КАМЕРА СГОРАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована для одновременного или попеременного непрерывного пламенного сжигания подготовленных топливовоздушных смесей (ТВС) жидкого и газообразного углеводородных топлив в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ), печах, котлах и других типов энергоустановок.
В настоящее время актуальной задачей является создание камер сгорания ГТД и ГТУ, которые попеременно могут работать на различных видах топлив, включая жидкое и газообразное. Это связано с исчерпанием запасов нефти, удорожанием ее добычи и необходимостью использования в одной конструкции камеры сгорания имеющихся в наличии разных видов топлив.
Кроме того, ухудшение экологического состояния окружающей среды и ужесточение норм на вредные выбросы требуют разработки экологически «чистых» камер сгорания ГТД и ГТУ, что обязывает разработчиков совершенствовать процессы распыла жидкого или вдува газообразного топлив в заданные зоны камеры сгорания и процессы гомогенизации ТВС.
Известна разработанная фирмой СНЕКМА МОТОРС (FR) система многорежимной подачи ТВС в камеру сгорания ГТД (Патент РФ №2303199 С2, F23R 3/28, 05.03.2003). Система содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми и вторыми средствами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости Вентури, которая образована ближней осевой и дальней радиальной по направлению потока стенками. Топливоподающие средства содержат первый контур, снабженный, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров. Вторые топливоподающие контуры независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива для обеспечения возможности реализации Нескольких независимых режимов подачи ТВС в соответствии с определенными режимами работы двигателя. Отверстие впрыска топлива первого контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури в направлении перпендикулярном направлению воздушного потока. Отверстия впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней стенке устройства Вентури в направлении перпендикулярном направлению воздушного потока. Полезная модель позволяет обеспечить подвод ТВС в разные зоны камеры сгорания, несколько снизить вредные выбросы в продуктах сгорания топлива, уменьшить риск коксования и устранить обратные токи топлива. Однако локальный впрыск жидкого топлива в воздушные потоки характеризуется наличием близко расположенных зон «богатых» и «бедных» ТВС, что не обеспечивает достаточную гомогенизацию ТВС. Это приводит к повышенному выбросу окислов азота или требует увеличения длины воздушных каналов системы смешения. Кроме того, небольшие размеры зон рециркуляционной стабилизации горения приводят к узости границ богатого и бедного срыва пламени. Наиболее близким аналогом по назначению и конструкции, что и заявляемое техническое решение является устройство для сжигания топлива (Патент РФ №2270402, МПК F23R 3/00, 06.08.2004). Устройство содержит цилиндрический корпус с коническим диффузором на входе, установленное на стенке камеры устройство зажигания топливовоздушной смеси и пристыкованную соосно к диффузору на входе горелку. Горелка включает системы подачи жидкого и газообразного топлива, состоящие каждая, из вспомогательного и основного контуров, снабженных коллекторами подачи топлива на входе и форсунками на выходе. По оси горелки размещена центральная труба с каналами подвода в камеру сгорания жидкого и газообразного топлив вспомогательных контуров через форсунки на свободном торце трубы. Коаксиально центральной трубе расположена кольцевая камера смешения жидкого и газообразного топлив основных контуров и воздуха. Камера ограничена снаружи стенкой, соединенной с входом диффузора камеры сгорания, на входе передней крышкой с радиальным каналом подачи воздуха на вход в камеру смешения и сзади каналом подачи топливовоздушной смеси на вход в диффузор камеры сгорания. Канал образован конусообразным стабилизатором пламени с торцевой стенкой по большому основанию на свободном конце центральной трубы и входной частью диффузора камеры сгорания. Коллектор подачи жидкого топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на торце передней крышки камеры смешения и сообщается с камерой смешения через кольцевой канал с форсунками в центральной трубе. Форсунки расположены в камере смешения на трубе по окружности. Коллектор подачи газообразного топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на периферии передней крышки камеры смешения и сообщается через топливные каналы и форсунки в смесительных трубках, расположенных по окружности соосно оси горелки между передней крышкой и наружной стенкой камеры смешения, со входом в камеру смешения. Оси форсунок расположены под прямым углом к продольной оси камеры смешения. Коллектор подачи газообразного топлива вспомогательного контура выполнен кольцевым, размещен снаружи на торце коллектора подачи жидкого топлива основного контура и сообщается кольцевым каналом в центральной трубе с форсунками расположенными по окружности на периферии торца стабилизатора пламени.
x
Устройство позволяет обеспечить снижение эмиссии вредных выбросов NO и СО при работе на газообразном горючем до значений 25ppm, а на жидком горючем до значений 75ppm, при реализации двухтопливной (на жидком и газообразном топливе) схемы сжигания топлива, расширяя границы богатого и бедного срыва пламени и улучшая основные характеристики работы камеры сгорания. Однако работа камеры сгорания с такой горелкой на режимах горения жидкого топлива не удовлетворяет требованиям ГОСТ (не более 25ppm) по эмиссии вредных веществ, а при горении газообразного топлива требует снижения эмиссии в соответствии с отдельными регианальными ограниченими до значений 5ppm. Кроме того, в рассматриваемой камере периодически, на отдельных режимах работы, наблюдаются проскоки пламени из камеры сгорания в камеру смешения, приводящие к перегреву горелки и значительному увеличению эмиссии вредных веществ.
x
В основу полезной модели для авиационных ГТД и наземных ГТУ положено решение задач снижения эмиссии вредных веществ (NO и СО) на основных режимах при работе на газообразном топливе до значений 5ppm, а при работе на жидком топливе до значений 25ppm при исключении возможности проскока и стабилизации пламени в камере смешения горелки.
Поставленные задачи решаются тем, что камера сгорания непрерывного действия содержит цилиндрический корпус с коническим диффузором на входе, установленное на стенке камеры устройство зажигания топливовоздушной смеси и пристыкованную соосно к диффузору на входе горелку. Горелка включает системы подачи жидкого и газообразного топлива, состоящие каждая, из вспомогательного и основного контуров, снабженных коллекторами подачи топлива на входе и форсунками на выходе. По оси горелки размещены осевой коллектор с каналом жидкого топлива и центральная труба с каналом газообразного топлива вспомогательных контуров подвода топлив в камеру сгорания соответственно через форсунки по оси и на свободном торце трубы. Коаксиально центральной трубе расположена кольцевая камера смешения жидкого и газообразного топлив основных контуров и воздуха. Камера ограничена снаружи стенкой, соединенной с входом диффузора камеры сгорания, а на входе передней крышкой с радиальным каналом подачи воздуха на вход в камеру смешения и сзади каналом подачи топливовоздушной смеси на вход в диффузор камеры сгорания. Канал образован конусообразным стабилизатором пламени с торцевой стенкой по большому основанию на свободном конце центральной трубы и входной частью диффузора камеры сгорания. Коллектор подачи жидкого топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на торце передней крышки камеры смешения и сообщается с камерой смешения через кольцевой канал с форсунками в центральной трубе. Форсунки расположены в камере смешения на трубе по окружности. Коллектор подачи газообразного топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на периферии передней крышки камеры смешения и сообщается через топливные каналы и форсунки в смесительных трубках со входом в камеру смешения. Смесительные трубки расположены по окружности соосно оси горелки между передней крышкой и наружной стенкой камеры смешения. Оси форсунок расположены под прямым углом к продольной оси камеры смешения. Коллектор подачи газообразного топлива вспомогательного контура выполнен кольцевым, размещен снаружи на торце коллектора подачи жидкого топлива основного контура и сообщается кольцевым каналом в центральной трубе с форсунками расположенными по окружности на периферии торца стабилизатора пламени.
Новым в камере сгорания является то, что каждая смесительная трубка основного контура газообразного топлива выполнена в виде лопатки аэродинамического профиля со скругленной передней кромкой и утоненной задней кромкой, направленной вдоль канала подачи воздуха в камеру смешения.
Выполнение каждой смесительной трубки в виде лопатки аэродинамического профиля со скругленной передней кромкой и утоненной задней кромкой, позволяет снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания газообразного и жидкого топлив, уменьшить потери давления и исключить возможность воспламенения топлива в зонах отрыва потока газа, образующихся при поперечном обтекании трубок в камере смешения. Направление смесительной трубки аэродинамического профиля вдоль канала подачи воздуха в камеру смешения также обеспечивает снижение гидравлических потерь при течении газа в смесителе.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и дополнение.
x
Аэродинамические профили смесительных трубок в канале на входе в камеру смешения могут образовывать кольцевую решетку лопаток с межлопаточными каналами, где каждая лопатка расположена радиально относительно продольной оси горелки. Это позволяет снизить масштаб смешения струй топлива и воздуха и таким образом существенно улучшить качество смешения и снизить эмиссию NO и СО.
Аэродинамические профили смесительных трубок в канале на входе в камеру смешения могут образовывать кольцевую решетку лопаток с межлопаточными каналами, где каждая лопатка расположена под углом к плоскости, проходящей через продольную ось горелки. Это позволяет, в случае возникновения отрывных зон течения газа у внешней стенки смесителя, за счет закрутки потока, используя центробежные силы, исключить появление таких зон и возможность нежелательного воспламенения топлива в камере смешения топлива и воздуха.
Выбор типа подвода воздушного потока в камеру смешения через радиальные или под углом к оси горелки межлопаточные каналы определяется характеристиками топлив и режимами работы камеры сгорания.
x
Отверстие каждой форсунки основного контура подачи жидкого топлива должно быть расположено в следе за задней кромкой сопрягаемой с ней лопатки кольцевой решетки. Это позволит существенно увеличить глубину проникновения струй жидкого топлива в поток воздуха в за решеткой лопаток и, таким образом улучшить качество смешения на входе в камеру смешения, снизить выбросы NO и СО на выходе из камеры сгорания.
x
Задняя кромка каждой лопатки может иметь толщину, сооставляющую величину от 1 до 3 диаметров отверстия сопрягаемой с ней форсунки подачи жидкого топлива основного контура. Это дополнительно увеличивает глубину проникновения струй жидкого топлива в поток воздуха в камере смешения, улучшает качество смешения и снижает эмиссию NO и СО. При этом предлагаемый диапазон толщин задних кромок лопаток оптимален для смешения и исключения возможного воспламенения топлива в образующихся зонах отрыва потока газа. При толщине задних кромок лопаток менее одного диаметра отверстия струйной форсунки глубина проникновения струй топлива в поток воздуха недостаточна. При толщине задних кромок лопаток более 3-х диаметров отверстия форсунки размеры зоны отрыва потока газа увеличиваются до опасных для непреднамеренного воспламенения топлива условий.
x
Расстояние от оси отверстия форсунки до задней кромки сопряженной лопатки может составлять величину от 1 до 2 толщин задней кромки лопатки. Это позволяет максимально увеличивать глубину проникновения струй топлива в поток воздуха, улучшить смешение и снизить эмиссию NO и СО, поскольку длины зон отрыва потока за задними кромками лопаток не превышают 2,5 величин их толщины. При большом удалении форсунок от кромок лопаток сносящий поток воздуха будет существенно ограничивать проникновение струй топлива в поток воздуха.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели для авиационных ГТД и наземных ГТУ задачи:
x
- снижена эмиссия вредных веществ (NO и СО) на газообразном топливе на основных режимах до значений 5ppm и на жидком топливе до 25ppm;
- исключена возможность проскока пламени из камеры сгорания в камеру смешения и стабилизации горения в зонах отрыва топливовоздушного потока в камере смешения;
- предложена работоспособная конструкция камеры сгорания непрерывного горения, которая может попеременно или одновременно работать на жидком и газообразном топливах.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием камеры сгорания непрерывного действия и ее работы со ссылкой на иллюстрации представленные на фиг.1-5, где:
на фиг.1 изображен продольный разрез камеры сгорания с горелкой;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 для кольцевой решетки смесительных трубок выполненных в виде лопаток радиально расположенных относительно продольной оси горелки;
на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1 для кольцевой решетки смесительных трубок выполненных в виде лопаток расположенных под углом к плоскости, проходящей через продольную ось горелки;
на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2 по форсункам подачи жидкого топлива основного контура в камере смешения;
На фиг.5 - разрез В-В на фиг.4 по смесительной трубке газообразного топлива основного контура, выполненной в виде лопатки.
Камера сгорания непрерывного действия содержит (см. фиг.1) цилиндрический корпус 1 с коническим диффузором 2 на входе, установленное на стенке 3 камеры устройство 4 зажигания топливовоздушной смеси и пристыкованную соосно к диффузору 2 на входе горелку 5. Горелка 5 включает системы подачи жидкого и газообразного топлива, состоящие каждая, из вспомогательного и основного контуров, снабженных коллекторами подачи топлива на входе и форсунками на выходе. По оси горелки 5 размещены коллектор с каналом 6 жидкого топлива и центральная труба 7 с каналом 8 газообразного топлива вспомогательных контуров подвода топлив в камеру сгорания соответственно через форсунки 9 по оси и 10 на свободном торце 11 трубы. Коаксиально центральной трубе 7 расположена кольцевая камера смешения 12 жидкого и газообразного топлив основных контуров и воздуха. Камера смешения 12 ограничена снаружи стенкой 13, соединенной со стенкой 3 входа диффузора 2 камеры сгорания, а на входе передней крышкой 14 с радиальным каналом 15 подачи воздуха на вход в камеру смешения и сзади каналом 16 подачи топливовоздушной смеси на вход в диффузор 2 камеры сгорания. Канал 16 образован конусообразным стабилизатором 17 пламени с торцевой стенкой 11 по большому основанию на свободном конце центральной трубы 7 и входной частью диффузора 2 камеры сгорания. Коллектор 18 подачи жидкого топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на торце передней крышки 14 камеры смешения 12 и сообщается с камерой смешения 12 через кольцевой канал 19 со струйными форсунками 20 в центральной трубе 7. Отверстия d (см. фиг.4, 5) форсунок 20 расположены  в камере смешения 12 на трубе 7 по окружности. Коллектор 21 подачи газообразного топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на периферии передней крышки 14 и сообщается (см. фиг.5) через топливные каналы 22 и струйные форсунки 23 в смесительных трубках 24 через радиальный канал 15 со входом в камеру смешения 12. Смесительные трубки 24 расположены в радиальном канале 15 по окружности соосно оси горелки между передней крышкой 14 и наружной стенкой 13 камеры смешения 12. Оси форсунок 23 расположены под прямым углом к продольной оси камеры смешения 12.
Коллектор 25 подачи газообразного топлива вспомогательного контура выполнен кольцевым, размещен снаружи на торце коллектора 18 подачи жидкого топлива основного контура и сообщается кольцевым каналом 8 в центральной трубе 7 с форсунками 10 расположенными по окружности на периферии торца 11 стабилизатора пламени 17. Каждая смесительная трубка 24 основного контура газообразного топлива выполнена в виде лопатки аэродинамического профиля со скругленной передней кромкой 26 и утоненной задней кромкой 27, направленной вдоль канала 15 подачи воздуха в камеру смешения 12.
Аэродинамические профили смесительных трубок в канале 15 на входе в камеру смешения 12 могут образовывать (см. фиг.2) кольцевую решетку лопаток 24 с межлопаточными каналами 28, где каждая лопатка расположена радиально относительно продольной оси горелки.
Аэродинамические профили смесительных трубок в канале 15 на входе в камеру смешения 12 также могут образовывать (см. фиг.3) кольцевую решетку лопаток 24 с межлопаточными каналами 28, где каждая лопатка 24 расположена под углом к плоскости проходящей через продольную ось горелки.
Отверстие d (см. фиг.4, 5) каждой форсунки 20 основного контура подачи жидкого топлива может располагаться в следе за задней кромкой сопрягаемой с ней лопатки 24 кольцевой решетки.
Задняя кромка 27 каждой лопатки 24 может иметь толщину h, сооставляющую величину от 1 до 3 диаметров d сопрягаемой с ней форсунки 20 подачи жидкого топлива основного контура.
Расстояние S от оси каждой форсунки 20 до задней кромки 27 сопряженной с ней лопатки 24 может составлять величину от 1 до 2 толщин задней кромки 27 лопатки 24.
Камера сгорания на газообразном топливе работает следующим образом. Воздух через радиальный канал 15 горелки подается в камеру смешения 12 и через канал 16, диффузор 2 в камеру сгорания, а далее в атмосферу. Для случая радиального расположения аэродинамических профилей смесительных трубок воздушный поток в канале 15 разделяется на отдельные равновеликие струи в которых обеспечиваются необходимые условия заполнения сечения смесителя газовыми струями и улучшаются характеристики смешения газа с воздухом. Для случая расположения аэродинамических профилей смесительных трубок под углом к оси горелки воздушный поток в канале 15 получает вращательно-поступательное движение. Это является другим направлением улучшения характеристик смешения газа с воздухом.
При обтекании воздухом стабилизатора 17 за торцем 11 трубы 7 образуется зона рециркуляционного течения, используемая для стабилизации пламени при работе камеры сгорания. Газообразное топливо из коллектора 25 вспомогательного контура через кольцевой канал 8 в центральной трубе 7 и форсунки 10 подают в зону рециркуляции за торцем 11 стабилизатора 17, где создается топливовоздушная смесь. После, включения устройства зажигания 4 топливовоздушная смесь в зоне рециркуляции воспламеняется и создает очаг горения. Для выхода на режим низкоэмиссионного горения в коллектор 21 основного контура подают газообразное топливо. Из коллектора 21 топливо через топливные каналы 22 и форсунки 23 в смесительных трубках 24 подают через радиальный канал 15 в камеру 12, где смешивают с воздухом и создают гомогенную топливовоздушную смесь. Эту смесь через диффузор 2 направляют в камеру сгорания. В зоне рециркуляции за стабилизатором 17 топливовоздушную смесь основного контура воспламеняют от факела в очаге горения газообразного топлива вспомогательного контура. После воспламенения топливововоздушной смеси основного контура и выход на заданный режим подачу газообразного топлива в коллектор 25 вспомогательного контура уменьшают до минимума или отключают.
Камера сгорания на жидком топливе работает следующим образом. Воздух через радиальный канал 15 горелки подается в камеру смешения 12 и далее через канал 16, диффузор 2 в камеру сгорания, а далее в атмосферу. При обтекании воздухом стабилизатора 17 за торцем 11 трубы 7 образуется зона рециркуляционного течения, используемая для стабилизации пламени. Жидкое топливо по каналу 6 вспомогательного контура через форсунку 9 подают в осевую зону за торцем 11 стабилизатора 17, смешивают его с воздухом и создают гомогенную топливовоздушную смесь. После включения устройства зажигания 4 топливовоздушная смесь в зоне рециркуляции воспламеняется и создает очаг горения. Для выхода на режим низкоэмиссионного горения в коллектор 18 основного контура подают жидкое топливо. Из коллектора 18 топливо по каналу 19 и форсунки 20 подают в камеру смешения 12, где распыливают, испаряют и создают гомогенную топливовоздушную смесь, которую через диффузор 2 подают в камеру сгорания. На выходе из канала 16 между камерой смешения 12 и диффузором 2 за торцем 11 стабилизатора пламени 17 смесь воспламеняют от очага горения жидкого топлива вспомогательного контура.
По мере увеличения расхода жидкого топлива основного контура уменьшается расход жидкого топлива вспомогательного контура до вывода камеры сгорания на режим низкоэмиссионного горения жидкого топлива основного контура.
Переход с газообразного топлива на жидкое или обратно осуществляют обычно на дроссельных режимах работы камеры при подаче некоторого количества вспомогательного топлива.
Эффективная работа камеры сгорания на газообразном и жидком топливе достигается за счет предварительного смешения топлива с воздухом до попадания в камеру сгорания.