устройство для сжигания топлива

Формула изобретения

Устройство для сжигания топлива, содержащее камеру сгорания, горелку с камерой смешения, каналы подвода топлива и воздуха, диск, установленный вокруг камеры смешения и имеющий осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания, причем камера смешения горелки выполнена в виде диффузора, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок для подвода топлива, отличающееся тем, что в нем диск со стороны камеры сгорания снабжен кольцевым щитком-насадком, расположенным вокруг выходной части камеры смешения горелки и выступающим над ее торцом на величину не менее величины диаметра ее выходной части, причем осевые отверстия в диске расположены внутри щитка-насадка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газотурбинных приводах и авиационных двигателях с различными (трубчатокольцевыми, кольцевыми и выносными) камерами сгорания и в топках, работающих на жидком или газообразном топливе и воздухе с коэффициентом избытка воздуха более 1,0.

Известно устройство для получения сушильного агента, содержащее воздушный патрубок, камеру сгорания, камеру смешения, на выходе которой установлен каталитический насадок, и дополнительную камеру смешения (авторское свидетельство 1506221, кл. F 23 D 14/18, 1983).

Недостатком этого устройства является невысокая полнота сгорания топлива.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для сжигания топлива с воздухом (патент РФ 2098717, кл. F 23 С 11/00, 1997 г. - прототип), содержащее камеру сгорания, горелку с камерой смешения, примыкающей к камере сгорания, каналы подвода топлива и воздуха, при этом горелка снабжена диском, установленным вокруг камеры смешения и имеющим осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания, камера смешения выполнена в виде диффузора, на входе которого соосно расположен насадок для подвода топлива.

К недостатку данного устройства следует отнести то, что в некоторых конструкциях камер сгорания (трубчато-кольцевых, кольцевых, выносных и т.п.) газотурбинных установок в зону смесеобразования и начала горения (в районе выхода смеси из камеры смешения) поступает вторичный воздух (за счет обратных токов) и обедняет смесь, что приводит к неполному сгоранию смеси и повышенному содержанию вредных выбросов.

Задача изобретения - повышение полноты сгорания и уменьшение вредных выбросов за счет исключения подвода дополнительного воздуха в зону смесеобразования и начала горения.

Задача решается тем, что в устройстве для сжигания топлива с воздухом, содержащем камеру сгорания, горелку с камерой смешения, каналы подвода топлива и воздуха, диск, установленный вокруг камеры смешения и имеющий осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания, камеру смешения, выполненную в виде диффузора, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок для подвода топлива, согласно изобретению диск со стороны камеры сгорания снабжен кольцевым щитком-насадком, расположенным вокруг выходной части камеры смешения горелки и выступающим над ее торцом на величину не менее величины диаметра ее выходной части, причем осевые отверстия в диске расположены внутри щитка-насадка.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже, где:

1 - камера сгорания (жаровая труба);

2 - цилиндрический насадок подачи топлива;

3 - канал подвода топлива;

4 - полость подвода воздуха;

5 - камера смешения;

6 - диффузор;

7 - канал подвода воздуха к камере смешения;

8 - диск (огневое днище);

9 - отверстие в диске;

10 - кольцевой щиток-насадок;

11 - отверстия в камере сгорания;

L₁ - наименьшая длина выступания щитка-насадка над торцом камеры смешения;

L₂ - наибольшая длина выступания щитка-насадка над торцом камеры смешения;

D - диаметр выходной части камеры смешения.

Устройство содержит камеру сгорания 1, цилиндрический насадок 2 с каналом 3 подвода топлива, полость 4 подвода воздуха в камеру сгорания. Горелка представляет собой камеру смешения 5 в виде диффузора 6 с каналом 7 для подвода воздуха и насадка 2, расположенного на входе в диффузор. Вокруг камеры смешения 5 установлен диск 8 с осевыми отверстиями 9 для подвода воздуха, на котором смонтирован кольцевой щиток-насадок 10, причем отверстия в диске расположены внутри зоны, ограниченной щитком-насадком. Конструктивно камеры смешения 5 и отверстия 9 для подвода воздуха могут быть выполнены как в отдельных конструктивных элементах, так и в одном корпусе. На чертеже показано, что отверстия 9 выполнены в диске 8, закрепленном на входной части камеры сгорания, а камера смешения 5 - в другом конструктивном элементе. При этом кольцевой щиток-насадок 10 прикреплен к диску 8 и защищает от подвода к выходному сечению камеры смешения горелки 5 обратных токов дополнительного воздуха, поступающего в камеру сгорания через отверстия 11. Причем выступание щитка-насадка над торцом камеры смешения горелки должно быть, как показали результаты испытаний, не менее величины диаметра ее выходной части. Это связано с тем, что на этом расстоянии скорость топливовоздушной смеси, выходящей из камеры смешения горелки, с учетом углов расширения диффузора 6 и самой струи, уменьшается практически в 4-5 раз, где и начинается фронт горения.

Целесообразно ограничивать выступание щитка-насадка над торцом камеры смешения горелки зоной окончания горения смеси, конструктивно совпадающей, как правило, с зоной подвода вторичного воздуха через отверстия 11, служащего для охлаждения продуктов сгорания.

Устройство на чертеже изображено схематически и для упрощения не показаны корпус, в котором оно монтируется, и места соединения отдельных элементов. На чертеже показана только одна камера смешения 5 предварительной подготовки топливовоздушной смеси с кольцевым шитком-насадком 10 цилиндрического типа (возможен вариант насадка конического типа). Практически их может быть любое количество, а схема их расположения по полю входной части трубчато-кольцевой, кольцевой или выносной камер сгорания может быть различной. Более того, в кольцевых и выносных камерах сгорания целесообразно камеры смешения 5 сгруппировать в блоки, например, по 7 штук, вокруг них устанавливать диск 8 с кольцевым щитком-насадком 10, а уже блоки соответственно располагать по диаметру или по полю камер сгорания на определенном расстоянии друг от друга.

Устройство работает следующим образом. Подается воздух в полость 4. Из этой полости воздух поступает в камеру сгорания 1 через камеру смешения 5, отверстия 9 и 11 в диске и камере сгорания 1 (жаровой трубе). Включается запальное устройство (не показано), а затем подается жидкое или газообразное топливо через насадок 2.

Топливо с воздухом смешивается в камере 5 в соотношении, близком к стехеометрическому (=1,02-1,05), и подается в камеру сгорания 1, где воспламеняется, образуя в локальных зонах продукты сгорания с высокой температурой (примерно 2200 К), которые смешиваются вначале со спутными струями чистого воздуха, поступающего в камеру сгорания через отверстия 9 и предварительно охлаждаются для снижения вредных выбросов по NO_x. Окончательное охлаждение продуктов сгорания до требуемой температуры происходит при их смешивании с воздухом, поступающим в камеру сгорания 1 через отверстия 11. Кольцевой щиток-насадок 10 предохраняет от попадания дополнительного расхода воздуха (поступающего в камеру сгорания 1 через отверстия 11) в зону выхода смеси из камер смешения горелки 5 и тем самым предохраняет от чрезмерного обеднения топливовоздушной смеси в отдельных локальных объемах, где протекает начало процесса горения. Как известно, обеднение смеси может приводить к неполному горению топлива и увеличению вредных выбросов по СО. Согласно изобретению предварительно охлажденные продукты сгорания доохлаждаются до требуемой температуры воздухом, поступающим в камеру сгорания 1 через отверстия 11 за пределами зоны горения, ограниченной щитком-насадком 10.

Применение данного устройства позволяет, по сравнению с известным, обеспечить высокую полноту сгорания с заданным коэффициентом избытка воздуха и его можно рекомендовать для применения в трубчато-кольцевых, кольцевых и выносных камерах сгорания газотурбинных двигателей и установок.