КАМЕРА СГОРАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использовано для одновременного или попеременного непрерывного пламенного сжигания подготовленных топливовоздушных смесей (ТВС) газообразного углеводородного топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ).
Известна камера сгорания непрерывного действия (патент №2303199, МПК F23R 3/28, опубл. 20.07.2007), входящая в систему многорежимной подачи топливовоздушной смеси (ТВС) в камеру сгорания. Система содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми и вторыми каналами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости Вентури, которая образована ближней осевой и дальней радиальной по направлению потока стенками. Топливоподающие средства содержат первый контур, снабженный, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров. Вторые топливоподающие контуры независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива для обеспечения возможности реализации нескольких независимых режимов подачи ТВС в соответствии с определенными режимами работы двигателя. Отверстие впрыска топлива первого контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури в направлении, перпендикулярном направлению воздушного потока. Отверстия впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней стенке устройства Вентури в направлении, перпендикулярном направлению воздушного потока. Изобретение позволяет обеспечить подвод ТВС в разные зоны камеры сгорания, несколько снизить вредные выбросы в продуктах сгорания топлива, уменьшить риск коксования и устранить обратные токи топлива.
Недостатком такой конструкции является то, что локальный впрыск жидкого топлива в воздушные потоки характеризуется наличием близко расположенных зон «богатых» и «бедных» ТВС, что не обеспечивает достаточную гомогенизацию ТВС. Это приводит к повышенному выбросу окислов азота или требует значительного увеличения габаритов (длины воздушных каналов системы смешения). Кроме того, небольшие размеры зон рециркуляционной стабилизации горения приводят к сближению границ богатого и бедного срыва пламени.
Наиболее близкой к заявленной конструкции является конструкция камеры сгорания непрерывного действия (Патент РФ №2456510, МКП F23R 3/36, от 18.02.2011), содержащая цилиндрический корпус жаровой трубы с коническим диффузором на входе, горелку, включающую системы подачи жидкого и газообразного топлива, содержащие коллекторы подачи топлив на входе и форсунки на выходе, центральную трубу, коаксиально которой расположена камера смешения, снабженная на выходе устройством воздействия на топливовоздушную смесь, установленным на боковой конусообразной поверхности стабилизатора пламени, на торце которого, равномерно по окружности, расположены дополнительные форсунки газообразного топлива, при этом устройство воздействия на топливовоздушную смесь на выходе камеры смешения выполнено в виде смесителя с продольными пустотелыми складками, равнорасположенными по окружности стабилизатора пламени и закрепленными каждая нижним основанием складки на конусообразной поверхности стабилизатора пламени, причем торцевые стенки складок размещены радиально в плоскости торца конусообразного стабилизатора пламени.
На стенке камеры сгорания установлено устройство зажигания топливовоздушной смеси и пристыкованную соосно к диффузору на входе горелку. Горелка включает системы подачи жидкого и газообразного топлив, при этом система подачи газообразного топлива состоит из вспомогательного и основного контуров, снабженных коллекторами подачи топлив на входе и форсунками на выходе, причем по оси горелки размещены коллектор с каналом жидкого топлива и центральная труба с каналом газообразного топлива вспомогательного контура подвода топлива в камеру сгорания соответственно через форсунки по оси и на свободном торце трубы. Коаксиально центральной трубе расположена кольцевая камера смешения основного контура газообразного топлив и воздуха, ограниченная снаружи стенкой, соединенной с входом диффузора камеры сгорания, а на входе передней крышкой с радиальным каналом подачи воздуха на вход в камеру смешения и на выходе каналом подачи топливовоздушной смеси на вход в диффузор камеры сгорания, образованным конусообразным стабилизатором пламени с торцевой стенкой по большому основанию на свободном конце центральной трубы и входной частью диффузора камеры сгорания. Камера смешения на выходе снабжена устройством воздействия на топливовоздушную смесь, установленным на боковой конусообразной стенке стабилизатора пламени. Коллектор подачи жидкого топлива расположен снаружи на торце передней крышки камеры смешения и сообщается с форсункой, расположенной на оси горелки на торце стабилизатора пламени, коллектор подачи газообразного топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на периферии передней крышки камеры смешения и сообщается через топливные каналы с форсунками в смесительных трубках, расположенных по окружности соосно с осью горелки между передней крышкой и наружной стенкой камеры смешения на входе в камеру смешения. Оси форсунок в смесительных трубках расположены под прямым углом к продольной оси камеры смешения, коллектор подачи газообразного топлива вспомогательного контура выполнен кольцевым, размещен снаружи на торце коллектора подачи жидкого топлива и сообщается кольцевым каналом в центральной трубе с форсунками, расположенными по окружности на периферии торца стабилизатора пламени. Ось каждой форсунки вспомогательного контура газообразного топлива расположена в плоскости, проходящей через продольную ось горелки и ось симметрии профиля складки в плоскости торца стабилизатора. Устройство воздействия на топливовоздушную смесь на выходе камеры смешения выполнено в виде смесителя с продольными пустотелыми складками, равнорасположенными по окружности стабилизатора пламени и закрепленными каждая основанием складки на наружной конусообразной поверхности стабилизатора пламени, причем торцы складок размещены радиально в плоскости торца конусообразного стабилизатора пламени, а максимальная высота каждой складки составляет от 0,5 до 1,0 высоты кольцевого канала на выходе из камеры смешения, ширина каждой складки и расстояние между смежными складками у их основания в плоскости торца стабилизатора равны, а длина стороны складки, контактирующей с конусообразной поверхностью стабилизатора пламени, составляет от 1 до 3 величин максимальной высоты профиля на выходе из камеры смешения.
Недостатком данной камеры сгорания является то, что работа камеры сгорания с таким горелочным устройством на дроссельных низкоэмиссионных режимах горения приводит к существенному снижению полноты сгорания топлива и росту эмиссии вредных веществ. Особенно сильно эти эффекты проявляются в коротких камерах сгорания при значениях длины камеры, отнесенной к ее диаметру менее двух.
Техническим результатом, на достижения которого направлена полезная модель, является снижение эмиссии вредных веществ (NOx и СО) в продуктах сгорания на основных и дроссельных режимах при работе на газообразном горючем до значений ниже 25 ppm и при исключении падения полноты сгорания на дроссельных режимах.
Технический результат достигается тем, что в камере сгорания непрерывного действия, содержащей цилиндрический корпус жаровой трубы с коническим диффузором на входе, горелку, включающую системы подачи жидкого и газообразного топлива, содержащие коллекторы подачи топлив на входе и форсунки на выходе, центральную трубу, коаксиально которой расположена камера смешения, снабженная на выходе устройством воздействия на топливовоздушную смесь, установленным на боковой конусообразной поверхности стабилизатора пламени, на торце которого, равномерно по окружности, расположены дополнительные форсунки газообразного топлива, причем, устройство воздействия на топливовоздушную смесь на выходе камеры смешения выполнено в виде смесителя с продольными пустотелыми складками, равнорасположенными по окружности стабилизатора пламени и закрепленными каждая нижним основанием складки на конусообразной поверхности стабилизатора пламени, торцевые стенки складок размещены радиально в плоскости торца конусообразного стабилизатора пламени, при этом складки устройства воздействия на топливовоздушную смесь выполнены в виде П-образного профиля в поперечном сечении, продольный профиль складок выполнен криволинейным с расположением конечного участка профиля, контактирующего с торцевой стенкой складки, параллельно поверхности диффузора жаровой трубы, а дополнительные форсунки газообразного топлива расположены посередине между продольных линий симметрии складок, в отличие от известной ширина нижнего основания складки и ширина верхнего основания складки могут соответствовать соотношению:
а=(0,7…1)*b,
где а - ширина нижнего основания складки; b - ширина верхнего основания складки.
Заявляемое решение поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - продольный разрез камеры сгорания; фиг. 2 - вид А, со стороны выхода камеры сгорания на торец стабилизатора пламени и торцы складок П-образного профиля смесителя топлива и воздуха горелки; фиг. 3 - вид А с дополнительным вариантом стабилизатора с лепестками, боковые поверхности которых параллельны соседним пилонам; фиг. 4 - продольный разрез стабилизатора пламени по плоскости симметрии профиля П-образной складки смесителя.
Камера сгорания непрерывного действия содержит (фиг. 1) цилиндрический корпус 1 с коническим диффузором 2 на входе, установленное на стенке 3 камеры устройство 4 зажигания топливовоздушной смеси и пристыкованную соосно к диффузору 2 на входе горелку 5. Горелка 5 включает системы подачи жидкого и газообразного топлив, при этом система подачи газообразного топлива состоит из вспомогательного и основного контуров, снабженных коллекторами подачи топлив на входе и форсунками на выходе. По оси горелки 5 размещены коллектор с каналом 6 жидкого топлива (не показано) и центральная труба 7 с каналом 8 газообразного топлива вспомогательных контуров подвода топлив в камеру сгорания соответственно через форсунки 9 по оси и 10 на свободном торце 11 трубы 7.
Коаксиально центральной трубе 7 расположена кольцевая камера 12 смешения газообразного топлива основного контура и воздуха. Камера 12 ограничена снаружи стенкой 13, соединенной со стенкой 3 входа диффузора 2 камеры сгорания, а на входе передней крышкой 14 с радиальным каналом 15 подачи воздуха на вход в камеру смешения 12 и на выходе каналом 16 подачи топливовоздушной смеси на вход в диффузор 2 камеры сгорания. Канал 16 образован конусообразным стабилизатором 17, к тому же камера 12 смешения на выходе снабжена устройством воздействия на топливовоздушную смесь, установленным на конусообразном стабилизаторе 17 пламени. Коллектор 18 подачи газообразного топлива основного контура выполнен кольцевым, расположен снаружи на периферии передней крышки 14 камеры смешения 12. Коллектор 18 сообщается через топливные каналы (не показано) с форсунками 19 в смесительных трубках 20. Смесительные трубки 20 расположены по окружности соосно оси горелки 5 между передней крышкой 14 и наружной стенкой 13 камеры смешения 12 в канале 15 на входе в камеру смешения 12. Оси форсунок 19 в смесительных трубках 20 расположены под прямым углом к продольной оси камеры смешения 12.
Коллектор 21 подачи газообразного топлива вспомогательного контура выполнен кольцевым, размещен снаружи на торце передней крышки сообщается кольцевым каналом 8 в центральной трубе 7 с форсунками 10, расположенными по окружности на периферии торца 11 стабилизатора пламени 17.
Устройство воздействия на топливовоздушную смесь на выходе камеры смешения выполнено в виде смесителя с продольными волнистыми складками 22 П-образного профиля в поперечном сечении, равнорасположенными по окружности стабилизатора 17 пламени и закрепленными каждая одной стороной профиля на наружной конусообразной поверхности стабилизатора 17. Причем торцы П-образных складок 22 размещены радиально в плоскости торца 11 конусообразного стабилизатора 17 пламени. При этом ширина нижнего основания складки и ширина верхнего основания складки могут соответствовать соотношению:
а=(0,7…1)*b,
где а - ширина нижнего основания складки; b - ширина верхнего основания складки.
Камера сгорания (фиг. 4) также может иметь отдельные дополнения, такие как максимальная высота h складки 22 П-образного стабилизатора 17 составляет от 0,5 до 1,0 высоты Н канала 16 на выходе из камеры смешения 12. Длина L стороны складки 22 контактирующей с конусообразной поверхностью стабилизатора 17 пламени может составлять от 1 до 3 величин максимальной высоты П-образного профиля на выходе из камеры смешения. Ось каждой форсунки вспомогательного контура газообразного топлива расположена в плоскости, проходящей через продольную ось горелки 5 и ось симметрии П-образного профиля складки 22 в плоскости торца 11 стабилизатора 17. Продольные волнистые складки 22 П-образного профиля расположены относительно продольной оси горелки 5 радиально.
Камера сгорания работает следующим образом. Воздух через радиальный канал 15 горелки подается в камеру 12 смешения воздуха и топлива, а через канал 16, диффузор 2 в камеру сгорания и далее в атмосферу. При наличии П-образных складок 22 на стабилизаторе 17 пламени воздушный поток в канале 16 разделяется на отдельные равновеликие струи, в которых улучшаются характеристики смешения газа с воздухом. При обтекании воздухом стабилизатора 17 за торцом 11 трубы 7 образуется зона рециркуляционного течения, которая сохраняется примерно до середины камеры сгорания. Зона рециркуляционного течения используется для стабилизации пламени при работе камеры. При подаче газообразного топлива из коллектора 21 вспомогательного контура через кольцевой канал 8 в центральной трубе 7 и форсунки 10 в зону рециркуляции за торцом 11 стабилизатора 17 образуется топливовоздушная смесь. После включения устройства зажигания 4 топливовоздушная смесь в зоне рециркуляции воспламеняется и создает очаг горения.
Для выхода на режим низкоэмиссионного горения в коллектор 18 основного контура подают газообразное топливо. Из коллектора 18 топливо через топливные каналы (не показано) и форсунки 19 в смесительных трубках 20 подают через радиальный канал 15 в камеру 12, где смешивают с воздухом и создают гомогенную топливовоздушную смесь. Эту смесь через канал 16, в котором установлен смеситель с П-образными складками 22, направляют в камеру сгорания. В зоне рециркуляции за стабилизатором 17 топливовоздушную смесь воспламеняют от факела в очаге горения газообразного топлива вспомогательного контура. После воспламенения топливововоздушной смеси основного контура и выхода на заданный режим подачу газообразного топлива в коллектор 21 вспомогательного контура уменьшают до минимума или отключают.
Камера сгорания на жидком топливе работает следующим образом. Воздух через радиальный канал 15 горелки 5 подают по тракту в камеру сгорания, а далее в атмосферу. При обтекании воздухом стабилизатора 17 за торцом 11 трубы 7 образуется зона рециркуляционного течения, используемая для стабилизации пламени. Жидкое топливо по каналу 6 вспомогательного контура (не показано) через форсунку 9 подают в осевую зону за торцом 11 стабилизатора 17, смешивают его с воздухом и создают гомогенную топливовоздушную смесь. После включения устройства зажигания 4 топливовоздушную смесь в зоне рециркуляции воспламеняют и создают очаг горения. Для выхода на режим низкоэмиссионного горения в коллектор 18 основного контура подают жидкое топливо. Из коллектора 18 топливо по каналу и форсунке 19 подают в камеру смешения 12, где распыливают, испаряют и создают гомогенную топливовоздушную смесь основного жидкого топлива. Эту смесь через канал 16, в котором установлен смеситель с П-образными складками 22, направляют в камеру сгорания. В зоне рециркуляции за торцом 11 стабилизатора 17 топливовоздушную смесь основного топлива воспламеняют от факела в очаге горения жидкого топлива вспомогательного контура. По мере увеличения расхода жидкого топлива основного контура и вывода камеры сгорания на режим низкоэмиссионного горения уменьшают и отключают расход жидкого топлива вспомогательного контура. Эффективная работа камеры сгорания на жидком топливе достигается за счет интенсивного испарения и смешения жидкого топлива с воздухом до попадания в камеру сгорания.
Переход с газообразного топлива на жидкое или обратно осуществляют обычно на дроссельных режимах работы камеры при подаче некоторого количества вспомогательного топлива. Возможна одновременная работа камеры сгорания на газообразном и жидком топливах.
Таким образом, данное техническое решение позволяет обеспечить повышение эффективности конвективного охлаждения газосборника и снижение потерь давления в камере сгорания.