способ и устройство для сжигания топлива

Формула изобретения

1. Способ сжигания топлива, при котором создают сильнозакрученный воздушный поток, в начало которого подают топливо, что ведет к образованию топливовоздушной смеси, движение которой формируют как внешнее, в виде периферийного вихря, находящегося в противотоке к движению продуктов сгорания, которое формируют как внутреннее, в виде приосевого вихря, при этом начало формирования топливовоздушной смеси и выход продуктов сгорания находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, отличающийся тем, что дополнительно к потоку топливовоздушной смеси основной камеры сгорания создают поток топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания, поджигают его, а выход продуктов сгорания направляют в начало формирования топливовоздушной смеси периферийного вихря по направлению его вращения, при этом формирование топливовоздушной смеси, ее воспламенение и сжигание осуществляют в периферийном вихре, а дожигание и разбавление - в приосевом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс сжигания топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выход продуктов сгорания первичной зоны осуществляют со скоростями максимальными для данного давления.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве топлива первичной камеры сгорания выбирают топливо с наибольшей величиной теплоты сгорания.

5. Устройство для сжигания топлива, выполненное в виде вихревой камеры сгорания, содержащей жаровую трубу, расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания завихритель и канал выхода продуктов сгорания, топливные форсунки, отличающееся тем, что дополнительно к основной камере сгорания в него введена, как минимум, одна первичная камера сгорания, расположенная в сечении, перпендикулярном центральной оси жаровой трубы основной камеры сгорания, и содержащая 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, причем первичная камера сгорания расположена за завихрителем основной камеры сгорания.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что топливные форсунки основной камеры сгорания расположены в сечении размещения первичной камеры сгорания.

7. Устройство для сжигания топлива, выполненное в виде вихревой камеры сгорания, содержащей жаровую трубу, расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, топливные форсунки, отличающееся тем, что дополнительно к основной камере сгорания в него введена, как минимум, одна первичная камера сгорания, расположенная в сечении, перпендикулярном центральной оси жаровой трубы основной камеры сгорания, и содержащая 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, причем первичная камера сгорания и завихритель основной камеры сгорания расположены в одном сечении.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что завихритель основной камеры сгорания выполнен тангенциальным.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что топливные форсунки основной камеры сгорания расположены в тангенциальных каналах завихрителя основной камеры сгорания.

10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что каналы выхода продуктов сгорания первичной камеры сгорания расположены в тангенциальных каналах завихрителя основной камеры сгорания.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области сжигания топлива и может найти применение в воздушно-реактивных двигателях, в газотурбинных, топочных и теплоэнергетических установках, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов.

Известен способ сжигания топлива, при котором предварительно разделяют воздушный поток на центральный и периферийный закрученные потоки, смешивают их с образованием циркуляционных зон и подают в эти зоны топливо, причем периферийный поток разделяют на отдельные струи, которые дополнительно закручивают в виде вихрей (см. а.с. СССР 1071872).

Из известных способов сжигания топлива наиболее близким к заявляемому является способ, реализованный кольцевой камерой сгорания по патенту SU 1726917 А1. По этому способу создают сильнозакрученный воздушный поток, в начало которого подают топливо, что ведет к образованию топливовоздушной смеси, ее последующему воспламенению и сжиганию, движение топливовоздушной смеси формируют как внешнее в виде периферийного вихря, находящегося в противотоке к движению продуктов сгорания, которое формируют как внутреннее в виде приосевого вихря, при этом начало формирования топливовоздушной смеси и выход продуктов сгорания находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, плотность топливовоздушной смеси, которую вводят в зону горения, увеличивается по мере удаления от сформировавшегося потока продуктов сгорания, фронт пламени проходит по границе раздела области движения топливовоздушной смеси продуктов сгорания по всей длине жаровой трубы, в передней части которой фронт пламени образует тороидальный вихрь, центральная ось которого совпадает с центральной осью камеры сгорания.

Известные способы сжигания топлива не обеспечивают достаточно надежного запуска и устойчивой работы на газообразном и жидком забалластированном как негорючими компонентами, так и водой топливе и не позволяют интенсифицировать процесс сжигания топлива с низкой теплотой сгорания. Это значительно сужает область их применения.

Известна вихревая камера сгорания, содержащая наружный и внутренний кожух, кольцевую жаровую трубу, кольцевой выпускной диффузор, лопаточный завихритель, топливный коллектор, содержащий несколько струйных форсунок, расположенных в межлопаточном канале завихрителя и направленных против потока воздуха, поступающего в межлопаточный канал, воспламеняющее устройство (см. "Новости зарубежной науки и техники", 1985, 11, с. 18-23).

Из известных камер сгорания наиболее близкой к заявляемой является кольцевая камера сгорания по патенту SU 1726917 А1. Она содержит корпус, кольцевую жаровую трубу, фронтовое устройство, выполненное в виде лопаточного завихрителя и топливных форсунок, размещенных между лопатками завихрителя, канал выхода продуктов сгорания, воспламеняющее устройство. Фронтовое устройство и канал выхода продуктов сгорания размещены в одной плоскости жаровой трубы, перпендикулярной центральной оси камеры сгорания.

Известные камеры сгорания также не обеспечивают надежного запуска и устойчивой работы на газообразном и жидком забалластированном как негорючими компонентами, так и водой топливе и не позволяют интенсифицировать процесс сжигания топлива с низкой теплотой сгорания, что существенно сужает область применения известных камер сгорания.

Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение - повышение надежности запуска и устойчивой работы на газообразном и жидком забалластированном как негорючими компонентами, так и водой топливе и обеспечение интенсификации процесса сжигания топлива с низкой теплотой сгорания, что значительно расширяет область их применения.

Техническая задача решается тем, что способ сжигания топлива, при котором создают сильнозакрученный воздушный поток, в начало которого подают топливо, что ведет к образованию топливовоздушной смеси, движение которой формируют как внешнее в виде периферийного вихря, находящегося в противотоке к движению продуктов сгорания, которое формируют как внутреннее в виде приосевого вихря, при этом начало формирования топливовоздушной смеси и выход продуктов сгорания находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, отличающийся тем, что дополнительно к потоку топливовоздушной смеси в основной камере сгорания создают поток топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания, поджигают его, а выход продуктов сгорания направляют в начало формирования топливовоздушной смеси периферийного вихря по направлению его вращения, при этом формирование топливовоздушной смеси, ее воспламенение и сжигание осуществляют в периферийном вихре, а дожигание и разбавление - в приосевом. Процесс сжигания топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице, выход продуктов сгорания из первичной камеры сгорания осуществляют со скоростями, максимальными для данного давления. В качестве топлива первичной камеры сгорания выбирают топливо с наибольшей величиной теплоты сгорания.

По первому варианту в устройство, выполненное в виде вихревой камеры сгорания, содержащей жаровую трубу, расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, топливные форсунки, дополнительно к основной камере сгорания введена, как минимум, одна первичная камера сгорания, расположенная в сечении, перпендикулярном центральной оси жаровой трубы основной камеры сгорания, и содержащая 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, причем первичная камера сгорания расположена за завихрителем основной камеры сгорания. Топливные форсунки основной камеры сгорания расположены в сечении размещения первичной камеры сгорания.

По второму варианту в устройство для сжигания топлива, выполненное в виде вихревой камеры сгорания, содержащей жаровую трубу, расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, топливные форсунки, дополнительно к основной камере сгорания введена, как минимум, одна первичная камера сгорания, расположенная в сечении, перпендикулярном центральной оси жаровой трубы основной камеры сгорания, и содержащая 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, причем первичная камера сгорания и завихритель основной камеры сгорания расположены в одном сечении. Завихритель основной камеры сгорания выполнен тангенциальным, а топливные форсунки основной камеры сгорания и каналы выхода продуктов сгорания первичной камеры сгорания расположены в его тангенциальных каналах.

Для повышения интенсификации процесса сжигания топлива количество первичных камер сгорания в устройстве (и по первому, и по второму вариантам) увеличивают, располагая их равномерно по окружности, при этом размещение первичных камер сгорания по окружности может чередоваться с размещением топливных форсунок основной камеры сгорания.

Наличие первичной камеры сгорания, работающей на топливе с повышенным значением теплоты сгорания, обеспечивает надежный запуск и устойчивую работу основной камеры сгорания, работающей на топливе с пониженным значением теплоты сгорания, путем изменения соотношения расходов топливовоздушной смеси между первичной и основной камерами сгорания.

Автономность режима работы первичной камеры сгорания от основной позволяет осуществить режим ее работы, близкий к стехиометрическому, на котором температура продуктов сгорания на выходе из нее и входе в основную камеру сгорания будет максимальной, что способствует повышению качества процессов смесеобразования и стабилизации горения в основной камере сгорания.

При наличии автономного источника питания воздухом первичной камеры сгорания, обеспечивающего ей работу на режиме с критическим истечением продуктов сгорания из выходного канала, позволяет ей осуществить режим работы, независимый от газодинамической структуры потока в основной камере сгорания, и, тем самым, обеспечить ее надежную работу при изменении в ней расходных характеристик и качества основного топлива в процессе работы, связанного с изменением удельной теплоты сгорания топлива.

При сжигании пиролизного газа, получаемого при переработке органических отходов, наличие высокотемпературной зоны в периферийном вихре обеспечивает режим работы с развалом практически всех органических составляющих пиролизного газа и невозможность их образования вновь, что крайне важно при сжигании топлив с хлорорганическими компонентами.

Увеличение количества первичных камер сгорания особенно существенно при увеличении их производительности. С ростом количества первичных камер сгорания обеспечивается более равномерный по окружности ввод продуктов сгорания из первичных камер сгорания в периферийный вихрь основной камеры сгорания, что приводит к более равномерному в окружном направлении периферийного вихря качеству организации топливовоздушной смеси и ее начальным процессам сгорания. Кроме того, увеличение количества первичных камер сгорания приводит к более равномерной структуре потока как внутри жаровой трубы основной камеры сгорания, так и на ее выходе. Это связано с уменьшением прецессии вихря в жаровой трубе основной камеры сгорания, вызванным более равномерным вводом в нее тангенциальных потоков первичной камеры сгорания. Все это приводит к увеличению устойчивости работы устройства в целом, к расширению диапазона надежной по срыву режима работы. Кроме того, более равномерная структура потока на выходе из основной камеры сгорания уменьшает нестационарность статического давления в выходном сечении основной камеры сгорания и, тем самым, улучшает ее акустические характеристики.

Таким образом, введенные в способ и устройства для сжигания топлива новые отличительные признаки в совокупности с известными позволяют решить поставленную задачу, а именно: повысить надежность запуска и устойчивость работы на газообразном и жидком забалластированном как негорючими компонентами, так и водой топливе и обеспечить интенсификацию процесса сжигания топлива с низкой теплотой сгорания, что значительно расширяет область их применения.

Кроме того, предлагаемые технические решения за счет наличия в устройствах высокотемпературных зон с малым временем пребывания в них продуктов сгорания и с дальнейшим дожиганием и разбавлением воздухом продуктов сгорания в приосевом вихре основной камеры сгорания позволяют значительно снизить выбросы вредных компонентов и обеспечить режим работы с выбросами NO_x, CO, СН_х ниже санитарных норм.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дано устройство (вар. I), продольный разрез, на фиг.2 - то же, разрез по А-А; на фиг. 3 - то же, разрез по Б-Б; на фиг.4 - устройство (вар. II), продольный разрез; на фиг.5 - то же, разрез по А-А.

Способ осуществляют следующим образом. Воздух от внешнего источника разделяют на два потока, один из которых подают в основную, а другой - в первичную камеры сгорания. В периферийной области основной камеры сгорания создают сильнозакрученный воздушный поток - периферийный вихрь, который в приосевой области возбуждает приосевой вихрь, направление движения которого противоположно направлению движения периферийного вихря. Начало формирования периферийного вихря и выход приосевого вихря (выход продуктов сгорания) находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей.

В первичной камере сгорания создают воздушный поток, который, выходя из нее, поступает в периферийный вихрь основной камеры сгорания, при этом направление движения потока первичной камеры совпадает с направлением вращения периферийного вихря. Подавая основное топливо в начало формирования периферийного вихря, в нем создают поток топливовоздушной смеси. В воздушный поток первичной камеры сгорания подают первичное топливо, формируют поток топливовоздушной смеси, которую поджигают от внешнего источника тепловой энергии, сжигают ее с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице. Поток продуктов сгорания первичной камеры сгорания, имеющий высокую температуру и скорость, максимальную для данного давления, выбрасывается тангенциально в топливовоздушную смесь периферийного вихря основной камеры сгорания, поджигая ее и стабилизируя процесс горения, который заканчивается в приосевом вихре. Таким образом, формирование топливовоздушной смеси, ее воспламенение и сжигание осуществляют в периферийном вихре, а дожигание и разбавление - в приосевом.

При сжигании различных топлив в качестве топлива первичной камеры сгорания выбирают топливо с наибольшей величиной теплоты сгорания.

Устройство для сжигания топлива (вар.1, фиг.1) содержит основную вихревую камеру сгорания 1 и первичную камеру сгорания 2. Основная камера сгорания 1 содержит жаровую трубу 3, завихритель 4, канал выхода продуктов сгорания 5, топливные форсунки 6, рубашку охлаждения 7 с патрубком для ввода воздуха в рубашку охлаждения 8. Завихритель 4 и канал выхода продуктов сгорания 5 расположены в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания 1. Завихритель 4 выполнен в виде регулируемого лопаточного завихрителя. Рубашка охлаждения 7 выполнена в виде кольцевого канала, внутренняя поверхность которого образована наружной поверхностью жаровой трубы 3, а наружная - внутренней поверхностью цилиндрической оболочки 9. Выход из рубашки 7 соединен со входом в завихритель 4 камеры сгорания 1. Первичная камера сгорания 2 (фиг.2) содержит жаровую трубу 10, завихритель 11, топливные форсунки 12, воспламеняющее устройство (внешний источник тепловой энергии) 13, канал выхода продуктов сгорания 14, направленный тангенциально к боковой поверхности жаровой трубы 3, по направлению вращения потока, выходящего из завихрителя 4. Топливные форсунки 6 (фиг.2) основной камеры сгорания 1 расположены в сечении первичной камеры сгорания 2. Патрубок 8 (фиг.3) установлен по касательной к внутренней поверхности оболочки 9. Пример конкретного выполнения устройства по первому варианту представлен с лопаточным завихрителем, хотя в нем может быть использован и тангенциальный завихритель.

Устройство для сжигания топлива (вар.II, фиг.4, фиг.3) отличается от устройства по первому варианту тем, что первичная камера сгорания 2 и завихритель основной камеры сгорания 4 расположены в одном сечении. Завихритель основной камеры сгорания 4 (фиг.5) выполнен тангенциальным, а топливные форсунки 6 основной камеры сгорания 1 и каналы выхода продуктов сгорания 14 расположены в тангенциальных каналах завихрителя 4.

Вид и качество сжигаемого топлива, производительность устройства, потребный диапазон устойчивой работы, сложность конструктивного выполнения и другие факторы определяют выбор первого или второго варианта предлагаемого устройства.

Устройство для сжигания топлива работает следующим образом. Воздух от внешнего источника разделяют на два потока. Один поток через патрубок 8 поступает в рубашку охлаждения 7 камеры сгорания 1. Другой поток подводится к первичной камере сгорания 2. Первичное топливо подается к топливным форсункам 12 первичной камеры сгорания 2, а основное топливо к форсункам 6 основной камеры сгорания 1. Поскольку патрубок 8 выполнен по касательной к внутренней поверхности оболочки 9, в кольцевом канале рубашки охлаждения образуется вихревое движение воздуха, перемещающегося от патрубка 8 к завихрителю 4. Это приводит к охлаждению стенок жаровой трубы 3 с аккумуляцией теплоты воздухом, поступающим в завихритель 4, откуда в жаровую трубу 3. В периферийной области жаровой трубы 3 основной камеры сгорания 1 создается сильнозакрученный воздушный поток - периферийный вихрь, перемещающийся в противоположном от завихрителя 4 направлении. В приосевой области жаровой трубы 3 возбуждается приосевой вихрь, направление движения которого противоположно направлению движения периферийного вихря. Таким образом, в жаровой трубе 3 формируется сильнозакрученный поток топливовоздушной смеси с высоким радиальным градиентом статического давления, с двумя вихрями - периферийным и приосевым. Начало формирования периферийного вихря и выход приосевого вихря из жаровой трубы 3 находятся в одном сечении, перпендикулярном центральной оси периферийного и приосвого вихрей. В жаровой трубе 10 первичной камеры сгорания 2 при подаче в нее воздуха и первичного топлива происходит формирование топливовоздушной смеси, которая поджигается внешним источником тепловой энергии 13 и сжигается с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице. В результате процесса сжигания топливовоздушной смеси из канала выхода продуктов сгорания 14 первичной камеры сгорания 2 выходит высокотемпературный поток продуктов сгорания со скоростью, максимальной для данного давления, который поступает тангенциально в формирующуюся топливовоздушную смесь периферийного вихря основной камеры сгорания 1, причем вектор скорости потока продуктов сгорания, выходящий из канала 14, совпадает с вектором скорости тангенциальной составляющей периферийного вихря. В результате этого в периферийной области жаровой трубы 3, в периферийном вихре, формируется высокотемпературное вихревое течение продуктов сгорания первичной камеры сгорания 2, в котором интенсифицируются процессы образования топливовоздушной смеси, образующей первоначально периферийный вихрь. При контакте этой топливовоздушной смеси с высокотемпературным вихревым течением она воспламеняется и сгорает. Процесс дожигания, разбавления и формирования продуктов сгорания с заданными параметрами продолжается в приосевом вихре, заканчиваясь в канале выхода продуктов сгорания 5 основной камеры 1.

Заданные параметры продуктов сгорания на выходе из камеры 1 обеспечиваются абсолютной величиной скорости потока в области начала формирования первичного вихря, скоростью продуктов сгорания на выходе из первичной камеры сгорания 2, коэффициентом избытка воздуха в первичной и в основной камерах сгорания, размещением первичной камеры сгорания, топливных форсунок основной камеры сгорания и количеством первичных камер сгорания.

Кроме того, при использовании регулируемого лопаточного завихрителя заданные параметры обеспечиваются управлением вектора скорости.