МАЛОЭМИССИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F23R3/20 

Область техники

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в газотурбинных установках и двигателях с низким уровнем вредных выбросов, в частности в малоэмиссионных камерах сгорания, работающих на газообразном топливе.

Уровень техники

В настоящее время для создания малоэмиссионных камер сгорания используются схемы камер сгорания, в которых значительно увеличено количество воздуха, поступающего через фронтовое устройство для создания бедной топливовоздушной смеси.

Известна малоэмиссионная камера сгорания газовой турбины (патент РФ №2315913, F23R3/20, опубл. 22 мар 2013), работающая преимущественно на сжатом газе с низкими выбросами окислов азота и углерода, содержит фронтовое устройство и цилиндрическую жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, расположенными по окружности жаровой трубы. Фронтовое устройство состоит по меньшей мере из двух модулей с полостями предварительного перемешивания топлива с воздухом. Жаровая труба включает полость горения топливовоздушной смеси и полость смешения горячих газов с воздухом. Жаровая труба содержит сплошную внутреннюю стенку и наружную перфорированную оболочку, кольцевой канал между которыми выполнен с возможностью подвода охлаждающего воздуха в полость смешения. Отверстия для подачи воздуха выполнены в полости смешения. Изобретение снижает эмиссию вредных веществ за счет организации "богато-бедного" горения топлива путем осуществления предварительного перемешивания топлива с воздухом во фронтовом устройстве и исключения подачи охлаждающего воздуха в зону горения. В известной конструкции предварительная подготовка смеси топлива с воздухом ограничивает диапазон работы КС и не позволяет выполнить экологические требования по выбросам оксидов азота и углерода при низкой температуре воздуха на входе в КС.

Малоэмиссионная камера сгорания и способ подачи в ней топлива (патент РФ №2687545, F23R 3/28, опубл. 14 май 2019) содержит как минимум два топливных коллектора: основной и пилотный, кран перераспределения топлива, как минимум два горелочных устройства, каждое из которых снабжено криволинейным каналом, образованным двумя спрофилированными обечайками. Внутренняя поверхность криволинейного канала сопряжена с центральным телом горелочного устройства, на котором установлен аксиальный завихритель и трубки подачи топлива в проточную часть горелочного устройства от основного топливного коллектора. На внешней поверхности криволинейного канала размещен выравнивающий коллектор для подвода топлива через соответствующие трубки из пилотного коллектора в проточную часть горелочного устройства, которое соединено с жаровой трубой, имеющей отверстия для подачи воздуха, внутри которой соосно с ней расположен экран, состоящий из поперечной кольцевой части и продольной цилиндрической части. Экран и жаровая труба образуют проточную полость для воздуха. На входе жаровой трубы соосно с горелочным устройством расположен глушитель, состоящий из сообщающихся первого и второго кольцевых объемов и кольцевой щели, один конец которой выходит во внутренний объем жаровой трубы, а другой конец соединен с первым кольцевым объемом. Изобретение направлено на повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы при сохранении низкого уровня выбросов оксидов азота на режимах, близких к максимальной нагрузке двигателя, за счет уменьшения пульсаций давления в камере сгорания и предотвращения нагарообразования на выходных частях горелочных устройств. Недостатком данной КС являются существенные изменения в концентрации смеси при изменении расхода воздуха что приводит к высокой эмиссии вредных веществ.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является снижение эмиссии вредных веществ, расширение пределов устойчивого горения смеси и обеспечение равномерности полей температур на выходе из КС.

Техническим результатом изобретения, является повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы при сохранении низкого уровня выбросов оксидов азота на режимах работы КС в граничных условиях близких границе бедного срыва, за счет повышения эффективности смешения топлива и воздуха, оптимального разделения зоны горения на две зоны и увеличения интенсивности турбулентности потока ОЗ.

Малоэмиссионная камера сгорания газовой турбины состоит из дежурной и основной зон сжигания топлива, каждая из которых имеет во фронтовой части: завихритель с тангенциальной расположенными лопатками, собственный топливный коллектор, отверстия которого расположены между лопатками завихрителя, и пояс радиальных отверстий для подводя вторичного воздуха. При этом дежурная зона имеет двойной завихритель с односторонней круткой и разделительной пластиной между завихрителями, а основная зона имеет двойной завихритель с противосторонней круткой без разделительной пластиной между завихрителями.

Существо изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема малоэмиссионной камеры сгорания.

Предлагаемая трубчатая малоэмиссионная камера сгорания (КС) газовой турбины, работающая на газообразном топливе, состоит из дежурной (ДЗ) 1 и основной (ОЗ) 2 зон сжигания топлива. Каждая из зон горения имеет во фронтовой части собственный топливный коллектор 4, 8 и тангенциальный завихритель 6, 10. Для лучшего смешения топливовоздушной смеси газообразное топливо подается через ряд отверстий, расположенных между лопатками завихрителей 5, 9. Воздух в камеру сгорания подается через два завихрителя и два пояса отверстий 7, 11. Процесс горения в ДЗ начинается сразу за завихрителем 6, который является стабилизатором пламени. Ряд отверстий 7 разбавляет продукты сгорания до α_ДЗ≈1.6…1.8. Далее горящие продукты сгорания воспламеняют основное топливо, смешенное с воздухом, поступающим через двойной тангенциальный лопаточный завихритель с противокруткой, при α_ОЗ≈0,7…2,0. После этого происходит интенсивное сгорание топливовоздушной смеси до ряда отверстий ОЗ 11 Фиг. 1.

Снижение эмиссии вредных веществ (СО, NO_x) в данной КС происходит за счет:

- повышения эффективности смешения топлива и воздуха, обеспечивающегося подачей топлива между лопаток завихрителей;

- увеличения интенсивности турбулентности потока за счет применения двойного тангенциальный лопаточного завихрителя с противокруткой;

- разделения объема жаровой трубы на несколько зон:

а) богатая зона (дежурная зона) с увеличенным временем пребывания смеси (за счет закрутки). В которой большом количестве образуется СО, но при этом NO_x не образуются из-за низкой температуры и недостатка концентрации О₂, так как весь О₂ затрачивается на образовании СО и его догорание до СО₂;

б) бедная зона, в которой горение происходит по механизму характерному для бедных смесей при минимальном выходе СО и также минимальном выходе NO_x. Низкие значения СО и NO_x обеспечиваются за счет подачи смеси с высокой интенсивностью турбулентности при закрутке потока в двойном тангенциальном лопаточном завихрителе с противокруткой при этом образуется более однородная горючая смесь бедного состава и горение происходит при более низких температурах, соответствующих коэффициенту избытка воздуха α, близкому к бедному срыву α≈1.6…1.8;

в) зона смешения, в которой воздух подводится через радиальные отверстия и смешивается с высокотемпературными продуктами горения (зоны б) для обеспечения необходимой температуры на выходе из камеры сгорания.

Малоэмиссионная камера сгорания (КС) газовой турбины, работающая на газообразном топливе, состоящая из дежурной (ДЗ) и основной (ОЗ) зон сжигания топлива. Каждая из зон горения имеет во фронтовой части собственный топливный коллектор и тангенциальный завихритель. Для лучшего смешения топливовоздушной смеси газообразное топливо подается через ряд отверстий, расположенных между лопатками завихрителей. Воздух в камеру сгорания подается через два завихрителя и два пояса отверстий. Процесс горения в ДЗ начинается сразу за завихрителем, который является стабилизатором пламени. Ряд отверстий разбавляет продукты сгорания до α_ДЗ≈1.6…1.8. Далее горящие продукты сгорания воспламеняют основное топливо, смешанное с воздухом, при α_ОЗ≈0,7…2,0. После этого происходит интенсивное сгорание топливовоздушной смеси до ряда радиальных отверстий ОЗ. Изобретение снижает эмиссию вредных веществ при работе КС в граничных условиях, близких границе бедного срыва, за счет повышения эффективности смешения топлива и воздуха и оптимального разделения зоны горения на две зоны. 1 ил.

Малоэмиссионная камера сгорания газовой турбины состоит из дежурной (ДЗ) и основной (ОЗ) зон сжигания топлива, каждая из которых имеет во фронтовой части: завихритель с тангенциально расположенными лопатками, собственный топливный коллектор, отверстия которого расположены между лопатками завихрителя, и пояс радиальных отверстий для подвода вторичного воздуха, отличающаяся тем, что ДЗ имеет двойной завихритель с односторонней круткой и разделительной пластиной между завихрителями, а ОЗ имеет двойной завихритель с противосторонней круткой без разделительной пластиной между завихрителями.