СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2006 года по МПК F23N5/08 F23C99/00 

Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способам повышения полноты сгорания углеводородного топлива, и может найти применение в двухконтурных газотурбинных двигателях с форсажными камерами, в машиностроении и других областях техники, где используются тепловые агрегаты с камерой сгорания для углеводородного топлива.

Известен способ контроля (повышения полноты сгорания) горения на основании спектрального анализа, включающий выбор заданного диапазона длин волн, выбор анализируемого продукта горения и определение концентрации выбранного продукта по амплитуде измеренного спектрального сигнала излучения от выбранного продукта, при этом диапазон длин волн выбирают от 0,4 до 1,2 мкм, а в качестве анализируемого продукта горения выбирают сажу (см. патент RU №2152564, кл. F 23 N 5/00, опубл. 10.07.2000).

Недостатки известного способа заключаются в низкой достоверности получаемых данных, поскольку в качестве анализируемого продукта выбирают сажу, по излучению которой из-за непрозрачности струи продуктов сгорания невозможно определить полноту сгорания топлива в середине указанной струи, в невозможности осуществления регулирования процесса горения и, как следствие, в низкой экономичности тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе.

Технический результат изобретения - повышение достоверности получаемых результатов и повышение экономичности тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающем измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, согласно изобретению интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания.

Спектры излучения моноокиси углерода (СО) и двуокиси углерода (CO₂) выбраны исходя из следующих условий:

- моноокись и двуокись углерода являются газами, характеризующими качество сгорания углеводородного топлива, а именно полное отсутствие моноокиси углерода в продуктах сгорания свидетельствует о полном сгорании топлива углерода и, наоборот, присутствие указанного газа свидетельствует о недостаточном наличии кислорода в зоне горения или, соответственно, об избытке топлива;

- моноокись и двуокись углерода являются прозрачными газами и позволяют выполнить решение обратной задачи, то есть по данным измерения интенсивности излучения рассчитать распределение локальных коэффициентов поглощения в спектре данного газа, являющихся функцией локальной концентрации газа. Указанная задача решается с применением томографии по методу Радона. При этом наиболее точное решение задачи повышения полноты сгорания получается в случае решения систем уравнений для излучения моноокиси и двуокиси углерода.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ;

на фиг.2 - график зависимости коэффициента полноты сгорания, температуры торможения и коэффициента избытка воздуха по относительному радиусу струи до проведения коррекции расположения форсунок;

на фиг.3 - график зависимости коэффициента полноты сгорания, температуры торможения и коэффициента избытка воздуха по относительному радиусу струи после проведения коррекции расположения форсунок.

Конкретная реализации способа рассмотрена на примере авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой.

Двигатель содержит форсажную камеру 1 и сопло 2. В форсажной камере 1 расположены трубчатые распылители 3 со струйными форсунками 4 (в данном случае отверстиями, выполненными в стенке трубчатого распылителя). За выходным сечением сопла 2, по разные его стороны, расположены оптически связанные между собой двухспектральный тепловизор 5 и металлическое зеркало 6, установленное с возможностью поворота (перемещения) вокруг его вертикальной оси. Компьютер 7 для управления процессом съемки и поворота (перемещения) зеркала 6; на компьютере 7 проводится расчет необходимых параметров. Тепловизор 5 установлен от сопла 2 на расстоянии, обеспечивающим безопасность тепловизора 5 при работе, причем оптимальное расположение тепловизора 5, когда оптическая ось тепловизора 4 перпендикулярна оси струи. Координаты расположения форсунок 4 по длине распылителей 3 и их расходные характеристики определяют характеристики распределения топлива в форсажной камере (по пространству форсажной камеры).

При проведении экспериментальных исследований при работающем двигателе, продукты сгорания из форсажной камеры поступают в сопло 2, где поток указанных продуктов сгорания формируется в струю газов, создающую тягу.

Интенсивность излучения струи продуктов сгорания регистрируют (снимают) двухспектральным тепловизором 5 в спектрах излучения моноокиси и двуокиси углерода, соответственно, в полосе их излучения с центрами, например, 4,7 и 2,7 микрона. В полосе излучения с центрами 4,7 и 2,7 микрона наблюдаются наиболее сильные полосы излучения указанных газов, что позволяет получить более точные результаты расчетов.

Процесс регистрации (съемки) делится на два сеанса - первый сеанс с зеркалом 6, установленным таким образом, чтобы отражение излучения от зеркала 6 попадало в зону съемки тепловизора 5, и второй сеанс с зеркалом, установленным таким образом, чтобы отражение излучения от зеркала 6 не попадало в зону съемки тепловизора 5. Во время первого сеанса (зеркало установлено вертикально) тепловизор 5 регистрирует суммарное излучение от струи и излучение, отразившееся от зеркала, и прошедшее струю повторно. Во время второго сеанса тепловизор 5 регистрирует только излучение от струи, так как отражение излучения от зеркала 6 не попадает в зону съемки тепловизора 5. Время сеанса определяется скоростью съемки тепловизора: время каждого сеанса составляет 5-6 секунд при скорости съемки 1 кадр в секунду. Регистрация (съемка) необходима для формирования системы уравнений, позволяющих выполнить решение обратной задачи, т.е. по измеренным данным интенсивности излучения определить температуру газа и коэффициент поглощения в полосе излучения с центрами 4,7 и 2,7 микрона.

По данным, полученным при съемках струи продуктов сгорания для двух вариантов расположения зеркала, рассчитывают при помощи метода инфракрасной томографии локальные коэффициенты поглощения в спектре моноокиси углерода и в спектре двуокиси углерода, а также их соотношение:

E(i,j)=E(i,j)co/E(i,j)co₂,

где: E(i,j)co - локальный коэффициент поглощения в спектре моноокиси углерода,

E(i,j)co₂ - локальный коэффициент поглощения в спектре двуокиси углерода.

На основании полученных результатов рассчитывают локальное соотношение концентраций моноокиси и двуокоси углерода, являющееся функцией локального отношения коэффициентов поглощения в спектрах моноокиси углерода и двуокиси углерода, то есть:

K(i,j)-f1(E(i,j)).

По полученным данным рассчитывают распределение локальных коэффициентов полноты сгорания, являющихся в свою очередь функцией распределения локальных отношений концентраций моноокиси и двуокиси углерода, то есть:

f(i,j)=f2 K(i,j).

После этого проводят коррекцию координат расположения форсунок 4 в камере сгорания (по пространству камеры сгорания).

Пример. На двухконтурном газотурбинном двигателе с форсажной камерой струйные форсунки 4 в количестве пяти распределены по длине пальцевого распылителя 3 равномерно, то есть с расстоянием между осями форсунок 4, равным 90 мм. Результат испытаний показал, что распределение локальных коэффициентов полноты сгорания неравномерно - см. фиг.2, то есть сгорание топлива в середине струи неполное.

При повторном испытании расстояние между такими же пятью форсунками 4 по длине пальцевого распылителя 3 изменено и получено более равномерное распределение локальных коэффициентов полноты сгорания - см. фиг.3.

Для испытаний возможно применение комплектов пальцевых распылителей 3 с различными координатами струйных форсунок по длине пальцевого распылителя. В этом случае необходимо заменить пальцевые распылители на другие, имеющие такое количество струйных форсунок 4.

Обозначения на графиках: fi - коэффициент полноты сгорания; ТО - температура торможения; alf - коэффициент избытка воздуха; Rst - относительный радиус струи.

Координаты расположения осей струйных форсунок по длине пальцевого распылителя в первом и втором эксперименте приведены в таблице 1.

Таблица 1Координаты форсунок в ммМежду стенкой и первой форсункойМежду первой форсункой и второйМежду второй форсункой и третьейМежду третьей форсункой и четвертойМежду четвертой форсункой и пятойПримечаниеДо оптимизации9090909090Распределение локальных коэффициентов полноты сгорания неравномерноПосле оптимизации708090100110Распределение локальных коэффициентов полноты сгорания равномерно

Реализация способа рассмотрена на примере авиационного газотурбинного двигателя с форсажной камерой.

Данный способ может быть применен и в других областях техники, в которых используются тепловые агрегаты с камерой сгорания, работающие на углеводородном топливе.

Используемые термины

Камера сгорания - замкнутое пространство для сжигания топлива (закрытое пространство внутри какого-либо устройства).

Форсунка - устройство для распыления жидкого топлива под давлением с одним или несколькими отверстиями для распыления топлива.

Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способам повышения полноты сгорания углеводородного топлива, и может найти применение в двухконтурных газотурбинных двигателях с форсажными камерами, в машиностроении и других областях техники, где используются тепловые агрегаты с камерой сгорания для углеводородного топлива. В способе повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающем измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, согласно изобретению интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания. Изобретение позволяет повысить достоверность полученных результатов и повысить экономичность тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе. 3 ил., 1 табл.

Способ повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающий измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, отличающийся тем, что интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания.