ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ КАРБЮРИРОВАНИЯ И СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02C3/14 

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, преимущественно наземных энергетических установок, работающих на газообразном топливе.

Известен газотурбинный двигатель с турбиной, в которой камера сгорания разделена на до- и застехиометрическую ступени, а горячие газы воздействуют на турбину высокого давления, затем отработавшие газы из этой турбины подвергаются повторной подготовке в последовательно включенной камере сгорания на стороне низкого давления и подаются в турбину низкого давления [1].

Недостатком известной конструкции газовой турбины является возможность образования в жаровых трубах камеры сгорания локальных зон обедненных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливо-воздушных смесей преимущественно при работе на сжатом природном газе. Это объясняется тем, что процессы смешения топливо-воздушной смеси и ее горения осуществляются непосредственно в первичной (реакционной) зоне жаровых труб обеих ступеней камеры сгорания. Однако, поскольку смешение - это физический процесс, а горение - мгновенная термохимическая реакция, скорости этих процессов не могут быть одного порядка.

В камерах сгорания, в которых смешение и горение происходят в одном и том же объеме, реакция горения протекает в локальных зонах, "удобных" для горения стехеометрического состава смеси с локальными максимальными температурами.

Известно, что уровень NO_x определяется не средней температурой в зоне горения, а максимальной. При этом скорость образования NO_x экспоненциально зависит от локальной температуры в зоне горения.

В известной камере сгорания смешиваются малые объемы топлива с большим количеством воздуха, а процесс смесеобразования затягивается. Чем медленнее происходит процесс превращения топлива в химически активный реагент, тем больше и длительнее "забросы" температур, а, следовательно, не исключаются выбросы NO_x, что повышает токсичность продуктов сгорания.

Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель с системой карбюрирования и сгорания, который содержит камеру сгорания, смесительную камеру, первый и второй ряды форсунок, устройство зажигания и пластинчатый элемент для отделения смесительной камеры от камеры сгорания [2]. В смесительной камере размещен первый ряд форсунок, направляющих топливо-воздушную смесь в камеру сгорания в виде вращающегося вихря. Второй ряд форсунок, расположенный рядом с первым рядом форсунок, но за первым рядом форсунок по направлению потока, окружает камеру сгорания. Через второй ряд форсунок осуществляется подача сжатого воздуха в камеру сгорания в виде спирального вихря, окружающего топливо-воздушную смесь. Этот вихревой поток воздуха отделяет газы продуктов сгорания от внутренней стенки камеры сгорания, образуя изолирующий слой, который препятствует подводу тепла от газов к стенке камеры сгорания.

Недостатком известной конструкции газотурбинного двигателя является возможность образования в жаровых трубах локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных смесей, преимущественно при работе на сжатом природном газе. Это объясняется расположением смесительной камеры внутри камеры сгорания, отделяемой от последней вихревым потоком воздуха, и, следовательно, задержкой по времени процессов смешения. Поэтому осуществление и завершение процессов смешивания происходит непосредственно в первичной (реакционной) зоне жаровых труб. При этом локальные зоны бедных и близких к стехиометрическому составу смесей в жаровых трубах камеры сгорания известного газотурбинного двигателя неизбежно образуются и при горении переобогащенных смесей также вследствие задержки процесса смешения углеводородных реагентов.

Известно, что локальные зоны горения бедных и близких к стехиометрическому составу смесей обладают повышенной локальной температурой в зоне горения, а это влечет за собой неизбежность образования окислов азота NO_x и повышенную токсичность продуктов сгорания.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении токсичности продуктов сгорания и повышении топливной экономичности газотурбинного двигателя путем интенсификации процессов смешения и повышения полноты сгорания топлива за счет внешнего смесеобразования горючей смеси, а именно - разделения процессов смешения топливо-воздушной смеси от ее горения, исключения возможности образования локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливо- воздушных смесей и, следовательно, условий для образования окислов азота в реакционной зоне жаровой трубы в процессе горения.

Данная задача решается за счет того, что в газотурбинном двигателе с системой карбюрирования и сгорания, содержащем камеру сгорания, выполненную по меньшей мере с одной жаровой трубой, смесительную камеру, распылители топлива и устройство зажигания, согласно изобретению смесительная камера и распылители топлива расположены с внешней стороны наружного корпуса камеры сгорания, дополнительно включает регулятор расхода воздуха, направляемого в реакционную зону жаровой трубы, при этом вход регулятора сообщен с внутренней полостью камеры сгорания через отверстия в стенке ее наружного корпуса, выходы регулятора и распылителей топлива соединены с входом смесительной камеры, а вход жаровой трубы изолирован от потока воздуха во внутренней полости камеры сгорания и через стенку ее наружного корпуса сообщен с выходом смесительной камеры.

Размещение смесительной камеры и распылителей топлива с внешней стороны наружного корпуса камеры сгорания, а также наличие регулятора воздуха, участвующего непосредственно в процессе горения, направляемого в реакционную зону жаровой трубы, позволяет организовать внешнее смесеобразование горючей смеси, преимущественно природного газа, перед подачей его в зону горения, а также организовать и завершить процесс смешения не в объеме жаровой трубы, а в отдельной смесительной камере. Это исключает возможность образования в жаровой трубе камеры сгорания локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливо-воздушных смесей, имеющих максимальную локальную температуру, от времени пребывания при которой экспоненциально зависит скорость образования окислов азота NO_x.

Выполнение входа регулятора сообщенным с внутренней полостью камеры сгорания через отверстия в стенке ее наружного корпуса, выходов регулятора и распылителей топлива соединенными с входом смесительной камеры, а входа жаровой трубы - изолированным от потока воздуха во внутренней полости камеры сгорания и через стенку ее наружного корпуса сообщенным с выходом смесительной камеры, позволяет расширить диапазон регулирования состава смеси и обеспечить стабильность требуемого состава смеси в процессе горения.

Это объясняется тем, что для предварительно подготовленной смеси температура пламени зависит от начальной температуры смеси и от величины α_г, где α_г - коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. В области переобогащенных смесей (α_г = 0,5-0,7) образование окислов азота NO_x ограничивается отсутствием свободного кислорода в продуктах горения. С целью устранения противоречия в процессах, их природной физической несовместимости при рациональном сжигании, необходимо эти процессы (смешения и горения) разделить, т. е. вначале подготовить горючую смесь в объеме и времени, требуемых для образования гомогенной смеси, а затем провести химическую реакцию горения в объеме и времени, требуемых для данной реакции горения.

Изобретение иллюстрируется чертежом.

На чертеже представлена верхняя часть продольного разреза двигателя со смесительной камерой и регулятором расхода воздуха в камере сгорания.

Газотурбинный двигатель с системой карбюрирования и сжигания содержит камеру сгорания 1, выполненную по меньшей мере с одной жаровой трубой 2, смесительную камеру 3, распылители 4 топлива 5 и устройство зажигания 6.

Смесительная камера 3 и распылители 4 топлива 5 расположены с внешней стороны 7 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1 и дополнительно содержит регулятор расхода 9 воздуха 10, направляемого в реакционную зону 11 жаровой трубы 2. Вход 12 регулятора расхода 9 воздуха 10 сообщен с внутренней полостью 13 камеры сгорания 1 через отверстия 14, 15 в стенке 16 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1. Выход 17 регулятора расхода 9 воздуха 10 и выходы 18, 19 распылителей 4 соединены с входом 20 смесительной камеры 3.

Вход 21 жаровой трубы 2 изолирован от потока воздуха 10 во внутренней полости 13 камеры сгорания 1, например, при помощи герметично приваренного обтекаемого патрубка 22, и через стенку 16 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1 сообщен с выходом 23 смесительной камеры 3, например, при помощи соединения трубопроводом 24, по которому в реакционную зону 11 жаровой трубы 2 подается горючая смесь 25 заданной концентрации.

На чертеже показаны также ось 26 двигателя и камеры сгорания 1, факел пламени 27 в реакционной зоне 11 и отверстия 28 жаровой трубы 2, а также кольцевой газосборник 29 и внутренний корпус 30 камеры сгорания 1.

Предлагаемая конструкция газотурбинного двигателя может содержать гибридную камеру сгорания с индивидуальной зоной горения в отдельных жаровых трубах и зоной турбулентного смешивания в общем кольцевом газосборнике или может быть выполнена с кольцевой жаровой трубой камеры сгорания.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

При запуске двигателя сжатый природный газ 5 подается через распылители 18, 19 в смесительную камеру 3, а воздух 10, сжатый в компрессоре двигателя, подается одновременно через отверстия 14, 15 в стенке 16 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1 в регулятор расхода 9 и далее - в смесительную камеру 3, где производится смесеобразование переобогащенной горючей смеси, при пусках и работе с недостатком кислорода ( α_г = 0,5 - 0,7).

При воспламенении горючей смеси в реакционной полости 11 жаровой трубы 2 от устройства зажигания 6 образуется факел пламени 27 диффузионного горения ( α_г =0,5-0,7). При горении переобогащенной смеси температура пламени невысока (≈750К) и, следовательно, мала скорость образования окислов азота на первой стадии сжигания. При этом за счет внешнего смесеобразования горючей смеси в отдельной смесительной камере исключается возможность образования в реакционной зоне 11 жаровой трубы локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных смесей, а также снижается скорость образования окислов азота в процессе горения. При этом другая, большая часть сжатого компрессором воздуха 10, поступает через отверстия 28 в жаровой трубе 2 в расширяющуюся часть (ниже горловины) жаровой трубы 2 и вдувается циркуляционно в факел пламени 27 продуктов горения переобогащенной смеси. При этом в факеле пламени 27 инициируются локальные зоны цепных реакций несгоревших активных реагентов топлива, смесь продуктов горения резко обедняется ( α_г = 1,8-2,2) и аэродинамически затормаживается за счет "внезапного" расширения сечения между жаровыми трубами 2 и газосборником 29, повышая полноту сгорания смеси. Скорость горения многократно возрастает, а температура горения фронта пламени повышается до 1990К. Однако при этом локальных зон горения смесей стехиометрического состава или зон горения близких к этому составу смесей не образуется, т.к. процесс смесеобразование завершен до поступления топливного газа в реакционную зону жаровой трубы. При этом во время пребывания продуктов горения в зоне максимальных локальных температур концентрация кислорода и азота в зоне горения многократно сокращается, что позволяет управлять локальной температурой газа и снижать ее до требуемого уровня выбросов вредных веществ.

Газотурбинный двигатель предназначен преимущественно для наземных энергетических установок, работающих на газообразном топливе. Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания, выполненную по меньшей мере с одной жаровой трубой, смесительную камеру, распылители топлива и устройство зажигания. Смесительная камера и распылители топлива расположены с внешней стороны наружного корпуса камеры сгорания. Газотурбинный двигатель дополнительно включает регулятор расхода воздуха, направляемого в реакционную зону жаровой трубы. При этом вход регулятора сообщен с внутренней полостью камеры сгорания через отверстия в стенке ее наружного корпуса. Выходы регулятора и распылители топлива соединены с входом смесительной камеры. Вход жаровой трубы изолирован от потока воздуха во внутренней полости камеры сгорания и через стенку ее наружного корпуса сообщен с выходом смесительной камеры. При использовании изобретения снижается токсичность продуктов горения и повышается топливная экономичность газотурбинного двигателя. 1 ил.

Газотурбинный двигатель с системой карбюрирования и сгорания, содержащий камеру сгорания, выполненную по меньшей мере с одной жаровой трубой, смесительную камеру, распылители топлива и устройство зажигания, отличающийся тем, что смесительная камера и распылители топлива расположены с внешней стороны наружного корпуса камеры сгорания, дополнительно включает регулятор расхода воздуха, направляемого в реакционную зону жаровой трубы, при этом вход регулятора сообщен с внутренней полостью камеры сгорания через отверстия в стенке ее наружного корпуса, выходы регулятора и распылителей топлива соединены с входом смесительной камеры, а вход жаровой трубы изолирован от потока воздуха во внутренней полости камеры сгорания и через стенку ее наружного корпуса сообщен с выходом смесительной камеры.