СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК F23R3/00 

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

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в том, что в потоке воздуха с помощью плохообтекаемого тела формируют рециркуляционную зону, подают в нее топливо, которое затем сжигают в стабилизированном этой зоной факеле (см., например, А.Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. стр.13. рис.1.1,в).

Недостатком этого способа является низкая интенсивность процесса топлива с воздухом. В результате этого факел имеет большую протяженность и продукты сгорания продолжительное время находятся в зоне высоких температур. Это приводит к повышенной токсичности продуктов сгорания за счет значительной эмиссии оксидов азота.

Известен способ сжигания топлива, путем предварительного разделения потока воздуха на отдельные струи и подачи в эти струи топлива, с последующей подачей топливовоздушных струй в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство под углом к его оси с образованием в закрытом конце полуограниченного пространства торообразного вихревого течения, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства (см. А. Гунта, Д.Лилли, Н.Сайред. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987, стр.467, рис.6.25.а).

В этом способе стабилизация факела осуществляется с помощью торообразного вихря. Высокотурбулентное торообразное вихревое течение способствует быстрому смешению топлива с воздухом, в результате чего факел укорачивается, уменьшается время пребывания продуктов сгорания в высокотемпературной зоне и снижается эмиссия оксидов азота. Этому способствует и частичное смешение топлива с воздухом при подаче его в струи воздуха перед подачей топливовоздушных струй в полуограниченное затопленное пространство.

Вместе с тем, поскольку топливо и воздух перед подачей в полуограниченное затопленное пространство, другими словами - в зону горения, перемешаны не полностью, в факеле неизбежно возникают микрозоны со стехиометрическим соотношением топлива и воздуха. Эти микрозоны, как известно, являются основными источниками оксидов азота. Поэтому недостатком этого способа сжигания является повышенная токсичность продуктов сгорания.

Вторым недостатком данного способа является узкий диапазон устойчивости горения. Известно, что чем более интенсивно и быстро протекают процессы смешения топлива с воздухом, т.е. чем ближе процесс горения приближается к кинетическому (в отличие от диффузионного горения), тем уже концентрационный диапазон устойчивости горения. Поскольку в данном способе процессы смешения топлива с воздухом весьма интенсивны, диапазон устойчивости горения невелик.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ сжигания топлива, является снижение токсичности продуктов сгорания и расширение диапазона устойчивости горения.

Поставленная задача решена так, что в известном способе сжигания топлива, который заключается в том, что поток воздуха предварительно разделяют на отдельные струи и подают в эти струи топливо, а затем подают топливовоздушные струи в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство под углом к его оси с образованием в закрытом конце полуограниченного пространства торообразного вихревого течения, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства, в сторону закрытого конца полуограниченного пространства, согласно настоящему изобретению, перед подачей топливовоздушных струй в полуограниченное затопленное пространство топливо смешивают с воздухом до образования однородной (гомогенной) смеси с коэффициетом избытка воздуха α > 1.6, а при коэффициентах избытка воздуха в этой смеси α > 2.4, по меньшей мере часть топлива направляют в затопленное полуограниченное пространство, минуя его предварительное смешение с воздухом, и подают струями со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения.

Известно, что при горении "бедных" (с коэффциентами избытка воздуха α > 1.6) предварительно перемешанных (гомогенных) топливовоздушных смесей температура факела достаточно низка, для того чтобы реакция образования оксидов азота протекала с низкой скоростью и уровень эмиссии NO_x был приемлем для современных газовых турбин. Известно также, что при значительном "обеднении" (α > 2.4) топливовоздушной смеси процесс горения прекращается и может поддерживаться лишь при наличии внешнего высокотемпературного источника тепла.

Для достижения желаемого результата - снижение токсичности продуктов сгорания, перед подачей топливовоздушных струй в полуограниченное затопленное пространство топливо смешивают с воздухом до бразования однородной (гомогенной) смеси с коэффициентом избытка воздуха α > 1.6. Однородность (гомогенность) смеси обеспечивает отсутствие в зоне горения высокотемпературных стехиометрических микрозон, являющихся причинами повышенной эмиссии NO_x. Условие α > 1.6 обеспечивает умеренный уровень температур факела, при которых скорость образования оксидов азота невысока. Для достижения другого необходимого результата - расширение диапазона устойчивого горения, при коэффициентах избытка воздуха α > 2.4 по меньшей мере часть топлива, не смешивая его предварительно с воздухом, подают струями в затопленное полуограниченное пространство со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения.

В приосевой зоне торообразного вихревого течения поток направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства. При подаче струй топлива, не смешанного предварительно с воздухом, в затопленное ограниченное пространство со стороны его закрытого конца в зоне торообразного вихревого течения поддерживается диффузионный факел, отличающийся очень широким диапазоном устойчивости горения. Он служит тем внешним высокотемпературным источником тепла, который необходим для поддержания горения "бедной" предварительно перемешанной топливовоздушной смеси с α > 2.4. При α < 2.4 подача струй топлива в приосевую зону торообразного течения не имеет смысла, т.к. предварительно подготовленная топливовоздушная смесь при этих условиях устойчиво горит и без внешнего источника тепла, и введение диффузионного факела в качестве такого источника может привести только к увеличению эмиссии оксидов азота.

Реализация заявляемого способа поясняется схемой (см. чертеж).

Воздушный поток 1 предварительно разделяют на отдельные струи 2 и подают в них топливо 3, которое смешивают с воздухом до образования однородной (гомогенной) смеси с коэффициентом избытка воздуха α > 1.6. Затем струи топливовоздушной смеси 4 подают в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство 5 под углом к его оси 6 так, что в закрытом конце полуограниченного пространства генерируется торообразное вихревое течение 7, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца 8 полуограниченного пространства. При коэффициентах избытка воздуха топливовоздушной смеси 4 α > 2.4 по меньшей мере часть топлива, не смешивая его предварительно с воздухом, подают струями 9 в затопленное полуограниченное пространство со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения.

Возможность осуществления заявляемого способа не вызывает сомнений, поскольку для этого могут быть использованы широко известные устройства: цилиндрическая жаровая труба, воздухонаправляющие патрубки, смесительные устройства, стандартные топливораздающие насадки и форсунки и т.п.

Изобретение может использоваться в газотурбинных установках и найти применение в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Оно позволяет снизить токсичность продуктов сгорания и расширить диапазон устойчивости горения. Известен способ сжигания топлива путем предварительного разделения потока воздуха на отдельные струи и подачи в эти струи топлива с последующей подачей топливовоздушных струй в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство под углом к его оси с образованием в закрытом конце полуограниченного пространства торообразного вихревого течения, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства. Новым является то, что предварительно топливо смешивают с воздухом до образования однородной смеси с коэффициентом избытка воздуха α > 1,6, а потом подают в виде струй в полуограниченное затопленное пространство, причем при коэффициенте избытка воздуха в этой смеси α > 2,4 по меньшей мере часть топлива направляют в затопленное полуограниченное пространство, минуя его предварительное смешивание с воздухом, и подают струями со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения. 1 ил.

Способ сжигания топлива путем предварительного разделения потока воздуха на отдельные струи и подачи в эти струи топлива, с последующей подачей топливовоздушных струй в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство под углом к его оси с образованием в закрытом конце полуограниченного пространства торообразного вихревого течения, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства, отличающийся тем, что перед подачей топливо-воздушных струй в полуограниченное затопленное пространство топливо смешивают с воздухом до образования однородной (гомогенной) смеси с коэффициентом избытка воздуха α > 1,6, а при коэффициентах избытка воздуха в этой смеси α > 2,4, по меньшей мере, часть топлива направляют в затопленное полуограниченное пространство, минуя его предварительное смешение с воздухом, и подают струями со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения.