Кольцевая камера сгорания реферат

Обновлено: 04.07.2024

Камеры сгорания ГТД предназначаются для подвода теплоты к рабочему телу в двигателе за счет преобразования химической энергии топлива, запасенного на борту летательного аппарата, в тепловую при его сгорании с участием кислорода, содержащегося в воздухе. Двигатей ли для сверхзвуковых самолетов имеют обычно две камеры сгорания:

основную (перед турбиной) и форсажную (перед соплом), включаемую для увеличения тяги Топливом для современных авиационных ГТД служит керосин.

Существует много марок авиационных керосинов, но все они, являясь продуктами переработки нефти, представляют собой смесь углеводородов, в которой содержится 84…86 % (по массе) углерода (С), 14…16 % водорода (Н) и некоторое (очень малое) количество других веществ.

Но поскольку разведанных запасов нефти хватит, по ориентировочным оценкам только на 40…80 лет‚ в настоящее время ведутся интенсивные исследования по применению в качестве топлива для авиации так называемых криогенных (сжиженных при низких температурах) топлив — жидкого метана (СН4), сжиженного природного газа (СПГ), состоящего примерно на 90 % (80.95% в разных месторождениях) из метана и жидкого водорода (Н2).

По оценкам специалистов запасов природного газа и соответственно метана хватит еще более чем на 100 лет‚ а запасы сырья для получения водорода в природе (из воды) практически не ограничены,

Криогенные топлива имеют еще одно преимущество — значительно больший, чем у керосина, хладоресурс, т‚е‚ возможность эффективного охлаждения (с их использованием) элементов конструкции двигателя и летательного аппарата на больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полёта. При этом, благодаря очень быстрой испаряемоети при случайном попадании из баков в окружаюшую среду, их пожароопасность по некоторым оценкам может быть ниже, чем у керосина.

Типы основных камер сгорания и организация процесса горения в них

Основные камеры сгорания авиационных ГТД могут иметь разнообразные формы проточной части И различное конструктивное выполнение. Применяются практически камеры сгорания трех основных типов (рис. 9.3):

а — трубчатые (индивидуальные),

Трубчатая камера сгорания состоит из жаровой трубы, внутри которой организуется процесс горения, и корпуса (кожуха) 2. На двигателях обычно устанавливалось несколько таких камер. В современных авиационных ГТД трубчатые камеры сгорания практически не используются.

В трубчато-кольцевой камере все жаровые трубы заключены в общий корпус, имеющий внутреннюю и наружную поверхности, охватывающие вал двигателя. В кольцевой камере сгорания жаровая труба имеет в сечении форму кольца, также охватывающего вал двигателя.

Важная особенность этих камер состоит в том, что скорость потока воздуха или топливо-воздушной смеси в них (выбираемая с учетом требований К габаритным размерам двигателя) существенно превышает скорость распространения пламени при турбулентном диффузионном гореНИИ. И, если не принять специальных мер, пламя будет унесено потоком за пределы камеры сгорания

Поэтому организация процесса горения топлива в основных камерах ГТД основывается на следующих двух принципах, позволяющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших значениях ос И высоких скоростях движения потока в них:

1. Разделение всего потока воздуха на две части , из которых только одна часть (обычно меньшая) подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устойчивого горения состав смеси). А другая часть направляется в обход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) в так называемую зону смешения (перед турбиной), где смешивается с продуктами сгорания, понижая в нужной мере их температуру;

2. Стабилизация пламени в зоне горения путем создания в ней зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджигающими свежую горючую смесь.

Конкретные формы реализации этих мероприятий могут быть различными. На рис. 9.4 показана схема одного из вариантов трубчато-кольцевой камеры сгорания. Камера состоит из жаровой трубы 1 и корпуса 2. В передней части жаровой трубы, которую называют фронтовым устройством, размещаются форсунка 3 для подачи топлива и лопаточный завихритель 5. Для уменьшения скорости воздуха в камере на входе в нее (за компрессором) выполняется диффузор 4, благодаря которому скорость воздуха перед фронтовым устройством обычно не превышает 50 м/с.

Подвод первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу должен быть организован так, чтобы в зоне горения создавалась нужная структура потока. Эта структура должна обеспечить хорошее смешение топлива с воздухом, создание нужных полей концентраций топлива и наличие мощных обратных токов, обеспечивающих надежное воспламенение свежей смеси на всех режимах работы камеры.

Структура потока в передней части жаровой трубы камеры сгорания с так называемым лопаточным завихрителем показана схематично на рис. 9.5. Воздух поступает сюда через завихритель лопатки которого закручивают поток (подобно лопаткам входного направляющего аппарата компрессора). Далее воздух движется вдоль поверхности жаровой трубы в виде конической вихревой струи

Вихревое движения воздуха приводит к понижению давления в области за завихрителем, вследствие чего в эту область устремляемтся газ из расположенных дальше от фронтового устройства участков жаровой трубы.

В результате здесь возникает зона обратных токов, граница которой показана на рисунке линией 5. Там же показаны эпюры распределения осевых составляющих скорости воздуха (газа) Са.

Топливо-воздушная смесь, образовавшаяся за фронтовым устройством, при запуске двигателя поджигается огненной струей, создаваемой пусковым воспламенителем 6 (см. рис. 9.4). Но в последующем горячие продукты сгорания вовлекаются в зону обратных токов и обеспечивают непрерывное поджигание свежей смеси. Кроме того, горячие газы, циркулирующие в этой зоне, являются источником теплоты, необходимой для быстрого испарения топлива.

Наряду с рассмотренной схемой камеры сгорания с завихрителем и с одной форсункой в каждой жаровой трубе (или с одним рядом форсунок в кольцевой камере) могут использоваться и другие схемы основных камер сгорания — с несколькими форсунками (несколькими рядами форсунок), с другими способами создания зоны обратных токов и т.д. Но общие принципы организации рабочего процесса в них остаются такими же.

Предлагаемое изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД), работающим преимущественно на жидком и газообразном углеводородных топливах.

Известны конструкции кольцевых камер сгорания (КС) с большим числом одноконтурных с воздушным распылом малорасходных форсунок, установленных в лобовой стенке двухъярусного фронтового устройства (ФУ) с топливным коллектором на входе, которые нашли применение в авиационных ГТД, например по а.с. N 308653, М. кл. P 23 P 3/00, 1983 г.

Эти камеры по сравнению с ранними конструкциями трубчатого и трубчато-кольцевого типа имеют лучшие показатели по окружному полю температуры газа (Т_Г * ) на выходе, по тепловому состоянию стенок жаровой трубы (ЖТ) и высотности розжига; но одновременно имеют пониженную полноту сгорания на малом газе (МГ) и на промежуточных режимах вблизи МГ с большим содержанием токсичных выделений в виде CH и CO на выхлопе двигателя.

Причина этого недостатка заложена самой конструкцией ФУ и объясняется следующим. При низких параметрах воздуха вблизи МГ и отсутствии четко организованных зон стабилизации процесса горения форсунки запуска (25% от общего количества) имеют растянутые низкотемпературные факелы пламени, поэтому не обеспечивают высокоэффективное горение "бедной" топливовоздушной смеси (ТВС) рабочих форсунок.

Известны также более совершенные многогорельчатые кольцевые камеры с двухзонно-последовательным сжиганием топлива в ЖТ сначала в зоне МГ (≈10-20%), затем в зоне основного режима (ОР) (≈ 80-90%) с "обедненным" составом ТВС до α см ≈ 2 на номинальном режиме работы двигателя с α_кс≈ 3,5. Названные КС отличаются тем, что на режимах работы вблизи МГ и ОР имеют значительно меньшие выбросы CO, CH, оксидов азота NO_x и дыма на выхлопе (А.Лефевр. "Процессы в камерах сгорания ГТД". М., Мир, 1986 г.). К таким конструкциям, например, относится КС ТРДД PW-4000 фирмы Пр. Уитин, разработанная в США по национальной программе E 3 , у которой выбросы NO_x снижены до уровня ≈ 20 г/кг (С.96). Однако и они не лишены серьезных недостатков, мешающих широкому внедрению их в авиационные и стационарные ГТД, а именно:
1) чрезвычайно сложные в изготовлении кожуха ДТ с двойными стенками (внешними - силовыми, внутренними - плавающими из металло-керамических плиток, в виде черепицы, перфорированной мелкими отверстиями и каналами), т. к. простая традиционная конструкция кожухов с конвективно-пленочным охлаждением не имеет ресурса вследствие локальных зон перегревов от "горячих следов" за индивидуальными вихревыми горелками ФУ;
2) провалы полноты сгорания на промежуточных режимах работы МГ-ОР из-за задержки розжига сравнительно крупных высокоскоростных струй с "бедной" ТВС горелок зоны ОР;
3) конструкцией ФУ не обеспечивается стабильное поле Т_Г * по радиусу, т. к. подача ТВС ОР осуществляется горелками лишь с периферии, а не с обеих сторон ЖТ.

Проблемы по п. п.2 и 3 зарубежными фирмами решаются уже более 20 лет с помощью создаваемых вновь сложной электронно-цифровой системы управления топливоподачей и устройств перепуска первичного воздуха в ЖГ за зону горения.

Таким образом, главной причиной несовершенства процесса горения топлива, усложнения конструкции и системы регулирования топливоподачей в одно- и двухзонных кольцевых КС является традиционное и неоправданное применение в ФУ набора ограниченного количества вихревых горелок или форсунок с воздушным распылом топлива.

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции КС с двухзонно-последовательным сжиганием топлива для повышения полноты сгорания на промежуточных режимах работы, снижения местных пиковых температур на стенках ЖТ и лопатках турбины, уровня выделений NO_x до перспективных норм 3-8 г/кг и существенного упрощения конструкции без ухудшения других характеристик, а в итоге - создания унифицированного модуля ФУ для широкого класса типоразмеров камер ГТД различного назначения.

Поставленная задача достигается тем, что в кольцевой камере ГТД с двухзонно-последовательным сжиганием преимущественно жидкого и газообразного углеводородных топлив, содержащей корпус, расположенную в нем жаровую трубу, съемные форсунки малого газа и основного режима перед ней и выносной двухполостный, по крайней мере, топливный коллектор с трубопроводами подвода топлива к форсункам, фронтовое устройство жаровой трубы выполнено из двух спаренных со щелевым зазором тонкостенных (U-образных в сечении стабилизаторов пламени, наружный из которых в лобовой части имеет отверстия, расположенные соосно форсункам, и на выходе - удлиненные полки, скрепленные с кожухами вторично части жаровой трубы, а внутренний стабилизатор - Г-образные патрубки с раструбами на входе, соосно форсункам малого газа и соплами внутри полости стабилизатора на выходе загнутых в одном направлении по окружности участков патрубков, при этом полки стабилизатора на кромках имеют отбортовки, а перед ними ряд отверстий, кроме того, в зазоре между стабилизаторами установлены группы фасонных тонкостенных патрубков, входные части которых вставлены плотно в соосные форсункам основного режима отверстия наружного стабилизатора, причем раздвоенные и плавно обжатые в щелевых зазорах выходные участки срезами размещены перед отверстиями внутреннего стабилизатора и образуют по окружности непрерывные цепи сегментных по форме сопел. Г-образные патрубки имеют конфузорно-диффузорные сопла с лепестками в виде гофров и отверстия между ними на кормовой части.

Внутренний стабилизатор по окружности набирается из сегментов и его полки, кроме того, могут быть изготовлены с продольными гофрами с максимальной высотой на кромках. С целью исключения срывного течения ТВС в полости патрубков изменения площадей их каналов от входа до выходов выполняются плавными.

Для обеспечения сжигания топлива с минимальными токсичными выбросами на всех режимах работы КС суммарная эффективная площадь проходных сечений каналов ФУ для первичного воздуха от суммарной эффективной площади проходных сечений ЖГ должна выдерживаться в пределах 0,6-0,8, а аналогичная им суммарная площадь каналов Г- образных патрубков от площади ФУ должна составлять 0,05-0,1.

Поскольку в зонах МГ и ОР должно сжигаться соответственно 10-20% и 80-90% топлива, то, выбрав необходимую производительность форсунок, можно выдержать требуемые для эффективного сжигания топлива диапазоны по α_см= 0,6-1,2 в зоне МГ и α_см≥ 2 в зоне ОР.

На основании имеющегося опыта можно утверждать, что существенному улучшению воспламенения и поддержания устойчивого горения ТВС ОР на факеле пламени МГ должны способствовать малоскоростной кольцевой горящий вихрь, который создается в полости внутреннего стабилизатора благодаря тангенциальным вдувам ТВС Г-образными патрубками, а также турбулизированные отбортовками и отверстиями промежуточные слои контакта между вихрем и скоростными потоками ТВС, выходящими из щелей между стабилизаторами. Для этой цели, кроме того, форсунки МГ и ОР должны устанавливаться по окружности с шагом 60 мм в чередующихся группах с кратностью 1:2-1:5, которые в целом определяются конструктивно в зависимости от среднего диаметра ФУ, результатов расчетов и, по-возможности, заранее выполненных на моделях ФУ экспериментов.

Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями, т.к. отличительные признаки изобретения в других объектах техники не обнаружены.

На фиг. 1 для примера показана принципиальная схема конструкции КС; на фиг. 2 - вид на ФУ спереди; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4, 5 - сечение Б-Б и В-В по форсункам фиг. 3; на фиг. 6 - фрагмент Г-образного патрубка фиг. 3.

Как видно, КС имеет ЖТ 1, размещенную в корпусе 2, причем ее крепление к корпусу осуществляется за выходную часть с помощью конической обечайки 3. ЖГ на входе имеет кольцевое ФУ 4 со съемными форсунками МГ (1 к) 5 и ОР (2 к) 6, а на выходе - вторичную часть 7 с наружным и внутренним кожухами, которые заканчиваются телескопическими замками для соединения с сопловым аппаратом турбины. В состав ФУ, кроме форсунок, входят два спаренных со щелевым зазором тонкостенных U-образных в сечении наружного 8 и внутреннего 9 стабилизаторов пламени, чередующиеся группы фасонных раздваивающихся к выходу патрубков 10 и Г-образные патрубки 11 (фиг. 1, фиг. 3). Стабилизатор 8 в лобовой части имеет отверстия 12 и 13 для подвода первичного воздуха в зону горения, которые выполняются соосно форсункам, и удлиненные полки для скрепления с кожухами вторичной части 7 и создания таким образом единого жесткого узла - ЖТ.

На фиг. 1 и фиг. 3 видно также, что стабилизатор 9 на выходных кромках имеет ряд отверстий и отбортовки в сторону щелей и может набираться по окружности из сегментов 14, чтобы обеспечить компенсацию от термических расширений стабилизатора во время работы. В этом случае крепление сегментов в окружном направлении к стабилизатору 8 осуществляется в двух точках с помощью винтов или шпилек 15 (фиг. 3) с плавающим соединением по одному месту. Г- образные патрубки устанавливаются входными раструбами 16 в отверстия 13 соосно форсункам 1к, а на выходе загнутые участки патрубка заканчиваются конфузорно-диффузорными соплами 17 с гофрами и отверстиями между ними (фиг. 6).

Все форсунки по окружности набираются чередующимися группами с кратностью 1: 2-1: 5 между 1к и 2к (фиг. 2, фиг. 3) и могут выполняться двухканальными под раздельный подвод жидкого и газообразного топлива (фиг. 2, фиг. 5). Кроме того, для упрощения монтажа и снижения гидравлических потерь давления от загромождения сечения тракта корпуса форсунок можно изготавливать, например, в спаренном виде (фиг. 2, фиг. 3).

Для подвода топлива к корпусам форсунок 1к и 2к с внешней стороны корпуса камеры размещен двух- или четырехполостной коллектор 18 с трубопроводами многоразового использования (фиг. 1).

Для организации двухзонно-последовательного процесса сжигания топлива за ФУ сначала в зоне МГ (10-20%) с α_см= 0,6-12, затем в зоне ОР (80-90%) с α_см≥ 2 эффективная площадь проходных сечений воздушных каналов ФУ от суммарной эффективной площади проходных сечений ЖТ выбрана в пределах 0,6-0,8, при этом соответствующая им площадь каналов Г-образных патрубков от площади ФУ составляет 0,05-0,1.

Уточнение площадей проходных сечений ЖТ для первичного и вторичного воздуха и производительности форсунок в группах делается в ходе экспериментальной доводки КС на автономных стендах и в составе ГГД.

Принцип работы КС в составе ГТД заключается в следующем.

После раскрутки ротора ГТД от постороннего источника до заданной частоты вращения начинает поступать топливо в форсунки 1к, которое смешивается с набегающим потоком воздуха в Г-образных патрубках 11 и в виде ТВС под перепадом давления на ЖГ (обычно 3-4%) вдувается измельченными струями сопла в полость стабилизатора 9 по касательной к среднему диаметру, создавая малоскоростной кольцевой вихрь. Подготовленная таким образом ТВС поджигается от кратковременно включенных свечей непосредственного розжига или воспламенителем (на фиг. не показана) и продолжает устойчиво гореть в вихре, т.к. он защищен полками от преждевременного захолаживания и разрушения скоростным потоком воздуха, обтекающего стабилизатор 9. По мере увеличения режима работы двигателя агрегатом регулирования начинает подаваться топливо в форсунки 2к, которое подхватывается набегающим потоком и поступает в патрубки 10, где оно смешивается и в виде ТВС выпускается под перепадом давления на ЖГ через две кольцевые щели между стабилизаторами в центральную зону ЖТ - зону ОР. На фронте факела пламени зоны МГ смесь поджигается и устойчиво горит в кольцевом пространстве с малым временем пребывания (≅ 3 мс) в факеле с температурой ≈ 1800 o C, чему также способствуют отверстия и отбортовки на кромках стабилизатора 9, создавшие два турбулизированных слоя контакта ТВС между потоками МГ и ОР (фиг. 1, а-а).

Конструкцией ЖТ предусмотрен также интенсивный обдув выходных кромок стабилизатора 8 потоком вторичного воздуха (фиг. 1, σ и σ₁ ), что является дополнительной защитой стенок кожухов 7 от контакта с факелом пламени.

Подбором экспериментальным путем расхода вторичного воздуха на обдув кромок и охлаждение стенок кожухов обеспечивается заданная радиальная эпюра Т_Г * на выходе из ЖТ. Можно ожидать, что отсутствие в предлагаемом ФУ дискретных очагов горения за вихревыми горелками, присущих всем известным КС ГТД, позволит получить ровное поле Т_Г * по окружности.

Предлагаемая конструкция ФУ после оптимизации его геометрических характеристик может быть использована в качестве унифицированных модулей для разработки многих типоразмеров КС ГТД авиационного и наземного применения.

Иллюстрации к изобретению RU 2 161 756 C2

Реферат патента 2001 года КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя с двухзонно-последовательным сжиганием преимущественно жидкого и газообразного углеводородных топлив содержит корпус, расположенную в нем жаровую трубу, съемные форсунки малого газа и основного режима перед ней и выносной двухполостный, по крайней мере, топливный коллектор. Фронтовое устройство жаровой трубы выполнено из двух спаренных с щелевым зазором тонкостенных U-образных в сечении стабилизаторов пламени, наружный из которых в лобовой части имеет отверстия, расположенные соосно форсункам, а на выходе - удлиненные полки, скрепленные с кожухом вторичной части жаровой трубы. Внутренний стабилизатор имеет Г-образные патрубки с раструбами на входе соосно форсункам малого газа и соплами внутри полости стабилизатора. В зазоре стабилизаторами установлены группы фасонных тонкостенных патрубков, входные части которых вставлены плотно в соосные форсункам основного режима отверстия наружного стабилизатора, а выходные участки срезами размещены перед отверстиями внутреннего стабилизатора и образуют по окружности непрерывные цепи сегментных по форме сопел. Такое выполнение кольцевой камеры сгорания приводит к повышению полноты сгорания на промежуточных режимах работы. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Формула изобретения RU 2 161 756 C2

1. Кольцевая камера ГТД с двухзонно-последовательным сжиганием преимущественно жидкого и газообразного углеводородных топлив, содержащая корпус, расположенную в нем жаровую трубу, съемные форсунки малого газа и основного режима перед ней и выносной двухполостный, по крайней мере, топливный коллектор с трубопроводами подвода топлива к форсункам, отличающаяся тем, что фронтовое устройство жаровой трубы выполнено из двух спаренных с щелевым зазором тонкостенных U-образных в сечении стабилизаторов пламени, наружный из которых в лобовой части имеет отверстия, расположенные соосно форсункам, и на выходе - удлиненные полки, скрепленные с кожухами вторичной части жаровой трубы, а внутренний стабилизатор - Г-образные патрубки с раструбами на входе соосно форсункам малого газа и соплами внутри полости стабилизатора на выходе загнутых в одном направлении по окружности участков патрубков, при этом полки стабилизатора на кромках имеют отбортовки, а перед ними ряд отверстий, в зазоре между стабилизаторами установлены группы фасонных тонкостенных патрубков, входные части которых вставлены плотно в соосные форсункам основного режима отверстия наружного стабилизатора, причем раздвоенные и плавно обжатые в щелевых зазорах выходные участки срезами размещены перед отверстиями внутреннего стабилизатора и образуют по окружности непрерывные цепи сегментных по форме сопел. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что Г-образные патрубки имеют конфузорно-диффузорные сопла с лепестками в виде гофров и отверстия между ними на кормовой части. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что внутренний стабилизатор по окружности набирается из сегментов и его полки могут быть изготовлены с продольными гофрами с максимальной высотой на кромках.

Для просмотра информации о патентах вам необходимо зарегистрироваться и оплатить 30-ти дневный доступ. Разовый платеж составит 149 рублей (НДС не облагается).

Способ переработки и уничтожения твердых отходов и устройство для его осуществления

Изобретение может быть использовано в установках термического уничтожения твердых отходов, печах и газогенераторах. В способе переработки и уничтожения твердых отходов осуществляют загрузку отходов в камеру газификации, нагрев, сушку, пиролиз и сжигание с образованием продуктов переработки в.

Способ дистанционного управления приводом дверных створок помещений

Изобретение относится к способам дистанционного управления приводом дверных створок помещений, преимущественно животноводческих ферм. Способ дистанционного управления приводом дверных створок помещений путем взаимодействия светового потока излучателя с фотореле, характеризующийся тем, что.

Устройство светолечебное ультрафиолетово-инфракрасного облучения

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, в частности, к устройствам для светолечебного ультрафиолетово-инфракрасного облучения. Устройство содержит один или несколько исполнительных органов, состоящих из первого источника излучения и второго источника инфракрасного излучения.

Лампа кварцевая ультрафиолетовая

Изобретение относится к области светотехнических устройств электрорадиотехники, в частности касается лампы кварцевой ультрафиолетовой, и может быть использовано в составе аппаратов ультрафиолетовых, а также в технологических системах, требующих источник излучения ультрафиолетового диапазона.

Система вентиляции животноводческого помещения

Изобретение относится к системам вентиляции животноводческих помещений. Система вентиляции животноводческого помещения, включающая перфорированное чердачное перекрытие, проем для поступления приточного воздуха в чердачное пространство, вытяжные шахты, воздухоподогреватели, отличающаяся тем, что.

Высокотемпературный источник поверхностной ионизации

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для получения пучков ионов при разделении изотопов или масс-спектрометрии. Высокотемпературный источник поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой снабжен.

Способ сжигания измельчённого твердого топлива и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способу сжигания угля, углеродосодержащих отходов производств из разных областей промышленности и других видов твердого топлива. Устройство для сжигания измельченного твердого топлива состоит их двух ступеней, первая ступень выполнена.

Устройство снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Устройство содержит источник электрического поля, присоединенный к бортовому источнику электроэнергии, высоковольтные электроды, присоединенные к выходам источника электрического поля. Устройство.

Способ и установка для переработки углеродосодержащего сырья

Изобретение относится к области переработки твердых углеродосодержащих материалов и может найти применение при получении не только активированного угля, но и для получения синтез-газа и синтез-топлив в различных отраслях промышленности. Способ для переработки углеродосодержащего сырья включает.

Устройство светолечебное ультрафиолетово-инфракрасного облучения

Лампа кварцевая ультрафиолетовая

Система вентиляции животноводческого помещения

Высокотемпературный источник поверхностной ионизации

Способ сжигания измельчённого твердого топлива и устройство для его осуществления

Устройство снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания

Способ термической переработки и утилизации углеродосодержащих веществ

Изобретение относится к области термической переработки и утилизации веществ, содержащих углеводородные компоненты, и может найти применение в установках термического уничтожения твердых отходов, в печах и газогенераторах, в устройствах, использующих сжигание и утилизацию энергии.

Комплекс для переработки твердых отходов

Изобретение относится к комплексной переработке твердых отходов и может быть использовано для утилизации органических твердых бытовых и иных твердых отходов. Техническим результатом является упрощение конструкции системы, повышение ее надежности, повышение эффективности переработки бытовых.

Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод

Изобретение относится к комплексной переработке отходов сточных вод и может быть использовано при переработке иловых осадков сточных вод, осадков избыточного ила из сооружений биологической очистки и продуктов, загрязняющих окружающую среду и образующихся в результате процесса.

Способ термохимической переработки и утилизации твёрдых измельчённых веществ, содержащих углеводороды, и установка для его осуществления

Изобретение относится к области термохимической переработки и утилизации твердых веществ, содержащих углеводороды, и может найти применение в установках газификации веществ, содержащих углеводороды. Техническим результатом является повышение эффективности технологического процесса. Способ.

Камеры сгорания газовых турбин в составе газотурбинной установки (ГТУ)

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В современных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кислород воздуха. Воздух повышенного Давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (рабочее тело) направляется в газовую турбину.

Рис.1. Камера сгорания ГТУ:
1 - подвод топлива, 2 - регистр, 3 — пламенная труба,
4 - смеситель, 5 - зона смешения, 6 - зона горения,
7 - корпус, 8 - топливораздающее устройство (форсунка)

Простейшая камера сгорания газотурбинной установки (рис.1) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 подает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания газотурбинных установок зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгорания ГТУ на несколько типов.

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок

Так, камеры сгорания бывают выносные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а встроенные находятся непосредственно в корпусе.

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом.

Рис.2. Газотурбинные установки с выносной (а) и встроенными (б) камерами сгорания:
1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - камера сгорания, 4 - регенератор

Расположения выносной камеры сгорания в ГТУ с регенерацией теплоты и встроенной камеры показаны на рис.2,а,б

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными (рис.3,а—в), а также - индивидуальными (см. рис.1). Кольцевые камеры сгорания (рис.3,а) наиболее легки компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора 2.

Рис.3. Встроенные камеры сгорания:
а - кольцевая, б - трубчато-кольцевая, в - секционная;
1, 5 - внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 - ротор,
3,4 - внутренняя и наружная обечайки плененной трубы,
6 - регистры, 7 - патрубки переброски пламени,
в - пламенная труба, 9 - корпус

Рабочий объем кольцевой камеры сгорания представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренней 3 и наружной 4 обечайками пламенной трубы. Кольцевые камеры сгорания, работающие на жидком топливе, применяются преимущественно в авиации, так как при больших размерах они становятся ненадежными. В стационарных ГТУ используются кольцевые микрофакельные камеры сгорания, работающие на газе.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис.3,б) имеют несколько пламенных труб 8, расположенных в общем корпусе вокруг оси турбокомпрессора (обычно их 6-12) и соединенных патрубками 7 для переброски пламени. Это необходимо при пуске, а также случайном погасании факела в одной из пламенных труб. Вторичный воздух омывает пламенные трубы снаружи. Продукты сгорания попадают в общий кольцевой патрубок, а из него - в газовую турбину.

Секционные камеры сгорания газотурбинных установок (рис.3,в) состоят из нескольких одинаковых камер сгорания, расположенных вокруг оси турбокомпрессора в собственных корпусах 9, соединенных патрубками 7. Продукты сгорания попадают в турбину из общего кольцевого коллектора. Секционные камеры сгорания самые большие по габаритам, однако наиболее удобные при ремонте, так как разборки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспортных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие признаки трубчато-кольцевых, секционных и индивидуальных.

Кроме того, камеры сгорания можно разделить по роду сжигаемого топлива - жидкого, газообразного, твердого.

Камеры сгорания, в которых сжигают жидкое и газообразное топливо, отличаются размерами горелочных устройств, а для сжигания твердого топлива имеют дополнительные устройства для удаления золы. Пока камеры сгорания для сжигания твердого топлива находятся в опытной эксплуатации.

По направлению потоков камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразделяются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные (рис.4).

Рис.4. Многогорелочная камера сгорания:
1 - корпус пламенной трубы, 2 - регистры,
3 - каналы для прохода воздуха

Одним из основных элементов любой камеры сгорания является пламенная труба. На рис.5 показана пламенная труба, состоящая из отдельных обечаек, вставленных друг в друга. Между обечайками остается зазор, так как они отделены друг от друга волнистой лентой, приваренной к наружной обечайке контактной сваркой.

Рис.5. Пламенная труба из обечаек:
1 - обечайки, 2 - регистр, 3 - смеситель, 4 - волнистая лента

Рис.6. Двухстенная пламенная труба (а) и схемы ее охлаждения (б,в,г):
1 - регистр, 2,3 - наружная и внутренняя стенки, 4 - смеситель,
5 - ребра, 6 - отверстия для прохода воздуха, 7 - штифты,
8 - гофрированная внутренняя стенка

На рис.6,а показана двухстенная пламенная труба, а на рис.6,б-г различные схемы ее охлаждения. Внутренняя стенка 3 (рис.6,б,в) может иметь ребра 5, на которых держится наружная стенка 2, или не иметь их. Внутренняя стенка может быть также гофрированной <рис.6,г) и крепится к наружной специальными штифтами 7.

Особое внимание обращают на организацию охлаждения пламенной трубы, так как температура среды внутри нее достигает 1500—1800°С. В пламенной трубе, показанной на рис.5, небольшое количество вторичного воздуха проходит в кольцевые щели между обечайками и образует на ее внутренней поверхности защитную пленку, отделяющую стёнку трубы от пламени.

Такой слой создается при любой схеме охлаждения. В стенках двухстенной пламенной трубы (рис.6,а-г) выполняются отверстия 6, через которые проходит охлаждающий воздух, создающий защитную пленку. Кроме того, применяют одновременное охлаждение через кольцевые щели и отверстия.

Теплота передается к стенкам пламенной трубы в основном от светящегося факела пламени лучеиспусканием. Несмотря на охлаждение, стенки пламенных труб имеют высокую температуру и поэтому изготавливаются из жаростойкой стали. Форсунки предназначены для подачи жидкого топлива в камеру сгорания. Эффективность сжигания жидкого топлива в первую очередь зависит от качества распыливания. При плохом распыливании появляется механический недожог, вызывающий снижение экономичности, закоксовывание камер сгорания и опасность разрушения проточной части турбины отрывающимися коксовыми наростами.

Жидкое топливо не горит, горят его пары. Скорость испарения капель пропорциональна их поверхности. Чем лучше распылено топливо, тем больше площадь его соприкосновения с воздухом и тем быстрее оно испаряется и сгорает.

Форсунки должны обеспечивать высокое качество распыливания при всех возможных режимах работы (расход топлива может изменяться от 10 до 100%), иметь простую конструкцию и быть взаимозаменяемыми.

Для распыливания жидкого топлива в ГТУ применяют форсунки двух типов: механические и пневматические. Преимуществом механических форсунок является компактность, малая затрата энергии на распыление и удачное взаимодействие топливного факела с воздухонаправляющим устройством завихривающего типа. В пневматических форсунках топливо дробится с помощью сжатого воздуха или пара, для чего на ГТУ должен иметься их источник. Давление воздуха или пара должно быть намного больше давления в камере сгорания, что является основным недостатком пневматических форсунок.

Рассмотрим принцип действия форсунок различных типов.

Простейшая механическая форсунка (рис.7) имеет распылитель, который выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 и вставки 3.

Рис.7. Механическая форсунка ГТУ:
1 - корпус, 2 - канал для подвода топлива, 3 - вставка,
4 - вихревая камера, 5 - тангенциальный канал, 6 — сопло

Жидкое топливо из камеры, расположенной между корпусом и вставкой, попадает в камеру завихрения 4 через тангенциальные каналы 5, закручивается и в виде кольцевой струи вытекает из сопла 6. Сплошная кольцевая струя I (рис.8), вытекающая из форсунки, неустойчива и при высоких скоростях истечения распадается под действием гидродинамических сил сначала на крупные куски пленки II, а затем на мелкие капли III.

Рис.8. Схема образования капель топлива при вытекании из сопла

Изменять расходы топлива в простейшей форсунке можно, изменяя давление перед ней. Однако от перепада давлений зависит тонкость распыливания. Уменьшение расхода топлива на 60% приводит к увеличению диаметра капли в 1,85 раза. Такое распыливание неудовлетворительно.

Простейшим способом его улучшения является замена односоплового распылителя групповым, состоящим из 3—6 форсунок. При этом изменяют расход в основном отключением отдельных форсунок и регулируют давление в каждой из них в узких пределах.

Рис.9. Механическая форсунка с изменяемым сечением тангенциальных каналов:
1 - корпус, 2 - вставка, 3 - поршень, 4 - тангенциальные каналы, 5 - сопло

Усложнив конструкцию форсунки, можно изменять расход топлива, изменяя сечения тангенциальных каналов (рис.9). Во вставке 2 выполнено несколько отверстий 4 разной длины. При перемещении поршня 3 изменяется площадь их проходного сечения и, следовательно, расход топлива через форсунку.

Рис.10. Механическая форсунка с обратным сливом:
1 - корпус, 2 - вставка, 3 - клапан, 4 - камера отвода топлива,
5 - завихритель, 6 - сопло

Применяется также регулирование расхода топлива с помощью обратного слива (рис.10). В таких форсунках не все топливо, поступающее в них, попадает в камеру сгорания. Часть его из камеры 4 возвращается обратно на всас топливного насоса (на рециркуляцию).

Перемещая клапан 3, можно регулировать количество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют больших циркуляционных расходов топлива.

Рис.11. Пневматическая форсунка:
1 - корпус, 2 - ленточная резьба, 3 - вставка,
4 - отверстия для подвода топлива, 5 - зазор

В корпусе 1 пневматической форсунки (рис.11) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы ленточной резьбы 2, а внутри - отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под большим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каждый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.

Рис.12. Плотность орошения механическими (а) и пневматическими (б) форсунками

Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с конусом распыливания (рис.12,а), а пневматические — в центр факела (рис.12,б), причем по периферии его располагаются более мелкие фракции, что является преимуществом этих форсунок.

Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок.

Горелки всех типов, имеют, внутреннюю и наружную части корпуса, в кольцевое пространство между которыми подается воздух. Газ поступает через полость. Выходит воздух из горелок между лопатками.

Обычно в горелки встраивают форсунки, которые позволяют использовать также жидкое топливо.

Читайте также:

Кольцевая камера сгорания реферат

Типы основных камер сгорания и организация процесса горения в них

Похожие патенты RU2161756C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 161 756 C2

Реферат патента 2001 года КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ

Формула изобретения RU 2 161 756 C2

Способ переработки и уничтожения твердых отходов и устройство для его осуществления

Способ дистанционного управления приводом дверных створок помещений

Устройство светолечебное ультрафиолетово-инфракрасного облучения

Лампа кварцевая ультрафиолетовая

Система вентиляции животноводческого помещения

Высокотемпературный источник поверхностной ионизации

Способ сжигания измельчённого твердого топлива и устройство для его осуществления

Устройство снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания

Способ и установка для переработки углеродосодержащего сырья

Устройство светолечебное ультрафиолетово-инфракрасного облучения

Лампа кварцевая ультрафиолетовая

Система вентиляции животноводческого помещения

Высокотемпературный источник поверхностной ионизации

Способ сжигания измельчённого твердого топлива и устройство для его осуществления

Устройство снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания

Способ термической переработки и утилизации углеродосодержащих веществ

Комплекс для переработки твердых отходов

Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод

Способ термохимической переработки и утилизации твёрдых измельчённых веществ, содержащих углеводороды, и установка для его осуществления

Камеры сгорания газовых турбин в составе газотурбинной установки (ГТУ)

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок