МНОГОЗОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Область использования
Полезная модель относится к области энергетического, транспортного, химического машиностроения и может быть использована в камерах сгорания газотурбинных установок.
Уровень техники
Известна камера сгорания, содержащая средства подвода газообразного топлива, средства подвода окислителя, средства для сжигания топлива, в том числе использующие окислитель для частичного сжигания первой части топлива с получением продуктов частичного сгорания (RU 2419032, F23D 99/00, 2011 [1] - прототип). Данное изобретение позволяет повысить стабильность процесса горения и снизить образование оксидов азота (NOx) за счет уменьшения температуры горения. Однако известно, что для получения минимальных уровней NOx необходимо поддерживать температуру пламени в зоне горения в диапазоне (1400…1600°C). При средней температуре в зоне горения выше 1600°C образование NOx начинает экспоненциально возрастать. Таким образом камера сгорания согласно [1] не позволяет обеспечить снижение образования NOx при средней температуре в зоне горения выше 1600°C.
Раскрытие полезной модели
Достигаемым результатом полезной модели является уменьшение образования оксидов азота при температуре горения выше 1600°C. Указанный результат обеспечивается тем, что в камере сгорания, содержащей средства подвода газообразного топлива, средства подвода окислителя, средства для сжигания топлива, в том числе использующие окислитель для частичного сжигания первой части топлива с получением продуктов частичного сгорания, согласно полезной модели предусмотрены две последовательно расположенные зоны горения, в каждой из которых расположены указанные средства подвода газообразного топлива, средства подвода окислителя и средства сжигания топлива, а средства для сжигания топлива, использующие окислитель для сжигания первой части топлива с частичным получением продуктов сгорания расположены только в первой из указанных зон. При этом средства, расположенные в первой зоне горения, в совокупности образуют горелочное устройство, содержащее две - внутреннюю и наружную коаксиально расположенные обечайки, образующие соответственно внутренний и внешний каналы для подачи воздуха с установленными в каждом из них топливораздающим элементом и кольцевым направляющим аппаратом, причем внутренний из указанных каналов совокупно с указанным топливораздающим элементом представляет собой дежурную горелку диффузионного типа для сжигания меньшей части топлива при больших избытках воздуха, а внешний - горелку предварительного смешения для сжигания большей части топлива при малых избытках воздуха, а средства, расположенные во второй зоне горения, образуют горелочное устройство в виде сплошного полого пережима, внутрь которого подается дополнительное топливо, а для его выпуска во вторую зону горения в стенке, ограничивающей внутреннюю полость пережима, предусмотрены отверстия, или в виде пережима, образованного топливораздающими трубками с топливораздающими отверстиями на выходе каждой из них.
Причинно-следственная связь между основными отличительными признаками и указанным техническим результатом состоит в том, что наличие в камере сгорания двух последовательно расположенных зон горения, в первой из которых поддерживается низкотемпературное горение топливовоздушной смеси предварительного смешения при низких коэффициентах избытка воздуха, а во второй высокотемпературное горение дополнительного топлива при уменьшенном содержании в воздухе кислорода за счет его частичного связывания при горении топлива в первой зоне обеспечивают низкую эмиссию NOx в каждой из указанных зон при обеспечении полноты сгорания топлива и температуры продуктов сгорания более 1600°C на выходе из второй зоны.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 схематически изображена камера сгорания согласно полезной модели в продольном разрезе с горелочным устройством во второй зоне горения в виде сплошного полого пережима; на фиг. 2 то же - с горелочным устройством во второй зоне горения в виде пережима из топливораздающих трубок.
Подробное описание полезной модели
Камера сгорания содержит средства подвода газообразного топлива, средства подвода окислителя, средства для сжигания топлива, в том числе использующие окислитель для частичного сжигания первой части топлива с получением продуктов частичного сгорания. Согласно полезной модели в указанной камере сгорания предусмотрены две последовательно расположенные зоны 1 и 2 горения, в каждой из которых расположены указанные средства подвода газообразного топлива, средства подвода окислителя и средства сжигания топлива, а средства для сжигания топлива, использующие окислитель для сжигания первой части топлива с частичным получением продуктов сгорания расположены только в первой из указанных зон. При этом в рассматриваемом примере (фиг. 1, 2) средства, расположенные в зоне 1 горения, в совокупности образуют горел очное устройство 3, содержащее две - внутреннюю и наружную коаксиально расположенные обечайки 4, 5, образующие соответственно внутренний и внешний каналы для подачи воздуха с установленными в каждом из них топливораздающим элементом 6, 7 и кольцевым направляющим аппаратом 10, 11, причем внутренний из указанных каналов совокупно с указанным топливораздающим элементом 6 представляет собой дежурную горелку 8 диффузионного типа для сжигания меньшей части топлива при больших избытках воздуха, а внешний - горелку 9 предварительного смешения для сжигания большей части топлива при малых избытках воздуха. Средства, расположенные в зоне 2 горения, образуют горелочное устройство 12 в виде сплошного полого пережима, внутрь которого подается дополнительное топливо, а для его выпуска в зону 2 горения в стенке, ограничивающей внутреннюю полость пережима, предусмотрены отверстия 13 (фиг. 1), или в виде пережима, образованного топливораздающими трубками с топливораздающими отверстиями 13 на выходе каждой из них (фиг. 2).
Работа камеры сгорания
Работа камеры сгорания согласно полезной модели, осуществляется следующим образом. Вначале производится подача топлива через топливораздающий элемент 6 в дежурную горелку 8 диффузионного типа с направляющим аппаратом 9 и производится зажигание образующейся топливовоздушной смеси на ее выходе. После ввода в действие дежурной горелки 8 производится подача основной массы топлива во внешний канал горелочного устройства 3. При этом топливо и воздух подаются во внешний канал перед установленным в нем направляющим аппаратом 9 для их предварительного перемешивания с получением гомогенной топливовоздушной смеси на выходе в зону 1 горения камеры сгорания. В зоне 1 горения для снижения эмиссии NOx используется метод, основанный на низкотемпературном (1400…1500°C) сжигании предварительно перемешанной топливовоздушной смеси. Сжигание бедной гомогенной топливовоздушной смеси при малых избытках воздуха с высокой полнотой сгорания топлива проблематично вследствие сравнительно низкой температуры горения такой смеси. Горение при этом оказывается неустойчивым с возможным затуханием пламени. Наличие устойчивой дежурной горелки 8 поддерживает затухающее пламя, способствуя тем самым устранению указанной проблемы. При этом большое значение имеет выбор оптимальной длины зоны 1 горения. Длина зоны 1 горения должна быть не меньше диаметра камеры сгорания. Продукты полного сгорания топлива зоны 1 горения поступают в зону 2 горения с пониженным содержанием кислорода с температурой свыше 1600°C. Подача топлива в зону 2 горения производится через топливораздающие отверстия 12 горелочного устройства 11 зоны 2 горения. Горение в зоне 2 происходит в диффузионном режиме. Минимальная эмиссия оксидов азота при температуре во второй зоне горения выше 1600°C обеспечивается за счет снижения концентрации кислорода участвующего в процессе горения в результате его частичного связывания продуктами сгорания зоны 1 горения.