Камера сгорания

 

Использование: энергетическое, транспортное и химическое машиностроение, в частности газотурбинные установки. Сущность изобретения: камера сгорания содержит регистровую горелку 1 с лопаточным завихрителем воздуха 2 и пламенную трубу 3, на которой установлены воздухонаправляющие патрубки 4. Пламенная труба и горелка расположены в корпусе 5 камеры сгорания. Поступающий от компрессора в корпус 5 воздух частично закручивается завихрителем 2, закрученные струи поступают в огневую зону, в которую одновременно через топливораздающее устройство горелки 1 подается топливо. На расстоянии от горелки менее Х_o топливовоздушная смесь по составу близка к стехиометрической, что обеспечивает устойчивость факела. На расстоянии X_o в приосевую высокотемпературную зону через патрубки 4 поступает воздух, при этом температура в этой зоне снижается до уровня, при котором уменьшается скорость образования оксидов азота при интенсивном горении и высокой полноте сгорания топлива. Снижение эмиссии оксидов азота при обеспечении оптимальных характеристик горения достигается за счет угла установки, диаметра и количества воздухоподводящих патрубков 4, которые определены по предлагаемым формулам. После завершения процесса горения продукты сгорания через отверстия смесителя в пламенной трубке разбавляются воздухом до заданной температуры перед турбиной. Технический результат: обеспечение токсичности выхлопа газотурбинных установок в пределах действующих стандартов. 1 ил.

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Широко известны камеры сгорания, содержащие регистровую горелку, включающую лопаточный завихритель воздуха, и пламенную трубу с отверстиями для подачи воздуха в зону горения [1] Недостатком таких камер сгорания является высокая токсичность продуктов сгорания, обусловленная высокой концентрацией оксидов азота. Причиной значительной эмиссии оксидов азота является приосевая зона высоких температур, начинающаяся вблизи горелки и имеющая значительную протяженность. Продолжительное время пребывания продуктов сгорания в этой зоне приводит к интенсивному образованию NO_x.

Диаметр, количество и расположение отверстий в пламенных трубах существующих камер сгорания не обеспечивают подачи воздуха в зону максимальных температур, необходимой для низкотоксичного сжигания топлива.

Известна камера сгорания, содержащая регистровую горелку, включающую лопаточный завихритель воздуха, и пламенную трубу, на которой установлены воздухонаправляющие патрубки [2] Установка патрубков на пламенной трубе позволяет увеличить глубину проникновения струй воздуха и придать им необходимое направление.

Однако в существующих камерах сгорания диаметры, углы установки и количество патрубков не обеспечивают условий для низкотоксичного сжигания топлива. Как правило, патрубки используются для подачи воздуха в зону разбавления, которая расположена достаточно далеко от горелки. Продолжительное пребывание продуктов сгорания в зоне высоких температур является причиной высокой эмиссии оксидов азота.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в снижении токсичности продуктов сгорания.

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, является обеспечение токсичности выхлопа газотурбинных установок в пределах действующих стандартов.

Предлагаемая камера сгорания содержит регистровую горелку, включающую лопаточный завихритель воздуха, и пламенную трубу, на которой установлены воздухонаправляющие патрубки, и отличается от прототипа тем, что угол установки, диаметр и количество патрубков определяются следующими соотношениями где D_п диаметр окружности, проведенной через оси патрубков в их выходном сечении, Х_п осевое расстояние от горелки до этой окружности, Х_o (0,7-2,5) d_p диаметр завихрителя регистровой горелки,
ϕ угол закрутки потока в завихрителe,
a_p,α_I,α_Σ коэффициенты избытка воздуха в регистровой горелке, в первичной зоне (a_I=1,8-2,4) и общий в камере сгорания,
D_пт диаметр пламенной трубы,
F_п,F_p,F_Σ площади проходных сечений патрубка, завихрителя, суммарная пламенной трубы и завихрителя.

Суть изобретения состоит в том, что указанные выше параметры патрубков обеспечивают такие условия сжигания топлива, при которых отсутствует протяженная высокотемпературная зона, являющаяся причиной высокой эмиссии оксидов азота, и в то же время не ухудшаются пусковые характеристики и устойчивость горения.

Исследования, проведенные на стендовых моделях и натурных камерах сгорания, показали, что такими условиями являются:
1. Струи воздуха должны попадать в зону максимальных температур на расстоянии от горелки, равном х_o= (0,7-2,5)d_p. При подаче струй ближе, чем 0,7d_p, к горелке ухудшаются пусковые характеристики и устойчивость горения. Удаление струй более чем на 2,5d_p от горелки резко снижает эффективность их действия.

2. Глубина проникновения струй в сносящий поток газов должна быть достаточной для того, чтобы они достигали зоны максимальных температур. Анализ экспериментальных данных по полям температур в одногорелочных камерах сгорания показывает, что диаметр зоны максимальных температур составляет приблизительно 1/3 диаметра пламенной трубы.

3. Расход воздуха через патрубки должен обеспечивать в первичной зоне коэффициент избытка воздуха в пределах a_I= 1,8÷2,4. При α < 1,8 эффективность патрубков снижается вследствие температуры в первичной зоне. При α > 2,4 ухудшается устойчивость горения, появляется недожог.

Исходя из этих условий, с использованием формулы для максимальной глубины проникновения круглых струй в пламенную трубу трубчатой камеры сгорания и уравнения оси круглой струи в сносящем потоке были получены соотношения (1), (2), (3) для расчета воздухонаправляющих патрубков.

Установка патрубков под углом β, определенным по формуле (1), к оси камеры сгорания обеспечивает попадание струй воздуха в зону максимальных температур на требуемом расстоянии от горелки.

Выбор диаметра d_п и количества n патрубков в соответствии с формулами (2) и(3) обеспечивает необходимую глубину проникновения струй воздуха в сносящий поток и заданный коэффициент избытка воздуха в первичной зоне.

На чертеже изображен продольный разрез камеры сгорания.

Камера сгорания содержит регистровую горелку 1, включающую лопаточный завихритель воздуха 2, и пламенную трубу 3, на которой установлены воздухонаправляющие патрубки 4. Пламенная труба и горелка расположены в корпусе 5.

При работе камеры сгорания воздух от компрессора поступает в корпус 5 камеры сгорания. С помощью завихрителя 2 часть воздуха закручивается и поступает в огневую зону. Одновременно с закрученной струей воздуха в огневую зону через топливораздающее устройство горелки 1 подают топливо. На расстояниях от горелки менее х_o топливовоздушная смесь по составу близка к стехиометрической, что обеспечивает устойчивость факела и хорошие пусковые характеристики. На расстоянии х_o в приосевую высокотемпературную зону с помощью патрубков 4 подают струи воздуха, снижая ее температуру до уровня, при котором скорость образования оксидов азота мала, но в то же время процесс горения протекает достаточно интенсивно и полнота сгорания топлива остается высокой. После завершения процесса горения ниже по потоку через отверстия смесителя в пламенной трубе (на чертеже не показаны) продукты сгорания разбавляются воздухом до заданной температуры газа перед турбиной.

Как видно из чертежа и описания, предлагаемая камера сгорания содержит широко применяемые в этих устройствах элементы: цилиндрические и конические обечайки, лопаточный завихритель, топливораздающее устройство. Поэтому его реализация не вызывает каких-либо технических проблем.

Большим достоинством камеры сгорания является том, что ее конструкция позволяет с минимальными затратами путем установки на пламенную трубу воздухонаправляющих патрубков проводить экологическую модернизацию действующих агрегатов непосредственно на объектах эксплуатации.

Формула изобретения

Камера сгорания, содержащая регистровую горелку, включающую лопаточный завихритель воздуха, и пламенную трубу с установленными на ней воздухонаправляющими патрубками, отличающаяся тем, что угол установки, диаметр и количество патрубков определяются из следующих соотношений:



где D_п диаметр окружности, проведенной через оси патрубков в их выходном сечении;
х_n осевое расстояние от горелки до этой окружности;
х_о (0,7-2,5);
d_p диаметр завихрителя регистровой горелки;
ϕ угол закрутки потока в завихрителе;
a_p, α_I, α_Σ коэффициенты избытка воздуха в регистровой горелке, в первичной зоне (d_i=1,8-2,4) и общий в камере сгорания;
D_пт диаметр пламенной трубы;
F_п, F_p, F_е площади проходных сечений патрубка, завихрителя, суммарная площадь пламенной трубы и завихрителя.