УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2004 года по МПК F23C11/00 F23R3/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для сжигания топлива в низкоэмиссионных камерах сгорания различных энергетических систем: газотурбинных установок (ГТУ), газотурбинных двигателей (ГТД), печах, котлах и др.

Известно устройство для сжигания топлива (низкоэмиссионная камера сгорания ГТД фирмы Jeneral Electric), в котором для снижения вредных выбросов осуществлены предварительное смешение, закрутка и сжигание бедной топливовоздушной смеси в многозонной камере сгорания. В этом устройстве достигается сравнительно невысокий уровень эмиссии NO ≈ 100 ppm, однако этот уровень еще не отвечает требованиям международных стандартов (А. Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986, с.42 (рис. 1.18), с.508 (рис. 11.26.а) [1].

Известно устройство для сжигания топлива (низкоэмиссионная камера сгорания фирмы Пратт-Уитни), наиболее близкое к предлагаемому. Указанное устройство содержит пусковую и основную камеры сгорания, первые входы подачи воздуха, топлива и первый завихритель, расположенные со стороны входа пусковой камеры сгорания, устройство зажигания топливовоздушной смеси, вторые входы подачи воздуха и топлива и второй завихритель и камера смешения основного воздуха и топлива (Патент США N 3872664, МПК F 02 C 3/00, 1975) [2].

Данная камера имеет лучшие по сравнению с аналогом эмиссионные характеристики NO ≈ 50 ppm.

Указанное устройство имеет и следующие недостатки. Пусковая камера сгорания, работающая на достаточно богатых коэффициентах избытка воздуха, требует интенсивного охлаждения, что снижает ее характеристики по выбросам СО и ограничивает ресурс работы камеры. Недостаточно эффективная камера смешения приводит к значительным пульсациям концентрации горючего и повышенным эмиссионным характеристикам устройства. Рециркуляционный механизм стабилизации горения в условиях обедненных топливовоздушных смесей ограничивает диапазон устойчивых режимов горения.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в дополнительном снижении эмиссионных характеристик устройства для сжигания топлива, уменьшении теплонапряженности пусковой и основной камер сгорания, улучшении характеристик смесеобразования воздуха и топлива и расширении диапазона устойчивых режимов горения.

Указанная техническая задача решается тем, что устройство для сжигания топлива содержит пусковую и основную камеры сгорания, первые входы подачи воздуха, топлива и первый завихритель, расположенные со стороны входа пусковой камеры сгорания, устройство зажигания топливовоздушной смеси, вторые входы подачи воздуха и топлива, камеру смешения, пусковая камера сгорания выполнена цилиндрической с гладкими стенками, устройство дополнительно снабжено газоводом, вход которого подсоединен к выходу пусковой камеры сгорания, а камера смешения расположена коаксиально вокруг газовода, образуя кольцевой канал, состоящий из трех последовательно расположенных участков - первого, второго и третьего диффузорного,вход первого участка камеры смешения - у входной части газовода, выход диффузорного участка камеры смешения расположен у входа основной камеры сгорания, выход газовода - у входа в диффузорный участок камеры смешения, вторые входы подачи воздуха и топлива расположены со стороны входа в первый участок камеры смешения, устройство зажигания топливовоздушной смеси - со стороны входа пусковой камеры сгорания на ее оси, первый вход подачи топлива - между устройством зажигания топливовоздушной смеси и первым завихрителем, устройство дополнительно снабжено завихрителем, расположенным на входе в диффузорный участок камеры смешения. Первый завихритель выполнен в виде отверстий в корпусе пусковой камеры сгорания, закручивающих поток относительно оси указанной камеры. Завихритель, расположенный на входе в диффузорный участок камеры смешения, выполнен в виде лопаток. Первый участок камеры смешения выполнен конфузорным или цилиндрическим. Второй участок камеры смешения выполнен цилиндрическим. Основная камера сгорания выполнена кольцевой. На входе в основную кольцевую камеру сгорания установлено несколько пусковых камер сгорания и камер смешения.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство для сжигания топлива, общий вид.

На фиг. 2 представлена пусковая камера сгорания.

На фиг. 3 представлена основная кольцевая камера сгорания, вид со стороны пусковых камер сгорания.

На фиг. 4 показано устройство с несколькими пусковыми камерами сгорания и камерами смешения.

На фиг. 5 – разрез А-А на фиг. 3.

На фиг.6 представлены результаты исследования эмиссионных характеристик (NO, ppm) устройства для сжигания топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха α.

На фиг. 7 представлены результаты исследования границ устойчивого горения (зависимость температуры газа Т_г , К, в функции от α).

На фиг. 8 представлены результаты исследования теплового состояния пусковой камеры сгорания и газовода (зависимость температуры стенки T_w, K, в функции от L/d, где L - длина газовода, d - диаметр газовода).

Устройство для сжигания топлива (фиг. 1) содержит пусковую камеру 1 сгорания, основную камеру 2 сгорания, первый вход 3 подачи воздуха, первый вход 4 подачи топлива, первый завихритель 5 воздуха, устройство 6 зажигания топливовоздушной смеси, второй вход 7 подачи воздуха, второй вход 8 подачи топлива, завихритель 9, цилиндрический газовод 10, камеру 11 смешения, образующую кольцевой канал, состоящий из трех последовательно расположенных участков 12, 13, 14 – первого, второго и третьего диффузорного, корпус 15 со входом 16 воздуха от компрессора (не показан).

Первые входы 3 и 4 соответственно подачи воздуха и топлива, а также первый завихритель 5 воздуха расположены со стороны входа пусковой камеры 1 сгорания. Кольцевой канал камеры 11 смешения расположен коаксиально вокруг цилиндрического газовода 10. Вход первого участка 12 камеры 11 смешения расположен у входной части цилиндрического газовода 10. Выход газовода 10 расположен вблизи входа в диффузорный участок 14 камеры 11 смешения. Вторые входы 7 и 8 соответственно подачи воздуха и топлива расположены со стороны входа в первый участок 12 камеры 11 смешения. Завихритель 9 расположен на входе в диффузорный участок 14 камеры 11 смешения.

Пусковая камера 1 сгорания (фиг. 2) содержит цилиндрический корпус, на выходе из которого установлен газовод 10, первый вход 3 подачи воздуха, первый вход 4 подачи топлива, первый завихритель 5 воздуха, устройство 6 зажигания топливовоздушной смеси.

Первый завихритель 5 пусковой камеры 1 сгорания может быть выполнен в виде набора лопаток или отверстий в корпусе пусковой камеры 1 сгорания, оси которых располагаются в плоскости, перпендикулярной оси пусковой камеры 1 сгорания (перпендикулярно вектору радиуса пусковой камеры 1 сгорания). Завихритель 9 выполнен в виде лопаток. Первый участок 12 камеры 11 смешения выполнен конфузорным или цилиндрическим. Второй участок 13 камеры 11 смешения выполнен цилиндрическим. Основная камера 2 сгорания выполнена кольцевой. На входе в основную кольцевую камеру 2 сгорания может быть установлено несколько пусковых камер 1 сгорания и камер 11 смешения.

Устройство для сжигания топлива по предлагаемому способу работает следующим образом.

Основной воздух подается на второй вход 7 (фиг. 1) и далее в камеру 11 смешения. Пусковой воздух подают на первый вход 3 и далее в пусковую камеру 1 сгорания. Пусковое топливо через первый вход 4 подают в пусковую камеру 1 сгорания. Расходы воздуха и топлива на входе в пусковую камеру 1 сгорания могут составлять меньше 5% от общих расходов воздуха и топлива через устройство для сжигания топлива. Включают устройство 6 зажигания топливовоздушной смеси. В пусковой камере 1 сгорания топливовоздушная смесь воспламеняется от устройства 6 зажигания. Процесс горения начинается внутри пусковой камеры 1 сгорания. Процесс горения продолжается и внутри цилиндрического газовода 10. На выходе из газовода 10 образуется пилотный факел 17. Основное топливо подают через второй вход 8 на вход в камеру 11 смешения. Образующаяся основная топливовоздушная смесь проходит через камеру 11 смешения и через завихритель 9, где закручивается, и попадает в диффузорный участок 14 камеры 11 смешения. В диффузорном участке 14 заканчивается создание гомогенной топливовоздушной смеси, которая воспламеняется от пилотного факела 17 и начинает гореть в конусообразном фронте 18 горения на входе в основную камеру 2 сгорания с выделением тепла. Далее процесс горения в основной камере 2 сгорания продолжается. Воспламенение и стабилизация горения основной топливовоздушной смеси создаётся с помощью пилотного факела 17, горящего на выходе газовода 10.

Полученный эффект достигается за счёт интенсивной закрутки потока воздуха в пусковой камере 1 сгорания, при этом процесс горения у стенок не реализуется из-за высокого градиента давления вдоль радиуса, что обеспечивает интенсивное охлаждение стенок пусковой камеры 1 сгорания и газовода 10 при локализации процесса горения в приосевой зоне. Процесс устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси от пилотного факела 17 реализуется в широком диапазоне абсолютных расходов воздуха и топлива. После истечения топливовоздушной смеси и продуктов неполного сгорания из газовода 10 в основной камере 2 сгорания закрутка потока резко снижается, реализуется турбулентный массообмен между приосевым слоем горения и периферийным слоем топливовоздушной смеси с интенсивным догоранием последней в основной камере 2 сгорания.

При наличии нескольких трубчатых камер сгорания или кольцевой камеры с несколькими горелками (пусковыми камерами 1 сгорания и камерами 11 смешения) (фиг. 3, 4) запуск и регулирование по тепловой мощности может осуществляться не только регулированием расхода основного топлива и состава топливовоздушной смеси в камере 11 смешения, но и последовательным включением (отключением) подачи основного топлива в отдельные камеры 11 смешения горелок при постоянно работающих пусковых камерах 1 сгорания, создающих пилотные факелы 17 на выходах всех газоводов 10.

Для воспламенения топливовоздушной смеси в данном устройстве в качестве устройства 6 зажигания топливовоздушной смеси использовалась электрическая свеча зажигания, установленная на входе пусковой камеры 1 сгорания (фиг. 1 и фиг. 2).

Экспериментальные исследования показали, что на выходе газовода 10 создаётся факел горения с температурой 1500-1700 К, который надёжно воспламеняет и поддерживает горение топливовоздушной смеси в основной камере 2 сгорания, установленная температура внутренних стенок пусковой камеры 1 сгорания и газовода 10 не превышает 500 К (фиг.8) при отсутствии охлаждения элементов конструкции.

Экспериментальные исследования опытных образцов низкоэмиссионной камеры сгорания и её узлов дали следующие основные результаты. На основном режиме работы камеры при коэффициенте избытка воздуха α = 2-2.2 и температуре воздуха на входе 720 К концентрация окислов азота, представленная на фиг. 6, составляет 1.5-2 ppm, что более чем на порядок ниже эмиссионных характеристик камер сгорания [1] (аналога) и [2] (прототипа) и существенно ниже международных норм.

Исследование диапазона устойчивых режимов горения в экспериментальной камере с факельным источником стабилизации горения и при наличии общепринятых рециркуляционных методов стабилизации горения показали (фиг. 7), что предлагаемая факельная схема стабилизации (ФС) существенно расширяет диапазон устойчивого горения по составу смеси по сравнению с рециркуляционной (PC).

Исследование теплового состояния пусковой камеры 1 сгорания и газовода 10, представленное на фиг.8, показало, что предлагаемая схема течения в пусковой камере 1 сгорания и низкая полнота сгорания внутри рассматриваемых элементов конструкции приводит к тому, что температура пусковой камеры 1 сгорания и газовода 10 не поднимается выше входной температуры воздуха более чем на 200° при отсутствии дополнительного охлаждения этих элементов.

Изобретение может быть использовано для сжигания топлива в низкоэмиссионных камерах сгорания различных энергетических систем. Устройство для сжигания топлива содержит пусковую и основную камеры сгорания, первые входы подачи воздуха, топлива и первый завихритель, расположенные со стороны входа пусковой камеры сгорания, устройство зажигания топливовоздушной смеси, вторые входы подачи воздуха и топлива, камеру смешения, пусковая камера сгорания выполнена цилиндрической с гладкими стенками, устройство дополнительно снабжено газоводом, вход которого подсоединен к выходу пусковой камеры сгорания, а камера смешения расположена коаксиально вокруг газовода, образуя кольцевой канал, состоящий из трех последовательно расположенных участков - первого, второго и третьего диффузорного,вход первого участка камеры смешения - у входной части газовода, выход диффузорного участка камеры смешения - у входа основной камеры сгорания, выход газовода расположен у входа в диффузорный участок камеры смешения, вторые входы подачи воздуха и топлива - со стороны входа в первый участок камеры смешения, устройство зажигания топливовоздушной смеси - со стороны входа пусковой камеры сгорания на ее оси, первый вход подачи топлива - между устройством зажигания топливовоздушной смеси и первым завихрителем, устройство дополнительно снабжено завихрителем, расположенным на входе в диффузорный участок камеры смешения. Первый завихритель выполнен в виде отверстий в корпусе пусковой камеры сгорания, закручивающих поток относительно оси указанной камеры. Завихритель, расположенный на входе в диффузорный участок камеры смешения, выполнен в виде лопаток. Первый участок камеры смешения выполнен конфузорным. Первый участок камеры смешения выполнен цилиндрическим. Второй участок камеры смешения выполнен цилиндрическим. Основная камера сгорания выполнена кольцевой. На входе в основную кольцевую камеру сгорания установлено несколько пусковых камер сгорания и камер смешения. Изобретение позволяет снизить эмиссионные характеристики устройства для сжигания топлива, уменьшить теплонапряженность пусковой и основной камер сгорания, улучшить характеристики смесеобразования воздуха и топлива и расширить диапазон устойчивых режимов горения. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для сжигания топлива, содержащее пусковую и основную камеры сгорания, первые входы подачи воздуха, топлива и первый завихритель, расположенные со стороны входа пусковой камеры сгорания, устройство зажигания топливовоздушной смеси, вторые входы подачи воздуха и топлива, камеру смешения, отличающееся тем, что пусковая камера сгорания выполнена цилиндрической с гладкими стенками, устройство дополнительно снабжено газоводом, вход которого подсоединен к выходу пусковой камеры сгорания, а камера смешения расположена коаксиально вокруг газовода, образуя кольцевой канал, состоящий из трех последовательно расположенных участков - первого, второго и третьего диффузорного,вход первого участка камеры смешения расположен у входной части газовода, выход диффузорного участка камеры смешения расположен у входа основной камеры сгорания, выход газовода расположен у входа в диффузорный участок камеры смешения, вторые входы подачи воздуха и топлива расположены со стороны входа в первый участок камеры смешения, устройство зажигания топливовоздушной смеси расположено со стороны входа пусковой камеры сгорания на ее оси, первый вход подачи топлива расположен между устройством зажигания топливовоздушной смеси и первым завихрителем, устройство дополнительно снабжено завихрителем, расположенным на входе в диффузорный участок камеры смешения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый завихритель выполнен в виде отверстий в корпусе пусковой камеры сгорания, закручивающих поток относительно оси указанной камеры.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что завихритель, расположенный на входе в диффузорный участок камеры смешения, выполнен в виде лопаток.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый участок камеры смешения выполнен конфузорным.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый участок камеры смешения выполнен цилиндрическим.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй участок камеры смешения выполнен цилиндрическим.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основная камера сгорания выполнена кольцевой.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что на входе в основную кольцевую камеру сгорания установлено несколько пусковых камер сгорания и камер смешения.