КАМЕРА СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2001 года по МПК F23R3/42 

Изобретение относится к камерам сгорания турбомашин, преимущественно наземных энергоустановок, работающих на природном газе с низкой токсичностью выхлопных газов.

Известно устройство для сжигания органических топлив для получения энергии, включающее камеру сгорания и присоединенную к ее выходу реакционную камеру [1].

Недостатком известной конструкции является возможность образования в камере сгорания и реакционной камере локальных зон, близких к стехиометрическому составу. Известно, что уровень выброса окислов азота NOx определяется максимальной температурой в зоне горения, а скорость образования NOx экспоненциально зависит от локальной температуры в зоне горения. В известной конструкции топлива смешиваются с большим количеством воздуха, процесс смесеобразования затягивается и завершается в реакционной камере, при этом пульсации температур больше, а следовательно, больше и выбросы NOx.

Наиболее близкой к заявляемой является камера сгорания турбомашины с небольшой токсичностью выхлопа, содержащая первый отсек с устройством для инжекции топлива при работе на небольшой мощности и с отверстиями для подачи воздуха, а также второй отсек, отделенный от первого и содержащий устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха при работе на полной мощности, при этом первый отсек расположен по противотоку относительно второго отсека [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является неполное использование возможностей процесса кинетического горения природного газа и высокая токсичность выбросов NOx, СО и HC в отработанных газах в процессе работы газовой турбины, преимущественно при осуществлении двухстадийного горения в режиме "богато-бедная" топливовоздушная смесь. Известная конструкция не позволяет осуществлять качественное (патрубковое) смешение основного (чистого) воздуха и продуктов неполного сгорания в первом отсеке, где осуществляется "богатое" горение смеси. В известной конструкции не исключаются также воздействия зоны втекания основного воздуха из второго отсека на зону "богатого" горения в первом отсеке, что также приводит к образованию в первом отсеке локальных зон, близких к стехиометрическому составу топливовоздушных смесей, более высоким температурам и повышенной токсичности выхлопных газов турбины.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении токсичности выхлопных газов турбомашины путем осуществления двухстадийного горения в режиме "богатая-бедная" топливовоздушная смесь за счет уменьшения воздействия зоны втекания основного воздуха на зону "богатого" горения для предотвращения в ней высокотемпературного горения.

Сущность технического решения заключается в том, что в камере сгорания турбомашины, содержащей первый отсек с устройством для инжекции топлива и с отверстиями для подачи воздуха, а также второй отсек, отделенный от первого и содержащий устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха, согласно изобретению первый отсек выполнен из ряда жаровых труб, внутри выхода каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков, при этом стенки каждого из патрубков выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока в жаровой трубе, а торцы патрубков в направлении против потока во втором отсеке и в направлении потока в жаровой трубе выполнены открытыми, при этом выходные торцы щелевых патрубков, направленных по потоку в жаровой трубе, расположены выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе. Края замкнутых сторон щелевых патрубков в каждой из жаровых труб расположены эквидистантно относительно внутренней поверхности жаровой трубы. Каждая из жаровых труб снабжена по крайней мере двумя козырьками, расположенными под острым углом к направлению потока, а торцы козырьков направлены навстречу потоку во втором отсеке.

Выполнение первого отсека из ряда жаровых труб, внутри выхода каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков, стенки каждого из патрубков сплошные и замкнутые в направлении потока в жаровой трубе, позволяет создать зону втекания основного воздуха в зону "бедного" горения и исключить его воздействие на зону "богатого" горения для предотвращения в ней высокотемпературного горения.

Выполнение торцев патрубков открытыми в направлении против потока во втором отсеке позволяет использовать динамический напор потока воздуха из компрессора, а также уменьшить потери полного давления и увеличить перепад давлений на стенках жаровой трубы.

Выполнение торцев патрубков открытыми в направлении потока в жаровой трубе и расположенными выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе позволяет исключить воздействие зоны втекания основного воздуха на зону "богатого" горения. Это обеспечивается направлением струй воздуха из патрубков по потоку из зоны богатого горения.

Выполнение краев замкнутых сторон щелевых патрубков в каждой из жаровых труб эквидистантно относительно внутренней поверхности жаровой трубы повышает степень загромождения потока продуктов "богатого" горения патрубками, степень смешения основного воздуха и продуктов горения "богатой" топливом смеси, а также устраняет неустойчивые режимы работы жаровых труб первого отсека на малой мощности.

Выполнение каждой из жаровых труб по крайней мере с двумя козырьками, расположенными под острым углом к направлению потока, а торцев козырьков - направленными навстречу потоку во втором отсеке, позволяет дополнительно использовать динамический напор потока воздуха, сжимаемого компрессором, а также уменьшить потери полного давления и увеличить перепад давлений на стенках жаровой трубы.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 поперек жаровой трубы первого отсека.

Камера сгорания турбомашины содержит первый отсек 1 с устройством 2 для инжекции топлива 3 и с отверстиями 4 для подачи воздуха 5, а также второй отсек 6, отделенный от первого и содержащий устройство 7 для инжекции топлива 3 и отверстия 8 для подачи воздуха 5. Первый отсек 1 выполнен из ряда жаровых труб 9, внутри выхода 10 каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков 11, при этом стенки 12 каждого из патрубков 11 выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока 13 в жаровой трубе 9. Торцы 14 патрубков 11 в направлении против потока 15 во втором отсеке 6 и торцы 16 патрубков 11 в направлении потока 13 в жаровой трубе 9 выполнены открытыми. Выходные торцы 16 щелевых патрубков 11, направленных по потоку 13 в жаровой трубе 9, расположены выше по потоку 13 от проходного сечения Д_У в жаровой трубе 9. Края 17 замкнутых сторон щелевых патрубков 11 в каждой из жаровых труб 9 расположены эквидистантно, т.е. на расстоянии l от внутренней поверхности 18 жаровой трубы 9. Каждая из жаровых труб 9 снабжена по крайней мере двумя козырьками 19 и 20, расположенными под острым углом α к направлению потока 5 воздуха, а торцы 21 и 22 козырьков 19 и 20 направлены навстречу потоку 15 во втором отсеке 6 и потоку 5 воздуха. На фиг. 1 изображены также диффузор 23 с внезапным расширением, свеча зажигания 24, кольцевой газосборник 25, сопловой аппарат 26 газовой турбины, продольная ось 27 жаровой трубы 9, продольная ось 28 камеры сгорания и газовой турбины.

Камера сгорания работает следующим образом. Воздух в количестве 15...25% поступает через отверстия 4 в отсек 1 жаровой трубы 9. Топливо 3 через устройство 2 для инжекции подается в жаровую трубу 9. Образующаяся в жаровой трубе 9 топливовоздушная смесь при смешении 100% топлива и 15...25% воздуха содержит в избытке топливоприродный газ и является по отношению к стехиометрическому составу смеси "богатой" топливовоздушной смесью. Образующиеся продукты неполного сгорания "богатой" топливовоздушной смеси поступают из жаровой трубы 9 во второй отсек 6. В полость горения второго отсека 6 через отверстия 8 и щелевые патрубки 11 подается воздух в количестве 50...65%, а также топливо через устройство 7 для инжекции. Этот воздух смешивается с топливом 3 и продуктами неполного сгорания "богатой" топливовоздушной смеси, втекающими из жаровой трубы 9 через проходное сечение Д_У, загроможденное щелевыми патрубками 11. Во втором отсеке 6 при смешении образуется топливовоздушная смесь, содержащая в избытке воздух - "бедная смесь", d_г = 1,8...2,2, при этом в нем инициируются центры кинетического горения микрочастиц топлива, что способствует лавинной активации горения (ЛАГ-процесс). Эта смесь сгорает в кольцевом газосборнике 25. "Богатым" (d_г = 0, 5...0,7) и "бедным" (d_г = 1,8...2,2) топливовоздушным смесям характерна низкая температура горения Т_г < 1950 К и соответственно низкая токсичность выхлопных газов. Переход от состояния с избытком топлива в состояние с избытком воздуха осуществляется ниже по потоку от щелевых патрубков 11 в полости второго отсека 6, горение продуктов неполного сгорания в жаровой трубе 9 завершается во втором отсеке 6 и газосборнике 25 при d_г= 1,8...2,2, а щелевые патрубки 11 препятствуют втеканию основного воздуха в жаровые трубы 9 и образованию в них стехиометрических смесей.

Источники информации
1. US патент N 5592811, кл. F 02 С 6/18, 1997.

2. FR патент N 2672667, кл. F 23 R 3/42, 1992 - прототип.

Камера сгорания турбомашины содержит первый отсек с устройством для инжекции топлива с отверстиями для подачи воздуха и второй отсек, отделенный от первого. Второй отсек содержит устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха. Первый отсек выполнен из ряда жаровых труб. Внутри каждой из жаровых труб установлен ряд щелевых патрубков. Стенки каждого из патрубков выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока в жаровой трубе. Торцы патрубков в направлении против потока во втором отсеке и в направлении потока в жаровой трубе выполнены открытыми. Выходные торцы щелевых патрубков, направленных по потоку в жаровой трубе, расположены выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе. Изобретение позволяет снизить токсичность выхлопных газов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера сгорания турбомашины, содержащая первый отсек с устройством для инжекции топлива и с отверстиями для подачи воздуха, а также второй отсек, отделенный от первого и содержащий устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха, отличающаяся тем, что первый отсек выполнен из ряда жаровых труб, внутри выхода каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков, при этом стенки каждого из патрубков выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока в жаровой трубе, а торцы патрубков в направлении против потока во втором отсеке и в направлении потока в жаровой трубе выполнены открытыми, при этом выходные торцы щелевых патрубков, направленных по потоку в жаровой трубе, расположены выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе. 2. Камера сгорания турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что края замкнутых сторон щелевых патрубков в каждой из жаровых труб расположены эквидистантно относительно внутренней поверхности жаровой трубы. 3. Камера сгорания турбомашины по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что каждая из жаровых труб снабжена по крайней мере двумя козырьками, расположенными под острым углом к направлению потока, а торцы козырьков направлены навстречу потоку во втором отсеке.