ПАРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2015 года по МПК F22B1/26 

Изобретение относится к силовым установкам паротурбинного типа, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, получаемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента (вода) с горячими продуктами сгорания компонентов топлива.

Известны высокотемпературные силовые установки с активными системами охлаждениями из опубликованных японских заявок JP 07-145742 (F02C 3/20), JP 2004-232632 (F01K 25/00), JP 2004-076634 (F02C 3/22), JP 2004-036535 (F01D 25/18), JP 2000-274213 (F01K 25/00).

В России известны парогенераторы, работающие на химическом топливе, камера сгорания и промежуточное сопло которых охлаждается балластировочной водой, см. патенты РФ 2079684, 2300049, 2358191.

Парогенератор, раскрытый в патенте РФ 2079684 (МПК F02C 3/30, F01K 21/04, F02K 9/64), включает в себя форкамеру, коллектор горючего и окислителя, водоохлаждаемую камеру сгорания и камеру смешения, разделенные устройством подачи балластировочной воды. Корпус камеры сгорания имеет тракт охлаждения, вода подается по каналам и затем сбрасывается в камеру смешения. Часть воды подается вдоль корпуса камеры смешения и за счет испарения активно его охлаждает.

За прототип может быть принято решение по патенту РФ 2309325, согласно которому парогенератор работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды и электрическим зажиганием. Парогенератор содержит запальное устройство, смесительную головку, камеру сгорания с регенеративным охлаждением и профилированной торцевой стенкой, которая выполнена оптимизированной по углу внедрения струй балластировочного компонента в факел продуктов сгорания и камеру смешения с кольцевым вкладышем, в котором выполнены разнокалиберные отверстия для подачи балластировочной воды на профилированную стенку камеры сгорания и части воды на завесное охлаждение стенки камеры смешения.

Такой парогенератор имеет простую конструкцию, исключена необходимость наружного охлаждения камеры смешения, что упрощает гидравлическую схему агрегата и технологию его изготовления.

Недостатком известного агрегата является то, что смешение продуктов сгорания с балластировочной водой осуществляется за счет турбулизации только в двух направлениях: продольном и радиальном. Поэтому для реализации качественного перемешивания с обеспечением требуемого фракционного состава водяного пара, необходимо выполнять длину камеры смешения порядка 20 калибров минимального сечения сопла на выходе из камеры сгорания (или 7÷8 калибров диаметра камеры сгорания).

Этот недостаток устраняется настоящим изобретением, задачей которого является усовершенствование процесса перемешивания в камере смешения и уменьшение ее габаритно-массовых характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в известном парогенераторе, содержащем запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеры смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды, согласно изобретению каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зону смешения выполнены также под острым углом к оси парогенератора и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг.1 и 2.

Парогенератор (фиг.1) включает в себя запальное устройство 1 с электросвечой 2, смесительную головку 3 с магистралями подвода окислителя 4, горючего 5 и воды 6 на завесное охлаждение, камеру сгорания 7 с магистралью подвода воды на охлаждение 8, каналами тракта охлаждения 9 и профилированной торцевой поверхностью 10 для направления балластировочной воды, камеру смешения 11 с магистралью подвода воды на балластировку 12 и отверстиями 13 для подачи балластировочной воды в зону смешения.

На фиг.2 показан фрагмент расположения каналов тракта охлаждения 9 камеры сгорания 7, по которым вода поступает в зону смешения под острым углом α относительно оси парогенератора Х-Х и отверстий 13 для подачи балластировочной воды под острым углом β в зону смешения относительно оси парогенератора Х-Х.

Парогенератор работает следующим образом.

Небольшой расход компонентов топлива поступает в запальное устройство 1, где происходит их воспламенение с помощью электросвечи 2 и запальный факел поступает в камеру сгорания 7. Основной расход компонентов топлива поступает в смесительную головку 3, а затем из форсунок в камеру сгорания 7, где происходит их воспламенение от запального факела. Одновременно с подачей основного расхода компонентов топлива в смесительную головку 3 начинает поступать вода в каналы тракта охлаждения 9 камеры сгорания 7 и вода на балластировку через отверстия 13 в подколлекторном кольце камеры смешения 11.

Продукты сгорания компонентов топлива поступают вдоль оси парогенератора Х-Х к минимальному сечению камеры сгорания 7. Вода из каналов тракта охлаждения 9 камеры сгорания 7 натекает на продукты сгорания под острым углом α относительно оси парогенератора Х-Х в минимальном сечении камеры сгорания 7. Балластировочная вода из отверстий 13 в подколлекторном кольце камеры смешения 11 подается под острым углом β к оси парогенератора Х-Х, но в противоположном направлении относительно каналов тракта охлаждения 9 камеры сгорания 7, на профилированную торцевую поверхность 10 камеры сгорания 7 и затем соединяется с продуктами сгорания компонентов топлива и водой из каналов тракта охлаждения 9 камеры сгорания 7. В результате появляется дополнительная турбулентность в касательном направлении, которая интенсифицирует процесс смешения в камере смешения 11. При этом величина турбулентности в касательном направлении (эффективность перемешивания) может регулироваться величиной острого угла α в каналах тракта охлаждения 9 камеры сгорания 7 и острого угла β отверстий 13 в подколлекторном кольце камеры смешения 11.

Предложенное техническое решение реализует более качественное перемешивание продуктов сгорания компонентов топлива с водой на уменьшенной длине камеры смешения.

Изобретение предназначено для выработки высокотемпературного водяного пара и может быть использовано в силовых установках. Парогенератор содержит запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеру смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды. Каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зону смешения выполнены также под острым углом к оси парогенератора, и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания. Изобретение улучшает процесс перемешивания воды с продуктами сгорания компонентов топлива за счет наличия дополнительной турбулентной составляющей, что позволяет получить качественный фракционный состав водяного пара при уменьшенной длине камеры смешения. 2 ил.

Парогенератор, содержащий запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеры смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды, отличающийся тем, что каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зону смешения выполнены также под острым углом к оси парогенератора и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания.