ПРОТИВОТОЧНАЯ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ
COUNTER-CURRENT HYDROGEN-OXYGEN COMBUSTOR

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для перегрева водяного пара при организации рабочего процесса паровых, парогазовых энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов.
Известна система сжигания водорода для пароводородного перегрева свежего пара в цикле атомной электростанции RU 2427048 C2, G21D 5/16 (2006.01), F22B 1/26 (2006.01), F01K 3/18 (2006.01), от 4.05.2009, предназначенная для использования на паротурбинных установках атомных электростанций (АЭС) при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°C), содержащая запальное устройство, магистрали подвода окислителя и горючего, водород-кислородную камеру сгорания первичного нестехиометрического окисления, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром на участке перед цилиндром высокого давления паровой турбины.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности регулирования температуры горения, высокая вероятность прогара стенок камеры сгорания в результате кризиса кипения, низкая полнота сгорания из-за отсутствия интенсивного энергомассообмена, высокая вероятность возникновения взрывоопасной ситуации, обусловленная отсутствием инертной примеси в процессе смешения топлива и окислителя.
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 (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего.
Недостатком данной конструкции является высокая неравномерность поля температуры на выходе из парогенератора; низкая полнота сгорания; низкая эффективность охлаждения стенок жаровой трубы и камеры смешения; неудовлетворительные характеристики по срыву пламени; высокая вероятность прогара конструктивных элементов зоны горения; отсутствие возможности пространственной локализации фронта пламени; отсутствие возможности регулирования температуры горения водород-кислородной смеси.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является вихревой водород-кислородный пароперегреватель RU 2361146 C1, F22G 1/16 (2006.01) от 17.12.2007, предназначенный для перегрева пара, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, диафрагмированное выходное сопло.
Недостатком данной конструкции является наличие больших гидравлических потерь в системе подвода компонентов, отсутствие возможности поддержания начальной степени закрутки, отсутствие компенсации теплового расширения жаровой трубы, отсутствие возможности регулирования расхода окислителя, неравномерность распределения топлива по форсункам, неравномерность концентрации окислителя в зоне смешения, большая вероятность возникновения взрывоопасной ситуации в запальном устройстве вследствие непосредственного смешения водорода и кислорода без инертной примеси.
Технический результат изобретения выражается в уменьшении гидравлических потерь в системе подвода компонентов, возможности поддержания начальной степени закрутки по длине жаровой трубы, возможности компенсации теплового расширения жаровой трубы, возможности регулирования расхода окислителя, снижении неравномерности распределения топлива по форсункам, снижении неравномерности концентрации окислителя в контуре смешения, снижении вероятности возникновения взрывоопасной ситуации.
Технический результат изобретения достигается тем, что противоточная водород-кислородная камера сгорания, содержащая запальное устройство, форсунки горючего, конический стабилизатор пламени, дополнительно содержит основной контур разделения пара, в торцевой части которого поток низкотемпературного пара разделяется на три канала - контур подачи основного пара, контур смешения и контур охлаждения конического стабилизатора.
В целях уменьшения гидравлических потерь магистрали подвода пара объединены в общий контур; поддержание начальной степени закрутки осуществляется с помощью системы тангенциальных закручивающих устройств; компенсация теплового расширения жаровой трубы осуществляется с помощью компенсатора; возможность регулирования расхода кислорода осуществляется с помощью дроссельного регулятора; неравномерность распределения топлива по форсункам снижается за счет топливного коллектора; неравномерность концентрации окислителя в контуре смешения снижается за счет коллектора окислителя, вероятность снижения взрывоопасной ситуации в запальном устройстве осуществляется за счет перемешивания окислителя и пара в камере предварительного смешения.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1-4 показан продольный разрез противоточной водород-кислородной камеры сгорания с вынесенными сечениями.
Противоточная водород-кислородная камера сгорания содержит штуцера подвода топлива 1 и окислителя 2. Штуцер подвода низкотемпературного пара 3 тангенциально крепится к переднему корпусу 19. Штуцеры подвода топлива 1 и окислителя 2 крепятся к основному корпусу 4, в котором выполнен коллектор равномерного распределения топлива по форсункам 5. Между основным 4 и передним корпусами 19 и жаровой трубой 7 расположен основной контур разделения пара 8. В торцевой части противоточной водородной камеры сгорания расположены: контур подачи основного пара 9, контур смешения 10, контур охлаждения конического стабилизатора 11, полость для охлаждающего пара 24, отверстия 23, коллектор окислителя 25 для равномерного распределения по контуру смешения 10. Контур подачи основного пара 9 и контур смешения 10 оснащены тангенциальными закручивающими устройствами 14 и 15. Дроссельный регулятор 27 имеет отверстия 26 с различным диаметром для изменения расхода окислителя. Жаровая труба 7 имеет блочный вид, а на поверхности расположены отверстия 16 для создания паровой завесы, она крепится к переднему корпусу 19 с помощью компенсатора теплового расширения 17. К основному корпусу 4 крепится запальное устройство 18. Основной корпус 4 соединяется с передним корпусом посредством фланцевого соединения 20. Для охлаждения сферического стабилизатора 13 и конического стабилизатора 12 на их поверхности выполнены охлаждающие отверстия 21 и 22.
Запальное устройство содержит штуцер подвода пара 29, окислителя 30 и топлива 31, камеру предварительного смешения 32, полость перемешивания с топливом 35, свечу накаливания 38.
Противоточная водород-кислородная камера сгорания работает следующим образом.
Водяной пар из котла или низкотемпературного пароперегревателя с температурой 150-350°C поступает через штуцер подачи пара 3 в основной контур разделения пара 8. Далее в торцевой части весь поток разделяется на три канала: контур подачи основного пара 9, контур смешения 10 и через отверстия 23, полость охлаждающего пара 24 в контур охлаждения конического стабилизатора 11. По штуцеру подачи окислителя 2 кислород попадает в коллектор окислителя 25, где, равномерно распределяясь по отверстиям 26 дроссельного регулятора 27, подмешивается к вторичному пару в контуре смешения 10. Образованная смесь кислорода и пара, закрученная с помощью тангенциального закручивающего устройства 15 с целью поддержания начальной степени закрутки, обтекая конический стабилизатор 12, поступает в зону горения. Горючее через штуцер 1 попадает в коллектор равномерного распределения топлива по форсункам 5, откуда через форсунки 6, подается непосредственно в зону горения, где реагирует с кислородом. При обтекании закрученным потоком парокислородной смеси конического стабилизатора пламени 12 в зоне горения образуется область обратных течений, поддерживающая процесс стабильного горения после воспламенения горючей смеси от запального устройства 18. Через отверстия 21 в коническом стабилизаторе 12 водяной пар, подаваемый из контура охлаждения 11, защищает поверхность стабилизатора от высокотемпературных продуктов сгорания. Поток основного пара, закрученный с помощью тангенциального закручивающего устройства 14, поступает по контуру подачи основного пара 9 в зону перегрева 28. Часть основного пара вдувается в отверстия 22 сферического стабилизатора 13 с целью локализации фронта пламени.
Воспламенение производится с помощью запального устройства 18, которое работает следующим образом. Низкотемпературный пар, необходимый для снижения вероятности возникновения взрывоопасной ситуации, и кислород подаются через штуцеры 29 и 30 соответственно и перемешиваются в камере предварительного смешения 32. Далее парокислородная смесь по каналам 33 поступает в полость перемешивания с топливом 34, где к ней через штуцер 31 подается водород. Вся паро-водород-кислородная смесь поступает в канал 35 и через отверстия 36 вдувается в зону горения, при этом воспламенение происходит с помощью нагревательной головки 37 свечи накаливания 38.