КАМЕРА СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в газотурбинных установках и двигателях.
Известна кольцевая камера сгорания патент SU №1835031 A3, МКИ F23R 3/00, 1993г., в которой используются конусные горелки двух размеров, но одинаковой конструкции - дежурные и основные, причем размер основных конусных горелок больше чем дежурных. Дежурные и основные конусные горелки установлены поочередно по всему фронту жаровой трубы кольцевой камеры сгорания. Вихри топливо-воздушной смеси, на выходе из конусных горелок, направлены в одну и ту же сторону. Благодаря этому в камере сгорания возникают два крупных потока газа текущих по окружности и охватывающих всю жаровую трубу. Потоки текут в разных направлениях вдоль внешней и внутренней стенок жаровой трубы. Эти потоки переносят горячие газы из малых зон горения, в большие более холодные зоны горения, что уменьшает образование окислов азота (NOx) из-за замораживания продуктов сгорания. Но это является и недостатком, так как перенос горячих газов приводит к резкому снижению их температуры и скорости окисления окиси углерода (СО) и, как следствие, количество СО в выхлопных газах увеличивается. Так же недостатком этой конструкции является неустойчивая работа камеры сгорания при обеднении топливо-воздушной смеси. Так как используемые здесь конические горелки, при обеднении топливо-воздушной смеси обладают неудовлетворительной устойчивостью к срыву пламени. В частности при сжигании пропано-воздушной смеси, при температуре воздуха t° 400°C срыв пламени наступает уже при ,2 ТН. Sattelmayer, М. Р. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure, 1989, в то же время, как известно, для данных условий можно добиться устойчивого горения однородной смеси вплоть до а  2,5. Очевидно, ранний срыв пламени наступает из-за того, что в приосевой зоне закрученной струи в целом и в зоне обратных токов, в частности, концентрация топлива меньше среднемассовой.
МП к  F23R 3/00
расположенных вокруг первичной зоны горения. Вторичные смесительные топливовоздушные трубки ограничены парой кольцевых стенок и множеством стенок расположенных равномерно между кольцевыми стенками. Каждый канал смешения вторичного топлива с воздухом имеет отверстия для направления топливовоздушной смеси во вторичную зону горения. Эти отверстия имеют одинаковую проходную площадь. Каждый смеситель имеет один или более топливный инжектор для впрыска топлива вверх по потоку от смесителя. Эта компоновка предполагает, что отношение топливо/воздух, в смеси выбрасываемой через каждое отверстие, отличается примерно на 3% от среднего отношения топливо/воздух, даже если поле скоростей воздушного потока в смесителе неравномерное. В этой камере сгорания достигается низкая эмиссия NOx и СО посредством стадийного сжигания топливовоздушной смеси. В каждой стадии сжигается бедная предварительно подготовленная топливо-воздушная смесь. Поэтому температура в зоне горения относительно мала, чем и достигается низкие выбросы NO/ . Крупным недостатком этой камеры сгорания является узкий температурный диапазон рабочего процесса в зоне горения 1600-1750 К, при выходе за который резко возрастают выбросы NOx и СО, по этой же причине велика вероятность неустойчивой работы камеры сгорания на переходных режимах. Также недостатком является сложная конструкция камеры сгорания и то, что устройство смешения и камера сгорания представляют собой единое целое и в случае прогара смесителя из строя выходит вся камера целиком. То есть камера сгорания обладает низкими эксплуатационными характеристиками.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является известная многорежимная камера сгорания, фирмы General Electric Company. Данная камера сгорания имеет жаровую трубу; топливные сопла; установленные соответственно в первичной и вторичной зонах горения, причем эти зоны созданы особой конструкцией жаровой трубы, центральная часть торца которой вынесена вниз по потоку; сопло Вентури, по внешней стенке которого подается охлаждающий воздух и поджимает горячие газы, выходящие из первичной зоны горения; втулки предназначенные для протекания разбавляющего воздуха во вторичную реакционную зону.Патент US № 5454221, кл F23R 3/06, F02C 3/14, 1995г. В этой камере сгорания горение предварительно перемешанной топливновоздушной смеси происходит только на режиме полной нагрузки агрегата во вторичной зоне горения. Топливо из первичных топливных сопел перемешивается с воздухом, поступающим в первичную зону горения через отверстия в жаровой трубе, и во вторичную зону горения поступает уже перемешанная топливо-воздушная
смесь. На остальных режимах работы горение и в первичной и во вторичной зонах происходит в диффузионном режиме, при котором образуется большое количество NOx , а воздух, попадающий в первичную зону горения через отверстия жаровой трубы, замораживает процесс окисления топлива, что отрицательно сказывается на выбросах СО. Также недостатком этой камеры сгорания является узкий рабочий диапазон температур во вторичной зоне горения, при которых достигаются малые выбросы NOx и СО. Еще одним крупным недостатком этой камеры сгорания является ее сложность изготовления, так как сопло Вентури имеет пористое охлаждение, которое технологически выполнить очень сложно патент US №5127221А, кл F23R 3/54 F02C 3/00, 1992г..
. Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы камеры сгорания, за счет установки экрана, выдвижения центральной горелки дальше периферийных горелок в низ по потоку и использованию в качестве горелок съемных горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и саморегуляцией поля концентрации топлива.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в камере сгорания, содержащей цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, с расположенными равномерно по окружности отверстиями, для прохода вторичного воздуха, образующего с цилиндрическим корпусом проточную часть, для подвода воздуха к горелкам, в отличии от прототипа содержится цилиндрический экран, расположенный соосно внутри жаровой трубы, и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, п периферийных горелок, расположенных с торца по окружности, на входе в жаровую трубу, центральную горелку, расположенную на оси жаровой трубы и задвинутую в жаровую трубу глубже чем периферийные горелки, при этом все горелки выполнены в виде горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и саморегуляцией поля концентраций топлива.
Заявляемая камера сгорания содержит (см. фиг.1) цилиндрический корпус 1, внутри которого и соосно с ним находится жаровая труба 2, образующая вместе с цилиндрическим корпусом проточную полость 3, внутри жаровой трубы и соосно с ней находится цилиндрический экран 4, образующий с жаровой трубой 2 кольцевой канал 5, с торца, на входе в жаровую трубу 2, по окружности стоят периферийные горелки 6, также с торца на входе в жаровую трубу на её оси стоит центральная горелка 7, причем она задвинута в жаровую трубу глубже чем периферийные горелки 6, периферийную зону горения 8 между входом в жаровую трубу 2 и срезом центральной горелки 7, центральную зону горения 9 между срезом центральной горелки 7 и выходным торцом цилиндрического экрана 4, за цилиндрическим экраном 4 ниже по потону выполнены отверстия 10 для подачи вторичного воздуха.
Камера сгорания может работать на нескольких режимах, в зависимости от расхода, температуры и давления воздуха, и суммарного коэффициента избытка воздуха (а), этим достигается более широкий диапазон малотоксичной работы камеры сгорания чем у прототипа.
На пусковых режимах, при низких температуре и давлении воздуха, и высоком а, периферийные горелки б работают в диффузионном режиме, а центральная горелка 7 отключена, то есть топливо в неё не подается. Режим диффузионного горения обеспечивает устойчивую работу камеры сгорания при запуске агрегата.
При достижении режима частичной нагрузки, периферийные горелки 6 переключаются на режим горения предварительно подготовленной бедной топливовоздушной смеси, которая имеет равномерное поле концентраций топлива на выходе из периферийных горелок 6. Это позволяет предотвратить возникновение локальных горячих зон во фронте пламени и получить температуру продуктов сгорания в периферийной зоне горения 8 значительно меньшую, чем при диффузионном горении, что снижает образование NOx практически до минимума. Но при этом температура периферийной зоны горения 8 достаточна для эффективного выгорания СО (СО+О2 СО2). Центральная горелка 7, как и в предыдущем случае, отключена (т.е. через неё протекает только воздух), а так как она вынесена дальше периферийных горелок 6 в низ по потоку, для исключения попадания воздуха в периферийную зону горения 8, то условия для замораживания реакции выгорания СО не возникают.
центральную область зоны горения, что также предотвращает замораживание реакции выгорания СО.
Расход и скорость охлаждающего воздуха в кольцевом канале 5 выбирают из условия достаточности его хладоресурса, для обеспечения охлаждения кольцевого экрана 4 и создания пленочного охлаждения жаровой отрубы 2 вниз по потоку от кольцевого экрана 4.
При переходе агрегата на режим полной нагрузки топливо-воздушная смесь становится более богатой, выбросы NOx и СО увеличиваются. Поэтому на этом режиме топливо перераспределяется между периферийными горелками 6 и центральной горелкой 7, в которую до этого топливо не подавалось. При этом суммарном расходе топлива, значение а в каждой горелке увеличивается. Повторяется такая же схема горения, как и на предыдущем режиме, т.е. образование NO/ в периферийной и в центральной зонах горения 8, 9 незначительно. Это происходит потому, что периферийные горелки 6 и центральная горелка 7 работают на предварительно перемешанной бедной топливо-воздушной смеси, имеющей равномерное поле концентраций топлива на выходе из горелок. В то же время температура в зонах горения достаточно велика, чтобы происходило эффективное выгорание СО.
Устойчивость работы камеры сгорания, на режимах частичной и полной нагрузок, достигается использованием в камере сгорания горелочных устройств, в которых конструктивно заложена саморегуляция поля концентраций топлива на выходе из горелок. Этот принцип заключается в том, что при увеличении значений а (т.е. при уменьшении расхода топлива) относительная концентрация топлива в привтулочной зоне горелки и в зоне рециркуляции автоматически увеличивается, что расширяет диапазон устойчивой работы горелок и камеры сгорания в целом на бедных топливо-воздушных смесях.
Ниже по потоку от зон горения продукты сгорания смешиваются со вторичным воздухом, поступающим через отверстия 10 в жаровой трубе 2, обеспечивая необходимое поле температур на выходе из камеры сгорания.
Итак, как показано выше, улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы камеры сгорания достигается за счет: установки экрана, выдвижения центральной горелки дальше периферийных горелок в низ по потоку и использованию в качестве горелок съемных горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и в которых конструктивно заложена саморегуляция поля концентраций топлива.