способ и устройство для сжигания топлива

Формула изобретения

1. Способ сжигания топлива, при котором создают сильнозакрученный воздушный поток в периферийной зоне основной камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне основной камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильнозакрученный воздушный поток - приосевой вихрь, отличающийся тем, что дополнительно создают сильнозакрученный воздушный поток в первичной камере сгорания и формируют в ней поток топливовоздушной смеси, которую затем поджигают и сжигают в первичной камере, а дожигание и разбавление продуктов сгорания первичной камеры осуществляют в приосевом вихре основной камеры сгорания, при этом выход продуктов сгорания приосевого вихря и начало формирования периферийного вихря находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, причем для образования потока топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания в ней создают сильнозакрученный активный поток, формирующий в плоскости его образования структуру потока с высоким радиальным градиентом статического давления, в качестве которого используют предварительно разогнанный сильнозакрученный поток первичного воздуха, и пассивный поток, в качестве которого используют топливо, поступающее в центральную часть создаваемого активного потока за счет формирования высоким радиальным градиентом статического давления высокого осевого градиента статического давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток первичного воздуха разгоняют до критической скорости.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наружный диаметр периферийного вихря увеличивают в направлении осевой составляющей скорости.

4. Устройство для сжигания топлива, включающее 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, отличающееся тем, что дополнительно включает первичную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройства подвода топлива и первичного воздуха, завихритель и воспламеняющее устройство, причем первичная камера сгорания установлена перед основной соосно с последней, жаровые трубы камер сгорания соединены, а устройство подвода топлива и выполненный в виде закручивающего соплового аппарата завихритель первичной камеры сгорания расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры, при этом устройство подвода первичного воздуха выполнено в виде сопла и расположено в закручивающем сопловом аппарате.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что поверхность жаровой трубы первичной камеры сгорания образована вращением лемнискаты вокруг ее центральной оси с уменьшением диаметра в направлении жаровой трубы основной камеры сгорания с последующим плавным переходом в цилиндрическую поверхность.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что поверхность жаровой трубы основной камеры, выполненная цилиндрической или конической с увеличением диаметра в направлении жаровой трубы первичной камеры сгорания с углом раскрытия, большим ^o, но меньшим или равным 12^o, переходит в торовую поверхность, в центральной части соединенную с цилиндрической поверхностью жаровой трубы первичной камеры сгорания.

7. Устройство по любому из пп. 4, 6, отличающееся тем, что длина жаровой трубы основной камеры сгорания равна не менее двух ее диаметров в сечении завихрителя вторичного воздуха.

8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что справа от завихрителя вторичного воздуха расположен дополнительный завихритель, проточная часть которого с одной стороны связана с устройством подвода вторичного воздуха, а с другой - с проточной частью соплового отверстия канала выхода продуктов сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сжигания топлива и может найти применение в газотурбинных двигателях и энергетических установках, топочных и теплоэнергетических установках, установках по переработке и утилизации бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов и отходов деревообрабатывающей промышленности.

Известен способ сжигания топлива, при котором создают сильнозакрученный воздушный поток, в начало которого подают топливо, что ведет к образованию топливовоздушной смеси, ее последующему воспламенению и сжиганию, а 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, а 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 и 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 (см. патент SU 1726971 А1, 15.04.1992).

Этот способ принят в качестве прототипа.

Известный способ сжигания топлива не обеспечивает устойчивого режима работы и высокой полноты сгорания при низком положительном перепаде давления между подаваемым воздухом и топливом и не может быть реализован при давлении топлива на входе, равного или ниже давления подаваемого воздуха. Это значительно сужает область применения.

Известна вихревая камера сгорания, содержащая 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 (см. патент SU 1726971 А1, 15.04.1992).

Это устройство принято в качестве прототипа.

Известное устройство для сжигания топлива также не обеспечивает устойчивого режима работы и высокой 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 ниже давления подаваемого воздуха. Это значительно сужает область применения.

Техническая задача, которую решает изобретение, - обеспечение устойчивого режима работы и высокой полноты сгорания при низком положительном перепаде давления между подаваемым воздухом и топливом и осуществление процесса сжигания топлива при давлении топлива на входе, равного или ниже давления подаваемого воздуха, что значительно расширяет область их применения.

Техническая задача решается тем, что в способе сжигания топлива, при котором создают сильнозакрученный воздушный поток в периферийной зоне основной камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне основной камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильнозакрученный воздушный поток - приосевой вихрь, согласно изобретению дополнительно создают сильнозакрученный воздушный поток в первичной камере сгорания и формируют в ней поток топливовоздушной смеси, которую затем поджигают и сжигают в первичной камере, а дожигание и разбавление продуктов сгорания первичной камеры осуществляют в приосевом вихре основной камеры сгорания, при этом выход продуктов сгорания приосевого вихря и начало формирования периферийного вихря находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, причем для образования потока топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания в ней создают сильнозакрученный активный поток, формирующий в плоскости его образования структуру потока с высоким радикальным градиентом статического давления, в качестве которого используют предварительно разогнанный сильнозакрученный поток первичного воздуха, и пассивный поток, в качестве которого используют топливо, поступающее в центральную часть создаваемого активного потока за счет формирования высоким радиальным градиентом статического давления высокого осевого градиента статического давления.

Кроме того, поток первичного воздуха разгоняют до критической скорости, а наружный диаметр периферийного вихря увеличивают в направлении осевой составляющей скорости.

В устройстве, включающем основную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройство подвода вторичного воздуха, расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания согласно изобретению, эта задача решается тем, что оно дополнительно включает первичную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройства для подвода топлива и первичного воздуха, завихритель и воспламеняющее устройство, причем первичная камера сгорания установлена перед основной, соосно последней, жаровые трубы камер сгорания соединены, а устройство подвода топлива и выполненный в виде закручивающего соплового аппарата завихритель первичной камеры сгорания расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, при этом устройство подвода первичного воздуха выполнено в виде сопла и расположено в закручивающем сопловом аппарате. Поверхность жаровой трубы первичной камеры сгорания образована вращением лемнискаты вокруг ее центральной оси с уменьшением диаметра в направлении жаровой трубы основной камеры сгорания с последующим плавным переходом в цилиндрическую поверхность. Поверхность жаровой трубы основной камеры сгорания, выполненная цилиндрической или конической с увеличением диаметра в направлении жаровой трубы первичной камеры сгорания с углом раскрытия большим 0^o, но меньшим или равным 12^o, переходит в торовую поверхность, в центральной части соединенную с цилиндрической поверхностью жаровой трубы первичной камеры сгорания, а длина жаровой трубы основной камеры сгорания составляет не менее двух ее диаметров в сечении завихрителя вторичного воздуха, справа от которого расположен дополнительный завихритель, проточная часть которого с одной стороны связана с устройством подвода вторичного воздуха, а с другой - с проточной частью соплового отверстия канала выхода продуктов сгорания.

В предлагаемом процессе сжигания топлива создание сильнозакрученного активного потока и пассивного потока вызывает повышение перепада статического давления между подаваемым топливом и потоком сильнозакрученного первичного воздуха, в который подается это топливо. Рост радиального градиента статического давления снижает уровень статического давления в приосевой зоне жаровой трубы первичной камеры сгорания, увеличивает осевой перепад статического давления, приводящий к росту осевых скоростей подаваемого топлива, к увеличению его расхода. Рост осевых скоростей подаваемого топлива, увеличение пути пробега топлива в зоне формирования сильнозакрученного потока первичного воздуха, наличие газодинамической связи первичной камеры сгорания и приосевой зоны основной камеры сгорания, способствующее увеличению осевого градиента статического давления в зоне подачи топлива, приводит к повышению качества процесса формирования топливовоздушной смеси. Улучшение качества формируемой топливовоздушной смеси повышает устойчивость режима работы и полноту сгорания при низком положительном перепаде давления между подаваемым воздухом и топливом, позволяет реализовать процесс сжигания топлива при давлении топлива на входе, равном или ниже давления подаваемого воздуха. Кроме того, при использовании предлагаемого способа и устройства значительно снижается уровень вредных выбросов с продуктами сгорания, а наличие дополнительного завихрителя в основной камере сгорания способствует появлению в периферийной зоне канала выхода продуктов сгорания закрученного потока вторичного воздуха, выполняющего роль тепловой завесы стенок канала от высокотемпературных потоков продуктов сгорания, что особенно важно при реализации режима работы, близкого к стехиометрическому.

Таким образом, введенные в способ и устройство для сжигания топлива новые отличительные признаки в совокупности с известными позволяют решить поставленную задачу.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дано устройство, продольный разрез; на фиг.2 - то же, разрез по А-А; на фиг.3 - то же, разрез по Б-Б.

Способ сжигания топлива осуществляют следующим образом. В устройстве для сжигания топлива создают два сильнозакрученных воздушных потока, первичный - в первичной камере сгорания, а вторичный - в периферийной зоне основной камеры сгорания - периферийный вихрь, который в ее приосевой зоне возбуждает находящийся в противотоке к нему сильнозакрученный воздушный поток - приосевой вихрь. Для образования в первичной камере топливовоздушной смеси сильнозакрученный поток первичного воздуха разгоняют до критических скоростей, создавая сильнозакрученный активный поток, формирующий в плоскости его образования структуру потока с высоким радиальным градиентом статического давления, а в качестве пассивного потока используют топливо, поступающее в центральную часть создаваемого активного потока за счет формирования высоким радиальным градиентом статического давления высокого осевого градиента статического давления, при этом образовавшуюся топливовоздушную смесь поджигают тепловым источником и сжигают в первичной камере сгорания, а дожигание и разбавление продуктов сгорания осуществляют в приосевом вихре основной камеры сгорания. Выход продуктов сгорания приосевого вихря и начало формирования периферийного вихря располагают в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, а наружный диаметр периферийного вихря увеличивают в направлении его осевой составляющей скорости.

Устройство для сжигания топлива (фиг.1) содержит основную вихревую камеру сгорания 1 и первичную камеру сгорания 2. Первичная камера сгорания 2 установлена перед основной камерой сгорания 1, соосно с последней. Основная камера сгорания 1 содержит жаровую трубу 3, завихритель вторичного воздуха 4, канал выхода продуктов сгорания 5, устройство подвода вторичного воздуха 6, расположенный справа от завихрителя 4 дополнительный завихритель 7, проточная часть которого с одной стороны связана с устройством подвода вторичного воздуха 6, а с другой - с проточной частью соплового отверстия канала выхода продуктов сгорания 5. Завихритель 4 и канал выхода продуктов сгорания 5 (фиг. 2) расположены в одном сечении, перпендикулярном центральной оси основной камеры сгорания 1. Первичная камера 2 содержит жаровую трубу 8, устройство подвода топлива 9, устройство подвода первичного воздуха 10, завихритель первичного воздуха 11, воспламеняющее устройство 12. Завихритель 11 выполнен в виде закручивающего соплового аппарата, в котором расположено выполненное в виде сопла устройство подвода первичного воздуха 10. Устройство подвода топлива 9 и завихритель 11 (фиг.3) расположены на переднем торце первичной камеры сгорания 2 в сечении, перпендикулярном ее центральной оси. Поверхность жаровой трубы 8 образована вращением лемнискаты вокруг ее центральной оси с уменьшением диаметра в направлении жаровой трубы 3, с дальнейшим плавным переходом в цилиндрическую поверхность. Поверхность жаровой трубы 3, выполненная цилиндрической или конической с увеличением диаметра в направлении жаровой трубы 8, с углом раскрытия, большим 0^o, но меньшим или равным 12^o, переходит в торовую поверхность, в центральной части соединенную с цилиндрической поверхностью жаровой трубы 8. Длина жаровой трубы 3 составляет не менее двух ее диаметров в сечении завихрителя 4.

Устройство для сжигания топлива работает следующим образом. Воздух от внешнего источника разделяют на два потока: первичный и вторичный. Первичный воздух, имеющий давление, равное или выше давления вторичного воздуха, поступает в устройство 10, а вторичный воздух - в устройство 6. Разогнанный в сопле 10 первичный воздух поступает в завихритель 11 первичной камеры сгорания 2, где разгоняется с увеличением окружной скорости до критической, формируя в плоскости завихрителя 11 и устройства подвода топлива 9, в области переднего торца жаровой трубы 8, сильнозакрученный поток воздуха с высоким радиальным градиентом статического давления, который в выходном отверстии устройства 9 формирует высокий осевой градиент статического давления, направленный в сторону устройства подвода топлива 9. Наличие в плоскости завихрителя 11 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 8, образуя топливовоздушную смесь, формирующую сильнозакрученный поток, перемещающийся в направлении жаровой трубы 3 основной камеры сгорания 1. Вторичный воздух из устройства 6 поступает в завихритель вторичного воздуха 4, образуя на входе в жаровую трубу 3 основной камеры сгорания 1 сильнозакрученный поток вторичного воздуха, формирующий в жаровой трубе 3 периферийный вихрь, перемещающийся в направлении жаровой трубы 8 первичной камеры сгорания 2. Периферийный вихрь возбуждает в приосевой зоне жаровой трубы 3 сильнозакрученный 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 приосевой зоне жаровой трубы 3, в области смешения потоков топливовоздушной смеси, выходящей из жаровой трубы 8, и поворота периферийного вихря вторичного воздуха в приосевую зону жаровой трубы 3, образуется качественная топливовоздушная смесь, возбуждающая в периферийной области, ограниченной поверхностью жаровой трубы 3, тороидальный вихрь топливовоздушной смеси. В результате подвода пусковых воздуха и топлива в воспламеняющее устройство 12 в нем образуется топливовоздушная смесь, которую поджигают свечей зажигания, что обеспечивает на выходе из устройства 12 формирование высокотемпературного факела продуктов сгорания, который, пройдя завихритель 11, поступает в периферийную зону жаровой трубы 8, поджигая подготовленную в ней топливовоздушную смесь. В результате этого в жаровой трубе 8, происходит процесс поджигания и сжигания топливовоздушной смеси, который заканчивается дожиганием и последующим разбавлением продуктов сгорания в приосевом вихре жаровой трубы 3, формы выполнения которой способствует снижению осевых скоростей, стабильности момента количества движения периферийного вихря при уменьшении его окружных скоростей. Кроме того, увеличение угла раскрытия поверхности жаровой трубы 3 способствует перемещению отсепарированных частиц в периферийном вихре за счет появления движущей силы, параллельной образующей поверхности жаровой трубы, получаемой при разложении центробежной силы, действующей на отсепарированные частицы. Однако с ростом угла раскрытия, большим 12^o, значительно уменьшается осевая составляющая скорости периферийного потока, являющаяся аэродинамической силой, действующей на частицу в направлении ее движения. Кроме того, с ростом угла раскрытия выше 12^o резко возрастают потери давления в пристеночном пограничном слое жаровой трубы. На выходе канала 5 формируется структура потока продуктов сгорания с заданной среднемассовой температурой и полями температуры, скорости и давления. При работе устройства в режиме, близком к стехиометрическому, часть вторичного воздуха через завихритель 7 поступает в периферийную зону канала выхода продуктов сгорания 5 в виде закрученного потока, выполняющего функцию конвективно-пленочной завесы, предохраняющей стенки канала 5 от высокотемпературных продуктов сгорания. Заданные параметры продуктов сгорания на выходе из основной камеры сгорания 1 обеспечиваются абсолютной величиной скорости потока вторичного воздуха в области начала формирования периферийного вихря, скоростью потока первичного воздуха, формирующего радиальный градиент статического давления в сечении ввода топлива в жаровую трубу первичной камеры сгорания, а так же коэффициентами избытка воздуха в первичной и в основной камерах сгорания, которые в совокупности определяют среднемассовую температуру, поля температуры, скорости и давления, а также уровень вредных выбросов в продуктах сгорания на выходе из основной камеры сгорания.