СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫБРОСА ОКИСЛОВ АЗОТА NO ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, преимущественно наземных и морских энергетических установок, работающих на жидком или газообразном топливе с впрыском воды в камеру сгораний.

Известен способ регулирования выбросов окислов азота NOx путем инжекции воды непосредственно в первичную зону горения жаровой трубы камеры сгорания [1].

Недостатком известного способа является повышение удельного расхода топлива в результате потерь тепла при превращении воды в пар, непредсказуемая зависимость снижения выбросов окислов азота NOx от предварительной подготовки и перемешивания топлива с воздухом и водой, а также повышенный расход воды.

Наиболее близким к заявляемому является способ регулирования выбросов окислов азота NOx газотурбинного двигателя, заключающийся в сжигании в жаровой трубе камеры сгорания богатой и бедной топливовоздушной смеси с образованием богатой топливом первичной зоны, зоны бедного горения, а между ними - зоны быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси воздухом, сжатым в компрессоре [2].

Недостатком известного способа является неполное использование возможности снижения выбросов окислов азота NOx, преимущественно в наземных и морских энергетических установках, работающих на жидком или газообразном топливе с впрыском воды в камеру сгорания.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении выброса окислов азота NOx газотурбинного двигателя за счет повышенной теплоемкости водяного пара или воды, а также в снижении расхода воды.

Сущность технического решения заключается в том, что в способе регулирования выброса окислов азота NOx газотурбинного двигателя, заключающемся в сжигании в жаровой трубе камеры сгорания богатой и бедной топливовоздушной смеси с образованием богатой топливом первичной зоны, зоны бедного горения, а между ними зоны быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси, согласно изобретения, в зону быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси подают водяной пар или воду. Водяной пар или воду в зону разбавления продуктов горения богатой смеси подают в смеси с воздухом.

При подаче водяного пара или воды в зону быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси уменьшается температура пламени в зоне быстрого разбавления и бедного горения, что приводит к уменьшению скорости образования NOx, экспоненциально зависящей от температуры пламени.

Существенная зависимость скорости образования окислов азота NOx от температуры газов, образующихся после сгорания топливовоздушной смеси, известна, например, из формулы (6) стр. 62, см. [3].

На фиг. 1 - изображен продольный разрез верхней части трубчато-кольцевой камеры сгорания вдоль одной из жаровых труб с богатой топливом первичной зоной I, зоной бедного горения II и зоной быстрого разбавления продуктов горения III.

На фиг. 2 - изображен разрез А-А вдоль жаровых труб в окружном направлении камеры сгорания.

На фиг. 3 - изображен график изменения температуры пламени Тпл. в зависимости от коэффициента избытка окислителя α и способа сжигания топлива, где a - диффузионное горение, b - горение смеси с подачей воздуха в зону быстрого разбавления (расход воды Gb = 0), c - горение смеси по заявляемому изобретению, с подачей воды в зону быстрого разбавления продуктов горения.

Способ осуществляется следующим образом. При запуске газовой турбины топливо, например, сжатый природный газ 1 подают в камеру сгорания через форсунки 2, далее смешивают с потоком воздуха 3 во внутренней полости 4 жаровых труб 5. При этом компоненты смеси воспламеняются от свечи зажигания (на фиг. 1 не показана), образуя факел 6 диффузионного горения богатой топливом первичной зоны I, α = 0,5 - 0,7, где α - коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. В богатой топливом первичной зоне I ( α = 0,5 - 0,7) температура продуктов горения пониженная ( ~ 750 К) в результате устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках 7 жаровых труб 5. При этом другая часть 8 воздушного потока 3 и вода 9, подаваемая через трубопровод 10 в зону быстрого разбавления 3, например, через полые стойки 11 смесителя 12, направляется через отверстия 13 в стойках 11 и отверстия 14 смесителя 12 во фронт диффузионного факела 6 богатой топливом первичной зоны I, где вода превращается в водяной пар в смеси с воздухом. Зоны кинетического горения микрочастиц топлива, возникающие вследствие взаимодействия несгоревшего топлива зоны I с воздухом, подаваемым частью 8 воздушного потока 3, более эффективно охлаждаются водяным паром в смеси с воздухом. При этом максимальная локальная температура продуктов горения, т.е. микрочастиц топлива, уменьшается преимущественно с 2400 до 750 К, что многократно уменьшает выбросы окислов азота NOx газотурбинного двигателя, преимущественно со 150 рри до 9 рри. Использование заявляемого способа регулирования уменьшает расход воды и снижает удельный расход топлива вследствие интенсификации процессов смешения именно в зоне III быстрого разбавления продуктов горения богатой топливом первичной зоны, и в зоне бедного горения, а не путем подачи воды или паров воды в первичную зону I вместе с топливным аэрозолем, как в известном способе.

Таким образом, заявляемый способ позволяет снизить выбросы окислов азота NOx не путем уменьшения времени нахождения продуктов горения в зоне максимальных локальных температур, как в известном способе, а путем уменьшения температуры пламени в зоне быстрого разбавления III и бедного горения II.

Источники информации:
1. Энергетические машины N 3 1979 г., стр. 56, фиг. 22, в статье Д. Макнайт "Разработка компактной камеры сгорания газотурбинного двигателя с увеличенным ресурсом и приемлемым уровнем выбросов", УДК 621.438.

2. Патент Великобритании N 2086031, кл. F 23 R 3/34, от 06.05.82 г. - прототип.

3. "Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени", Н.А. Чигир и др., М., Машиностроение, 1981 г., УДК 621.43.019.9.

Способ уменьшения выброса окислов азота NO_x газотурбинного двигателя, преимущественно наземных и морских энергетических установок, заключается в сжигании в жаровой трубе камеры сгорания богатой и бедной топливовоздушной смеси с образованием богатой топливом первичной зоны, зоны бедного горения, а между ними - зоны быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси. В зону быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси подают водяной пар или воду. Водяной пар или воду в зону разбавления продуктов горения богатой смеси подают в смеси с воздухом. Изобретение позволяет уменьшить выброс окислов азота NO_x газотурбинного двигателя за счет повышенной теплоемкости водяного пара или воды, а также снизить расход воды. 3 ил.

Способ уменьшения выброса окислов азота NO_x газотурбинного двигателя, заключающийся в сжигании в жаровой трубе камеры сгорания богатой и бедной топливовоздушной смеси с образованием богатой топливом первичной зоны, зоны бедного горения, а между ними - зоны быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси, отличающийся тем, что в зону быстрого разбавления продуктов горения богатой смеси подают водяной пар или воду.