СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК F23C6/04 F23C11/00 F23R3/42 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для воспламенения и поддержания горения в камерах сгорания различных энергетических систем газотурбинных установок (ГТУ), газотурбинных двигателей (ГТД), печах, котлах и др.

Известен способ комбинированного сжигания пылевидного и газообразного топлива [1] путем подачи закрученного воздуха коаксиально потоку топливовоздушной смеси и ввода газообразного топлива отдельными струями под углом к оси потоков топливовоздушной смеси и воздуха.

При осуществлении этого способа сжигания топлива снижается недожог топлива. Однако способ [1] требует интенсивного охлаждения элементов конструкции вблизи зоны горения.

Известен способ сжигания топлива [2], наиболее близкий к предлагаемому, заключающийся в создании последовательно размещенных двух зон образования топливовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха соответственно путем подвода в последние топлива и воздуха, закрутки потока топливовоздушной смеси в первой зоне, образования факела в ней и направления его во вторую зону посредством рециркуляции продуктов сгорания.

При осуществлении этого способа сжигания топлива снижается содержание окислов азота в сравнении с вышеприведенным способом. Однако указанный способ также требует интенсивного охлаждения элементов конструкции как в первой, так и во второй зоне горения.

Известно устройство для сжигания топлива [3], которое является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для сжигания топлива. Устройство содержит последовательно соединенные первую и вторую камеры сгорания, первая камера сгорания выполнена с тангенциальным подводом воздуха, узел подачи топлива, завихритель воздуха, расположенный в первой камере, систему зажигания топливовоздушной смеси.

Указанное устройство имеет недостатки, которые обусловлены высокой теплонапряженностью элементов конструкции и высокими теплопотерями в стенки камеры сгорания, и не обеспечивает основных требований к воспламенителям и газогенераторам, воспламеняющим и поддерживающим горение в камерах сгорания и топках. К таким требованиям относится, в частности, удаленность первичной камеры от вторичной (основной камеры сгорания) на значительные расстояния, низкая теплонапряженность элементов конструкции и малые теплопотери в стенки, позволяющие работать воспламенителю и газогенератору без ограничений по времени при отсутствии потерь тепла от процесса горения в элементах конструкции и отсутствии систем охлаждения.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении низкой теплонапряженности элементов устройства для сжигания топлива путем эффективной закрутки топливовоздушной смеси, транспортировке ее на значительное расстояние от входа устройства сжигания топлива и образовании факела на выходе устройства сжигания топлива.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе сжигания топлива, заключающемся в создании последовательно размещенных двух зон образования топливовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха путем подвода топлива и воздуха, закрутки потока в первой зоне, согласно изобретению воздух и топливо подают в первую зону, причем часть топлива подают до завихрителя, транспортировку топливовоздушной смеси из первой зоны во вторую обеспечивают путем ее заключения в ограниченное пространство газовода, при этом закрутку потока топливовоздушной смеси в первой зоне осуществляют с интенсивностью S, определяемой по формуле
S = (ω²•D_П)/2g≥10⁴,
где ω- угловая скорость закрутки потока топливовоздушной смеси,
D_П - диаметр потока топливовоздушной смеси,
g - ускорение свободного падения,
при этом коэффициент избытка воздуха α в первой зоне выбирают в диапазоне
α = G_B/(G_m•L₀) = 0,6-1,5,
где G_В - расход воздуха через устройство сжигания топлива,
G_m - общий расход топлива через устройство сжигания топлива,
L₀ - стехиометрический коэффициент.

При этом соотношение доли топлива, подаваемого до завихрителя G₁, к общему расходу топлива G_m составляет величину G₁/G_m=1-0.

Указанная техническая задача решается также тем, что известное устройство для сжигания топлива, содержащее последовательно соединенные первую и вторую камеры сгорания, узел подачи воздуха, узел подачи топлива и завихритель, подсоединенные со стороны входа первой камеры сгорания, устройство зажигания топливовоздушной смеси, согласно изобретению снабжено дополнительным узлом подачи топлива, соединенным также с входом первой камеры сгорания, газоводом, расположенным между выходом первой камеры сгорания и входом второй камеры сгорания, выполненным в виде отрезка трубы, при этом диаметр газовода d_г выбирают в диапазоне d_г=(0,3-1,0)•D_K, где D_K - диаметр первой камеры сгорания (обычно D_K=D_п), а длину газовода L_г выбирают равной L_г=(0,5-30,0)-d_г.

При этом газовод может быть выполнен изогнутым, радиус кривизны R_г выбирают из соотношения R_г/d_г≥5, а устройство зажигания топливовоздушной смеси может быть расположено на входе во вторую камеру сгорания.

На фиг.1 представлено устройство сжигания топлива с прямым газоводом для осуществления предлагаемого способа сжигания топлива.

На фиг.2 представлено устройство сжигания топлива с изогнутым газоводом для осуществления предлагаемого способа сжигания топлива.

На фиг.3 представлены границы устойчивой работы устройства сжигания топлива на примере функции расхода воздуха G_В через него в зависимости от коэффициента избытка воздуха α в нем.

На фиг.4 приведена зависимость изменения температуры стенок газовода T_w в зависимости от соотношения длины газовода к его диаметру L_г/d_г при различной степени закрутки топливовоздушной смеси.

Устройство для сжигания топлива содержит первую камеру сгорания 1 с тангенциальным подводом воздуха, узел подачи топлива 2, дополнительный узел подачи топлива 3, завихритель 4 воздуха в первой камере, вход 5 воздуха в первую камеру, вход 6 узла подачи топлива 2, выход 7 узла подачи топлива 2, вход 8 дополнительного узла подачи топлива 3, выход 9 дополнительного узла подачи топлива 3, устройство зажигания топливовоздушной смеси 10, цилиндрический газовод 11, вторая камера сгорания 12.

Устройство для сжигания топлива по предлагаемому способу работает следующим образом. Газообразное топливо подают на вход 6 узла подачи топлива 2 и далее через его выход 7 в первую камеру сгорания 1. Воздух подают на вход 5. На вход 8 дополнительного узла подачи топлива 3 подают дополнительное газообразное топливо. Из выхода 9 узла 3 газообразное топливо попадает в область перед завихрителем 4 и смешивается с воздухом. В результате образуется топливовоздушная смесь, которая проходит через завихритель 4, интенсивно закручивается и попадает в первую камеру сгорания 1. В первой камере сгорания 1 топливо и воздух или топливо и топливовоздушная смесь смешиваются и воспламеняются от устройства зажигания 10. Образованная топливовоздушная смесь в первичной камере сгорания 1 способна воспламеняться от системы зажигания 10 на примере функции расхода воздуха G_В через предлагаемое устройство при коэффициенте избытка воздуха α в диапазоне α=0,6-1,5 (фиг.3). Закрученная топливовоздушная смесь 13, в которой начинается предпламенный процесс, располагается внутри первой камеры сгорания 1 на некотором расстоянии от стенок и имеет кольцеобразную форму. Предпламенный процесс продолжается и внутри цилиндрического газовода 11 (также на некотором расстоянии от стенок газовода), соединяющем первую камеру сгорания 1 со второй камерой сгорания 12, где расположена вторичная зона интенсивного горения. Следует отметить, что в первой камере сгорания 1 и газоводе 11 осуществляются предпламенные процессы, характеризуемые как режимы "холодного" и "голубого" пламени [4] . На входе во вторую камеру сгорания 12 интенсивность закрутки газа снижается, интенсифицируется смешение высокотемпературных продуктов предпламенного процесса из приосевой зоны с топливо-воздушной смесью, сопровождающееся интенсивным догоранием топлива в факеле 14 во вторичной зоне.

Полученный эффект достигается за счет интенсивной закрутки потока воздуха у стенок первой камеры сгорания и стенок газовода, при этом процесс горения в этом слое у стенок не реализуется. Предпламенный процесс осуществляется в приосевой зоне первой камеры сгорания и газовода. Причем из-за высокого градиента давления вдоль радиуса, реализуемого при интенсивной закрутке потока воздуха и топливовоздушной смеси, массообмен между приосевой зоной реакций и пристеночной холодной зоной на длине L_г/d_г≤30 практически отсутствует, что обеспечивает интенсивное охлаждение стенок первой камеры сгорания и газовода при локализации предпламенного процесса горения в приосевой зоне. После истечения топливовоздушной смеси и продуктов неполного сгорания во вторую зону закрутка потока резко снижается, реализуется турбулентный массообмен между приосевым слоем предпламенного процесса и периферийным слоем топливовоздушной смеси с интенсивным догоранием последней во второй зоне. Процесс устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в приосевой зоне реализуется при коэффициенте избытка воздуха α=0,6-1,5 в широком диапазоне абсолютных расходов воздуха и топлива.

Цилиндрический газовод 11 в виде трубы может быть прямым (фиг.1) либо изогнутым (фиг. 2) с радиусом изгиба R_г, составляющим не менее 5 диаметров газовода. При этом длина газовода может составлять от 0,5 до 30 его диаметров. Диаметр газовода может составлять от 0,3 до 1,0 диаметра первой камеры сгорания. В указанном диапазоне геометрических параметров газовода при интенсивности закрутки топливовоздушной смеси (ω²•D_K)/2g≥10⁴, где ω - угловая скорость закрутки потока, D_K - диаметр потока топливовоздушной смеси, g - ускорение свободного падения, устанавливается температура стенок корпуса и газовода, не превышающая 300 К (кривая 1 на фиг.4). На этой же фиг.4 (кривая 3) показано распределение температуры стенок газовода при меньшей интенсивности закрутки при (ω²•D_K)/2g≅10² Tw_max=1100 K уже на 30-й секунде, при (ω²•D_K)/2g≅10³-10⁴ Tw=900 K лишь на 60-й секунде(кривая 2).

Для воспламенения топливовоздушной смеси в предлагаемом устройстве в качестве устройства зажигания использовалась электрическая свеча зажигания, установленная в торце первичной камеры сгорания (см. фиг.1). Однако процесс горения может инициироваться и от вспомогательного устройства зажигания (электрической свечи), расположенной на входе во вторую камеру сгорания (фиг. 1). Завихритель выполнен в виде набора лопаток или цилиндрических каналов с тангенциальным подводом воздуха.

Экспериментальные исследования показали, что при организации процесса горения в предлагаемом устройстве предлагаемым способом в первой камере сгорания и газоводе в предпламенном процессе температура составляет 600-800 К, а на входе второй камеры сгорания (во второй зоне) создается факел горения с температурой 1500-1700 К, который надежно воспламеняет и поддерживает горение топливовоздушной смеси во второй камере сгорания, и при длине газовода, достигающей L_г≤30•d_г, установленная температура внутренних стенок первичной камеры сгорания и газовода не превышает 300 К при отсутствии охлаждения элементов конструкции.

Предлагаемый способ сжигания топлива и организации процесса горения может быть реализован и при изменении соотношения доли топлива, подаваемого до завихрителя G₁ к общему расходу топлива G_m в соотношении G₁/G_m=1-0. При этом характеристики устройства сжигания топлива практически не изменяются.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 1163088. Бюл. 23. 1985.

2. Авторское свидетельство 1768879. Бюл. 38. 1992 (прототип).

3. А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987, с. 292, рис. 4.63 (прототип).

4. Соколик А. С. Воспламенение, горение и детонация в газах. М.: Издательство АН СССР, 1960.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для воспламенения и поддержания горения в камерах сгорания различных энергетических систем газотурбинных установок (ГТУ), газотурбинных двигателей (ГТД), печах, котлах и др. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении низкой теплонапряженности элементов устройства для сжигания топлива путем эффективной закрутки топливовоздушной смеси, транспортировке ее на значительное расстояние от входа устройства сжигания топлива и образовании факела на выходе устройства сжигания топлива. Способ сжигания топлива заключается в создании последовательно размещенных двух зон образования топливовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха путем подвода топлива и воздуха, закрутки потока топливовоздушной смеси в первой зоне, воздух и топливо подают в первую зону, причем часть топлива подают до завихрителя, транспортировку топливовоздушной смеси из первой зоны во вторую обеспечивают путем ее заключения в ограниченное пространство газовода, при этом закрутку потока топливовоздушной смеси в первой зоне осуществляют с интенсивностью S, определяемой по формуле
S = (ω²•D_П)/2g≥10⁴,
где ω- угловая скорость закрутки потока,
D_п -диаметр потока топливовоздушной смеси,
g - ускорение свободного падения,
при этом коэффициент избытка воздуха α в первой зоне выбирают в диапазоне
α = G_B/(G_m•L₀) = 0,6-1,5,
где G_B - расход воздуха через устройство сжигания топлива,
G_m - общий расход топлива через устройство сжигания топлива,
L₀ - стехиометрический коэффициент.

При этом соотношение доли топлива, подаваемого до завихрителя G₁, к общему расходу топлива G_m составляет величину G₁/G_m=1-0. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сжигания топлива, заключающийся в создании последовательно размещенных двух зон образования топливовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха путем подвода топлива и воздуха, закрутки потока топливовоздушной смеси в первой зоне, отличающийся тем, что воздух и топливо подают в первую зону, причем часть топлива подают до завихрителя, транспортировку топливовоздушной смеси из первой зоны во вторую обеспечивают путем ее заключения в ограниченное пространство газовода, при этом закрутку потока топливовоздушной смеси в первой зоне осуществляют с интенсивностью S, определяемой по формуле
S = (ω²•D_П)/2g≥10⁴,
где ω - угловая скорость закрутки потока,
D_П - диаметр потока топливовоздушной смеси в первой зоне,
g - ускорение свободного падения,
при этом коэффициент избытка воздуха α в первой зоне выбирают в диапазоне
α = G_B/(G_m•L₀) = 0,6-1,5,
где G_в - расход воздуха через устройство сжигания топлива,
G_m - общий расход топлива через устройство сжигания топлива,
L₀ - стехиометрический коэффициент. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение доли топлива, подаваемого до завихрителя G₁, к общему расходу топлива G_m составляет величину G₁/G_m= 1-0. 3. Устройство для сжигания топлива, содержащее последовательно соединенные первую и вторую камеры сгорания, узел подачи воздуха, узел подачи топлива и завихритель, подсоединенные со стороны входа первой камеры сгорания, устройство зажигания топливовоздушной смеси, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным узлом подачи топлива, соединенным также с входом первой камеры сгорания, газоводом, расположенным между выходом первой камеры сгорания и входом второй камеры сгорания, выполненным в виде отрезка трубы, при этом диаметр газовода d₁ выбирают в диапазоне
d_г= (0,3-1,0)D_К,
где D_К - диаметр первой камеры сгорания, а длину газовода L_г выбирают равной L_г= (0,5-30)d_г. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что устройство зажигания топливовоздушной смеси расположено на входе во вторую камеру сгорания. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что газовод выполнен изогнутым, а радиус кривизны R_г выбирают из соотношения R_г/d_г≥5.