СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/18 

Описание патента на изобретение RU2493491C1

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании и модернизации энергетических газотурбинных установок (ГТУ), потребляющих в качестве энергетического газотурбинного топлива природный газ и другие виды газообразного топлива.

Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в жаровую трубу воздуха и водяного пара для неполного сгорания топлива и последующее его дожигание /RU 2042886, F23R 3/34, 1995/. Отличительной особенностью указанного способа является то, что дожигание топлива осуществляют по меньшей мере в две стадии. Причем неполное сжигание топлива производят с коэффициентом избытка окислителя 0,4-0,8, а дожигание в обеих стадиях с возрастающим коэффициентом избытка окислителя и не менее 0,6 при первой стадии дожигания.

Там же описана камера сгорания газотурбинной установки, содержащая корпус, жаровую трубу, горелочные устройства, установленные в зоне горения и в зоне дожигания по окружности жаровой трубы, подключенные к ним трубопроводы топлива и водяного пара и воздуховод. Отличительной особенностью камеры сгорания является то, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным горелочным устройством, установленным в зоне дожигания, причем горелочные устройства, расположенные в зоне неполного горения, размещены по оси камеры, а в зоне дожигания смещены по длине жаровой трубы и размещены под разными углами наклона к ее оси.

Недостатком известных способа и устройства является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода.

Наиболее близким к заявляемому является способ турбулентного факельного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ в диффузионном режиме с последующим диффузионным разбавлением продуктов сгорания воздухом [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир. 1986. с.22-23].

Недостатком данного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода. В процессе диффузионного смешения топлива со вторичным воздухом, протекающим по всей длине камеры сгорания ГТУ, не удается достигнуть необходимой степени обеднения топливовоздушной смеси непосредственно в области горения, поэтому не обеспечивается достаточно низкий уровень образования оксидов азота, соответствующий современным экологическим требованиям. Снижение температуры в результате ввода вторичного воздуха ухудшает условия для конверсии монооксида углерода и других продуктов неполного сгорания топлива. Поэтому для их догорания требуется значительное увеличение длины камеры сгорания (жаровой трубы). Кроме того, турбулентный характер и высокая температура горения приводят к высоким термическим и газодинамическим нагрузкам на поверхность камеры сгорания (жаровой трубы), что приводит к сокращению ресурса ее работы.

Наиболее близким к заявляемому является устройство камеры сгорания ГТУ, имеющее одну или несколько форсунок для подачи топлива, входной тракт для нагнетания первичного воздуха в камеру сгорания в область форсунок и устройства для подачи вторичного воздуха в область разбавления продуктов сгорания [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир. 1986. с.25].

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, обеспечивающей распределенную подачу вторичного воздуха по длине камеры сгорания, необходимость большой длины камеры сгорания для обеспечения необходимой полноты конверсии СО и других продуктов неполного сгорания топлива, большие тепловые и газодинамические нагрузки на стенки камеры сгорания (жаровой трубы), сложность охлаждения стенок камеры сгорания (жаровой трубы) и невысокий ресурс их работы.

Авторы решали задачу по созданию способа сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки и устройства для его реализации, лишенных указанных недостатков. Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение температуры процесса, уменьшение выбросов оксидов азота и оксидов углерода, улучшение температурной однородности продуктов сгорания, упрощение конструкции камеры сгорания с одновременным уменьшением ее объема.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается способ сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, при котором его предварительно смешивают с воздухом в определенном соотношении компонентов, топливно-воздушную смесь пропускают через объемную матрицу, а на выходе из матрицы поддерживают пламя в режиме

поверхностного горения при ламинарном потоке топливно-воздушной смеси и при температуре от 1200 до 1500K.

Дополнительно предлагается процесс горения поддерживать во встречных потоках топливно-воздушной смеси.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для реализации способа содержащее корпус со входом для подвода топливно-воздушной смеси и выходом для вывода продуктов сгорания. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что внутри корпуса помещена объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, причем объемная матрица выполнена с полостями, которые соединены с выходом для вывода продуктов сгорания.

Дополнительно предлагается объемную матрицу выполнить из нескольких последовательно соединенных элементов.

Элементы объемной матрицы могут быть выполнены из пенометаллического материала и/или из перфорированной керамики, и/или металлической сетки и/или из пористого карбида кремния.

Осуществление предлагаемого способа и устройства, его реализующего, позволяет осуществить переход от высокотемпературного турбулентного факельного сжигания топлива к беспламенному ламинарному горению вблизи поверхности матрицы, проницаемой для топливовоздушной смеси. При этом развитая поверхность пламени, обеспечивающая высокую интенсивность турбулентного горения, заменяется развитой поверхностью матрицы. Расположение фронта пламени на поверхности матрицы обеспечивает внутреннюю рекуперацию тепла от пламени к топливовоздушной смеси по цепочке пламя - матрица - топливовоздушная смесью. Такой рекуперационный подогрев топливовоздушной смеси обеспечивает возможность сжигания бедных топливно-воздушных смесей, снимает проблему догорания топлива и позволяет рассчитывать на значительное сокращение длины камеры сгорания.

Низкая (1300-1500°С) температура пламени, стабилизированного вблизи поверхности матрицы, исключает образование заметной концентрации оксидов азота NOx, и снимает большую часть проблем с охлаждением элементов конструкции ГТУ. При этом существенно упрощается вся конструкция камеры сгорания за счет отсутствия таких сложных и ненадежных компонентов традиционных камер сгорания, как жаровая труба и система ее охлаждения, система подачи вторичного воздуха. Снижаются требования к конструкционным материалам камеры сгорания, повышается ее ресурс.

Сжигание топлива в ламинарном режиме вблизи поверхности матрицы делает процесс горения более стабильным, устраняя такие характерные для турбулентного горения явления, как пульсация пламени и повышенное образование вредных выбросов в результате локальных повышений температуры и концентраций компонентов горючего даже при сжигании бедных смесей.

Однородность (подобие) процесса горения вблизи каждого элемента поверхности матрицы существенно облегчает масштабирование и компоновку камер сгорания для ГТУ различной мощности.

Достоинством поверхностного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ, выгодно отличающим его от предлагаемых для снижения уровня выброса вредных веществ каталитических конвертеров, является газофазный характер горения, при котором продукты горения не взаимодействуют с поверхностью матрицы. Помимо повышения ресурса камеры сгорания это делает возможным использование одной и той же камеры сгорания для сжигания различных видов жидкого и газообразного топлива. Новый тип камер сгорания также расширяет возможность использования в ГТУ низкокачественных и альтернативных топлив. За счет упрощения конструкции камеры сгорания и отсутствия зоны догорания топлива можно ожидать снижения ее габаритно-весовых характеристик по сравнению камерами сгорания типовых ГТУ.

На прилагаемом чертеже представлено заявляемое устройство, где 1 - корпус, 2 - вход для подвода топливно-воздушной смеси, 3 - выход для вывода продуктов сгорания, 4 - объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, 5 - полости, соединенные с выходом для вывода продуктов сгорания 3.

Способ осуществляют, а устройство работает следующим образом. Заранее подготовленная топливно-воздушная смесь поступает на вход 2 корпуса 1, Смесь, проходя по периферии внутреннего пространства корпуса 1, охлаждает его и затем, пройдя сквозь проницаемую объемную матрицу 4, попадает в полости 5, где на поверхности матрицы происходит процесс горения. Продукты сгорания поступают на выход 3.

Похожие патенты RU2493491C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ 2013
  • Шмелев Владимир Михайлович
  • Арутюнов Владимир Сергеевич
  • Захаров Александр Алексеевич
  • Рахметов Аян
RU2529291C1
ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2009
  • Ягодкин Виктор Иванович
  • Фурлетов Виктор Иванович
  • Свириденков Александр Алексеевич
  • Васильев Александр Юрьевич
RU2395039C1
Камера сгорания газотурбинной установки 2022
  • Свердлов Евгений Давыдович
  • Дубовицкий Алексей Николаевич
  • Пузич Александр Анатольевич
  • Долгополова Татьяна Леонидовна
  • Христева Марина Георгиевна
  • Владимиров Александр Владимирович
RU2802115C1
КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ВЫНОСНЫМИ ЖАРОВЫМИ ТРУБАМИ И МАЛОЭМИССИОННЫМ ГОРЕЛОЧНЫМ УСТРОЙСТВОМ 2020
  • Бирюк Владимир Васильевич
  • Воротынцев Иван Евгеньевич
  • Дулов Александр Сергеевич
  • Тюлькин Дмитрий Дмитриевич
  • Федорченко Дмитрий Геннадьевич
  • Цыбизов Юрий Ильич
RU2744963C1
Малоэмиссионная камера сгорания с двумя зонами кинетического горения 2020
  • Гутник Михаил Николаевич
  • Гутник Михаил Михайлович
  • Булысова Людмила Александровна
  • Васильев Василий Дмитриевич
  • Пугач Кристина Сергеевна
RU2753202C1
КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ 2007
  • Строкин Виталий Николаевич
  • Шихман Юрий Моисеевич
  • Шлякотин Владимир Ефимович
  • Степанов Владимир Алексеевич
  • Шилова Татьяна Владимировна
RU2347144C1
Способ сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания 2020
  • Гутник Михаил Николаевич
  • Гутник Михаил Михайлович
  • Булысова Людмила Александровна
  • Васильев Василий Дмитриевич
  • Пугач Кристина Сергеевна
RU2753203C1
КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ 2007
  • Строкин Виталий Николаевич
  • Шихман Юрий Моисеевич
  • Шлякотин Владимир Ефимович
  • Степанов Владимир Алексеевич
  • Шилова Татьяна Владимировна
RU2343356C1
КАМЕРА СГОРАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ 2011
  • Якубовский Константин Яковлевич
  • Свердлов Евгений Давыдович
RU2461780C1
КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2009
  • Моисеев Валерий Андреевич
  • Шлейников Николай Вячеславович
  • Бурцев Геннадий Николаевич
  • Рунько Виктор Викторович
  • Клокотов Юрий Николаевич
RU2414649C2

Реферат патента 2013 года СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании и модернизации энергетических газотурбинных установок, потребляющих в качестве энергетического газотурбинного топлива природный газ и другие виды газообразного топлива. Способ сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки заключается в том, что топливо предварительно смешивают с воздухом в определенном соотношении компонентов. Топливно-воздушную смесь пропускают через объемную матрицу. На выходе из матрицы поддерживают пламя в режиме поверхностного горения при ламинарном потоке топливно-воздушной смеси и при температуре от 1200 до 1500K. Устройство для реализации способа содержит корпус с входом для подвода топливно-воздушной смеси и выходом для вывода продуктов сгорания. Внутри корпуса помещена объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси. Объемная матрица выполнена с полостями, которые соединены с выходом для вывода продуктов сгорания. Изобретение направлено на снижение температуры процесса сжигания, уменьшение выбросов окислов азота, улучшение температурной однородности продуктов сгорания, упрощение конструкции камеры сгорания с одновременным уменьшением ее объема. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 493 491 C1

1. Способ сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, при котором его предварительно смешивают с воздухом в определенном соотношении компонентов, топливно-воздушную смесь пропускают через объемную матрицу, а на выходе из матрицы поддерживают пламя в режиме поверхностного горения при ламинарном потоке топливно-воздушной смеси и при температуре от 1200K до 1500K.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс горения поддерживают во встречных потоках топливно-воздушной смеси.

3. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее корпус с входом для подвода топливно-воздушной смеси и выходом для вывода продуктов сгорания, отличающееся тем, что внутри корпуса помещена объемная матрица, изготовленная из жаропрочного материала, проницаемого для топливно-воздушной смеси, причем объемная матрица выполнена с полостями, которые соединены с выходом для вывода продуктов сгорания.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что объемная матрица выполнена из нескольких последовательно соединенных элементов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что элементы объемной матрицы выполнены из пенометаллического материала, и/или из перфорированной керамики, и/или металлической сетки, и/или из пористого карбида кремния.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2493491C1

КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ С ДВУМЯ ГОЛОВКАМИ, СМЕЩЕННЫМИ ПО ОТНОШЕНИЮ ДРУГ К ДРУГУ 2002
  • Бодуан Кристоф
  • Коммаре Патрис-Андре
  • Ле Летти Эрик
  • Вигье Кристоф
RU2296917C2
ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ 1996
  • Кузменко М.Л.
  • Снитко А.А.
  • Токарев В.В.
  • Брындин О.В.
  • Кириевский Ю.Е.
  • Хрящиков М.С.
  • Хайруллин М.Ф.
  • Максин В.И.
  • Андрюков Н.А.
  • Баранов В.А.
  • Расторгуев В.А.
  • Серов А.В.
RU2109219C1
Способ производства органоминеральных, комплексных удобрений и технологическая линия для его осуществления 2019
  • Тетерин Владимир Сергеевич
  • Панфенов Николай Сергеевич
  • Гайбарян Михаил Арутюнович
  • Гапеева Наталья Николаевна
  • Митрофанов Сергей Владимирович
  • Мельничук Дмитрий Сергеевич
  • Новиков Николай Николаевич
  • Сидоркин Владимир Иванович
  • Сорокин Николай Тимофеевич
  • Белых Сергей Анемподистович
RU2727193C1
US 4498288 A, 12.02.1985
US 5932940 A, 03.08.1999
ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ 1993
  • Виноградов Е.Д.
  • Захаров Ю.И.
  • Сударев А.В.
RU2083926C1

RU 2 493 491 C1

Авторы

Шмелев Владимир Михайлович

Рощин Александр Викторович

Арутюнов Владимир Сергеевич

Захаров Александр Алексеевич

Рахметов Аян

Даты

2013-09-20Публикация

2012-04-26Подача