ВИХРЕВАЯ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ
VORTEX HYDROGEN-OXYGEN COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для создания потока перегретого водяного пара за счет сжигания водород-кислородной смеси в паровой среде. Может использоваться в ракетных двигателях, циклах комбинированных и паротурбинных энергетических установок.
Известен пароперегреватель RU 2005139564 A, F02K 9/68 (2006.01) от 27.06.2007, предназначенный для получения перегретого пара, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего и окислителя, камеру сгорания, форсунки.
Недостатком данной конструкции является высокая неравномерность поля температуры на выходе из парогенератора; низкая полнота сгорания; высокая вероятность срыва пламени; отсутствие возможности пространственной локализации фронта пламени.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является вихревой водород-кислородный пароперегреватель RU 2007147083/06 (051620), F02K 9/68 от 17.12.2007, предназначенный для перегрева водяного пара, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу.
Недостатком данной конструкции является низкая эффективность охлаждения стенки камеры смешения и пламенной трубы; неравномерность термогазодинамических параметров на выходе; высокая остаточная закрутка потока перегретого пара; сложная система разделения пара по зонам; отсутствие возможности компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения стенки камеры смешения; повышение эффективности охлаждения пламенной трубы; повышение равномерности термогазодинамических параметров на выходе и снижение остаточной закрутки потока перегретого пара; упрощение системы разделения пара по зонам; обеспечение возможности компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что вихревая водород-кислородная камера сгорания, содержащая запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, жаровую трубу, охлаждающий канал дополнительно содержит полусферический коллектор; в жаровой трубе выполнена перфорация, цилиндрические и кольцевое отверстия смешения; вихревая водород-кислородная камера сгорания имеет единственный патрубок подвода водяного пара, компенсатор тепловых расширений.
С целью повышения эффективности охлаждения стенки камеры смешения в жаровой трубе выполнена перфорация. Для повышения равномерности термогазодинамических параметров на выходе и снижения остаточной закрутки потока перегретого пара в жаровой трубе выполнены цилиндрические и кольцевое отверстия смешения. Упрощение системы разделения пара по зонам достигается тем, что вихревая водород-кислородная камера сгорания имеет единственный патрубок подвода водяного пара и полусферический коллектор. Возможность компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции обеспечивается за счет того, что вихревая водород-кислородная камера сгорания имеет компенсатор тепловых расширений.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом: фиг.1 - продольный разрез вихревой водород-кислородной камеры сгорания с вынесенными сечениями.
Вихревая водород-кислородная камера сгорания содержит магистрали подвода окислителя (кислорода) 1 и горючего (водорода) 2. Патрубок подвода водяного пара 3 тангенциально крепится к стенке 4 камеры смешения 5, в объеме которой установлена жаровая труба 6, имеющая перфорацию 7, цилиндрические 8 и кольцевое 9 отверстия смешения. Между жаровой трубой 6 и выходным соплом 10 находится компенсатор тепловых расширений 11. Охлаждающий канал 12 образован стенкой 4 камеры смешения 5 и жаровой трубой 6. Магистрали подвода окислителя 1 и горючего 2 крепятся к корпусу камеры сгорания 13, в котором выполнена зона смешения 14 пара с окислителем, расположены форсунки окислителя 15 и закручивающее устройство 16. На выходе из зоны смешения 14 пара с окислителем установлен конический стабилизатор пламени 17 с отверстиями 18 в торцевой поверхности, форсунки горючего 19 и пламенная труба 20, между стенкой которой и жаровой трубой 6 образован периферийный канал 21 подачи пара, в котором находится аксиальное закручивающее устройство 22. Отверстия 23 для охлаждения пламенной трубы 20 распределены по ее поверхности, ограничивающей объем камеры сгорания 24. Полусферический коллектор 25 и запальное устройство 26 крепятся к корпусу камеры сгорания 13.
Вихревая водород-кислородная камера сгорания работает следующим образом. Водяной пар из котла поступает через патрубок подвода водяного пара 3 в охлаждающий канал 12, где в виде интенсивно закрученного потока движется в сторону корпуса камеры сгорания 13. Попадая в полусферический коллектор 25, поток водяного пара меняет осевое направление движения на противоположное и поступает в зону смешения 14 пара с окислителем и периферийный канал подачи пара 21. Через форсунки окислителя 15 в центральный поток пара подается кислород, поступающий из магистрали подвода окислителя (кислорода) 1. Образующаяся парокислородная смесь закручивается с помощью закручивающего устройства 16 с целью интенсификации массообменных процессов и ее гомогенизации и, обтекая конический стабилизатор пламени 17, поступает в камеру сгорания 24. На выходе из зоны смешения 14 пара с окислителем в полученную смесь через форсунки горючего 19 подается водород, поступающий из магистрали подвода горючего (водорода) 2. Форсунки горючего 19 установлены таким образом, что время обтекания конического стабилизатора пламени 17 подготовленной к химическому реагированию пароводород-кислородной смеси, не превышает период индукции химических реакций (задержки воспламенения). Это позволяет исключить проскок фронта пламени в зону смешения 14 и уменьшить лучистый и конвективный тепловые потоки на боковую поверхность конического стабилизатора пламени 17 и сопла форсунок горючего 19. Полученная пароводород-кислородная смесь воспламеняется от запального устройства 26, и в результате протекающих окислительно-восстановительных реакций горения осуществляется ее разогрев до необходимой температуры, определяемой соотношением расходов пара, водорода и кислорода. Образующийся перегретый пар истекает из выходного сопла 10.
При обтекании закрученным потоком пароводород-кислородной смеси конического стабилизатора пламени 17 в объеме камеры сгорания 24 образуется центральная рециркуляционная зона, на границах которой осуществляется стабилизация фронта волны горения после воспламенения смеси от запального устройства 26. Через отверстия 18 в торцевой поверхности конического стабилизатора пламени 17 выдувается водяной пар, оттесняя фронт пламени от стенки стабилизатора и локализуя его в пространственной области, ограниченной границами рециркуляционной зоны. Поток пара, проходящий по периферийному каналу 21 подачи пара через аксиальное закручивающее устройство 22, приобретает окружную составляющую скорости, что позволяет организовать конвективное охлаждение пламенной трубы 20 за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи от стенок к паровому потоку. Дополнительное охлаждение термически нагруженной стенки пламенной трубы 20 достигается организацией завесы из паровых струй, выдуваемых через отверстия 23 и перфорацию 7 в стенке жаровой трубы 6.
Через цилиндрические 8 и кольцевое 9 отверстия смешения из охлаждающего канала 12 в объем жаровой трубы 6 радиально вдуваются паровые струи, формируя равномерное поле термогазодинамических параметров на выходе и снижая остаточную закрутки потока перегретого пара. Возникающие в результате теплового расширения элементов конструкции термические напряжения нивелируются компенсатором тепловых расширений 11. Отмеченные особенности конструкции вихревой водород-кислородной камеры сгорания позволяют эффективно организовать рабочий процесс, управлять горением, охлаждением, формированием температурного поля в зоне реакции и выходном сечении.