СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК F23R3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области сжигания топлива и может найти применение в устройствах для сжигания топлива, предназначенных для использования в газотурбинных и теплоэнергетических установках, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов.

Известен способ сжигания топлива, предусматривающий создание сильно закрученного воздушного потока, в начало которого подают топливо для образования топливовоздушной смеси, движение которого формируют в виде периферийного и осевого вихрей, при этом начало формирования топливовоздушной смеси и выход продуктов сгорания находится в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, а также создание дополнительно к потоку топливовоздушной смеси основной камеры сгорания потока топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания, который поджигают, а выход продуктов сгорания направляют в начало формирования топливовоздушной смеси периферийного вихря по направлению его вращения, причем формирование топливовоздушной смеси, ее воспламенение и сжигание осуществляют в периферийном вихре, а дожигание и разбавление в приосевом (см. МПК F 23 R 3/00, патент на изобретение Российской Федерации № 2196940, опубл. 20.01.2003 г.).

Недостатками известного способа являются:

• низкий КПД, обусловленный неустойчивостью и ненадежностью сжигания, склонным к срыву пламени;

• наличие пульсации процесса горения в основной камере сгорания, так как периферийный и приосевой вихри, находящиеся в противотоке, не разделены, что может привести к своеобразному помпажу, усугубляемому подачей продуктов сгорания первичной камеры перпендикулярно оси периферийного и приосевого вихрей.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ сжигания топлива, при котором создают сильно закрученный воздушный поток в периферийной зоне основной камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне основной камеры сгорания, находящейся в противотоке к нему, вращающийся в том же направлении сильно закрученный воздушный поток - приосевой вихрь, а в первичной камере сгорания дополнительно создают сильно закрученный воздушный поток и формируют в ней поток топливовоздушной смеси, которую затем поджигают и сжигают в первичной камере, при этом дожигание и разбавление продуктов сгорания первичной камеры осуществляют в приосевом вихре основной камеры сгорания, причем выход продуктов сгорания приосевого вихря и начало формирования периферийного вихря находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и осевого вихрей, а для образования потока топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания первичный поток воздуха предварительно разделяют на два, один из которых направляют в первичную камеру сгорания, а другой - в форкамеру для образования с дежурным топливом топливовоздушной смеси, которую поджигают и сжигают в форкамере, а высокотемпературный поток продуктов сгорания, выходящий из нее, направляют в первичную камеру сгорания, где его вместе с первичным потоком воздуха разгоняют, создавая сильно сильно закрученный высокотемпературный активный поток, формирующий в плоскости его образования структуру потока с высоким радиальным градиентом статического давления, а в качестве пассивного потока используют топливо, поступающее в центральную часть создаваемого активного потока за счет формирования высоким радиальным градиентом статического давления (см. МПК F 23 R 3/00, патент на изобретение Российской Федерации № 2212004, опубл. 10.09.2003 г.).

Недостатком известного способа является сложность формирования потоков для создания процессов сгорания, неустойчивость и ненадежность управления процессом сгорания, обусловленные следующими причинами:

• для образования потока топлива воздушной смеси в первичной камере сгорания первичный поток воздуха разделяют на два, один из которых направляют в первичную камеру сгорания, а другой - в форкамеру для образования с дежурным топливом воздушной смеси, при этом одновременно создается высокотемпературный поток продуктов сгорания, разгон вместе потоком вторичного воздуха и подвод вторичного в основную камеру сгорания. Кроме того, как следует из описания способа, основное топливо всегда поступает в первичную камеру сгорания, как только вторичный воздух направляют либо в первичную камеру сгорания, либо в форкамеру, а это создает возможность взрыва в переходные режимы работы при поджигают топливовоздушной смеси с дежурным топливом;

• расположение в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей выхода продуктов сгорания приосевого вихря и формирования периферийного вихря требует создания “улитки” достаточно больших размеров, что не позволит присоединить камеру сгорания непосредственно к месту нагрева и, например, для реактора утилизации твердых бытовых отходов потребуются достаточно длинные каналы с принудительным охлаждением;

• создание в приосевой зоне основной камеры сгорания сильно закрученного воздушного потока - приосевого вихря с использованием торовой поверхности приводит к образованию на границе разделения вихрей анизотропной турбулентности и, как следствие, возможности пульсации процесса.

Техническим результатом предлагаемого способа сжигания топлива является повышение стабильности, надежности и управляемости процесса сжигания топлива.

Сущность технического решения заключается в том, что в способе сжигания топлива, при котором сильно закрученный воздушный поток в периферийной зоне камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильно закрученный воздушный поток - приосевой вихрь, формируют поток топливовоздушной смеси с пусковым топливом, который поджигают и сжигают в приосевом вихре, начало формирования периферийного вихря и выход продуктов сгорания приосевого вихря осуществляют в разных сечениях, перпендикулярных их оси, при этом периферийный вихревой поток окончательно формируют посредством сжимающего дефлектора, а поток топливовоздушной смеси формируют в сферической головке камеры сгорания и стабилизируют дефлектором рассеивающим, а дожигание продуктов сгорания осуществляют в зоне дожига камеры сгорания.

В предлагаемом способе сжигания топлива осуществление начала формирования периферийного вихря и выхода продуктов сгорания в разных сечениях, перпендикулярных их оси, позволяет охлаждать наружную поверхность жаровой трубы камеры сгорания и стенок канала выхода продуктов сгорания при одновременном нагреве основного воздуха, что обеспечивает надежность процесса сжигания и основного топлива, окончательное формирование периферийного вихревого потока, равно как и стабилизация топливовоздушной смеси дефлектором рассеивающим позволяет изменять параметры основного и вторичного воздуха, пускового и основного топлива без риска образования пульсаций процесса сжигания, что обеспечивает его стабильность, надежность и управляемость.

Технический результат стабильности и надежности усиливается формированием топливовоздушной смеси в сферической головке камеры сгорания и подачей дополнительного потока вторичного воздуха, что позволяет осуществить запуск процесса как на пусковом, так и основном топливе. При этом процесс горения как при запуске, так и при осуществлении процесса сжигания, управляется путем регулирования только одного параметра либо основного, либо вторичного воздуха.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство, реализующее способ сжигания; на фиг.2 - тангенциальная подача основного воздуха в канал 1; на фиг.3 - подача первичного воздуха в завихритель; на фиг.4 - подача вторичного воздуха в завихритель.

При запуске камеры сгорания в нее подают тангенциально основной воздух и создают сильно закрученный воздушный поток в канале 1, образованный внутренней поверхностью корпуса 2 камеры сгорания и наружной поверхностью жаровой трубы 3. Вихревой поток в канале 1 доходит до крышки 4 камеры сгорания и отражаясь от нее попадает в канал 5, образованный внутренней поверхностью жаровой трубы 3 и наружной поверхностью завихрителя 6. Проходя через завихритель 6, вихревой поток получает дополнительную подкрутку вихря и, отражаясь от наружной поверхости дефлектора рассеивающего 7 и конуса рассеивающего 8, окончательно формируется в дефлекторе сжимающем 9, проходя с его наружной стороны. Проходя через сферическую головку 10 камеры сгорания, он возбуждает в приосевой зоне камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильно закрученный воздушный поток - приосевой вихрь, в который подают пусковое топливо. Полученную топливовоздушную смесь поджигают и сжигают в приосевом вихре. Образовавшиеся продукты сгорания проходят дефлектор сжимающий 9 уже внутренней стороны, постепенно расширяются и проходят внутри дефлектора рассеивающего 7. Дожигание продуктов сгорания камеры сгорания осуществляют в зоне дожига 11 после дефлектора рассеивающего 7 в канале 12 выхода продуктов сгорания. Температуру пламени в камере сгорания и регулирование подвода пускового топлива осуществляют датчиками (на чертеже не показаны), еще один датчик выдает сигнал о наличии пламени в камере сгорания, после чего свеча зажигания 13 выключается. Процесс работы камеры сгорания на пусковом топливе может продолжаться неограниченное время.

При переходе способа сжигания на основное топливо образуют поток топливовоздушной смеси с основным топливом. Для этого дополнительно направляют вторичный воздух в завихритель 14 вторичного воздуха, создавая сильно закрученный активный поток, формирующий в плоскости его образования у цилиндрической части втулки эжекторной 15 структуру потока с высоким радиальным градиентом статического давления, а в качестве пассивного потока используют основное газообразное топливо, поступающее в центральную часть создаваемого активного потока за счет формирования высоким радиальным градиентом статического давления, осевого градиента статического давления, причем на каждую массовую часть активного вторичного потока поступает 2,2 массовые части пассивного потока основного топлива. Образовавшуюся топливовоздушную смесь сжигают в приосевом вихре, а дожигание продуктов сгорания осуществляют в зоне дожига 11. Через систему управления (на чертеже не показана) постепенно увеличивают расход вторичного воздуха, то есть основного топлива, и одновременно уменьшают расход пускового топлива, постепенно сводя его до нуля и поддерживая условие: температура 2000±50°С=Const.

Таким образом, предлагаемый способ сжигания топлива по сравнению с ближайшим аналогом позволит:

• обеспечить устойчивое формирование приосевого вихря при изменении параметров основного и вторичного воздуха в широких пределах;

• обеспечить стабильность и надежность способа за счет широкого изменения параметров основного и вторичного воздуха, пускового и основного топлива;

• осуществлять запуск процесса сжигания как на пусковом, так и основном топливе, что делает способ очень экономичным и расширяет область его применения.

Изобретение относится к области сжигания топлива и может найти применение в устройствах для сжигания топлива, предназначенных для использования в газотурбинных и теплоэнергетических установках, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов. Техническим результатом данного способа сжигания топлива является повышение стабильности, надежности и управляемости процесса сжигания топлива. Этот результат достигается тем, что в способе сжигания топлива, при котором сильно закрученный воздушный поток в периферийной зоне камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильно закрученный воздушный поток - приосевой вихрь, формируют поток топливовоздушной смеси с пусковым топливом, который поджигают и сжигают в приосевом вихре, начало формирования периферийного вихря и выход продуктов сгорания приосевого вихря осуществляют в разных сечениях, перпендикулярных их оси, при этом периферийный вихревой поток окончательно формируют посредством сжимающего дефлектора, а поток топливовоздушной смеси формируют в сферической головке камеры сгорания и стабилизируют дефлектором рассеивающим, а дожигание продуктов сгорания осуществляют в зоне дожига камеры сгорания. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сжигания топлива, при котором создают сильно закрученный воздушный поток в периферийной зоне камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильно закрученный воздушный поток - приосевой вихрь, формируют поток топливовоздушной смеси с пусковым топливом, который поджигают и сжигают в приосевом вихре, отличающийся тем, что начало формирования периферийного и выход продуктов сгорания приосевого вихрей осуществляют при разных сечениях, перпендикулярных их оси, при этом периферийный вихревой поток окончательно формируют посредством сжимающего дефлектора, а поток топливовоздушной смеси формируют в сферической головке камеры сгорания и стабилизируют дефлектором рассеивающим, а дожигание продуктов сгорания осуществляют в зоне дожига камеры сгорания.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования топливовоздушной смеси на основном топливе подают вторичный воздух, при этом на каждую массовую часть вторичного воздуха поступает 2,2 мас. ч. основного топлива.