СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
METHOD AND DEVICE FOR BURNING FUEL

Предлагаемое изобретение относится к области сжигания топлива и может найти применение в газотурбинных двигателях и энергетических установках, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов.
Известны способ и устройство для сжигания топлива, содержащее основную камеру сгорания и первичную камеру сгорания, расположенную в сечении, перпендикулярном центральной оси жаровой трубы основной камеры сгорания. Основная камера сгорания содержит жаровую трубу, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры, топливные форсунки. Первичная камера сгорания содержит жаровую трубу, завихритель, топливные форсунки, горелочное устройство и канал выхода продуктов сгорания, направленный тангенциально к боковой поверхности жаровой трубы основной камеры сгорания по направлению вращения потока. Первичная камера сгорания расположена за завихрителем или в одном сечении с завихрителем основной камеры сгорания (см. патент RU 2196940 С1, 20.01.2003).
Известное техническое решение не обеспечивает устойчивой работы и полноты сгорания при невысоком положительном перепаде давления между подаваемым воздухом и топливом и не может реализовать процесс сжигания при давлении топлива на входе, равном или меньшем давления подаваемого воздуха. Это значительно сужает область его применения.
Наиболее близким к заявленному способу сжигания топлива является способ сжигания топлива, описанный в патенте RU 2212003 С1, 10.09.2003 и заключающийся в том, что в жаровую трубу камеры сгорания подают сжигаемое топливо и воздух, сжигают топливовоздушную смесь, после чего продукты сгорания удаляют из камеры сгорания через канал выхода продуктов сгорания.
Наиболее близким к заявленному устройству для сжигания топлива является устройство, также описанное в патенте RU 2212003 С1, 10.09.2003, включающее горелочное устройство, основную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, задний завихритель с устройством подвода воздуха и канал выхода продуктов сгорания, а также первичную камеру сгорания, установленную перед основной камерой сгорания вдоль ее оси и содержащую расположенные на переднем торце устройства подвода сжигаемого топлива, воздуха и передний завихритель, выполненный в виде закручивающего соплового аппарата.
Недостатком указанных способа и устройства для сжигания топлива является то, что они не обеспечивают рабочий процесс сжигания при давлении топлива на входе в устройство ниже давления подаваемого воздуха, что обусловлено невозможностью обеспечения высокого среднего осевого градиента статического давления и направления его в сторону устройства подвода воздуха на режиме горения и, как следствие, снижение процесса эжектирования топлива от внешнего источника, включая выброс продуктов сгорания из приосевого вихря в направлении внешнего источника.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение рабочего процесса сжигания топлива при давлении топлива на входе в устройство ниже давления подаваемого воздуха.
Указанный технический результат достигается посредством способа сжигания топлива, заключающегося в том, что в жаровую трубу камеры сгорания подают сжигаемое топливо и воздух, сжигают топливовоздушную смесь, после чего продукты сгорания удаляют из камеры сгорания через канал выхода продуктов сгорания. Согласно изобретению часть воздуха подают в камеру сгорания со стороны канала выхода продуктов сгорания навстречу в осевом направлении сжигаемому топливу, поступающему в камеру сгорания через центральное отверстие центрального соплового канала, закручивают подаваемый воздух, образуя внутри жаровой трубы периферийный спиральный вихрь, другую часть воздуха подают через кольцевой сопловой канал вокруг центрального соплового канала навстречу осевому движению периферийного спирального вихря, закручивая воздух в направлении, совпадающем с направлением вращения периферийного спирального вихря, с образованием приосевого вихря и создавая при этом условия для эжектирования (подсасывания) в жаровую трубу через центральное отверстие центрального соплового канала сжигаемого топлива, обеспечивают таким образом подготовку топливовоздушной смеси и воспламеняют ее горящим факелом, поступающим из горелочного устройства тангенциально в периферийный спиральный вихрь по ходу его вращения. В районе центрального отверстия центрального соплового канала создают тороидальный вихрь за счет поворота периферийного вихря в осевом направлении в противоположную сторону. Горелочное устройство располагают в районе канала выхода продуктов сгорания. В периферийный вихрь дополнительно подают рабочее топливо.
Указанный технический результат достигается также посредством устройства сжигания топлива, включающего основную камеру сгорания, содержащую горелочное устройство, жаровую трубу, задний завихритель с устройством подвода воздуха и канал выхода продуктов сгорания, а также первичную камеру сгорания, установленную перед основной камерой сгорания вдоль ее оси и содержащую расположенные на переднем торце устройства подвода сжигаемого топлива, воздуха и передний завихритель, выполненный в виде закручивающего соплового аппарата. Согласно изобретению горелочное устройство расположено в основной камере сгорания, а первичная камера сгорания образована внешней и внутренней оболочками, образующими кольцевой сопловой канал, соединенный с одной стороны с передним завихрителем, а с другой стороны - с жаровой трубой основной камеры сгорания, при этом внутренняя оболочка образует центральный сопловой канал, соединенный с устройством подвода сжигаемого топлива в первичную камеру сгорания, а край внутренней оболочки, образующий центральное отверстие входа центрального соплового канала в жаровую трубу, находится от заднего завихрителя не далее края внешней оболочки, обращенного к жаровой трубе. Основная камера сгорания снабжена устройством подачи дополнительного рабочего топлива, выполненным в виде, по меньшей мере, двух струйных форсунок, расположенных равномерно по окружности жаровой трубы в районе заднего завихрителя. Горелочное устройство расположено в районе заднего завихрителя. Длина жаровой трубы от поперечного сечения заднего завихрителя основной камеры сгорания до края внутренней оболочки, образующего центральное отверстие, составляет 1,5-2,5 диаметра жаровой трубы в районе заднего завихрителя. Диаметр центрального отверстия внутренней оболочки первичной камеры сгорания равен 0,4-0,8 диаметра входного отверстия канала выхода продуктов сгорания основной камеры сгорания. Диаметр входного отверстия канала выхода продуктов сгорания основной камеры сгорания равен 0,6-0,8 диаметра жаровой трубы в районе заднего завихрителя. Внешняя и внутренняя оболочки выполнены в виде сужающихся в сторону жаровой трубы участков и сопряженных с ними в минимальных сечениях цилиндрических участков, выполненных в виде обечаек. Длина цилиндрической обечайки, сопрягаемой с сужающимся участком внешней оболочки, составляет не более чем 2 радиальные ширины кольцевого соплового канала в его минимальном сечении, а сопрягаемой с сужающимся участком внутренней оболочки - не более 4. Угол сужения внешней оболочки первичной камеры сгорания в направлении жаровой трубы составляет не более 16°. Угол сужения внутренней оболочки первичной камеры сгорания в направлении жаровой трубы составляет не более 12°. Торцевая поверхность жаровой трубы в районе центрального отверстия выполнена торовой, сопряженной с цилиндрической или конической поверхностью жаровой трубы. Края внешней и внутренней оболочек первичной камеры сгорания смещены в жаровую трубу на расстояние до 0,5 диаметра минимальной окружности торцевой торовой поверхности жаровой трубы. Край внутренней оболочки первичной камеры сгорания смещен в жаровую трубу по отношению к краю внешней оболочки на расстояние не более чем 4 радиальные ширины кольцевого соплового канала первичной камеры сгорания в его минимальном сечении.
Таким образом, введенные в устройство для сжигания топлива новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют решить поставленную задачу.
На фиг.1 изображен продольный разрез устройства для сжигания топлива;
на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1, повернутый на 180°;
на фиг.4 - разрез по В-В на фиг.1.
Устройство, реализующее заявленный способ сжигания топлива (см. фиг.1), содержит основную камеру сгорания 1 и первичную камеру сгорания 2, установленную перед основной камерой сгорания 1 вдоль ее оси. Основная камера сгорания 1 содержит жаровую трубу 3, устройство 4 подвода воздуха, задний завихритель 5 и канал 6 выхода продуктов сгорания с входным отверстием 7 (см. фиг.2), расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси основной камеры сгорания 1, а также горелочное устройство 8 (см. фиг.3), расположенное в районе заднего завихрителя 5. Горелочное устройство 8 содержит канал 9 выхода продуктов сгорания, направленный тангенциально к боковой поверхности жаровой трубы 3 по направлению вращения потока, выходящего из заднего завихрителя 5. Поверхность жаровой трубы 3, выполненная цилиндрической или конической с увеличением диаметра в направлении первичной камеры сгорания 2, переходит в торцевую торовую поверхность 10. Первичная камера сгорания 2 содержит (см. фиг.4) расположенные на переднем торце устройство 11 подвода сжигаемого топлива, устройство 12 подвода воздуха и передний завихритель 13, выполненный в виде закручивающего соплового аппарата. Первичная камера сгорания 2 образована внешней и внутренней соосными оболочками, соответственно 14 и 15, образующими кольцевой сопловой канал 16, соединенный с одной стороны с передним завихрителем 13, а с другой стороны - с жаровой трубой 3 основной камеры сгорания 1. Внутренняя оболочка 15 образует центральный сопловой канал 17 с центральным отверстием 18 в сечении выхода канала 17 в жаровую трубу 3 основной камеры сгорания 1. Центральный сопловой канал 17 соединен с устройством 11 подвода сжигаемого топлива в первичную камеру сгорания 2. Диаметр центрального отверстия 18 внутренней оболочки 15 первичной камеры сгорания 2 может быть равен 0,4-0,8 диаметра входного отверстия 7 канала 6 выхода продуктов сгорания основной камеры сгорания 1. Диаметр входного отверстия 7 канала 6 выхода продуктов сгорания основной камеры сгорания 1 может быть равен 0,6-0,8 диаметра жаровой трубы 3 в районе заднего завихрителя 5. Длина жаровой трубы 3 от поперечного сечения заднего завихрителя 5 основной камеры сгорания 1 до края внутренней оболочки 15, образующего центральное отверстие 18, может составлять 1,5-2,5 диаметра жаровой трубы 3 в районе заднего завихрителя 5. Указанный край внутренней оболочки 15 находится от заднего завихрителя 5 не далее края внешней оболочки 14, обращенного к жаровой трубе 3. Внешняя и внутренняя оболочки, соответственно 14 и 15, первичной камеры сгорания 2 могут быть выполнены в виде сужающихся в сторону жаровой трубы 3 участков с углами сужения, составляющими величину не более 16° для оболочки 14 и не более 12° для оболочки 15. Сужающиеся участки внешней и внутренней оболочек 14 и 15 в минимальных сечениях сопрягаются с цилиндрическими участками, выполненными в виде обечаек 19 и 20 соответственно. Длина цилиндрической обечайки 19, сопрягаемой с сужающимся участком внешней оболочкой 14, составляет не более чем 2 радиальные ширины кольцевого канала 16 в его минимальном сечении, а длина обечайки 20, сопрягаемой с сужающимся участком внутренней оболочкой 15, - не более 4. Края внешней и внутренней оболочек 14 и 15 первичной камеры сгорания 2 могут быть смещены в жаровую трубу 3 на расстояние до 0,5 диаметра минимальной окружности торцевой торовой поверхности 10 жаровой трубы 3. Торцевая торовая поверхность 10 может быть расположена в районе центрального отверстия 18. Край внутренней оболочки 15 первичной камеры сгорания 2 может быть смещен в жаровую трубу 3 по отношению к краю внешней оболочки 14 на расстояние не более чем 4 радиальные ширины кольцевого канала 16 первичной камеры сгорания 2 в его минимальном сечении. Основная камера сгорания 1 может быть также снабжена устройством подачи дополнительного рабочего топлива, выполненным в виде, например, струйных форсунок 21, расположенных равномерно по окружности жаровой трубы 3 в районе заднего завихрителя 5.
Способ сжигания топлива реализуется следующим образом. Воздух от внешнего источника подается к устройствам 4 и 12 подвода воздуха основной камеры сгорания 1 и первичной камеры сгорания 2 соответственно. Из устройства 4 воздух поступает в задний завихритель 5 основной камеры сгорания 1, образуя на входе в жаровую трубу 3 сильно закрученный поток, формирующий в жаровой трубе 3 периферийный вихрь, который перемещается в направлении первичной камеры 2 сгорания. Периферийный вихрь возбуждает в приосевой зоне жаровой трубы 3 сильно закрученный поток - приосевой вихрь, находящийся в противотоке к периферийному вихрю, при этом вращение периферийного и приосевого вихрей совпадают. На границе разделения вихрей поток сильно турбулизуется с формированием анизотропной турбулентности, превалирующей в радиальном направлении. В результате этого в приосевой зоне жаровой трубы 3, в области смешения потоков воздуха и топлива, выходящих из первичной камеры сгорания 2, и поворота периферийного вихря в приосевую зону жаровой трубы 3, начинает формироваться топливовоздушная смесь, возбуждающая в периферийной области тороидальный вихрь топливовоздушной смеси. В результате подвода воздуха и топлива в горелочное устройство 8 в нем образуется топливовоздушная смесь, которую поджигают свечой зажигания. Это обеспечивает на выходе горелочного устройства 8 формирование высокотемпературного факела продуктов сгорания, который поступает тангенциально в периферийный вихрь жаровой трубы 3, поджигая подготовленную топливовоздушную смесь. Поданный в устройство 12 подвода воздуха первичной камеры сгорания 2 воздух поступает в передний завихритель 13, где разгоняется с увеличением окружной скорости, формируя в кольцевом канале 16 сильно закрученный скоростной поток воздуха с высоким радиальным градиентом статического давления. В зоне выхода топлива из центрального отверстия 18 в жаровую трубу 3 происходит увеличение суммарного радиального градиента статического давления, так как направления окружных скоростей потоков воздуха, выходящих из заднего завихрителя 5 основной камеры сгорания 1 и переднего завихрителя 13 первичной камеры сгорания 2, совпадают по направлению. В приосевом вихре жаровой трубы 3 радиальный градиент статического давления формирует высокий осевой градиент статического давления, направленный в сторону устройства подвода топлива 11. Это приводит к процессу эжектирования сжигаемого топлива от внешнего источника через устройство подвода топлива 11 и центральное отверстие 18 внутренней оболочки 15 в приосевой вихрь основной камеры сгорания 1.
При сжигании низкопотенциального или обводненного топлива или топлива с переменной теплотой сгорания для получения заданных параметров продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания и стабилизации рабочего процесса через форсунки 21 в периферийный вихрь подается высокопотенциальное жидкое топливо, имеющее постоянную теплоту сгорания и которое вместе с воздухом периферийного вихря формирует топливовоздушную смесь. Регулирование расхода топлива через форсунки позволяет получить заданную температуру в зоне горения и соответственно температуру сгорания на выходе из камеры сгорания. Так, например, при сжигании пиролизного газа, полученного при термической переработке медицинских или биологически опасных отходов, необходимо обеспечить в зоне горения основной камеры сгорания уровень температуры не ниже 1300°С. При сжигании пиролизного газа, полученного в термохимическом реакторе установки по переработке бытовых и промышленных отходов, с целью развала всех углеводородных составляющих и ликвидации их последующего синтеза необходимо обеспечить в зоне горения камеры сгорания уровень температуры не ниже 1600°С с последующей «заморозкой» химических реакций на выходе из камеры сгорания.
Размещение топливных форсунок 21 равномерно по окружности в плоскости заднего завихрителя 5 или между завихрителем 5 и плоскостью расположения горелочного устройства 8 приводит к повышению качества топливовоздушной смеси, подготовка которой осуществляется в периферийном вихре в начале его формирования.
Использование струйных топливных форсунок 21 обеспечивает завершение процесса формирования топливовоздушной смеси в зонах торцевой торовой поверхности 10 и центрального отверстия 18 первичной камеры 2, что исключает возможность преждевременного воспламенения топливовоздушной смеси в периферийном вихре и, тем самым, перегрев стенок жаровой трубы 3. Огневая «дорожка» высокотемпературного факела продуктов сгорания, поступающего тангенциально из горелочного устройства 8 в периферийный вихрь, поджигает подготовленную топливовоздушную смесь.
Использование подачи топлива из выходного канала форсунок 21 по радиусу жаровой трубы 3 способствует созданию равномерной пленки топлива на внутренней поверхности жаровой трубы 3, обеспечивая дополнительное охлаждение жаровой трубы за счет испарения топлива.
Для обеспечения необходимой средней величины и направления осевого градиента статического давления в плоскости центрального отверстия 18, обеспечивающего эжектирование топлива от внешнего источника в устройство подвода топлива 11 на режиме его сжигания в приосевом вихре жаровой трубы 3, необходимо обеспечить направление осевого градиента статического давления в плоскости входного отверстия 7, аналогичное направлению градиента в центральном отверстии 18. В связи с тем, что на режиме горения объемный расход продуктов сгорания растет из-за уменьшения их плотности с ростом температуры, необходимо выполнить диаметр центрального отверстия 18 внутренней оболочки 15 первичной камеры сгорания 2 равным 0,4-0,8 диаметра входного отверстия 7 канала 6 выхода продуктов сгорания основной камеры сгорания 1. Меньшее значение диаметра центрального отверстия 18 соответствует использованию воздуха, подаваемого в первичную камеру сгорания 2, равного давлению воздуха, подаваемого в основную камеру сгорания 1. Большее значение диаметра центрального отверстия 18 соответствует использованию воздуха, подаваемого в первичную камеру сгорания 2, большего давления, чем давление воздуха, подаваемого в основную камеру сгорания 1.
Для обеспечения равенства направления осевых градиентов статического давления в поперечных сечениях отверстий 18 и 7 на режиме горения необходимо выполнить диаметр входного отверстия 7 канала 6 выхода продуктов сгорания равный 0,6-0,8 диаметра жаровой трубы 3 в районе заднего завихрителя 5. Увеличение диаметра входного отверстия 7 способствует снижению среднего давления внутри жаровой трубы 3, увеличению окружной составляющей скорости воздуха на выходе из заднего завихрителя 5 и, тем самым, повышению радиального и осевого градиентов статического давления.
При движении периферийного вихря от заднего завихрителя 5 в сторону первичной камеры сгорания 2 окружная составляющая скорости в жаровой трубе 3 уменьшается, что приводит к снижению доли, вносимой периферийным вихрем в суммарный радиальный градиент статического давления в сечении центрального отверстия 18. Поэтому длину жаровой трубы 3 от поперечного сечения заднего завихрителя 5 до края внутренней оболочки 15, образующего центральное отверстие 18, выбирают равной 1,5-2,5 диаметра жаровой трубы 3 в районе заднего завихрителя 5. Нижняя граница соответствует большей доли, вносимой периферийным вихрем в суммарный радиальный градиент статического давления, верхняя граница - меньшей доли. Однако уменьшение длины жаровой трубы 3 ниже нижнего предела приводит к снижению объема основной камеры сгорания, что ухудшает характеристики основной камеры сгорания по полноте сгорания и выбросам окиси углерода, углеводородам и дыма.
Смещение краев внешней и внутренней оболочек 14 и 15 первичной камеры сгорания 2 в жаровую трубу 3 на расстояние до 0,5 диаметра минимальной окружности торцевой торовой поверхности 10 жаровой трубы 3 приводит к образованию периферийным вихрем тороидального стабилизирующего вихря, который расположен между торовой поверхностью 10, внутренней поверхностью жаровой трубы 3 и обечайками 19 и 20 внешней и внутренней оболочек 14 и 15. При розжиге основной камеры сгорания 1 воспламеняется топливовоздушная смесь, образуя тороидальный вихрь и формируя первоначальную зону горения. При рабочем режиме основной камеры сгорания первоначальная зона горения служит источником стабилизирующего факела для основной зоны горения, располагаемой в приосевом вихре непосредственно за центральным отверстием 18 внутренней оболочки 15.
Смещение края внутренней оболочки 15 в жаровую трубу 3 основной камеры сгорания 1 по отношению к краю внешней оболочки 14 на расстояние не более чем 4 радиальные ширины кольцевого соплового канала 16 в его минимальном сечении способствует увеличению окружной скорости периферийного и приосевого вихрей в сечении, примыкающем к центральному отверстию 18. Увеличение этой скорости приводит к росту радиального и осевого градиентов статического давления в сечении центрального отверстия 18 и, как следствие, росту коэффициента эжекции поступающего в первичную камеру сгорания 2 сжигаемого топлива. Нижний предел смещения края внутренней оболочки 15 используется при выполнении жаровой трубы 3 минимальной длины, когда окружная скорость периферийного вихря в поперечном сечении центрального отверстия 18 достаточно велика. Верхний предел - при выполнении жаровой трубы 3 максимальной длины, когда окружная скорость периферийного вихря в сечении центрального отверстия 18 значительно меньше окружной скорости воздуха, выходящего из кольцевого канала 16.
Выполнение угла сужения внешней оболочки 14 не более 16° способствует предотвращению срывных явлений и обеспечивает низкие потери давления в кольцевом канале 16. Снижение этого угла ниже верхней границы принимается при увеличении окружной составляющей скорости выхода воздуха из переднего завихрителя 13. Верхняя граница выбирается при невозможности обеспечить достаточно высокую окружную скорость воздуха на выходе из переднего завихрителя 13 при имеющемся перепаде воздуха. При этом, следуя закону сохранения момента количества движения, удается увеличить окружную составляющую скорости на выходе из кольцевого канала 16 при незначительном росте потерь давления.
Выполнение угла сужения внутренней оболочки 15 не более 12° способствует предотвращению срывных явлений и обеспечивает низкие потери давления в центральном сопловом канале 17. Уменьшение сужения этого угла ниже верхней границы принимается при высокой осевой скорости на входе в устройство подвода топлива 11. Верхняя граница берется при невысокой осевой скорости на входе в устройство подвода топлива 11. При этом, следуя уравнению неразрывности и увеличению среднего перепада статического давления между зоной ввода топлива в устройство 11 и зоной приосевого вихря, примыкающего к центральному отверстию 18, удается увеличить осевую составляющую скорости на выходе из центрального отверстия 18 при небольшом росте потерь давления.
Для преобразования радиальных составляющих скоростей потоков воздуха и топлива соответственно в осевые составляющие на выходе из кольцевого канала 16 и на выходе из центрального отверстия 18 внешняя и внутренняя оболочки 14 и 15 в сечении минимальных диаметров сопрягаются с цилиндрическими обечайками 19 и 20. Осевой выход потоков воздуха и топлива позволяет увеличить эффективный диаметр струи воздуха из кольцевого канала 16 и струи топлива на выходе из центрального отверстия 18 соответственно, что приведет к увеличению соответствующих расходов.
Для завершения преобразования радиальных составляющих скоростей потоков воздуха и топлива соответственно в осевые составляющие на выходе из кольцевого канала 16 и на выходе из центрального отверстия 18 длина цилиндрической обечайки 19 составляет не более чем 2 радиальные ширины кольцевого канала 16 в его минимальном сечении, а для обечайки 20 - не более четырех.
Таким образом, применение предлагаемого устройства для сжигания топлива позволяет обеспечить рабочий процесс сжигания при давлении топлива на входе в устройство ниже давления подаваемого воздуха, а также стабильность процесса, высокую температуру в зоне горения и заданные параметры продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания при сжигании низкопотенциального и обводненного топлива и топлива с переменной теплотой сгорания.