отверстий в направлении вниз по потоку относительно первых воздухоподводящих отверстий.

Недостатками известной камеры сгорания являются увеличенные осевые габариты жаровой трубы вследствие ступенчатого горения и малый ресурс работы жаровых труб из-за окантовки воздухоподводящих отверстий в стенках жаровых труб, особенно при наличии вращения в набегающем потоке, что приводит к увеличенным перепадам статического давления вокруг втулок и обычно способствует более быстрому прогоранию мест крепления, уменьшая ресурс жаровых труб. Известная конструкция предусматривает также впрыск воды и предназначена главным образом для выносных камер сгорания газотурбинных установок.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция трубчато-кольцевой камеры сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами и с полостью, образованной собственными кольцевыми стенками, жаровые трубы, во внутренней полости каждой из которых ниже по потоку за факелом пламени расположен смеситель, скрепленный со стенкой жаровой трубы и выполненный в виде конусной оболочки.

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей осуществления кинетического горения переобогащенной смеси путем внезапного обеднения ("замораживания") продуктов горения и уменьшения времени нахождения их при максимальных температурах.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении устойчивого экономичного горения с низким выбросом окислов азота и углерода при сжигании природного газа в камере сгорания газотурбинной энергетической установки путем достижения полноты его сгорания выше 99% на рабочих режимах, а также уменьшения времени нахождения активных реагентов топлива при максимальных температурах.

Принцип организации горения в предлагаемой камере сгорания заключается в том, что при обеспечении лавинной активации горения с возникновением цепных реакций (кинетического горения) предварительно перемешанной смеси, выбросы NOx, CO и HC почти на порядок ниже, чем при горении диффузионного факела, в основе которого лежит теория тепловой активации молекулярных связей. Первичная зона богатого горения (коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива, α₁ = 0,5-0,7) снижает температуру газов за счет устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровых труб. В зоне отверстий смесителя смесь обедняется и сгорает при α_г = 1,8-2,2 с образованием зон лавинной активации горения, что повышает скорость и температуру зон горения, обеспечивая полноту сгорания до 99,9%. При этом зоны кинетического горения тормозятся воздушным потоком, истекающим из отверстий в стенках жаровых труб и смесителя, что позволяет осуществить быстрое смешение продуктов горения ("замораживание") несгоревшего топлива с оставшейся частью воздуха, многократно уменьшить время нахождения активных реагентов топлива при максимальных температурах и организовать вторую стадию сжигания топлива, обеспечивая требования по температурному полю на выходе из камеры сгорания.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами: на фиг. 1 представлена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания; на фиг. 2 показан один из вариантов расположения смесителя на выходе из жаровой трубы; на фиг. 3 показано сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - вариант выполнения конусной оболочки смесителя.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки содержит жаровые трубы 1, соединенные с газосборником 2, скрепленным с внешним 3 и внутренним 4 корпусами. Каждая из жаровых труб 1 содержит расположенный во внутренней полости 5 ниже по потоку за факелом пламени 6 смеситель 7, скрепленный полыми стойками 8, 9 (тремя или четырьмя) со стенкой 10 жаровой трубы 1. Смеситель 7 выполнен в виде конусной оболочки 11 с днищем 12, скрепленным сваркой. В стенках днища 12 конусной оболочки 11 смесителя 7 и в стенке 10 жаровой трубы 1 в пределах длины 13 смесителя 7 выполнены отверстия 14, 15 и щели 16.

Вершина 17 конуса смесителя 7 направлена против потока 18, а полость 19 газосборника 2 образована внешней 20 и внутренней 21 кольцевыми стенками.

Кроме того, на фиг. 4 показано, что образующая 22 конусной оболочки смесителя 7 выполнена в форме дуг окружностей 23, 24, выпуклая сторона 25 которых направлена к оси 26 жаровой трубы 1.

Угол конусности α₁ на кромке 27 смесителя 7, с которой стекает пелена охлаждающего ее стенки потока воздуха 18, больше угла α₂ смесителя с конусной поверхностью (при одном и том же диаметре кромки 27).

На фиг. 1 показаны топливная форсунка 28 с завихрителем и диффузор 29 с "внезапным" расширением.

Камера сгорания работает следующим образом.

При запуске энергетической установки в камере сгорания сжатый природный газ подается через топливную форсунку 28, далее, смешиваясь с потоком воздуха 18, закрученного лопатками завихрителя форсунки 28, смесь воспламеняется во внутренней полости 5 жаровой трубы 1, образуя факел 6 диффузионного горения обогащенной ( α₁ =0,5-0,7) топливно-воздушной смеси. В первичной зоне богатого горения ( α_г =0,5-0,7) температура газов пониженная (≈750 K) в результате устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровой трубы 1. При этом часть воздушного потока 18 через полые стойки 8, 9 и отверстия 15 в стенке 11 смесителя 7, а также отверстия 14 в стенке 10 жаровой трубы 1 направляется навстречу фронту диффузионного факела пламени 6 первичной зоны богатого горения.

Столбики воздуха, вытекающие через эти отверстия, пронизывают границу фронта факела пламени 6 и способствуют возникновению лавинообразной активации горения. Смесь продуктов сгорания резко обедняется до α_г =1,8-2,2. При этом температура смеси резко повышается (до 1980 K). Для ее снижения служит смеситель, который образует воздушную завесу (аэродинамическое торможение) и "разбавляет" продукты сгорания путем истечения встречных потоков воздуха через отверстия 15 в стенках 11 смесителя 7 и через отверстия 14 в стенках 10 жаровой трубы 11.

При этом многократно уменьшается время нахождения активных реагентов топлива при максимальных температурах, от которого зависит образование окислов азота и углерода, а следовательно, токсичность выбросов.

Газосборник 2, образованный собственными кольцевыми стенками 20 и 21, увеличивает дополнительно время пребывания продуктов сгорания в полости газосборника за счет увеличения его объема, а также увеличения траектории движения частиц продуктов сгорания.

При выполнении образующей конуса оболочки смесителя в форме дуг 23, 24 траектория движения еще больше отклоняется в радиальном направлении (угол α₁ вместо α₂ , способствуя более высокой степени смешения, и увеличивает дополнительное время пребывания в полости газосборника продуктов сгорания, что понижает поле температур на выходе из газосборника.

Предлагаемая камера сгорания позволяет обеспечить устойчивое эффективное горение с пониженной токсичностью выхлопных газов при сжигании природного газа в газотурбинной энергетической установке.

Использование: в газотурбинных энергетических установках, работающих преимущественно на сжатом природном газе с низкими выбросами оксидов азота и углерода. Сущность изобретения: каждая из жаровых труб ЖТ 1 камеры сгорания содержит расположенный на внутренней полости 5 ниже по потоку за факелом пламени 6 смеситель СМ 7, скрепленный со стенкой 10 ЖТ 1. СМ 7 выполнен в виде двух конусов К 11 и 12, расположенных концентрично стенке 10 ЖТ 1. Между стенками К 11 и 12 размещен завихритель 13 воздуха. В стенке 11 наружного К выполнены отверстия 14 и щели. Вершины 16 и 17 К направлены против воздушного потока 18. Поверхности К 19 и 12 образуют кольцевые каналы, сужающиеся в направлении завихрителя 13. Полость газосборника 20 образована собственными кольцевыми стенками 21 и 22. 4 ил.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая соединенные с газосборником, имеющим полость, образованную собственными кольцевыми стенками, и скрепленным с внешним и внутренним корпусами, жаровые трубы, в каждой из которых расположен во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени смеситель, скрепленный полыми стойками со стенкой жаровой трубы, выполненный в виде конуса, отличающаяся тем, что смеситель снабжен внутренним конусом, между конусами размещен завихритель, причем поверхности конусов образуют сужающийся в направлении завихрителя кольцевой канал, вершины конусов направлены против потока, а в стенке наружного конуса выполнены отверстия и щели.