СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2014 года по МПК F23R3/34 F02C7/22 

Изобретение относится к энергетическому, химическому и транспортному машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок.

Широко известны способы сжигания топлива путем предварительного разделения воздушного потока на кольцевые струи, закрутки этих струй с последующей подачей струй воздуха и топлива в зону горения (Авторское свидетельство СССР №228379, МПК F23C 3/00, 1968).

Недостатком таких способов является высокая токсичность продуктов сгорания, обусловленная низкой интенсивностью процесса горения и большой протяженностью зоны горения.

Известен способ сжигания топлива путем предварительного деления потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закруткой соседних струй навстречу друг другу, с последующей подачей струй воздуха и топлива в ограниченное затопленное пространство (Авторское свидетельство СССР N 626314, МПК F23R 3/10, 1978).

Недостатком этого способа сжигания топлива является повышенная токсичность продуктов сгорания, высокая концентрация оксидов азота, особенно при высоких, более 400°С, температурах воздуха. Кроме того, вследствие недостаточной интенсивности процессов горения топлива, особенно жидкого, в некоторых случаях наблюдается неполное сгорание топлива.

Известен способ сжигания топлива путем предварительного разделения потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутки соседних струй в противоположных направлениях и подачи топлива между закрученными струями, воспламенения топлива, при этом ближайшие одна к другой части соседних, закрученных в противоположном направлении, струй подают в радиальном направлении навстречу одна другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, а подачу топлива осуществляют в этот слой для его предварительного смешения с воздухом и последующего воспламенения топливовоздушной смеси (Патент РФ №2027047, МПК F02C 7/22, F23R 3/34 - прототип).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Поток воздуха предварительно разделяют на коаксиальные кольцевые струи. Затем производят закрутку соседних струй воздуха навстречу друг другу. После закрутки коаксиальных кольцевых струй воздуха ближайшие друг к другу части этих струй направляют радиально навстречу друг другу, а струи топлива подают между этими частями закрученных струй. В зоне встречи этих струй воздуха возникает высокотурбулентный сдвиговый слой, способствующий интенсивному смешению воздуха с подаваемыми в эту же зону струями топлива. Затем образующуюся топливовоздушную смесь и оставшуюся часть воздуха подают в затопленное ограниченное пространство, где происходит высокоинтенсивное малотоксичное сгорание.

Недостатком этого способа сжигания топлива является недостаточно высокая полнота смесеобразования, повышенная токсичность продуктов сгорания, высокая концентрация оксидов азота, особенно при высоких, более 400°С, температурах воздуха. Кроме того, вследствие недостаточной интенсивности процессов горения топлива, особенно жидкого, в некоторых случаях наблюдается неполное сгорание топлива.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков, повышение интенсивности процесса горения и уменьшение токсичности продуктов сгорания за счет организации более интенсивного предварительного смешения топлива с воздухом.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе сжигания топлива, заключающемся в предварительном разделении потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутке соседних смежных струй в противоположных направлениях, причем ближайшие одна к другой части соседних закрученных в противоположном направлении струй подают в радиальном направлении навстречу одну другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, при этом подачу топлива осуществляют в этот слой для последующего воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси, согласно изобретению одну часть расхода топлива предварительно, непосредственно после разделения потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, подают в образовавшиеся вращающиеся коаксиальные кольцевые струи тангенциально, противоположно направлению вращения коаксиальной кольцевой струи воздуха, предпочтительно в сторону, противоположную ее осевому движению, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой по направлению к зоне горения предпочтительно в виде полой кольцевой струи, образованной из нескольких сплошных одиночных струй топлива.

В варианте применения способа тангенциально подают 40-50% общего расхода топлива, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит ухудшение условий смесеобразования на начальном участке за счет понижения соотношения компонентов топлива по сравнению со стехиометрическим или близким к нему и относительно низкого расхода топлива при достаточно большом расходе воздуха.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит ухудшение условий смесеобразования в турбулентном сдвиговом слое за счет ухудшения условий смесеобразования за счет повышения соотношения компонентов топлива по сравнению со стехиометрическим или близким к нему при достаточно большом расходе топлива.

Решение поставленной задачи достигается тем, что подача части расхода в образовавшиеся вращающиеся коаксиальные кольцевые струи тангенциальна, причем в сторону, обратную как движению потока топливовоздушной смеси, так и ее вращению, приводит к более интенсивному перемешиванию дискретных струй топлива во вращающейся кольцевой струе воздуха. При такой подаче перемешивание топлива с воздухом будет происходить во время перемещения массы топливовоздушной смеси по направлению к зоне воспламенения и горения. Подача оставшейся части расхода в образовавшийся сдвиговый слой, характеризующийся очень высокой интенсивностью процессов турбулентного переноса, позволит более интенсивно и, соответственно, качественно смешать топливо и воздух между собой.

Существенным отличием предлагаемого способа от прототипа является также то, что струи топлива попадают между направленными радиально навстречу друг другу частями закрученных струй воздуха, в котором уже произошло перемешивание части расхода. При этом струи топлива попадают в высокотурбулентный сдвиговый слой воздуха, что способствует интенсивному смешению топлива с воздухом и позволяет значительно сократить протяженность участка, на котором происходит смешение. Для многих устройств, реализующих этот способ, особенно для камер сгорания газотурбинных установок, это весьма существенное преимущество.

Существенным отличием заявляемого способа является также то, что в затопленное ограниченное пространство подают образующуюся топливовоздушную смесь и оставшуюся часть воздуха. Известно, что в предварительно подготовленной топливовоздушной смеси процессы горения протекают значительно быстрее с образованием кинетического горения, чем при раздельной подаче воздуха и топлива и получении диффузионного горения.

Вследствие этого значительно сокращается время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур, что приводит к существенному уменьшению концентрации оксидов азота в них. Кроме того, предварительное смешение топлива с воздухом позволяет исключить сжигание топлива при стехиометрическом соотношении его с воздухом и, тем самым, снизить температуру пламени, что также положительно влияет на уменьшение токсичности продуктов сгорания. При сжигании жидкого топлива в процессе предварительного смешения происходит испарение капель топлива и смешение его паров с воздухом, в результате чего процесс горения протекает более интенсивно, со значительным снижением недожога.

Из изложенного следует, что заявляемый способ сжигания топлива существенно отличается от прототипа и соответствует критерию "новизна".

При сравнении заявляемого способа сжигания топлива не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, были выявлены признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 схематично изображено продольное сечение осесимметричного течения воздуха с топливом и показана последовательность процессов, из которых состоит предлагаемый способ сжигания топлива. Направления закрутки на фиг.1 обозначены: ⊙ - от наблюдателя, ⊕ - на наблюдателя.

Предложенный способ состоит из следующей последовательности процессов и реализуется следующим образом.

Поток воздуха предварительно разделяют на коаксиальные кольцевые струи (от сечения I-I до сечения II-II). Затем производят закрутку соседних струй воздуха навстречу друг другу (от сечения II-II до сечения III-III) и одновременно с этим от сечения (II-II до сечения III-III) во вращающиеся струи воздуха тангенциально подают часть расхода топлива предпочтительно в сторону, противоположную движению основного потока воздуха. Такая подача обеспечит более интенсивное перемешивание топлива с потоком воздуха.

После закрутки коаксиальных кольцевых струй воздуха ближайшие друг к другу части этих струй направляют радиально навстречу друг другу, а оставшуюся часть расхода топлива подают между этими частями закрученных струй (от сечения III-III до сечения IV-IV).

В зоне встречи этих струй воздуха возникает высокотурбулентный сдвиговый слой, способствующий дальнейшему интенсивному смешению воздуха с подаваемыми в эту же зону струями топлива. Затем образующуюся топливовоздушную смесь и оставшуюся часть воздуха подают в затопленное ограниченное пространство, где происходит высокоинтенсивное малотоксичное сгорание.

Использование предложенного способа сжигания топлива позволит снизить токсичность продуктов сгорания, в частности концентрацию оксидов азота в 2-5 раз, при одновременном повышении интенсивности процесса горения и уменьшения несгоревших масс топлива.

Изобретение относится к энергетическому, химическому и транспортному машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок. Предложен способ сжигания топлива, заключающийся в предварительном разделении потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутке соседних смежных струй в противоположных направлениях, причем ближайшие одна к другой части соседних закрученных в противоположном направлении струй подают в радиальном направлении навстречу одна другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, при этом подачу топлива осуществляют в этот слой для последующего воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси. Одну часть топлива предварительно, непосредственно после разделения потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, подают в образовавшиеся вращающиеся коаксиальные кольцевые струи тангенциально, противоположно направлению вращения коаксиальной кольцевой струи воздуха предпочтительно в сторону, противоположную ее осевому движению. Оставшуюся часть подают в образованный турбулентный сдвиговой слой, по направлению к зоне горения предпочтительно в виде полой кольцевой струи, образованной из нескольких сплошных одиночных струй топлива. Тангенциально подают 40-50% общего расхода топлива, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжигания топлива, заключающийся в предварительном разделении потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутке соседних смежных струй в противоположных направлениях, причем ближайшие одна к другой части соседних, закрученных в противоположном направлении, струй подают в радиальном направлении навстречу одна другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, при этом подачу топлива осуществляют в этот слой для последующего воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что одну часть расхода топлива предварительно, непосредственно после разделения потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, подают в образовавшиеся вращающиеся коаксиальные кольцевые струи тангенциально, противоположно направлению вращения коаксиальной кольцевой струи воздуха, предпочтительно в сторону, противоположную ее осевому движению, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой по направлению к зоне горения предпочтительно в виде полой кольцевой струи, образованной из нескольких сплошных одиночных струй топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тангенциально подают 40-50% общего расхода топлива, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой.