Патент на изобретение №2307985

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

(57) Реферат:

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. Устройство содержит корпус, в котором расположены основная и первичная камеры сгорания. Основная камера сгорания содержит жаровую трубу, завихритель и канал выхода продуктов сгорания. Первичная камера сгорания содержит жаровую трубу, устройство подвода топлива, завихритель и воспламеняющее устройство. Устройство подвода топлива и завихритель первичной камеры расположены на ее переднем торце. Первичная камера расположена перед основной камерой соосно с ней. Жаровая труба первичной камеры сгорания расположена внутри жаровой трубы основной камеры в противоположном от завихрителя основной камеры конце. Внутренняя боковая поверхность жаровой трубы основной камеры и наружная боковая поверхность жаровой трубы первичной камеры образуют кольцевой канал. В боковой поверхности жаровой трубы первичной камеры сгорания выполнены отверстия. Корпус снабжен патрубком для подвода воздуха от внешнего источника. Использование устройства обеспечивает устойчивое горение в первичной камере сгорания и в устройстве в целом, позволяет снизить термическую напряженность стенок жаровой трубы первичной камеры сгорания и уменьшить протяженность зоны дожигания и длину жаровой трубы основной камеры сгорания. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

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.

Известно устройство для сжигания топлива, включающее 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, воспламеняющее 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 устройство 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 равного или меньшего давлению подаваемого воздуха. Это значительно сужает область его применения.

Из известных устройств для сжигания топлива наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в патенте RU 2212003 С1, 10.09.2003. Устройство включает основную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройство подвода вторичного воздуха и расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, и первичную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройства подвода топлива и первичного воздуха, завихритель и воспламеняющее устройство. Первичная камера сгорания установлена перед основной камерой сгорания соосно. Жаровые трубы камер сгорания соединены. Устройство подвода топлива и завихритель первичной камеры сгорания расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры, при этом завихритель первичной камеры сгорания выполнен в виде закручивающего аппарата. Устройство подвода первичного воздуха выполнено в виде сопла и расположено на входе в закручивающий сопловой аппарат.

Известное устройство для сгорания топлива имеет следующие недостатки:

– низкая устойчивость горения в первичной камере сгорания, вызванная тем, что при работе завихрителя образуется высокий радиальный градиент статического давления, который формирует осевой градиент статического давления, направленный навстречу вектору скорости потока топлива в жаровую трубу, который в качестве пассивного потока эжектируется в приосевую зону жаровой трубы. В этом случае в жаровой трубе первичной камеры сгорания отсутствует зона циркуляции, то есть зона движения продуктов сгорания навстречу поступающему топливу. В жаровой трубе первичной камеры сгорания отсутствует также зона стабилизации пламени из-за отсутствия тороидального вихря, то есть отсутствует механизм непрерывного воспламенения свежей топливовоздушной смеси горячими газами и становится невозможным поддержание горения в определенном диапазоне изменения давления, скорости и коэффициента избытка воздуха в первичной камере сгорания;

– высокая термическая напряженность стенок жаровой трубы первичной камеры сгорания из-за отсутствия системы охлаждения, при реализации рабочего режима на «богатой» топливовоздушной смеси, то есть на режиме с коэффициентом избытка воздуха меньшим единицы;

– необходимость иметь в жаровой трубе основной камеры сгорания зону дожигания большой протяженности и, как следствие, большую длину жаровой трубы основной камеры из-за отсутствия дополнительной подачи воздуха в жаровую трубу первичной камеры сгорания для осуществления более полного процесса сжигания топлива в первичной камере сгорания.

Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, – обеспечение устойчивого горения в первичной камере сгорания и, следовательно, устройства в целом, снижение термической напряженности стенок жаровой трубы первичной камеры сгорания, уменьшение протяженности зоны дожигания и длины жаровой трубы основной камеры сгорания.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для сжигания топлива, включающем основную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, и расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, и первичную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройство подвода топлива, завихритель и воспламеняющее устройство, причем первичная камера сгорания установлена перед основной камерой соосно с последней, устройство подвода топлива и выполненный в виде закручивающего аппарата завихритель первичной камеры расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры, основная и первичная камеры выполнены в одном корпусе, при этом часть жаровой трубы первичной камеры сгорания расположена внутри жаровой трубы основной камеры в противоположном от завихрителя основной камеры конце, внутренняя боковая поверхность жаровой трубы основной камеры сгорания и наружная боковая поверхность жаровой трубы первичной камеры образуют кольцевой канал, в боковой поверхности жаровой трубы первичной камеры сгорания выполнены отверстия, а корпус снабжен патрубком для подвода воздуха от внешнего источника. Внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность жаровой трубы основной камеры сгорания образуют кольцевой канал, сообщающийся с завихрителями основной и первичной камер сгорания и с патрубком подвода воздуха от внешнего источника. Жаровая труба первичной камеры сгорания имеет цилиндрический и конический участки, причем диаметр конического участка уменьшается в направлении завихрителя основной камеры сгорания, при этом минимальный диаметр отверстия в конической части жаровой трубы равен или меньше минимального диаметра канала выхода продуктов сгорания основной камеры сгорания. Минимальный диаметр цилиндрической части жаровой трубы первичной камеры сгорания равен или меньше 0,8 диаметра жаровой трубы основной камеры сгорания. Отверстия, выполненные на боковой поверхности жаровой трубы первичной камеры сгорания, расположены на ее цилиндрическом участке, при этом среди отверстий, выполненных в первом ряду от завихрителя первичной камеры сгорания, не менее двух отверстий имеют диаметрально противоположное расположение. Длина жаровой трубы первичной камеры сгорания, расположенной в жаровой трубе основной камеры сгорания, равна или меньше 0,6 длины жаровой трубы основной камеры сгорания.

Таким образом, новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют решить предлагаемым устройством поставленную задачу.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дан продольный разрез устройства, на фиг.2 – разрез по А-А, на фиг.3 – разрез по Б-Б.

Устройство для сжигания топлива (фиг.1) содержит корпус 1, в котором расположены основная камера сгорания 2 и первичная камера сгорания 3. Основная камера сгорания содержит жаровую трубу 4, и расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель 5 и канал выхода продуктов сгорания 6 (фиг.2). Первичная камера сгорания содержит жаровую трубу 7, устройство подвода топлива 8, завихритель 9 и воспламеняющее устройство 10 (фиг.3). Первичная камера сгорания 3 установлена перед основной камерой сгорания 2 соосно. Жаровая труба 7 первичной камеры сгорания 3 расположена внутри жаровой трубы 4 основной камеры сгорания 2 в противоположном от завихрителя 5 конце основной камеры. Устройство подвода топлива 8 и выполненный в виде закручивающего аппарата завихритель 9 первичной камеры 3 расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры (фиг.3). Внутренняя боковая поверхность жаровой трубы 4 и наружная боковая поверхность жаровой трубы 7 образуют кольцевой канал 11. В боковой поверхности жаровой трубы 7 первичной камеры сгорания 3 выполнены отверстия 12, а корпус 1 снабжен патрубком 13 для подвода воздуха от внешнего источника. Внутренняя поверхность корпуса 1 и наружная поверхность жаровой трубы 4 основной камеры сгорания образуют кольцевой канал 14, сообщающийся с завихрителями 5 основной и 9 первичной камер сгорания, и с патрубком 13 подвода воздуха от внешнего источника. Жаровая труба 7 первичной камеры сгорания 3 имеет цилиндрический 15 и конический 16 участки. Отверстия 12 выполнены в боковой поверхности цилиндрического участка 15 жаровой трубы 7, при этом среди отверстий, выполненных в первом ряду от завихрителя первичной камеры сгорания, не менее двух отверстий имеют диаметрально противоположное расположение. Диаметр конического участка 16 уменьшается в направлении завихрителя 5 основной камеры сгорания 2, при этом минимальный диаметр отверстия 17 в конической части 16 жаровой трубы 7 равен или меньше минимального диаметра канала выхода продуктов сгорания 6 основной камеры сгорания 2. Диаметр цилиндрического участка жаровой трубы 7 первичной камеры сгорания 3 равен или меньше 0,8 диаметра жаровой трубы 4 основной камеры сгорания 2, а длина жаровой трубы 7 первичной камеры сгорания, расположенной в жаровой трубе 4 основной камеры сгорания, равна или меньше 0,6 длины жаровой трубы 4 основной камеры сгорания.

Устройство для сжигания топлива работает следующим образом. Воздух от внешнего источника через патрубок 13 поступает тангенциально в канал 14, а затем в завихрители 5 и 9, где разгоняется с увеличением окружной скорости. В плоскости завихрителя 9, в области переднего торца жаровой трубы 7, образуется сильно закрученный поток воздуха с высоким радиальным градиентом статического давления. Этот поток воздуха в выходном отверстии устройства подвода топлива 8 формирует высокий осевой градиент статического давления, направленный в сторону устройства подвода топлива 8. Наличие в плоскости завихрителя 9 радиального и осевого градиентов статического давления формирует такую газодинамическую структуру потоков первичного воздуха и топлива, при которой активной составляющей является первичный воздух, а пассивной – топливо, поступающее в область переднего торца жаровой трубы 7. Образующаяся топливовоздушная смесь формирует сильно закрученный поток, перемещающийся в направлении жаровой трубы 4 основной камеры сгорания 2. Вторичный воздух, поступающий из завихрителя 5, образует на входе в жаровую трубу 4 основной камеры сгорания 2 сильно закрученный поток воздуха, формирующий в жаровой трубе 4 периферийный вихрь, перемещающийся в направлении жаровой трубы 7 первичной камеры сгорания 3. Периферийный вихрь возбуждает в приосевой зоне жаровой трубы 4 сильно закрученный поток – приосевой вихрь, находящийся в противотоке к периферийному вихрю, при этом направление вращения периферийного и приосевого вихрей совпадают. На границе разделения вихрей поток сильно турбулизуется с формированием анизотропной турбулентности, превалирующей в радиальном направлении. В результате этого в периферийном вихре формируется сильно закрученный воздушный поток с высокоразвитой, превалирующей в радиальном направлении анизотропной турбулентностью, перемещающийся в направлении жаровой трубы 7. Одна часть этого потока поступает непосредственно в приосевую зону жаровой трубы 4, а другая часть, двигаясь по кольцевому каналу 11, подводится через отверстия 12 в жаровую трубу 7, участвуя в процессе формирования топливовоздушной смеси, в процессе горения и формирования конвективно-пленочного охлаждения стенок жаровой трубы 7. Образующаяся в жаровой трубе 7 топливовоздушная смесь поджигается воспламеняющим устройством 10. В результате этого в жаровой трубе 7 происходит процесс горения топливовоздушной смеси, который заканчивается дожиганием и последующим разбавлением продуктов сгорания в приосевом вихре жаровой трубы 4 основной камеры сгорания 2. Воздух, поступающий через диаметрально противоположные отверстия 12 первого ряда, формирует в жаровой трубе 7 первичной камеры 3 зону циркуляции в виде тороидального вихря, которая обеспечивает непрерывное воспламенение свежей топливовоздушной смеси горячими газами в широком диапазоне изменения давления, скорости и коэффициента избытка воздуха, обеспечивая устойчивость горения в первичной камере и в устройстве в целом. Воздух, поступающий через другие отверстия 12 боковой поверхности жаровой трубы 7, позволяет увеличить долю участия первичной камеры сгорания 3 в рабочем процессе устройства за счет увеличения коэффициента избытка воздуха в ней и интенсификации процесса горения. Это позволяет уменьшить длину жаровой трубы 4 основной камеры сгорания 2. В жаровой трубе 4 основной камеры сгорания 2 процесс сжигания завершается путем дожигания оставшегося топлива, процессами рекомбинации и разбавления полученных продуктов сгорания. На выходе канала 6 формируется структура потока продуктов сгорания с заданной среднемассовой температурой и полями температуры, скорости и давления.

Таким образом, выполнение основной и первичной камер сгорания в одном корпусе с патрубком для подвода воздуха от внешнего источника, расположение части жаровой трубы первичной камеры сгорания внутри жаровой трубы основной камеры в противоположном от завихрителя основной камеры конце, наличие кольцевого канала, образованного внутренней боковой поверхностью жаровой трубы основной камеры сгорания и наружной боковой поверхностью жаровой трубы первичной камеры сгорания, наличие отверстий в боковой поверхности жаровой трубы первичной камеры сгорания позволяют обеспечить устойчивое горение в первичной камере сгорания и в устройстве в целом, снизить термическую напряженность стенок жаровой трубы первичной камеры сгорания за счет организации конвективно-пленочного охлаждения стенок жаровой трубы, уменьшить протяженность зоны дожигания и длину жаровой трубы основной камеры сгорания.

Формула изобретения

1. Устройство для сжигания топлива, включающее основную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, и расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, и первичную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройство подвода топлива, завихритель и воспламеняющее устройство, причем первичная камера сгорания установлена перед основной соосно с последней, устройство подвода топлива и выполненный в виде закручивающего аппарата завихритель первичной камеры расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры, отличающееся тем, что основная и первичная камеры выполнены в одном корпусе, при этом жаровая труба первичной камеры сгорания расположена внутри жаровой трубы основной камеры в противоположном от завихрителя основной камеры конце, при этом внутренняя боковая поверхность жаровой трубы основной камеры сгорания и наружная боковая поверхность жаровой трубы первичной камеры сгорания образуют кольцевой канал, в боковой поверхности жаровой трубы первичной камеры сгорания выполнены отверстия, а корпус снабжен патрубком для подвода воздуха от внешнего источника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя боковая поверхность корпуса и наружная боковая поверхность жаровой трубы основной камеры сгорания образуют кольцевой канал, сообщающийся с завихрителями основной и первичной камер сгорания и с патрубком подвода воздуха от внешнего источника.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что жаровая труба первичной камеры сгорания имеет цилиндрический и конический участки, причем диаметр конического участка уменьшается в направлении завихрителя основной камеры сгорания.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что минимальный диаметр отверстия конического участка жаровой трубы равен или меньше минимального диаметра канала выхода продуктов сгорания.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что диаметр цилиндрического участка жаровой трубы первичной камеры сгорания равен или меньше 0,8 диаметра жаровой трубы основной камеры сгорания.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что отверстия, выполненные на боковой поверхности жаровой трубы первичной камеры сгорания, расположены на ее цилиндрическом участке.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что среди отверстий, выполненных в первом ряду от завихрителя первичной камеры сгорания, не менее двух отверстий имеют диаметрально противоположное расположение.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина жаровой трубы первичной камеры сгорания, расположенной в жаровой трубе основной камеры сгорания, равна или меньше 0,6 длины жаровой трубы основной камеры сгорания.

РИСУНКИ