способ работы газотурбинного двигателя и огневой блок для сжигания смеси топлив

Формула изобретения

1. Способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании одновременно жидкого топлива и природного газа, отличающийся тем, что жидкое топливо и природный газ подают в соотношении G_г/(G_г+ G_ж.т) = 0,5 - 0,7, где G_г - расход газа, G_ж.т - расход жидкого топлива.

2. Огневой блок для сжигания смеси топлив, содержащий жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель, отличающийся тем, что внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора, а геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее положение рассчитаны так, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках.

Известен способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании жидкого топлива (керосина, дизельного топлива) или газа с одновременным впрыском в первичную зону камеры хорошо распыленной воды для снижения вредных для человека выбросов оксидов азота NO_x (см., например, А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", М., Мир, 1986, стр. 500).

Однако, снижение выброса NO_x, в этом случае, сопряжено со значительным увеличением выброса другого вредного соединения - окиси углерода CO (см. там же, стр. 499).

Кроме того, недостатком такого способа работы двигателя является подготовка и хранение больших количеств дистиллированной воды.

Известен способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании газа при одновременном подводе в зону горения пара (см., например, Теплоэнергетика, 1992, N 9).

Подача в зону горения пара, выбрасываемого затем в атмосферу, резко ограничивает область использования газотурбинных двигателей в "безводных" регионах и всегда требуются большие дополнительные затраты на генерацию пара.

Установки, работающие по этому способу, имеют достаточно высокий уровень выброса NO_x и CO.

Проблеме снижения выбросов оксида азота уделяется особенно большое внимание. Установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) оксидов азота. Наиболее устойчивым является диоксид азота, в который могут переходить все другие оксиды. Поэтому установленные нормы ПДК даются для суммы всех оксидов азота в пересчете на NO₂. Такая суммарная величина всех оксидов и обозначается как NO_x.

Для обозначения уровня эмиссии оксидов азота используются три вида характеристик.

весовая концентрация - (г/кг топлива)

смешанная концентрация - (г/нм³)

объемная концентрация - (ppm).

Соотношение между этими единицами, соответствующее нормативному требованию 15%-го содержания кислорода в продуктах сгорания, следующее:

1 г/кг топл. = 21,8 мг/нм³ = 11,2 ppm.

Известен также, выбранный за прототип, способ работы газотурбинного двигателя (установки), основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании одновременно жидкого топлива (керосина, дизельного топлива) и природного газа.

Известен и огневой блок, принятый за прототип, реализующий известный способ работы двигателя, содержащий жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель и вихревой смеситель (фронтовое устройство). См., например: 1) С.П. Изотов О.А.Рудаков и др. "Авиационные ГТД в наземных установках", Л., Машиностроение, 1984, стр. 96. 2) Н.А.Шерлыгин, В.Г.Шахвердов "Конструкция и эксплуатация авиационных газотурбинных двигателей", Машиностроение, М., 1969, стр. 109.

Однако, известный способ работы и устройство для его реализации не обеспечивают установленные предельно допустимые концентрации оксидов азота 25 ppm.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является снижение выбросов NO_x без увеличения выбросов CO.

Решение указанной задачи достигается тем, что в камеру сгорания газотурбинного двигателя подают одновременно через огневой блок жидкое топливо и природный газ в соотношении



где G_г - расход газа;

G_ж.т - расход жидкого топлива.

Существенным отличием предлагаемого способа работы газотурбинного двигателя является то, что при указанном соотношении подачи через огневой блок в камеру сгорания и сжигании жидкого топлива и природного газа, выброс NO_x является минимальным. При этом нет увеличения выброса CO.

Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, приведенные на фиг. 1, где по оси абсцисс приведено соотношение расходов жидкого топлива и природного газа, а по оси ординат - уровни эмиссии NO_x и CO. Эксперимент проводился при удовлетворении нормативному требованию 15%-го содержания кислорода в продуктах сгорания, при степени в компрессоре Пк = 10, температуре воздуха за компрессором 609 К. Полнота сгорания _к = 0,999.

Обработка экспериментальных данных позволяет представить зависимость уровня эмиссии NO_x от соотношения расходов жидкого топлива и природного газа уравнением:

y = 96,45 - 268х + 225,53 x².

Из графика видно, что наименьший (и менее 25 ppm) уровень выброса оксидов азота имеет место при G_г/(G_г + G_ж.т) = 0,5...0,7. Выброс же окиси углерода не меняется.

В предлагаемом устройстве для реализации способа работы газотурбинного двигателя поставленная задача решается тем, что в огневом блоке, содержащем жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель, внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора, а геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее расположение в огневом блоке рассчитаны таким образом, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя.

Пример реализации изобретения представлен на фиг. 2, где дан продольный разрез огневого блока для сжигания смеси топлив в качестве сгорания газотурбинного двигателя.

Огневой блок 1 смонтирован в корпусе камеры сгорания 2.

Огневой блок 1 содержит жидкостную центробежную форсунку 3 подачи жидкого топлива, встроенную в газовый цилиндрический коллектор 4 с отверстием 5 подачи природного газа.

Для образования смеси топлив и воздуха предусмотрен аэродинамический завихритель воздуха 6 и вихревой смеситель 7, размещенный на входе в жаровую трубу 8. Причем, внутренняя поверхность вихревого смесителя 7, непосредственно за завихрителем воздуха 6, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа 5 в газовом коллекторе 4 ориентированы на образующую конфузора вихревого смесителя 7.

Через огневой блок 1 в камеру сгорания 2 подают одновременно природный газ и жидкое топливо в соотношении G_г/(G_г + G_ж.т) = 0,5...0,7.

Жидкое топливо подводят через жидкостную центробежную форсунку 3, а природный газ - через коллектор 4 и отверстия 5.

Воздух, необходимый для сжигания смеси топлива, проходит через аэродинамический завихритель 6 и далее поступает в вихревой смеситель 7, размещенный на входе в жаровую трубу 8.

Для улучшения смесеобразования жидкое топливо под расчетным углом факела распыла подают на начальный по потоку участок цилиндрической горловины, а природный газ - на образующую конфузора вихревого смесителя.

Предлагаемый способ работы газотурбинного двигателя и огневой блок для сжигания смеси топлив обеспечивают низкий уровень выброса оксидов азота без увеличения эмиссии окиси углерода.

Использование предлагаемого изобретения позволит существенно повысить экологическую чистоту выхлопных газов высокотемпературных газотурбинных двигателей.