СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F23C11/00 F23C7/00 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в том, что поток воздуха предварительно разделяют на отдельные струи и затем подают эти струи в осесимметричное полуограниченное (с одним закрытым концом) затопленное пространство так, что скорости воздуха в каждой струе направлены к оси этого пространства, а струи топлива подают одновременно с воздухом в приосевую зону упомянутого пространства (см. , например, А.Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986, стр. 13, рис. 1.1, г).

Недостатком этого способа является высокая токсичность продуктов сгорания за счет значительной эмиссии оксидов азота. В рассмотренном способе сжигания топлива процессы смешения топлива с воздухом и собственно горение осуществляются одновременно, что неизбежно приводит к тому, что в некоторых зонах полуограниченного пространства происходит горение стехиометрической топливовоздушной смеси при очень высокой температуре в зоне реакции. Поскольку скорость реакции образования оксидов азота экспоненциально зависит от температуры, использование данного способа сжигания топлива всегда сопровождается повышенной эмиссией оксидов азота.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в том, что поток воздуха разделяют на отдельные струи и затем подают эти струи в осесимметричное полуограниченное (с одним закрытым концом) затопленное пространство так, что скорости воздуха в каждой струе направлены к оси этого пространства, а топливо предварительно подают, по меньшей мере, в часть струй воздуха и смешивают его с воздухом до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси (см. Способ сжигания топлива. Патент РФ 2128807 от 10.04.99).

Предварительное смешение топлива с воздухом и поддержание концентрации топливовоздушной смеси в заданном диапазоне ("бедная" смесь) исключает возможность появления зон горения с очень высокими температурами и позволяет контролировать уровень эмиссии оксидов азота. Границы диапазона, в котором должна поддерживаться концентрация топливовоздушной смеси, определяются в каждом конкретном случае расчетным или эмпирическим путем, исходя из требований по эмиссии вредных веществ, температуры и давления воздуха, условий обеспечения устойчивости процесса горения.

Существенным недостатком данного способа сжигания топлива является сравнительно узкий диапазон режимов (диапазон концентраций топливовоздушной смеси), в котором обеспечивается низкотоксичное и устойчивое горение топлива.

Другим недостатком рассматриваемого способа является то, что практически все топливо подается в одном сечении полуограниченного пространства, в результате чего тепловые нагрузки распределены неравномерно по длине полуограниченного пространства и его объем используется не эффективно. Кроме того, при этом весьма ограничены возможности формирования требуемого температурного поля продуктов сгорания в полуограниченном пространстве, что приводит к появлению повышенных радиальных и осевых градиентов температуры и, в конечном итоге, снижает надежность работы и ресурс устройств, в которых используется данный способ сжигания.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ сжигания топлива, является снижение неравномерности температурного поля продуктов сгорания и расширение диапазона низкотоксичных и устойчивых режимов горения топлива.

Поставленная задача достигается за счет способа сжигания топлива, который заключается в том, что поток воздуха разделяют на отдельные струи и затем подают эти струи в осесимметричное полуограниченное (с одним закрытым концом) затопленное пространство так, что скорости воздуха в каждой струе направлены к оси этого пространства, а топливо предварительно подают в струи воздуха и смешивают его с воздухом до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, струи воздуха предварительно разделяют на группы, а топливо подают в одну или более групп струй воздуха, причем каждую последующую группу струй топливовоздушной смеси подают в упомянутое пространство в конце участка выгорания топливовоздушной смеси предыдущей группы струй.

Возможен вариант, позволяющий значительно расширить диапазон низкотоксичных и устойчивых режимов горения топлива, когда при уменьшении расхода топлива и повышении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно прекращают подачу топлива в группы струй воздуха, наиболее удаленные от закрытого конца упомянутого пространства, а при увеличении расхода топлива и уменьшении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно подают часть топлива в группы струй воздуха, ближайшие к струям топливовоздушной смеси.

Для достижения желаемого результата - снижения неравномерности температурного поля продуктов сгорания и повышения устойчивости горения топлива, струи воздуха предварительно разделяют на группы, каждую из которых подают в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство в конце участка выгорания топливовоздушной смеси предыдущей группы струй. При этом обеспечивается более равномерное, чем в прототипе, распределение топливовоздушной смеси по длине упомянутого пространства, более эффективно используется для горения топливовоздушной смеси его объем, в несколько раз снижается величина максимального теплового напряжения сечения параметра, характеризующего форсировку камер сгорания газовых турбин.

Хорошо известно, что со снижением форсировки повышается устойчивость горения топлива, уменьшается неравномерность температурного поля продуктов сгорания, что в свою очередь положительно сказывается на ресурсе и надежности топливосжигающих устройств.

Равномерность тепловыделения в полуограниченном затопленном пространстве существенно зависит от правильного выбора расстояний от закрытого конца этого пространства, на которых подают группы топливовоздушных струй.

Целесообразно выбирать расстояния так, чтобы в процессе движения потока в полуограниченном затопленном пространстве в сторону его открытого конца каждая последующая группа струй топливовоздушной смеси подавалась в конце участка выгорания топливовоздушной смеси предыдущей группы струй. Протяженность участка выгорания зависит от свойств топлива, параметров воздуха, концентрации топливовоздушной смеси, структуры потока в полуограниченном затопленном пространстве и может быть определена в каждом конкретном случае расчетным или эмпирическим путем.

Вариант развития предложенного способа сжигания топлива позволяет значительно расширить диапазон низкотоксичных и устойчивых режимов горения топлива при уменьшении или увеличении расхода топлива, т.е. при изменении нагрузки топливосжигающего устройства, использующего данный способ.

Известно, что при горении "бедных" (с коэффициентом избытка воздуха α>1,6÷1,8) предварительно перемешанных топливовоздушных смесей температура пламени достаточно низка, для того чтобы реакция образования оксидов азота протекала с низкой скоростью и уровень эмиссии NO_х был приемлем для современных газовых турбин. Известно также, что при значительном "обеднении" (α>2,2÷2,4) топливовоздушной смеси процесс горения прекращается. Таким образом, диапазон концентраций, в котором может осуществляться устойчивое низкотоксичное сжигание "бедной" предварительно перемешанной топливовоздушной смеси, весьма узок: 1,6 < α < 2,4, в то время как в реальных камерах сгорания газовых турбин для режимов холостого хода и номинальной нагрузки это отношение в несколько раз больше.

В заявляемом способе сжигания топлива расширение диапазона низкотоксичных и устойчивых режимов горения достигается тем, что при изменении расхода топлива соответствующим образом изменяют количество групп струй воздуха, в которые подают топливо. При этом концентрацию топливовоздушной смеси поддерживают в пределах устойчивого низкотоксичного горения, в то время как общий коэффициент избытка воздуха в топливосжигающем устройстве может меняться в широких пределах, зависящих от количества групп струй воздуха.

Так, при уменьшении расхода топлива и повышении коэффициента избытка воздуха топливоздушной смеси последовательно прекращают подачу топлива в группы струй воздуха, наиболее удаленные от закрытого конца полуограниченного затопленного пространства, а при увеличении расхода топлива и уменьшении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно подают часть топлива в группы струй воздуха, ближайшие к струям топливовоздушной смеси. Такой алгоритм включения и выключения из работы отдельных групп струй обеспечивает условия горения топливовоздушной смеси, при которых струи воздуха всегда подают ниже по потоку продуктов сгорания в полуограниченном затопленном пространстве, направленному от его закрытого конца к открытому, чем струи топливовоздушной смеси. При этом при любом количестве включенных в работу групп струй в полуограниченном затопленном пространстве в зоне, прилегающей к его закрытому концу, происходит процесс горения топливовоздушной смеси, а ниже по потоку в зоне, прилегающей к открытому концу, - процесс разбавления продуктов сгорания воздухом.

На фиг.1 схематично показана подача топлива во все струи воздуха;
на фиг. 2 - подача топлива в часть струй воздуха.

Поток воздуха 1 предварительно разделяют на группы струй 2 и затем подают эти струи в осесимметричное полуограниченное (с одним закрытым концом 3) затопленное пространство 4 на расстоянии, равном длине участка выгорания топливовоздушной смеси предыдущей группы струй (x₁, x₂,...x_i) от закрытого конца этого пространства так, что скорости воздуха в каждой струе направлены к оси 5 этого пространства.

А топливо 6 предварительно подают во все (см. фиг.1) или в часть (см. фиг. 2) струй воздуха и смешивают его с воздухом до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси.

При уменьшении расхода топлива и повышении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно прекращают подачу топлива в группы струй воздуха (например, группы II и III на фиг.2), наиболее удаленные от закрытого конца полуограниченного затопленного пространства.

При увеличении расхода топлива и уменьшении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси действуют в обратном порядке, т.е. последовательно подают часть топлива в группы струй воздуха, ближайшие к струям топливовоздушной смеси.

Таким образом, при уменьшении расхода топлива переход от работы по схеме фиг. 1 к работе по схеме фиг.2 осуществляется последовательным прекращением подачи топлива сначала в III , а затем во II группу струй воздуха, и наоборот, при увеличении расхода топлива последовательно подают часть топлива сначала во II, а затем в III группу струй.

Возможность осуществления заявляемого способа не вызывает сомнений, поскольку для этого могут быть использованы широко известные устройства: цилиндрическая жаровая труба, воздухонаправляющие патрубки, смесительные устройства, стандартные топливораздающие насадки, форсунки и т.п.

Предлагаемый способ сжигания топлива может использоваться в газотурбинных установках и найти применение в энергетическом, транспортном и химическом машиностроении. Способ сжигания топлива заключается в том, что поток воздуха разделяют на отдельные струи и затем подают эти струи в осесимметричное полуограниченное (с одним закрытым концом) затопленное пространство так, что скорости воздуха в каждой струе направлены к оси этого пространства, а топливо предварительно подают в струи воздуха и смешивают его с воздухом до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, струи воздуха предварительно разделяют на группы, а топливо подают в одну или более групп струй воздуха, причем каждую последующую группу струй топливовоздушной смеси подают в упомянутое пространство в конце участка выгорания топливовоздушной смеси предыдущей группы струй. При уменьшении расхода топлива и повышении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно прекращают подачу топлива в группы струй воздуха, наиболее удаленные от закрытого конца упомянутого пространства, а при увеличении расхода топлива и уменьшении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно подают часть топлива в группы струй воздуха, ближайшие к струям топливовоздушной смеси. Изобретение позволяет расширить диапазон низкотоксичных и устойчивых режимов горения топлива, а также снизить неравномерность температурного поля продуктов сгорания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжигания топлива, заключающийся в том, что поток воздуха разделяют на отдельные струи и затем подают эти струи в осесимметричное полуограниченное (с одним закрытым концом) затопленное пространство так, что скорости воздуха в каждой струе направлены к оси этого пространства, а топливо предварительно подают в струи воздуха и смешивают его с воздухом до образования "бедной" однородной топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что струи воздуха предварительно разделяют на группы, а топливо подают в одну или более групп струй воздуха, причем каждую последующую группу струй топливовоздушной смеси подают в упомянутое пространство в конце участка выгорания топливовоздушной смеси предыдущей группы струй. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при уменьшении расхода топлива и повышении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно прекращают подачу топлива в группы струй воздуха, наиболее удаленные от закрытого конца упомянутого пространства, а при увеличении расхода топлива и уменьшении коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси последовательно подают часть топлива в группы струй воздуха, ближайшие к струям топливовоздушной смеси.