ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к силовым установкам газотурбинного типа, отличающимися камерой сгорания трубчатого типа, использующей в качестве горючего газообразный водород.
Известна камера сгорания, работающая на водородосодержащем газе и обеспечивающая низкий уровень выбросов в атмосферу оксидов азота (US 8607572 В2). Для снижения образования оксидов азота предложенная конструкция камеры сгорания имеет первичную зону сгорания, зону восстановления и зону вторичного сгорания. В первичной зоне сгорания топлива, подаваемого из первого сопла топливо сгорает при обогащении топливом, что позволяет получить сгоревший газ, содержащий низкую концентрацию кислорода. В восстановительной зоне, водородсодержащий газ вводят в камеру сгорания через второе отверстие для впрыска топлива из второго топливного сопла таким образом, что концентрация оксидов азота, образовавшихся в первичной зоне сгорания снижается путем реакции кислорода и водорода. В зоне вторичного сгорания, воздух для горения подается в камеру сгорания таким образом, что несгоревшая часть топлива сгорает при избытке окислителя. Недостатком данной конструкции является относительная сложность ее изготовления, а также соблюдения точных соотношений подаваемого топлива и окислителя во всех зонах. Кроме этого, для снижения образования оксидов азота в камере сгорания необходимо поддерживать относительно низкий уровень температур (менее 1600 К), что может ограничивать ее применение в газотурбинных установках. Также следует отметить, что на выходе из камеры сгорания все равно присутствует некоторое количество оксидов азота, хотя и гораздо меньшее, чем в обычных камерах сгорания газотурбинных установок.
Известна также конструкция водородно-кислородного парогенератора с охлаждением камеры сгорания низкотемпературным паром (Патент JP 2006017367). В этом случае в качестве топлива и окислителя используются водород и кислород, а в качестве охладителя и рабочего тела - низкотемпературный водяной пар. Такая конструкция гарантирует полное отсутствие оксидов азота в рабочем теле. Недостатком данной конструкции является то, что рабочим телом такой установки является водяной пар, который может быть использован только в паровых турбинах, а при использовании его для нагрева воздуха полученный парогаз будет содержать очень большое количество влаги, что также делает невозможным его использование в газовых турбинах. Кроме этого, в случае замены охлаждающего компонента с водяного пара на воздух, в предлагаемой конструкции будет происходить частичная подача воздуха в зону горения, температура которой может достигать 3600 К. Это неминуемо приведет к образованию больших количеств оксида азота и азотной кислоты, при дальнейшей возможной конденсации пара в турбине.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция водородного минипарогенератора (Патент RU 156407 U1), содержащий комбинированную камеру сгорания-смешения, корпус которой связан с магистралью подачи воды, электросвечу, связанную со смесительным элементом, связанным с магистралями подвода водорода, кислорода и форсунками подачи водорода и кислорода, и сужающее сопло, расположенное на выходе из камеры сгорания-смешения, (отличающейся тем, что) камера сгорания-смешения снабжена внутренней охлаждаемой водой вставкой, длина которой составляет 0,4…0,8 длины камеры сгорания-смешения. Недостатком данной конструкции является невозможность замены воды, использующейся для охлаждения, на воздух, поскольку при этом не будет обеспечиваться необходимое охлаждение внутренней вставки камеры сгорания, что приведет к ее быстрому прогару. Кроме этого, для предотвращения образования оксидов азота, при смешении высокотемпературных продуктов сгорания с воздухом, требуется обеспечить минимальную длину охлаждаемой внутренней вставки равную не менее 7 диаметрам камеры сгорания. В этом случае обеспечивается равномерный нагрев охлаждающего воздуха до 600…700 К и охлаждение высокотемпературного пара до 2200…2500 К, что позволяет практически полностью предотвратить образование оксидов азота при их дальнейшем смешении.
Предложенная полезная модель решает техническую задачу получения высокотемпературного газа низкой влажности путем сжигания водорода в кислороде, с надежным охлаждением камеры сгорания воздухом и практически нулевым образованием оксидов азота. Такое решение технической задачи возможно за счет того, что подача охлаждающего воздуха на самом теплонапряженном участке внутренней вставки камеры сгорания осуществляется через магистраль подачи воздуха, состоящую из четырех отверстий, расположенных под углом 40…60° к оси камеры сгорания, что обеспечивает ее интенсивное охлаждение. При этом, оси форсунок подачи водорода расположены параллельно оси форсунки подачи кислорода, что обеспечивает более протяженную зону горения и снижение удельных тепловых потоков на стенки внутренней вставки. При этом внутренняя вставка выполнена оребренной с наружной стороны, что позволяет обеспечить ее более интенсивное охлаждение. Предотвращение образования оксидов азота достигается за счет того, что минимальная длина охлаждаемой внутренней вставки, которая предотвращает преждевременное смешение воздуха с высокотемпературными продуктами сгорания, равна не менее 7 диаметрам камеры сгорания. В этом случае обеспечивается равномерный нагрев охлаждающего воздуха до 600…700 К и охлаждение высокотемпературного пара до 2200…2500 К, что позволяет практически полностью предотвратить образование оксидов азота при их дальнейшем смешении. Для обеспечения более интенсивного смешения воздуха и высокотемпературного пара на выходе из камеры сгорания предусмотрено суживающееся сопло. В результате сжатия и резкого расширения потока происходит его интенсивное перемешивание в камере смешения, что обеспечивает образование равномерного поля температур на входе к потребителю, в частности перед газовой турбиной.
Таким образом, предложенная конструкция водородно-кислородного газогенератора позволяет обеспечить надежное охлаждение камеры сгорания, практически полное предотвращение образования оксидов азота и низкую неравномерность поля температур в генерируемом газе для конечного потребителя.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу тем, что водородно-кислородный газогенератор содержит камеру сгорания, корпус которой связан с магистралью подачи воздуха, внутренней охлаждаемой вставкой и камерой смешения, электросвечу, связанную со смесительным элементом, связанным с магистралями подвода водорода, кислорода и форсунками подачи водорода и кислорода, и суживающееся сопло, расположенное на выходе из камеры сгорания, при этом магистраль подачи воздуха состоит из четырех отверстий, расположенных под углом 40…60° к оси камеры сгорания, минимальная длина охлаждаемой внутренней вставки равна не менее 7 диаметрам камеры сгорания, а оси форсунок подачи водорода расположены параллельно оси форсунки подачи кислорода.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг. 1. Водородно-кислородный газогенератор включает в себя электросвечу 1, смесительный элемент 2 с магистралями подвода водорода 3 и кислорода 4 и форсунками подачи водорода 5 и кислорода 6, внешний корпус камеры сгорания 7 с магистралью подвода воздуха 8 и сужающимся соплом 9, внутреннюю оребренную охлаждаемую вставку камеры сгорания 10 и камеру смешения 11.
Водородно-кислородный газогенератор работает следующим образом:
Кислород через магистраль подвода кислорода 4 поступает в смесительный элемент 2, где происходит его ионизация посредством электросвечи 1 и дальнейшее поступление в камеру сгорания через форсунку 6. Водород через магистраль 3 и форсунки 5 в количестве 8 штук, также поступает в камеру сгорания где происходит его смешение с ионизированным кислородом и последующее воспламенение. Воздух через магистраль 8 поступает на охлаждение внутренней вставки камеры сгорания 10. Далее после выхода из внутренней вставки воздух смешивается с высокотемпературным потоком продуктов сгорания. Далее, в результате сжатия и резкого расширения потока происходит его интенсивное перемешивание в камере смешения 11, что обеспечивает образование равномерного поля температур на входе к потребителю, в частности перед газовой турбиной.