устройство для сжигания углеводородного топлива

Формула изобретения

1. Устройство для сжигания углеводородного топлива представляет собой камеру сгорания, содержащую корпус, жаровую трубу с запальным устройством, в торце которой установлен смеситель, выполненный в виде улитки с топливной форсункой, отличающееся тем, что жаровая труба состоит из двух отдельных труб, расположенных последовательно по одной оси, в смесителе на входе установлен инжектор с топливной форсункой внутри него, а над первой трубой смонтирована обечайка, образующая кольцевой канал для прохода воздуха во вторую трубу; в торце канала в плоскости выходного сечения первой трубы расположена стенка с каналами, равнорасположенными по окружности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на корпусе смесителя установлен обогреватель, например электрический.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность второй трубы с корпусом образует кольцевой канал для подвода воздуха в первую и вторую трубы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что запальное устройство расположено по оси внутри смесителя и образует с выходной стенкой смесителя кольцевой канал для прохода топливовоздушной смеси в начало первой трубы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что величина отношения площади проходного сечения инжектора к суммарной площади проходных сечений инжектора и каналов в стенке, расположенной в плоскости выходного сечения первой трубы составляет 0,25 - 0,3.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что величина отношения площади кольцевого канала, образованного запальным устройством и выходной стенкой смесителя, к площади проходного сечения инжектора составляет 2 - 4.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что величина отношения площади проходного сечения кольцевого канала между наружной поверхностью второй трубы и корпусом камеры сгорания к суммарной площади проходных сечений инжектора и каналов в стенке, расположенных по окружности в плоскости выходного сечения первой трубы, составляет 4 - 7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к области сжигания углеводородных топлив и устройствам для осуществления этих процессов.

Известен способ сжигания углеводородного топлива, заключающийся в подготовке топливо-воздушной смеси, сжигании его в первой зоне (зоне горения) при коэффициенте избытка воздуха = 1,0 и смешении продуктов сгорания с добавочным воздухом во второй зоне (зоне смешения) с целью получения требуемой температуры газа перед турбиной, причем весь воздух, подаваемый в устройство, нагревается в компрессоре за счет сжатия (см., например, книгу "Турбовинтовые двигатели. Рабочий процесс и эксплуатационные характеристики". Стр. 83. авторы П. К. Казанажан, А.В. Кузнецов, Воениздат МО СССР, Москва 1961 г.).

Известный способ реализуется в камере сгорания, содержащей корпус, жаровую трубу, в торце которой установлен смеситель, выполненный в виде улитки, с топливной форсункой на входе в нее, а на боковой поверхности жаровой трубы - запальное устройство (см. Патент США N 3879940, кл. 60-39.74 R, опубликован в 1975 г.).

Известному способу и устройству присуши недостатки, заключающиеся в том, что:

- процесс сжигания углеводородного топлива в первой зоне производится при коэффициенте избытка воздуха 1,0 и в продуктах сгорания содержится высокий уровень окислов азота NO_x(NO, NO₂, N₂O) из-за высокой температуры (2300-2400К) в зоне горения, которые являются токсичными и ухудшают экологию (см. фиг. 3 и фиг. 5).

На фиг. 3 представлена диаграмма теоретических температур продуктов сгорания углеводородного топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха .

Из диаграммы видно, что максимальная температура (2300-2400К) соответствует = 1.

На фиг. 5 представлена зависимость количества окислов азота NO_x от состава смеси - .

Из графика видно, что максимальное количество окислов азота NO_x соответствует = 1,0.

- процесс сжигания углеводородных топлив с высокой полнотой сгорания имеет узкий диапазон использования сортов топлива и рассчитан в основном на легкие углеводороды. Существует ограничение по вязкости и температуре кипения применяемого горючего; невозможно использование холодного воздуха.

- из-за недостаточно эффективной подготовки топливно-воздушной смеси снижается надежность запуска и полнота сгорания, что приводит к повышенному содержанию окиси углерода (CO) в продуктах сгорания и дымлению.

- большая часть вторичного воздуха не используется в процессе горения и служит для балластирования температуры продуктов сгорания до приемлемой величины.

- высокий уровень температуры в зоне горения требует более жаростойких материалов и дополнительных элементов конструкции для охлаждения жаровой трубы.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в снижении уровня токсичных газов, таких как окислы азота NO_x(NO, NO₂, N₂O), окиси углерода (CO) в продуктах сгорания, повышая экологичность выхлопа при отсутствии дымления, расширении диапазона применения углеводородных топлив в сторону тяжелых углеводородов, например дизельного топлива, сжигая их с высокой полнотой за счет организации и оптимизации двухзонного сжигания, эффективной подготовки топливно-воздушной смеси и обеспечении надежного запуска даже при наличии низконапорного источника холодного воздуха, а также снизить температурную нагрузку на конструкцию устройства.

Для достижения технического результата в способе сжигания углеводородного топлива, заключающемся в подготовке топливно-воздушной смеси в смесителе, сжигании ее в первой зоне и подмешивании воздуха во второй зоне, сжигание топлива в первой зоне осуществляют при коэффициенте избытка воздуха = 0,4-0,65, а во второй зоне в начале интенсивно перемешивают продукты сгорания первой зоны с воздухом, поступающим во вторую зону, и затем дожигают их при коэффициенте избытка воздуха 1,5, причем весь воздух, участвующий в процессе горения первой и второй зоны, нагревают за счет регенерации теплоты первой и второй зоны, а корпус смесителя перед подачей воздуха и топлива прогревают до температуры, близкой к температуре кипения топлива.

Предлагаемый способ осуществляют в устройстве, представляющем собой камеру сгорания, содержащую корпус, жаровую трубу с запальным устройством, в торце которой установлен смеситель, выполненный в виде улитки с топливной форсункой, отличающемся тем, что жаровая труба состоит из двух отдельных труб, расположенных последовательно на одной оси, в смесителе на входе установлен инжектор с топливной форсункой внутри него, над первой трубой смонтирована обечайка, образующая кольцевой канал для прохода воздуха во вторую трубу, в торце канала в плоскости выходного сечения первой трубы расположена стенка с каналами, равнорасположенными по окружности, дополнительно на корпусе смесителя установлен обогреватель, например электрический; наружная поверхность второй трубы с корпусом образует кольцевой канал для подвода всего воздуха к камере сгорания. Запальное устройство расположено по оси внутри смесителя и образует с выходной стенкой смесителя кольцевой канал для прохода топливо-воздушной смеси в начало первой трубы.

Величина отношений площади проходного сечения инжектора к суммарной площади проходного сечения инжектора и каналов в стенке, расположенных в плоскости выходного сечения первой трубы, составляет 0,25-0,3.

Величина отношений площади кольцевого канала, образованного запальным устройством и выходной стенкой смесителя, к площади проходного сечения инжектора составляет 2-4; величина отношения площади проходного сечения кольцевого канала между наружной поверхностью второй трубы и корпусом камеры сгорания к суммарной площади проходных сечений инжектора и каналов в стенке, равнорасположенных по окружности в плоскости выходного сечения первой трубы, составляет 4-7.

Изобретение поясняется чертежом на фиг. 1, 2 и графиками на фиг. 3, 4, 5.

На чертежах фиг. 1 и 2 представлено устройство, в котором реализуется предлагаемый способ.

Устройство представляет собой камеру сгорания, содержащую корпус 1, жаровую трубу 2 с запальным устройством 3. Жаровая труба состоит из двух отдельных труб, расположенных последовательно на одной оси; в торце первой трубы 4 выполнен смеситель 5 в виде улитки с инжектором 6 на входе и топливной форсункой 7 внутри инжектора.

Над трубой 4 смонтирована обечайка 8, образующая кольцевой канал 9 для прохода воздуха во вторую трубу 10, а в торце канала в плоскости выходного сечения первой трубы расположена стенка 11 с каналами 12, равнорасположенными по окружности; дополнительно на корпусе смесителя 5 установлен обогреватель 13, например, электрический. Наружная поверхность второй трубы 10 с корпусом 1 образует кольцевой канал 14 для подвода всего воздуха в камеру сгорания.

Запальное устройство 3 расположено по оси внутри смесителя 5 и образует с выходной стенкой 15 смесителя кольцевой канал 16 для прохода топливо-воздушной смеси в начало первой трубы.

Величина отношения площади проходного сечения инжектора 6 к суммарной площади проходного сечения инжектора и каналов 12 в стенке 11, равнорасположенных по окружности в плоское выходного сечения первой трубы 4, составляет 0,25-0,3; величина отношения площади кольцевого канала, образованного запальным устройством 3 и выходной стенкой 15 смесителя, к площади проходного сечения инжектора составляет 2-4; величина отношения площади проходного сечения кольцевого канала между наружной поверхностью второй трубы и корпусом камеры сгорания к суммарной площади проходных сечений инжектора и каналов в стенке, равнорасположенных по окружности в плоскости выходного сечения первой трубы, составляет 4-7.

При работе устройства до подачи воздуха и горючего включается обогреватель 13 для прогрева корпуса смесителя 15 до температуры, близкой к температуре кипения горючего.

Воздух (включая и холодный воздух), преимущественно с давлением P_в 1,03 кг/см² проходит по каналу 14 над жаровой трубой 2, охлаждая ее, нагревается и подается по двум направлениям.

Первое - воздух первой зоны (25-30% от всего количества) поступает в инжектор 6. В инжекторе за счет большой разницы между скоростями воздуха ( 90 м/с) и горючего ( 2 м/с) происходит распыливание и эффективное перемешивание горючего и воздуха.

Полученная топливо-воздушная смесь, попадая на поверхность разогретого корпуса смесителя 5, частично испаряется, что повышает надежность ее розжига с помощью запального устройства 3.

Этому способствует и состав топливо-воздушной смеси в районе запального устройства - = 0,4-0,65.

Из графика на фиг. 4, представляющего воспламеняющую энергию в зависимости от состава смеси, видно, что воспламеняющая энергию для таких составов смеси имеет минимальное значение: Е=0,6-0,3 МДж.

Топливо-воздушная смесь в улитке смесителя 5 получает закрутку и после воспламенения выносится в первую трубу 4, в которой происходит первая зона сгорания горючего при недостатке воздуха, т.е. с = 0,4-0,65.

На графике фиг. 3 дана диаграмма теоретических температур продуктов сгорания углеводородного горючего от состава смеси.

Из диаграммы видно, что для этой зоны температуры продуктов сгорания находятся в диапазоне 1500-1700 K, что на 800-500К ниже температуры при = 1 (2300К). Это заметно снижает уровень окислов азота NO_x(NO, NO₂, N₂O), что также видно из графика на фигуре 5, на котором представлена зависимость окислов азота (NO_x) в граммах на килограмм продуктов сгорания от состава смеси.

Для указанной зоны видно, что уменьшение окислов азота по сравнению с = 1 составляет 10-22 г/кг или 26-58%.

При < 0,4 сгорание топливо-воздушной смеси затруднено из-за недостатка кислорода воздуха.

При > 0,65 снижение уровня окислов азота мало и заметно повышается уровень температур, требующий более жаростойких материалов или применения дополнительных конструктивных мер по охлаждению жаровой трубы.

Второе направление воздуха - вторая зона горения, занимающая вторую трубу 10. Воздух второй зоны (75-70% от всего количества воздуха) направляется за счет охлаждения первой трубы 4 и, выходя из каналов 12, интенсивно перемешивается с продуктами сгорания первой зоны, что позволяет закончить эффективно процесс горения при расчетном коэффициенте избытка воздуха 1,5, минуя зону высоких температур, позволяя получить температуры газа, приемлемые для большинства потребителей, уменьшить температурную нагрузку на конструкцию и иметь понижение окислов азота.

Организация и оптимизация двух зон горения, получение гомогенизированной топливо-воздушной смеси, позволяет уменьшить уровень активного выделения вредных окислов азота NO_x (NO, NO₂, N₂O), что было показано на фиг. 5, понизить, а в отдельных случаях исключить, в продуктах сгорания окиси углерода (CO), при отсутствии дымления, понизить температурную нагрузку на конструкцию устройства.

В устройстве:

- величина отношения площади проходного сечения инжектора 6 к суммарной площади проходных сечений инжектора и каналов 12 в стенке 11, расположенной в плоскости выходного сечения первой трубы 4, составляет 0,25-0,3.

Данное отношение позволяет правильно распределить доли воздуха в первую и вторую 10 трубы для обеспечения заданных режимов горения при постоянном расходе топлива.

- отношение площади кольцевого канала, образованного запальным устройством 3 и выходной стенкой 15 смесителя 5, к площади проходного сечения инжектора 6 составляет 2-4.

Это отношение и положение запального устройства позволяет предотвратить проскок пламени из первой трубы 4 в полость смесителя 5, т.к. определяет величину скорости топливо-воздушной смеси, превышающую скорость распространения пламени данного состава смеси (см. фиг. 6).

На фиг. 6 представлен график влияния состава и скорости смеси на возникновение проскока пламени.

Учитывая, что скорость в проходном сечении инжектора выбирается из условия хорошего распыла топлива и приемлемых гидравлических потерь, равная 90-100 м/с, а скорость смеси для предотвращения проскока при = 0,65 не должна быть меньше 30 м/с, при этом площадь проходного сечения кольцевого канала не должна быть больше четырех площадей проходного сечения инжектора 6.

Величина 2 выбрана из условия ограничения максимальной скорости топливо-воздушной смеси из условия уменьшения гидравлических потерь при внезапном расширении струи.

Отношение площади проходного сечения кольцевого канала между наружной поверхностью второй трубы 10 и корпусом 1 камеры сгорания к суммарной площади проходных сечений инжектора 6 и каналов 12 в стенке 11, расположенных в плоскости выходного сечения первой трубы 4, составляет 4-7.

Это отношение позволяет оптимизировать скорость воздуха в кольцевом канале. При отношении меньше 4 скорость в кольцевом канале растет, гидравлические потери при этом увеличиваются. При отношении больше 7 - скорость в канале падает и эффективность охлаждения жаровой трубы 2 уменьшается, снижается и подогрев воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Описываемый способ и устройство позволят:

обеспечить снижение уровня токсичных газов, таких как окислы азота NO_x(NO, NO₂, N₂O), окиси углерода (CO) в продуктах сгорания, повышая экологичность выхлопа при отсутствии дымления, расширить диапазон применения углеводородных топлив в сторону тяжелых углеводородов, например дизельного топлива, сжигая их с высокой полнотой за счет организации и оптимизации двухзонного сжигания, эффективной подготовки топливо-воздушной смеси и обеспечить падежный запуск даже при наличии низконапорного источника холодного воздуха, а также снизить температурную нагрузку на конструкцию устройства.