ВОДОРОДНЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР С КОМБИНИРОВАННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
HIGH-TEMPERATURE HYDROGENIC VAPOUR GENERATOR FEATURING COMBUSTION CHAMBER COMBINED COOLING

Изобретение относится к силовым установкам паротурбинного типа, а именно парогенераторам, использующим в качестве горючего водород.
Известны парогенераторы, работающие на химическом топливе кислород (окислитель) - водород (горючее), камера сгорания и промежуточное сопло которых охлаждается только балластировочной водой, см. патенты РФ № 2079684, № 2300049, опубликованную заявку РФ на изобретение № 2005139564.
Также высокотемпературные силовые установки с активными системами охлаждения известны 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).
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 балластировочного компонента (воды). В форкамере смонтировано электрозапальное устройство, содержащее свечу зажигания и магистрали подачи горючего и окислителя. 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 №2300049, согласно которому парогенератор работает на химическом топливе кислород - водород с добавлением балластировочной воды и электрическим воспламенением. Узел зажигания и камера смешения объединены в единый узел воспламенительной форкамеры и смесительной головки с обеспечением подачи балластировочной воды наружного охлаждения камеры сгорания под углом к направлению потока продуктов сгорания, истекающих из промежуточного сопла, разделяющего камеру сгорания и смешения, при этом балластировочная вода подается под углом к потоку продуктов сгорания при заданном масштабе смешения. Выход струи продуктов сгорания в камеру смешения осуществлен по принципу внезапного расширения для обеспечения требуемого уровня равномерности поля температур при подаче всего расхода балластировочной воды в одном поясе, что, в свою очередь, реализует охлаждение камеры сгорания полным расходом балластировочной воды. В результате реализуется более эффективная схема организации рабочего процесса, снижены тепловые потери, уменьшена протяженность высокотемпературной зоны агрегата, обеспечено практически равномерное поле температур генерируемого пара.
Известные парогенераторы вследствие высоких тепловых нагрузок на огневую стенку камеры сгорания и лимитирования заданной температурой генерированного пара количеством балластировочной воды имеют ограничения по верхнему пределу давления в камере сгорания и максимальной температуры генерируемого пара, в частности, обусловленные располагаемыми запасами по общему и местному теплосъему охлаждающей воды. А это, в свою очередь, ограничивает уровни достижимого значения КПД турбины и, следовательно, снижает эффективность силовых установок в целом.
Этот недостаток устраняется настоящим изобретением, задачей которого является усовершенствование схемы охлаждения камеры сгорания парогенератора и, как следствие, повышение КПД паросиловых установок, создаваемых на базе этих парогенераторов.
Поставленная задача решается тем, что охлаждающий тракт камеры сгорания парогенератора условно разделен на два участка: первый - охлаждающий тракт цилиндрической части камеры сгорания и второй - охлаждающий тракт промежуточного сопла. Решение основано на охлаждении камеры сгорания комбинированным способом - цилиндрическая часть камеры сгорания охлаждается рабочим расходом водорода, а область промежуточного сопла - расходом балластировочной воды.
В отличие от прототипа, где цилиндрическая часть камеры сгорания и промежуточное сопло охлаждаются только балластировочной водой, в нашем случае цилиндрическая часть камеры сгорания охлаждается полным расходом водорода, а промежуточное сопло - балластировочной водой. Вследствие этого значительно увеличиваются располагаемые запасы по общему и местному теплосъему камеры сгорания в целом, что позволяет уменьшить расход балластировочной воды, по меньшей мере, в два раза, повысить величину давления в камере сгорания парогенератора в 1,5-1,7 раза, увеличить температуру генерируемого пара и, следовательно, увеличить КПД паросиловой установки.
Предложенный водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части, - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой.
Соответственно парогенератор содержит подводящую магистраль водорода для последующей подачи его в тракт охлаждения цилиндрической части камеры сгорания, а также подводящую магистраль балластировочной воды для последующей подачи ее на промежуточное сопло и в камеру смешения.
2
2
2
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен вариант выполнения водородного высокотемпературного парогенератора, содержащего объединенный узел зажигания и смесительной головки 1; запальную свечу 2; магистраль 3 подвода окислителя (кислорода О); магистраль 4 подвода горючего (водорода H) в смесительную головку; магистраль 5 отвода горючего из тракта 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; отверстия 6 для поступления горючего из коллектора 17 в тракт 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; тракт 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; промежуточное сопло 8; тракт 9 охлаждения промежуточного сопла 8; камеру смешения 10; подсвечной канал 11; отверстия 12 для подачи горючего в подсвечной канал 11; струйные форсунки 13 для подачи горючего в подсвечной канал 11; выходное сопло 14; магистраль 15 подвода балластировочной воды (HO) в тракт охлаждения промежуточного сопла 8; магистраль 16 подвода горючего в коллектор 17 охлаждающего тракта 7 цилиндрической части камеры сгорания.
Водородный высокотемпературный парогенератор по настоящему изобретению работает следующим образом.
2
2
2
Окислитель (О) из магистрали 3 поступает к торцевой части электрической запальной свечи 2, где инициируется электрическим разрядом на свече 2, и далее поступает в подсвечной канал 11. Горючее (Н) из магистрали 16 попадает в коллектор 17, а из него через отверстия 6 - в тракт 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания, охлаждает ее и через магистрали 5 и 4 подается в смесительную головку 1. Меньшая часть горючего через отверстия 12 подается в подсвечной канал 11, где воспламеняется с инициированным окислителем, образуя окислительный запальный факел, который истекает в камеру сгорания. Большая часть горючего через форсунки 13 подается в камеру сгорания, где перемешивается с окислительным запальным факелом и сгорает при стехиометрическом соотношении. Образующийся высокотемпературный водяной пар истекает из промежуточного сопла 8 в камеру смешения 10, Сюда же через магистраль 15, коллектор 17 и тракт 9 охлаждения промежуточного сопла 8 подается балластировочная вода (НО) при комнатной температуре (300 К, т.е. 27°С), которая перемешивается с высокотемпературным водяным паром, образуя рабочее тело (водяной пар) заданного уровня температуры.
Температура в камере сгорания составляет 3600 К (3327°С), в камере смешения, как правило, от 400 до 850 К (127-577°С) при давлении от 1 до 50 атм (1-50 МПа). В качестве материала для камеры смешения может быть использована жаропрочная сталь с толщиной стенок 5 мм.
Предложенное изобретение не ограничивается приведенной выше конструкцией водородного высокотемпературного парогенератора, в котором для эффективного охлаждения камеры сгорания помимо балластировочной воды, прежде всего, используют водород. Кроме того, водород, участвуя в охлаждении камеры сгорания, предварительно подогревается перед сгоранием, что повышает эффективность рабочего процесса. Также уменьшается расход балластировочной воды для охлаждения камеры сгорания. Данное техническое решение вследствие увеличения запасов по теплосъему в камере сгорания обеспечивает возможность уменьшения расхода балластировочной воды и повышения в 1,5-1,7 раза давления и температуры в парогенераторе и, как следствие, позволяет увеличить КПД паросиловой установки в целом, что соответственно повышает ее экономичность.