СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ОГНЕВОЙ БЛОК ДЛЯ СЖИГАНИЯ СМЕСИ ТОПЛИВ Российский патент 2000 года по МПК F02C3/20 F23R3/36 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках.

Известен способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании жидкого топлива (керосина, дизельного топлива) или газа с одновременным впрыском в первичную зону камеры хорошо распыленной воды для снижения вредных для человека выбросов оксидов азота NO_x (см., например, А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", М., Мир, 1986, стр. 500).

Однако, снижение выброса NO_x, в этом случае, сопряжено со значительным увеличением выброса другого вредного соединения - окиси углерода CO (см. там же, стр. 499).

Кроме того, недостатком такого способа работы двигателя является подготовка и хранение больших количеств дистиллированной воды.

Известен способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании газа при одновременном подводе в зону горения пара (см., например, Теплоэнергетика, 1992, N 9).

Подача в зону горения пара, выбрасываемого затем в атмосферу, резко ограничивает область использования газотурбинных двигателей в "безводных" регионах и всегда требуются большие дополнительные затраты на генерацию пара.

Установки, работающие по этому способу, имеют достаточно высокий уровень выброса NO_x и CO.

Проблеме снижения выбросов оксида азота уделяется особенно большое внимание. Установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) оксидов азота. Наиболее устойчивым является диоксид азота, в который могут переходить все другие оксиды. Поэтому установленные нормы ПДК даются для суммы всех оксидов азота в пересчете на NO₂. Такая суммарная величина всех оксидов и обозначается как NO_x.

Для обозначения уровня эмиссии оксидов азота используются три вида характеристик.

весовая концентрация - (г/кг топлива)
смешанная концентрация - (г/нм³)
объемная концентрация - (ppm).

Соотношение между этими единицами, соответствующее нормативному требованию 15%-го содержания кислорода в продуктах сгорания, следующее:
1 г/кг топл. = 21,8 мг/нм³ = 11,2 ppm.

Известен также, выбранный за прототип, способ работы газотурбинного двигателя (установки), основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании одновременно жидкого топлива (керосина, дизельного топлива) и природного газа.

Известен и огневой блок, принятый за прототип, реализующий известный способ работы двигателя, содержащий жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель и вихревой смеситель (фронтовое устройство). См., например: 1) С.П. Изотов О.А.Рудаков и др. "Авиационные ГТД в наземных установках", Л., Машиностроение, 1984, стр. 96. 2) Н.А.Шерлыгин, В.Г.Шахвердов "Конструкция и эксплуатация авиационных газотурбинных двигателей", Машиностроение, М., 1969, стр. 109.

Однако, известный способ работы и устройство для его реализации не обеспечивают установленные предельно допустимые концентрации оксидов азота 25 ppm.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является снижение выбросов NO_x без увеличения выбросов CO.

Решение указанной задачи достигается тем, что в камеру сгорания газотурбинного двигателя подают одновременно через огневой блок жидкое топливо и природный газ в соотношении

где G_г - расход газа;
G_ж.т - расход жидкого топлива.

Существенным отличием предлагаемого способа работы газотурбинного двигателя является то, что при указанном соотношении подачи через огневой блок в камеру сгорания и сжигании жидкого топлива и природного газа, выброс NO_x является минимальным. При этом нет увеличения выброса CO.

Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, приведенные на фиг. 1, где по оси абсцисс приведено соотношение расходов жидкого топлива и природного газа, а по оси ординат - уровни эмиссии NO_x и CO. Эксперимент проводился при удовлетворении нормативному требованию 15%-го содержания кислорода в продуктах сгорания, при степени в компрессоре Пк = 10, температуре воздуха за компрессором 609 К. Полнота сгорания η_к = 0,999.

Обработка экспериментальных данных позволяет представить зависимость уровня эмиссии NO_x от соотношения расходов жидкого топлива и природного газа уравнением:
y = 96,45 - 268х + 225,53 x².

Из графика видно, что наименьший (и менее 25 ppm) уровень выброса оксидов азота имеет место при G_г/(G_г + G_ж.т) = 0,5...0,7. Выброс же окиси углерода не меняется.

В предлагаемом устройстве для реализации способа работы газотурбинного двигателя поставленная задача решается тем, что в огневом блоке, содержащем жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель, внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора, а геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее расположение в огневом блоке рассчитаны таким образом, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя.

Пример реализации изобретения представлен на фиг. 2, где дан продольный разрез огневого блока для сжигания смеси топлив в качестве сгорания газотурбинного двигателя.

Огневой блок 1 смонтирован в корпусе камеры сгорания 2.

Огневой блок 1 содержит жидкостную центробежную форсунку 3 подачи жидкого топлива, встроенную в газовый цилиндрический коллектор 4 с отверстием 5 подачи природного газа.

Для образования смеси топлив и воздуха предусмотрен аэродинамический завихритель воздуха 6 и вихревой смеситель 7, размещенный на входе в жаровую трубу 8. Причем, внутренняя поверхность вихревого смесителя 7, непосредственно за завихрителем воздуха 6, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа 5 в газовом коллекторе 4 ориентированы на образующую конфузора вихревого смесителя 7.

Через огневой блок 1 в камеру сгорания 2 подают одновременно природный газ и жидкое топливо в соотношении G_г/(G_г + G_ж.т) = 0,5...0,7.

Жидкое топливо подводят через жидкостную центробежную форсунку 3, а природный газ - через коллектор 4 и отверстия 5.

Воздух, необходимый для сжигания смеси топлива, проходит через аэродинамический завихритель 6 и далее поступает в вихревой смеситель 7, размещенный на входе в жаровую трубу 8.

Для улучшения смесеобразования жидкое топливо под расчетным углом факела распыла подают на начальный по потоку участок цилиндрической горловины, а природный газ - на образующую конфузора вихревого смесителя.

Предлагаемый способ работы газотурбинного двигателя и огневой блок для сжигания смеси топлив обеспечивают низкий уровень выброса оксидов азота без увеличения эмиссии окиси углерода.

Использование предлагаемого изобретения позволит существенно повысить экологическую чистоту выхлопных газов высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Способ работы газотурбинного двигателя заключается в том, что производят одновременно сжигание жидкого топлива и природного газа, которое подают в соотношении G_г/(G_г + G_ж.т) = 0,5 - 0,7, где G_г - расход газа, G_ж.т - расход жидкого топлива. Огневой блок для сжигания указанных выше топлив содержит жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель. Внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину. Оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора. Геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее положение рассчитаны так, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя. Такое осуществление изобретений позволяет снизить выбросы NO_x без увеличения выбросов CO. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании одновременно жидкого топлива и природного газа, отличающийся тем, что жидкое топливо и природный газ подают в соотношении G_г/(G_г+ G_ж.т) = 0,5 - 0,7, где G_г - расход газа, G_ж.т - расход жидкого топлива. 2. Огневой блок для сжигания смеси топлив, содержащий жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель, отличающийся тем, что внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора, а геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее положение рассчитаны так, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя.