Спосіб і пристрій для здійснення горіння

1. Камера згоряння (10), яка містить реактор (16), впускний отвір (18) для подачі основного потоку текучого середовища у вказаний реактор (16), випускний отвір (20) для випускання нагрітого текучого середовища зі вказаного реактора (16), причому вказаний реактор (16) розташований між впускним отвором (18) і випускним отвором (20) і містить зону основного потоку, через яку більша частина вказаного основного потоку проходить у напрямку руху основного потоку, і зону рециркуляції, через яку проходить менша частина вказаного основного потоку, при цьому зона рециркуляції частково утворена стінкою, що має внутрішню поверхню (21), вигнуту в одному напрямку, по суті безперервну, яка проходить від точки (22) відриву потоку поблизу випускного отвору (20) в точку повернення поблизу вказаного впускного отвору (18), причому вказана внутрішня поверхня (21) сформована і розташована відносно напрямку руху основного потоку таким чином, щоб відділяти частину текучого середовища в напрямку руху основного потоку в точці (22) відриву потоку для утворення рециркуляційного вихрового потоку в зоні 2 (19) 1 3 87669 4 що текуче середовище у вказаному примежовому частину вказаного основного потоку по траєкторії шарі має ступінь турбулентності від 0,03 до 0,025. через вказану зону рециркуляції для утворення 8. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється тим, рециркуляційного вихрового потоку, який повертає частину текучого середовища у вказану зону рещо кут (b) виконаний таким, що складає 45°, так циркуляції в області поблизу вказаного впускного що текуче середовище в примежовому шарі має отвору (18), спрямовують потік примежового шару ступінь турбулентності 0,008. рециркуляційного текучого середовища по внутрі9. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється тим, шній поверхні (21) стінки вказаної зони рециркулящо напрямок вказаного рециркуляційного потоку у ції без істотної турбулентності, спрямовують певказаній точці повернення утворює кут від 85° до риферійну частину вказаного рециркуляційного 175° до напрямку руху вказаного основного потоку вихрового потоку для перетинання з основним у вказаній точці повернення. потоком в області поблизу впускного отвору (18), 10. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється причому периферійний потік має більш високу тим, що висота і площа поперечного перерізу впушвидкість, ніж вказаний основний потік, і при проскного отвору (18) і випускного отвору (20) виконаходженні області перетину переміщується приблині такими, що відношення швидкості вказаного зно в тому ж напрямку, що і основний потік, здійсрециркуляційного вихрового потоку в області понюють змішування периферійного потоку і близу впускного отвору (18), але зовні вказаного основного потоку за допомогою дифузії, виключапримежового шару, до швидкості вказаного основючи істотне механічне змішування, в результаті ного потоку, який входить у зону вказаного основчого утворюють шар на межі поділу між основним ного потоку, знаходиться в діапазоні не менше потоком і периферійним потоком і за допомогою 1,4:1 в робочому режимі, в якому вказаний реактор шару на межі поділу викликають істотну передачу (16) виконує функцію камери згоряння. теплової енергії від текучого середовища у пери11. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється ферійному потоці у текуче середовище в зоні остим, що висота і площа поперечного перерізу впуновного потоку. скного отвору (18) і випускного отвору (20) викона16. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що ні такими, що відношення швидкості вказаного об'єм текучого середовища, що входить у вказану рециркуляційного вихрового потоку в області, яка зону рециркуляції, у порівнянні з текучим середолежить близько до вказаного впускного отвору вищем, що випускається через вказаний випуск(18), але зовні вказаного примежового шару, до ний отвір (20), складає не менше 7 % у робочому швидкості вказаного основного потоку, який вхорежимі, в якому вказаний реактор виконує функцію дить у зону вказаного основного потоку, знахокамери згоряння. диться в діапазоні не менше 2:1 в робочому режи17. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що мі, в якому вказаний реактор (16) виконує функцію об'єм текучого середовища, що входить у вказану риформінг-установки. зону рециркуляції, у порівнянні з текучим середо12. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється вищем, що випускається через вказаний випусктим, що об'єм зони рециркуляції і кут (b) виконані ний отвір, складає не менше 10 % в робочому ретакими, що примежовий шар має товщину приближимі, в якому вказаний реактор виконує функцію зно 1 мм, коли нагріте текуче середовище на вкариформінг-установки. заному випускному отворі (20) має температуру 18. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що приблизно 1100 °С. вказаний примежовий шар рециркуляційного пото13. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється ку текучого середовища по вказаній внутрішній тим, що об'єм зони рециркуляції і кут (b) виконані поверхні стінки вказаної зони рециркуляції має такими, що примежовий шар має товщину приблиступінь турбулентності менше 0,2. зно 2 мм, коли нагріте текуче середовище на вка19. Спосіб за п. 18, який відрізняється тим, що заному випускному отворі (20) має температуру вказаний примежовий шар рециркуляційного потоприблизно 800 °С. ку текучого середовища по вказаній внутрішній 14. Камера згоряння за п. 1, яка відрізняється поверхні (21) стінки вказаної зони рециркуляції має тим, що об'єм зони рециркуляції і кут (b) виконані ступінь турбулентності від 0,008 до 0,01. такими, що примежовий шар має товщину, що 20. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що перевищує діаметр центральної частини рециркувідношення вказаної більш високої швидкості вкаляційного текучого середовища у рециркуляційнозаного периферійного вихрового потоку до швидму вихровому потоці, коли нагріте текуче середокості вказаного основного потоку, що входить у вище на випускному отворі (20) має температуру в зону вказаного основного потоку, складає не мендіапазоні 380-420 °С. ше, ніж 1,4:1 в робочому режимі, в якому вказаний 15. Спосіб здійснення реакції палива в камері згореактор виконує функцію камери згоряння. ряння (10), яка містить реактор (16), впускний отвір 21. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що (18) для подачі основного потоку текучого середовідношення вказаної більш високої швидкості вкавища у вказаний реактор (16), випускний отвір (20) заного периферійного вихрового потоку до швиддля випускання нагрітого текучого середовища зі кості вказаного основного потоку, що входить у вказаного реактора (16), причому вказаний реакзону вказаного основного потоку, складає не ментор (16) розташований між впускним отвором (18) і ше, ніж 2:1 в робочому режимі, в якому вказаний випускним отвором (20) і містить зону основного реактор виконує функцію риформінг-установки. потоку і зону рециркуляції, при цьому згідно зі вка22. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що заним способом пропускають більшу частину вкадодатково здійснюють переміщення текучого сезаного основного потоку по траєкторії вздовж зони редовища у вказаному рециркуляційному вихровказаного основного потоку, пропускають меншу 5 87669 6 вому потоці шарами, причому шари, по суті, не допомогою контакту зі вказаним шаром на межі змішують радіально всередині вихору. поділу, який, таким чином, діє як розпалювальний 23. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що факел для камери згоряння. теплова енергія передається від вказаних внутрі25. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що шніх шарів до зовнішніх шарів вказаних шарів. додатково здійснюють зміну робочого режиму, при 24. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що якому вказаний реактор (16) виконує функцію кадодатково здійснюють запалення текучого серемери згоряння, на робочий режим, при якому вкадовища, яке входить через вказаний впускний заний реактор виконує функцію риформінготвір в області поверхні вказаного текучого сереустановки за допомогою зменшення площі попедовища поблизу вказаного шару на межі поділу, за речного перерізу вказаного впускного отвору (18). Даний винахід належить до пристрою або камери згоряння і способу спалювання палива в суміші з повітрям для утворення гарячих газів для різного застосування. Більш конкретно, даний винахід належить до пристрою згоряння і способу з використанням камери згоряння з рециркуляційним потоком. Крім того, даний винахід належить до пристрою і способу запалення і горіння паливно-повітряної суміші. Камера згоряння даного типу може бути використана для горіння бідних і надбідних паливно-повітряних сумішей для використання в газотурбінних двигунах, реактивних і ракетних двигунах, а також теплових установках, таких як бойлери, теплообмінні установки, хімічні реактори і подібні. Пристрій і способи згідно з даним винаходом можуть також працювати в умовах, які сприяють перетворенню палива, а не горінню, де потрібна така реакція. (Нижченаведений опис або попередній рівень техніки необхідно тлумачити в контексті визначень деяких термінів, поданих нижче в докладному описі.) У звичайній камері згоряння повітря і паливо (які можуть чи ні бути заздалегідь змішані) подаються через впускний отвір у простір горіння, в якому відбувається процес горіння. Може бути присутнім рециркуляційний потік, у якому горючі гази рециркулюють у камері згоряння до повторного приєднання до основного потоку горіння. Подача високошвидкісного, високотемпературного рециркуляційного потоку великої маси передає теплову і кінетичну енергію в основний потік горіння, забезпечуючи у такий спосіб стійке горіння бідних і дуже бідних паливно-повітряних сумішей, і серед інших переваг, знижуючи шкідливі викиди. Хоч рециркуляційний потік наявний у багатьох способах і пристроях горіння, рециркуляційний потік в існуючих камерах згоряння відбувається в просторі для горіння, без обмеження спеціального простору для впорядкованого руху. В результаті, існуючі камери згоряння не доводять до максимуму швидкість рециркуляційного потоку, таким чином, не доводять до максимуму кількість теплової і кінетичної енергії, що передається основному потоку горіння, яка потрібна для ефективного й надійного горіння бідних і дуже бідних паливноповітряних сумішей. Наприклад, американський патент №4586328 розкриває звичайну камеру згоряння тороїдальної форми, в якій суміш для горіння, як правило, горить уздовж тороїдально-спіральної траєкторії руху потоку газу. Однак, рециркуляційний потік (горючий газ), який подається зворотно в зону впу скного отвору в камері згоряння, не має досить високої швидкості; отже, подається дуже низька енергія в свіжу паливно-повітряну суміш. Випускний отвір периферії тороїдального напряму руху потоку знаходиться в турбіні. Крім того, згідно з цим патентом додаткові охолоджувальні потоки подаються між повітряним потоком і потоком рециркуляційного горючого газу. Отже, умови для подачі горючих газів у повітряний потік або паливно-повітряну суміш є погіршеними, і кількість енергії, яка передається рециркуляційним потоком паливно-повітряній суміші, є недостатньою. Рішенням є створення більш багатої паливноповітряної суміші, яка є небажаною, оскільки це приводить до більш високої температури горіння, неповного згоряння і збільшення шкідливих викидів. Американський патент №3309866 розкриває процес і пристрій для безполуменевого згоряння газів, у якому відбувається рециркуляція (тобто, гарячий, по суті, газ, який повністю відпрацював у камері згоряння, сполучається з паливноповітряною сумішшю, яка поступає в камеру згоряння). Подібно до першого патенту, камера згоряння, розкрита в цьому патенті, не доводить до максимуму швидкість рециркуляційного потоку, таким чином, приводячи до низького рівня енергії, що передається основному потоку для горіння. Як і в першому патенті, потік уздовж периферії тороїдальної ділянки циркуляції також подається в турбіну. Крім того, камера згоряння в цьому патенті містить перегородку в формі кільцевої пластини з отворами, щоб горючі гази не проходили безпосередньо в паливно-повітряну суміш, таким чином, погіршуючи умови для подачі горючих газів у паливну суміш. Основним недоліком тут є повне змішування з паливно-повітряною сумішшю, яка подається і ретельно змішується з майже повністю відпрацьованими газами, які знаходяться у вихровому русі. В американському патенті №5857339 камера згоряння із захопленим вихором з рециркуляцією гарячих газів до впускного отвору основного потоку має впускні отвори для палива і повітря для подачі палива і/або повітря в рециркуляційні гарячі гази до надходження гарячих газів в основний потік. Аналогічно іншим відомим камерам згоряння, температура рециркуляційних гарячих газів, які надходять у свіжу паливно-повітряну суміш, швидко зменшується, крім усього іншого, через інтенсивні процеси перетворення палива, які відбуваються у свіжій паливно-повітряній суміші. У цьому випадку, добавлення повітря і/або палива в рецир 7 87669 8 куляційні гарячі гази приводить до зворотних резменшення швидкості. Загалом, турбулентний хазультатів, оскільки температура рециркуляційних рактер вихрового потоку призводить до зменшенгарячих газів уже буде зменшуватися до зіткнення ня швидкості. Усі ці чинники не дозволяють перез основним потоком. Геометрія простору горіння є давати додаткову енергію вхідному основному такою, що рециркуляційні гарячі гази надходять в потоку. основний потік як можна ближче до спільно текуМожна зробити висновок, що використання зачого потоку. Це означає, що основною метою є хопленого вихору в камерах згоряння в попередосягнення найнижчих можливих гідравлічних дньому рівні техніки, головним чином, відрізняєтьвтрат при зустрічі рециркуляційного потоку із вхідся нагріванням поверхневих шарів вхідного ним основним потоком. Ця геометрія змішування основного потоку, що само по собі непогано й модвох потоків є дуже небажаною, оскільки «м'які» же привести до певного поліпшення у підтримці умови під час зіткнення двох потоків приводять до полум'я бідної суміші. З іншого боку, поверхневе дуже низької передачі енергії між потоками, і нерінагрівання не може привести до якого-небудь знавномірність температур на впускному отворі осночного поліпшення стійкості полум'я та зменшення вного потоку може досягати до 100%, і внутрішні викидів. шари вхідного основного потоку можуть взагалі не У цих камерах згоряння з рециркуляційним понагріватися. Це призводить до недостатнього натоком попереднього рівня техніки рециркуляційний грівання вхідного потоку з кінцевим зривом полупотік гарячих газів розбавляється (охолоджується) м'я. Звичайний профіль температур для камер потоком вторинного повітря, і потім охолоджені згоряння даного типу (див. Фіг.19) показує, що терециркуляційні гази прямують у впускний отвір мпература вхідного основного потоку в камері згопервинного повітря, яке повинно бути нагріте (див. ряння із захопленим вихором на впускному отворі Фіг.20). Паливо додається до гарячих рециркуляв простір для горіння залишається практично тією ційних газів, розбавлених потоком вторинного пож самою, що й температура основного потоку, вітря, перед тим, як воно зіткнеться з первинним який подається в камеру згоряння. Наслідком цьо(основним) повітряним потоком. Подача палива до го є висока нерівномірність температури в камері гарячого рециркуляційного газу приводить до дуже згоряння вздовж осі й по радіусу камери згоряння, нерівномірних умов для горіння, оскільки дуже що призводить до низької стійкості полум'я, коли маленька кількість палива не може бути ретельно паливно-повітряна суміш стає більш бідною, а тазмішана з дуже великою кількістю рециркуляційних кож до високих викидів СО і NOх. Необхідно додагазів і вторинного повітря. Перетворення палива ти, що використання додаткових впускних отворів буде дуже інтенсивним і нерівномірним у цьому для повітря і/або палива на шляху руху рециркувипадку з подальшим охолоджуванням. Потім, ляційного потоку дуже небажане, оскільки вони паливо запалюється, і температура газів підвищустворюють нерівномірність епюри швидкостей у ється, але це підвищення буде частково викорисрециркуляційному потоці, що призводить до збітане для компенсації зменшення температури чельшення нерівномірності передачі енергії між ререз перетворення палива. Потім, потік поступає в циркуляційними гарячими газами і вхідним основпервинний (основний) повітряний потік (який факним потоком. тично є вторинним потоком, оскільки суміш уже В американському патенті №6295801 в камері горить) і знов охолоджується. Основний потік не згоряння використовується принцип роботи захопможе нагріватися на впускному отворі, оскільки леного вихору для підтримки розпалювального гарячі рециркуляційні гази вже охолодилися двічі факела. Ця конструкція має ті ж недоліки, що й (перший раз вторинним повітряним потоком і друнедоліки, описані вище. Основною перевагою дагий раз унаслідок подачі палива), і нагрівання реної конструкції із захопленим вихором є стійкість циркуляційного потоку внаслідок горіння палива розпалювального факела. Це зроблено, оскільки було частково затрачене на компенсацію втрат стійкість основного полум'я не могла бути досягнутемператур при перетворенні. Неможливо рівнота в попередньому рівні техніки без використання мірно нагрівати основний потік на впускному отвододаткових пристроїв. Швидкість вихору не може рі по всьому поперечному перерізу, оскільки редорівнювати швидкості вхідного потоку. Повітря зультат повністю залежить від турбулентного подається в зону вихору через отвори, що мають змішування двох потоків, яке не може забезпечити коефіцієнт швидкості приблизно 0,75. Основний рівномірне змішування в цілому об'ємі. Ця залежповітряний потік подається в камеру згоряння ченість від турбулентного (механічного) змішування рез профільовані канали, що мають коефіцієнт є виключно найбільш сумнівною, оскільки два пошвидкості приблизно 0,9. При ідеальній ізоентротоки практично рухаються паралельно. пійній швидкості 100м/сек., швидкість основного Температура в рециркуляційному потоці в усіх повітряного потоку буде становити 90м/сек., а вказаних камерах згоряння не може бути вищою, швидкість вихору буде становити 75м/сек.. Швидніж TIT (температури на вході турбіни) (див. кість потоку, що подається у вихор, могла бути Фіг.21). Переважна температура в рециркуляційзбільшена за допомогою існуючої різниці тисків ному потоці, виходячи з вибору оптимального перед подачею повітря у вихор, або може бути співвідношення викидів NOх і CO, становить 1100збільшена різниця тисків. Потрібно, однак, зазна1200°С. Добавлення повітря і/або палива до гарячити, що температура текучого середовища, що чих рециркуляційних газів приводить до зменшенподається у вихор, не повинна бути нижча за темня температури рециркуляційних газів. З цього пературу газу у вихорі, тобто продукти горіння неможна зробити два основних висновки. По-перше, обхідно додавати до вихору. Основний потік завикиди CO будуть збільшуватися. По-друге, більзнає раптового розширення, яке призводить до ше продуктів горіння необхідно буде добавити до 9 87669 10 вхідного потоку для того, щоб підвищити темперарециркуляційного вихрового потоку в указаній зоні туру вхідного потоку, який спричинить збільшення рециркуляції під час роботи вказаного реактора; і перетворення палива, таким чином, знижуючи тепри цьому вказана внутрішня поверхня додатково мпературу. Отже, використання захопленого виховідрізняється відсутністю безперервності для того, ру і рециркуляційного потоку в камерах згоряння щоб спричинити, по суті, незбурений рух примепопереднього рівня техніки при здійсненні деякого жового шару вздовж периферії вказаного рециркуполіпшення в стійкості полум'я і показнику викиду ляційного вихрового потоку. Крім того, ефект тепне змогло привести до якого-небудь виключно лового сопла відбувається внаслідок хімічних важливого досягнення. реакцій, які відбуваються в примежовому шарі або Американський патент №5266024 розкриває шарі на «межі поділу» між указаним рециркуляційвикористання теплового сопла для збільшення ним вихровим потоком і основним прямолінійним кінетичної енергії потоку окисника в паяльній лампі потоком текучого середовища в реакторі. шляхом подачі тепла в потік. Крім того, даний винахід розкриває способи Американський патент №1952281 розкриває забезпечення реакції палива в такій камері згоявище і пристрій для створення цього явища, за ряння, як описується вище, які включають два допомогою якого у вихровій трубі, що має один етапи: проходження більшої частини вказаного тангенціальний вхідний потік стислого текучого основного потоку по траєкторії по вказаній зоні середовища, тепло передається між обертовими основного потоку; проходження меншої частини шарами текучого середовища у вихровій трубі, вказаного основного потоку по траєкторії у вказаприводячи до розділення обертового текучого сеній зоні рециркуляції для утворення рециркуляційредовища на гарячий зовнішній потік і холодний ного вихрового потоку, який повертає частину тевнутрішній потік, які можуть бути одержані з окрекучого середовища у вказану зону рециркуляції в мих випускних отворів. ділянці, прилеглій до вказаного впускного отвору; Даний винахід належить до камер згоряння з вимушене проходження примежового шару рециррециркуляційним потоком, що мають, як правило, куляційного текучого середовища навколо вказазакруглену рециркуляційну камеру і вільний потік ної внутрішньої стінки вказаної зони рециркуляції по периферії примежового шару вихрового потоку без істотної турбулентності; вимушене прохов цій камері. Такі камери згоряння додатково місдження периферійної частини вказаного рециркутять примежову площу поверхні поділу низької ляційного вихрового потоку для перетину з указатурбулентності між вихровим потоком і основним ним основним потоком у ділянці, прилеглій до потоком у камері згоряння, в якій відбуваються вказаного впускного отвору, де вказаний перифехімічні реакції, які є надзвичайно сприятливими рійний потік має більш високу швидкість, ніж укадля процесу горіння і які прискорюють ефект тепзаний основний потік; вказаний периферійний полового сопла в камері згоряння. Камера згоряння тік, після точки вказаного перетину, переміщається даного типу може використовуватися для горіння приблизно в тому ж напрямі, що й указаний основбідних і дуже бідних паливно-повітряних сумішей ний потік; змішування вказаного периферійного для використання в газотурбінних двигунах, реакпотоку і вказаного основного потоку під дією тептивних і ракетних двигунах і теплових установках, лової дифузії, а не за допомогою істотного механітаких як казани, теплообмінні установки, хімічні чного змішування; таким чином, формуючи шар на реактори і тому подібні. Пристрій і способи даного межі поділу між указаним основним потоком і вкавинаходу можуть також працювати в умовах, які заним периферійним потоком та викликаючи значсприяють перетворенню палива, а не горінню, в ну передачу теплової енергії від текучого середояких потрібна така реакція. вища у вказаному периферійному потоці через Більш конкретно, даний винахід описує камеру указаний шар на межі поділу в текуче середовище згоряння, яка містить реактор; впускний отвір для в указаній зоні основного потоку. подачі основного потоку текучого середовища у Здійснення даного винаходу буде більш зровказаний реактор; випускний отвір для виходу назумілим після розгляду доданих креслень і нижчегрітого текучого середовища з указаного реактора; наведеного опису. причому вказаний реактор розташований між укаНа доданих кресленнях: заним впускним отвором і вказаним випускним Фіг.1 - схематичний вигляд межі поділу між поотвором і містить зону основного потоку, через яку током паливно-повітряної суміші і рециркуляційбільша частина вказаного основного потоку проним вихровим потоком у камері згоряння відповідходить уздовж напряму руху основного потоку, і но до даного винаходу. зону рециркуляції, через яку проходить менша Фіг.1А - схематичний вигляд частини шару на частина вказаного основного потоку; в якій указана межі поділу між рециркуляційним вихровим потозона рециркуляції утворена, частково, стінкою, яка ком і вхідним потоком паливно-повітряної суміші, має внутрішню поверхню, закруглену в одному на якому позначення X зображує молекули «гарянапрямку, по суті, безперервно, і яка проходить від чого» СО в периферійному шарі рециркуляційного точки відриву потоку, прилеглої до вказаного випувихрового потоку. скного отвору, до точки повернення, прилеглої до Фіг.2 - графік, що показує СН4, Τ і CO залежно вказаного впускного отвору, причому вказана внувід часу контакту між рециркуляційним вихровим трішня поверхня сформована і розташована відпотоком і вхідним потоком паливно-повітряної суносно напряму руху основного потоку таким чиміші в камері згоряння відповідно до даного винаном, щоб відводити частину текучого середовища ходу. у вказаному напрямку руху основного потоку в Фіг.3 - графік, що показує концентрації викиду указаній точці відриву потоку для формування NOX залежно від температури горіння. 11 87669 12 Фіг.4 - залежність температури в паливноФіг.15 - подовжній вигляд у розрізі іншого варіповітряній суміші від відношення V2/V1. анта здійснення газотурбінного двигуна, який місФіг.5 - залежність концентрації CO і СН (%) від тить кільцеву камеру згоряння відповідно до даночасу горіння. го винаходу. Фіг.6 - вигляд у розрізі камери згоряння відпоФіг.16 - вигляд за стрілкою XVI на Фіг.15. відно до даного винаходу в застосуванні до пальФіг.17 - частковий вигляд камери згоряння, поника. казаної на Фіг.15, у збільшеному масштабі. Фіг.7 - вигляд, частково, в розрізі за стрілкою Фіг.18 - залежність концентрації чадного газу VII на Фіг.6. (СО) від часу контакту для різних відношень швидФіг.8 - схематичний частковий вигляд у розрізі кості V2 рециркуляційного вихрового потоку до кільцевої камери згоряння відповідно до даного швидкості V1 вхідного потоку. винаходу. Фіг.19 - звичайний профіль температур для Фіг.9 - подовжній вигляд у розрізі іншого варіакамери згоряння із захопленим вихором. нта здійснення кільцевої камери згоряння, виконаФіг.20 - розподіл температур у відомій камері ний за лініями Фіг.8. згоряння з рециркуляційним потоком. Фіг.10 - варіант здійснення камери згоряння на Фіг.21 - прогнозований розподіл температур у Фіг.8. відомій камері згоряння з рециркуляційним потоФіг.11 - схематичний подовжній вигляд у розріком. зі камери згоряння трубчастого типу відповідно до Фіг.22 - точки вимірювання температур у фуданого винаходу. терівці камери згоряння. Фіг.12 - вигляд з торця камери згоряння відпоДаний винахід буде описуватися більш детавідно до даного винаходу, з боку впускного отвору, льно і з посиланням на супровідні креслення, що який показує варіант здійснення впускного отвору. ілюструють необмежувальні приклади варіантів Фіг.13 - інший варіант здійснення впускного здійснення камери згоряння відповідно до даного отвору у вигляді, аналогічному показаному на винаходу. Фіг.12. Заздалегідь даються деякі визначення з меФіг.14 - подовжній вигляд у розрізі газотурбінтою розуміння даного опису і формули винаходу. ного двигуна, який містить кільцеву камеру згоряння відповідно до даного винаходу. Полум'я розряджена зона, в якій починається ланцюгова реакція окиснення Горіння ланцюгова реакція окиснення палива Запалення (або запалювання, як у початкова стадія ланцюгової реакції окиснення використанні «бути запаленим») Безполуменеве горіння ефект виникнення реакцій окиснення рівномірно по всьому об'єму основного потоку Реактор пристрій для здійснення хімічної реакції У даному описі звичайно використовується термін «камера згоряння» для посилання на пристрій, описаний тут, хоч, як буде описано, пристрій відповідно до даного винаходу може працювати в умовах, які сприяють перетворенню палива, а не горінню. Термін «реактор» іноді тут використовується як більш загальна альтернатива для «камери згоряння» або «простору для горіння», оскільки за певних умов, залежно від мети, перетворення палива може бути переважним процесом, що відбувається в ньому. Крім того, необхідно мати на увазі, що горіння і/або перетворення є складними хімічними процесами зі складною кінетикою, і що більш ніж тисяча різних хімічних реакцій може відбуватися в різний час у будь-якому даному реакторі. Звичайно, реакції в реакторі включають, крім безпосереднього окиснення палива до утворення вуглекислого газу й води, численні проміжні й альтернативні реакції, що включають: a) термічний розклад палива, наприклад, CH4®C+2Η2; b) часткове окиснення палива, наприклад, 2СН4+О2®2СО+4Н2; (Метан поданий як найпростіший приклад з відповідними різними реакціями, що відбуваються з іншими видами палива.) Ці реакції, зокрема, відбуваються там, де температури нижчі за темпера тури в камерах згоряння попереднього рівня техніки і без використання каталізатора. Крім того, можна спостерігати (наприклад): c) реформацію палива, С+СO2®СО+СО (Окиснення - Відновлення); d) горіння палива, С+О2®СО2 (Окиснення); e) реформацію палива, Н2+СО2®Н2О+СО (Окиснення - Відновлення); f) горіння палива, 2СО+О2®2СО2 (Окиснення); f) горіння палива, Н2+О2®Н2О (Окиснення); g) реформацію палива, С+Н2О®Н2+СО (Окиснення - Відновлення). Потрібно зазначити також, що перетворення і горіння палива обидва іноді описуються тут як один тип хімічної реакції, що є реакцією окиснення-відновлення та окиснення. Тобто, оскільки в кожному випадку всі «гарячі» продукти реакції (Н2О і CO) утворюються внаслідок процесу окиснення. Безсумнівно, зрозуміло, що під час перетворення палива також присутні «холодні» продукти реакції (CO), які утворюються внаслідок реакції відновлення. Повертаючись до креслень, Фіг.6 і 7 зображують два вигляді одного варіанта здійснення даного винаходу. Даний варіант здійснення описує камеру 10 згоряння, яка має простір для горіння або реактор 16 між впускним отвором 18 для подачі основ 13 87669 14 ного потоку текучого середовища в простір для хор завжди буде подавати горючий матеріал без горіння і випускним отвором 20 для виходу нагрізмішування шарів. того текучого середовища з простору для горіння, - швидкість внутрішньої частини вихору в його причому вказаний простір для горіння містить зону периферійному шарі вища за швидкість вхідного основного потоку, через яку проходить більша основного потоку текучого середовища через частина основного потоку в напрямі руху основноефект теплового сопла, а також через дуже низьго потоку, і зону рециркуляції, через яку проходить кий ступінь турбулентності рециркуляційного потоменша частина основного потоку в напрямі руху. ку (яка виходить за допомогою забезпечення кругЗона рециркуляції утворена, частково, стінкою, яка лої поверхні, виконаної для забезпечення має внутрішню поверхню 21, закруглену в одному природного потоку і незбуреного потоку по цій понапрямку, по суті, безперервно, розташовану відверхні). носно основного потоку текучого середовища і - наявність примежового і периферійного шанапряму руху основного потоку, і сформовану тарів забезпечує повне згоряння палива приблизно ким чином, щоб викликати рециркуляційний випротягом 2мс або менше. хровий потік частини текучого середовища в на- реакція перетворення відбувається по перипрямі руху основного потоку в точці відриву ферійному шару вихору, включаючи реакцію між потоку, який повертається від точки відриву потоку СО2 і С для утворення 2СО. Хоча спочатку шар біля випускного отвору в точку повернення біля утворений як одна «гаряча» і одна «холодна» мовпускного отвору до виходу текучого середовища з лекула СО, до того часу, коли шар приєднується простору для горіння, і, крім того, розташовану без до основного потоку в ділянці впускного отвору, безперервностей для того, щоб спричинити, по він уже, по суті, прогрітий, крім усього іншого, засуті, незбурений рух примежового шару вздовж вдяки контакту з гарячою стінкою камери. Цей пепериферії вказаного рециркуляційного вихрового риферійний вихровий потік гарячого СО, який випотоку. користовується як паливо, є дуже сприятливим Переважно, об'єм зони рециркуляції не менпри правильному змішуванні з вхідною паливноший за об'єм зони основного потоку, коли реактор повітряною сумішшю, як буде описуватися далі. 16 діє як камера згоряння. Однак, коли реактор 16 Відношення рециркуляційного потоку до основного діє як риформінг-установка, яка буде описуватися (прямолінійного) потоку в камері згоряння може нижче, об'єм рециркуляційної зони, переважно, змінюватися. Відношення текучого середовища, складає не менше подвійного об'єму зони основяке поступає у вихор, до текучого середовища, яке ного потоку. знаходиться в камері згоряння на випускному Як буде описуватися далі, ефект теплового отворі, переважно, складає не менше семи процесопла виникає внаслідок хімічних реакцій, які віднтів (7%) у робочому режимі, в якому реактор вибуваються в примежовому шарі або шарі «на межі конує функцію камери згоряння, і не менше десяти поділу» між рециркуляційним вихровим потоком і процентів (10%) у робочому режимі, коли реактор основним прямолінійним потоком текучого серевиконує функцію риформінг-установки. довища в реакторі 16. Як описано вище, потік текучого середовища Камера згоряння відповідно до даного винахоабо примежовий шар утворюються на периферії ду передбачає рециркуляційний вихровий потік. зони рециркуляції. Для збереження необхідної Межа розподілу між потоком у цьому вихорі і остовщини цього потоку поверхня цієї камери повиновним потоком у зоні основного потоку є «применна бути закруглена, зберігаючи її закругленою в жовим» шаром або шаром «на межі поділу». Існує одному напрямку (наприклад, не зворотно-змінно), також периферійний або примежовий шар між стіпо суті, безперервно. Ця товщина примежового нкою зони рециркуляції і вихровим потоком, який шару буде складати близько 1мм, коли рідина або має, по суті, ламінарний потік. Більш конкретно, газ на випускному отворі мають температуру припримежовий шар має ступінь турбулентності менблизно 1100°С, і близько 2мм, коли рідина на више 0,2 (переважно, від 0,008 до 0,01). пускному отворі має температуру приблизно Незбурений рециркуляційний потік в перифе800°С, і набагато товстіша при більш низьких темрійному і примежовому шарах має наступні перепературах, наприклад 380-420°С у точці, де приваги: межовий шар буде мати товщину більшу за діа- шари вихору, по суті, не змішуються радіальметр центральної частини рециркуляційного но у вихорі, що забезпечує збереження профілю текучого середовища у вихровому потоці. розподілу молекул гарячого газу у вихорі, під час У результаті, одержані наступні умови в точці руху «гарячих» молекул основних СО, СО2 і Н2О перетину або ділянці біля впускного отвору, де до периферії вихору рециркуляційного потоку, і периферія вихору зустрічається із вхідним основтам СО згоряє, і «холодні» молекули палива переним потоком текучого середовища, який подається творюються, і продукти розкладу, вторинні СО, Н2 і у простір для горіння: найвища температура спокисень рухаються від периферії до центру вихору, стерігається на межі поділу двох потоків, і відносде вони беруть участь у реакції окиснення всерено висока швидкість спостерігається між двома дині вихору. Це розділення відбувається внаслідок потоками, які рухаються в одному напрямку після інерційної дифузії в полі відцентрових сил. У реточки перетину. Результатом цих двох умов є дуже зультаті, межа поділу або лінія перетину між рециінтенсивна передача тепла від периферії вихору ркуляційним вихровим потоком і вхідним основним до поверхні на межі поділу вхідного основного попотоком текучого середовища буде, можливо, знатоку, яка відрізняється дуже високою швидкістю ходитися в точці з найвищою температурою, і випередачі тепла внаслідок указаних умов. Отже, вихор може передавати теплову енергію шару на 15 87669 16 межі поділу вхідного основного потоку найбільш ною, не стає біднішою, оскільки газоподібні продуефективним способом. З цієї причини, поверхнекти згоряння і паливно-повітряна суміш переміщавий шар вхідного основного потоку запалюється і ються паралельно (в одному напрямку з різними стійко горить, незалежно від відношення палива швидкостями) без їх механічного змішування. Ця до повітря, діючи як розпалювальний факел, без, перевага дозволяє підтримувати горіння дуже бідоднак, помітного турбулентного змішування двох них сумішей при температурі, при якій теоретично потоків, що буде призводити до утворення «гаряможливе окиснення вуглеводневого палива. чих» і «холодних» ділянок, усереднюючи темпераТемпература горіння вуглеводневого палива тури, та іншого небажаного ефекту, властивого може бути нижче 500°С при температурі газу у найкращим відомим варіантам здійснення камер випускному отворі камери згоряння 350-330°С. Ця згоряння із захопленим вихором. Потрібно зазнатемпература є температурою окиснення, тому чити, що внаслідок інерційної дифузії відпрацьошвидкість утворення СО2 і Н2О потрібно було змеване паливо поступає в поверхневий шар вхідного ншити більше ніж у 1000 разів, якщо використовупотоку першим, і «холодні» молекули переміщується конструкція звичайної камери згоряння. Одються в центральну частину вихору, таким чином, нак, через вказану інерційну дифузію швидкість забезпечуючи умови для ланцюгової реакції, тобто переміщення знов утворених CO, СО2 і Н2О в діокиснення при швидкостях, сумірних зі швидколянці з більш високим вмістом палива (від центра стями горіння, і швидкість горіння може також збідо периферії вихору і, потім, до шару на межі польшитися при додатковому збільшенні відношення ділу) в декілька разів вища порівняно зі звичайною швидкості вихору до швидкості вхідного потоку, швидкістю горіння, яка складає близько 1м/сек., а таким чином, приводячи до регульованого горіння швидкість окиснення компонентів палива в камері вибухонебезпечних речовин з набагато біднішою згоряння відповідно до даного винаходу того ж сумішшю порівняно з використовуваною у звичайпорядку, що й швидкість горіння у відомих камерах них камерах згоряння (kе близько 0,5). Це явище згоряння. призводить до раптового підвищення температури Як указано вище, ніяка рідина або газ (вклювхідного потоку, і, як наслідок цього, до швидкого і чаючи паливо) не додається до продуктів горіння в рівномірного нагрівання всієї маси вхідного потоку рециркуляційному потоці (щонайменше, не на осна самому вході в простір для горіння, внаслідок новній частині круглої поверхні рециркуляційного чого кінетична енергія або швидкість вхідного попотоку між впускним отвором і випускним отвором току починає збільшуватися від ділянки впускного простору для горіння), і ступінь турбулентності отвору, і це збільшення продовжує рости до ділянрециркуляційного потоку є дуже низькою (нижче ки випускного отвору, таким чином, забезпечуючи найнижчого значення для будь-якої звичайної каефект теплового сопла, який передає імпульс для мери згоряння). В результаті, у вихорі не утворюрециркуляційного вихрового потоку для переміються частинки вуглецю. Сприятливим результащення з більш високою швидкістю. Також потрібно том цього є відсутність втрат при високому зазначити, що швидке нагрівання за допомогою тепловому випромінюванні від рециркуляційного вхідного потоку відбувається без механічного (тупотоку до стінки камери згоряння і відносно низька рбулентного) змішування вихрового рециркуляційтемпература стінки камери згоряння в ділянці від ного потоку і вхідного потоку текучого середовища, точки відділення рециркуляційного потоку від повикористовуючи тільки механізм, описаний вище. току продуктів горіння, які виходять із камери згоВикористання ефекту теплового сопла в камеряння в ділянку впускного отвору. Потрібно зазнарі згоряння відповідно до даного винаходу передчити, що температура стінки камери згоряння бачає збільшення швидкості потоку текучого серевгору за потоком від точки поділу не надає якогодовища у випускному отворі з простору для небудь істотного впливу на концентрації CO. горіння при майже повному уникненні турбулентПроцес теплообміну між поверхнею вихору і ного змішування рециркуляційного (вихрового) хімічно активною паливно-повітряною сумішшю потоку з основною масою потоку текучого середовизначається не тільки полями температур; він вища в просторі для горіння. Втрати в просторі також залежить від хімічного складу вихору і палидля горіння, таким чином, значною мірою зменшувно-повітряної суміші. Існує різниця між темпераються. Використання круглої поверхні для ствотурами двох потоків (температура вихору вища) і рення ефекту теплового сопла, яка не має елемевідмінність між їхнім хімічним складом (вихор міснтів, що збурюють потік, таких як отвори, тить більше СО2 і Н2О, а свіжа суміш містить більпоглиблення, виступи, впускні отвори для текучого ше паливай кисню). Отже, якщо два потоки рухасередовища і тому подібні, забезпечує перерозпоються в одному напрямку без механічного діл молекул газу в рециркуляційному вихровому змішування, то створюються умови для дифузійпотоці, крім усього іншого, завдяки вказаній інерних процесів, більш конкретно, для теплової дифуційній дифузії і швидкому нагріванню маси вхіднозії та дифузії концентрації. Барометрична дифузія го потоку текучого середовища, сполученого з меє незначною, і вона буде важливою тільки при пежею поділу, яка має стійку високу температуру між реході до регульованого горіння вибухових речодвома потоками. Відсутність змішування, яке невин. одмінно спричинить утворення «гарячих» і «холоВідношення між тепловою дифузією і концентдних» ділянок, забезпечує мінімальні концентрації раційною дифузією змінюється під час роботи каутворення ΝΟx. Оскільки продукти горіння не змімери згоряння; проте концентраційна дифузія бушуються із вхідними рідиною або газом під дією де завжди переважати під час теплообміну між турбулентності (механічне змішування), вхідна вихором і паливно-повітряною сумішшю. Концентпаливно-повітряна суміш, яка може бути дуже бідраційна дифузія фактично вирішально впливає на 17 87669 18 інтенсивність теплообмінного процесу. Важко оціповітряної суміші внаслідок дифузії. Ця дифузія нити градієнт фактичної концентрації під час тепявляє собою дифузію концентрації. Молекули азолообміну, якщо повинні здійснюватися хімічні реату дифундують із вихору в паливно-повітряну сукції. Потрібно зазначити, що зміна концентрації міш у дуже малій кількості (теплова дифузія), й СН4 (або іншого палива) і О2 в шарах на межі подіазот здебільшого не переміщається з паливнолу вихрового потоку і паливно-повітряного потоку повітряної суміші у вихор, оскільки концентрації впливає не тільки на процес передачі теплової азоту у вихорі й паливно-повітряній суміші, по суті, енергії, а також на напрям реакції (прямий і зворооднакові. Частина палива, яка поступає в шар на тний). Якщо, наприклад, концентрація СН4 в палимежі поділу між вихровим потоком і паливновно-повітряній суміші збільшується (внаслідок збіповітряним потоком, запалюється, тоді як більша льшення коефіцієнта еквівалентності порівняно з частина палива в цьому шарі перетворюється. заданим розрахунковим значенням), то процеси Первинні («гарячі») молекули СО, а також частина перетворення почнуть переважати в шарах на водню залишаються в шарі на межі поділу. межі поділу. Це в поєднанні зі специфікою подачі Деякі молекули, які залишаються, окиснюютькисню у вихор приведе до зменшення температуся до СО2 і Н2О, які повертаються в паливнори в периферії вихору, і як наслідок, температура повітряну суміш. Основна частина первинних («гамолекул, які проходять у центральну частину вирячих») молекул СО і водень повертаються в пахору, буде також зменшуватися. Обидва процеси, ливно-повітряну суміш у вигляді СО і Н2. Вони які відбуваються одночасно, приведуть до зменутворюють «ударну силу» вихору. «Холодні» мошення температури вихору до значення нижче лекули (одержані в результаті перетворення), так критичного, приводячи до зриву полум'я. Ось чому звані вторинні СО, Н2, а також кисень, будуть пепроблема стійкого горіння бідної суміші не могла реміщатися до центру вихору (вони мають більш бути вирішена шляхом простого механічного змінизьку інерцію через більш низьку швидкість тепшування вихрового потоку і потоку паливнолового руху). Не всі вони будуть рухатися до повітряної суміші, як це робилося раніше, оскільки центру. Частина їх буде окиснюватися до СО2 і подача теплової енергії в паливно-повітряну суміш Н2О на шляху до центру, які будуть повертатися у такому випадку здійснюється за допомогою папід дією відцентрових сил у периферію вихору (під ралельного збільшення подачі СО2 і Н2О (приводією інерційної дифузії) і т.д. дячи до інтенсивного перетворення палива) при Даний процес проілюстрований на Фіг.1 і 1А, зменшенні температури вихору і паливнона яких точки позначають «гарячі» молекули CO, повітряної суміші. Відповідно до даного винаходу CO2, Н2О і Н2, а плюси позначають «холодні» модифузійний процес переважає між двома потоками лекули палива і кисень. Стрілки показують напря(без їх механічного змішування), і джерело тепломи руху молекул, як описано вище, а місце, в якової енергії на впускному отворі, де зустрічаються му зустрічаються рециркуляційний вихровий потік і потоки (вихор), має збільшену · швидкість відносно вхідний потік паливно-повітряної суміші, позначене швидкості споживача теплової енергії, паливнояк «О». повітряної суміші. Збільшений схематичний частковий вигляд Інтенсивна передача тепла від вихору до пашару на межі поділу між рециркуляційним вихроливно-повітряної суміші ініціює ефект теплового вим потоком і вхідним потоком паливно-повітряної сопла таким чином. Периферійний шар потоку суміші зображений на Фіг.1А. Позначення «X» зопаливно-повітряної суміші буде завжди одержувабражують CO, утворену внаслідок перетворення, ти теплову енергію від периферії вихору при висощо відбувається в периферійному шарі вихору. кій швидкості передачі тепла, а також «гарячі» Фігура показує дифузію СО у вхідну паливномолекули СО2, СО і Н2О. Таким чином, забезпечуповітряну суміш у зоні впускного отвору, яка значються умови для запалення периферії паливноною мірою сприяє горінню. Потрібно розуміти, що, повітряного потоку і підтримки горіння цього шару. хоч швидкість V2 рециркуляційного вихрового поПісля запалення цього периферійного шару горінтоку більша за швидкість V1 вхідного потоку палиня розповсюджується при дуже високій швидкості вно-повітряної суміші, швидкість V3 периферійного на всю масу паливно-повітряного потоку, і швидшару рециркуляційного вихрового потоку набагато кість потоку починає рости під дією ефекту теплонижча за швидкість вхідного потоку паливнового сопла. В результаті, кінетична енергія паливповітряної суміші (існує градієнт швидкості від поно-повітряного потоку збільшується. Стійке горіння верхні, і середня швидкість у цьому шарі перебу(стійке полум'я) периферійного шару паливноває в діапазоні приблизно 1/5 V1). повітряного потоку забезпечується не тільки висоПроцеси, що відбуваються в шарі на межі покою температурою вихрового потоку, але й висоділу, проілюстровані на графіку Фіг.2. Можна побакою швидкістю передачі тепла від периферії вихочити, що концентрація (СН4) палива згодом падає, ру до периферії паливно-повітряного потоку, яке а температура (Т) залишається майже незмінною утворює вигляд «розпалювального факела». По(вона не підвищується, тоді як вона звичайно підстійна і достатня подача молекул СО2, СО і Н2О в вищується у звичайних камерах згоряння), оскільцей шар «розпалювального факела» забезпечує ки продовжується інтенсивне перетворення палистійке полум'я при будь-яких перехідних процесах ва з утворенням як «холодних», так і «гарячих» з мінімальним відношенням палива до повітря і молекул CO. Температура Τ починає зростати при раптових коливаннях подачі палива. приблизно після закінчення приблизно 2/3 часу Молекули палива і кисню рухаються в протиконтакту, або в даному варіанті здійснення прилежному напрямі на відміну від «гарячих» молеблизно від 0,7 до 0,8мс після зустрічі двох потоків. кул, які рухаються від вихору до паливно 19 87669 20 У цей час переважний спосіб для здійснення більш холодного шару паливно-повітряної суміші. способу горіння відповідно до даного винаходу Видно, що NO2 може перебувати на рівні від 1 часповинен включати камеру згоряння, призначену тини на мільйон до 10 частин на мільйон і вище в для виконання наступного співвідношення розміодній і тій же камері згоряння. Крива III показує рів: випадок для рівномірного профілю температур у паливно-повітряній суміші, нагрітій перед запалена³1,4b, ням. d³2,2b, Спроби усунути нерівномірність температур 2r+b³c³r+b, шляхом уведення більшої кількості гарячих газів у де: свіжий паливно-повітряний потік приводять до того факту, що частина паливно-повітряної суміші, яка r радіус круглої поверхні (див. Фіг.6); одержує більше гарячих продуктів горіння, буде а відстань між впускним отвором і випускним нагріватися до більш низької температури, ніж отвором простору для горіння; інша суміш, яка одержала менше продуктів горіння b висота перетину впускного отвору; всупереч тому, що можна було чекати. Це пояснюз максимальний розмір простору для горіння в ється тим фактом, що надмірні кількості гарячих напрямі радіуса r; продуктів горіння викликають більш інтенсивну d висота перетину випускного отвору; реформацію палива, яка є причиною пониження температури. Цей ефект стає більш яскраво вираЯкщо d більше 2, 2b, то площа поперечного женим з бідною паливно-повітряною сумішшю, перерізу теплового сопла буде дуже великою, і не таким чином, ділянки потоку з більш високими буде досягнута потрібна швидкість паливноконцентраціями палива будуть мати температуру повітряного потоку, яка передає початковий імнавіть більш низьку через більш високі швидкості пульс вихору. Якщо с більше 2r+b, то площа попеперетворення. Це можна побачити на Фіг.4, яка речного перерізу буде дуже великою, потрібна показує температуру в паливно-повітряній суміші швидкість паливно-повітряного потоку не буде залежно від швидкості периферії вихору. Можна досягнута, його вплив на вихор буде зменшений, і побачити, що підвищення температури в паливношвидкість вихору в ділянці його межі поділу з паповітряному потоці збільшується доти, поки швидливно-повітряним потоком буде дуже низькою. кість периферії вихору не стане в 1,2-1,25 разів Переважно, площа поперечного перерізу випускбільше швидкості потоку текучого середовища на ного отвору складає не більше 2,2 площі поперечвипускному отворі, після цієї точки температура ного перерізу впускного отвору. Коли потрібно зміпадає, і це не дивлячись на великі кількості теплонити робочий режим, у якому реактор виконує вої енергії, передані в потік текучого середовища функцію риформінг-установки, площу поперечного на впускному отворі. перерізу впускного отвору зменшують відносно Отже, очевидно, що вказана нерівномірність площі поперечного перерізу впускного отвору, що температур залишається в паливно-повітряному використовується в робочому режимі, в якому реапотоці до моменту запалення. Коли паливноктор виконує функцію камери згоряння. повітряна суміш запалюється, більш холодні часРозмір а визначає час контакту вихору і палитини будуть згоряти раніше і ставати більш гарявно-повітряного потоку. Переважно, цей час повичими, ніж частина, яка була більш гарячою до занен бути більше приблизно 1мс. Розмір а може палення. При швидкостях периферії вихору, які є бути одержаний, виходячи зі швидкості текучого необхідними для зменшення викидів, нерівномірсередовища у впускному отворі, переважно, від 10 ність температур у горючій паливно-повітряній до 20м/с. суміші (після запалення) стане навіть вище через Коли свіжа паливно-повітряна суміш нагрівауказаний ефект перетворення. Це пояснюється ється (при збільшенні температури приблизно до тим фактом, що більш гарячі частини паливно150°С), що звичайно відбувається, коли суміш наповітряної суміші будуть все ще горіти після того, грівається за допомогою рециркуляційних гарячих як горіння більш холодної частини суміші закінгазів у звичайній камері згоряння перед запаленчиться. Неоднорідність температур у цей момент ням, то звичайно виникає нерівномірність профілю може складати близько 500°С. температур у паливно-повітряному потоці. НерівВказана відмінність між процесами горіння пономірність температур може досягати 100%, що яснюється різним хімічним складом горіння в поозначає, що окремі подачі потоку можуть залишадачах потоку, які мають різні температури. Оскільтися практично при одній і тій же температурі, що ки більш холодні подачі містять більше продуктів й температура повітряного потоку перед прохогоріння, швидкість окиснення CO в цих подачах дженням у камеру згоряння. Нерівномірність темвизначається рівнянням хімічної реакції першого ператур буде приблизно тією ж самою в кінці гопорядку, добре відомим фахівцям у даній галузі: ріння палива. Якщо температура на випускному x=a1-b1[exp(-kt)] (1) отворі камери згоряння повинна бути близько де: 1200°С, то температури в потоці можуть досягати x дана концентрація СО в продуктах горіння 1500°С через вказану нерівномірність. Незважаю(мол); чи на те, що концентрації NO2 при 1200°С можуть а1 початкова концентрація СО (мол); бути допустимими, викиди закису азоту при висоk кінетична стала реакції (2,15мол/с); кій температурі є значно вищими. Це проілюстроb1 температурний коефіцієнт; вано на Фіг.3, де крива І показує викиди закису t час горіння (с). азоту для більш гарячого шару паливно-повітряної суміші, а крива II показує викиди закису азоту для 21 87669 22 Більш гарячі подачі потоку, які містять менше швидкість потоку текучого середовища на впускпродуктів горіння, горять відповідно до рівняння ному отворі, процес горіння відбувається перевахімічної реакції другого порядку, яке відображає жно згідно з рівнянням (2) з низькими викидами ефект передачі маси при дифузії на процес горінNOX на випускному отворі камери згоряння і відноня в таких подачах: сно низькими викидами СО. При відношеннях швидкостей в діапазоні від 1,4 до 2 викиди NOx і x=а2+b2[exp(-kt)]+Deff[exp(-mt2)] (2) де: СО на випускному отворі камери згоряння будуть x, а2, b2, k i t мають ті ж значення, що й х, а1, низькими (див. Фіг.5). b1, k і t; Переважно, щоб температура повітря для гоDeff коефіцієнт ефективної дифузії ріння була підвищена на 50°С-550°С у зоні впуск(мол/см2*с); ного отвору. Якщо вимоги по викидах СО не дуже m - коефіцієнт небінарних зіткнень (см-1*c-1). жорсткі, то може використовуватися більш різке Ефект цих двох рівнянь пояснюється з посизростання температури, що істотно спрощує консланням на Фіг.5, що показує концентрації CO і СН трукцію камери згоряння. У цьому випадку рівнян(%) залежно від часу. Крива І зображує кінетику, ня (2) буде визначати роботу камери згоряння, і яка описується рівнянням (1), і можна побачити, для процесу не будуть вимагатися великі кількості що паливо згоряє швидко протягом короткого часу рециркульованих гарячих газів, що зменшує тепгоріння, який є оптимальним для зменшення викилове навантаження на елементи камери згоряння. дів NOx одночасно при мінімальних концентраціях Якщо потрібна низька концентрація СО, тоді зросCO. Крива II зображує кінетику, що описується тання температури може бути знижене, але відрівнянням (2), і можна побачити, що процес горінношення швидкості периферії вихору в ділянці, ня протікає набагато довше, ніж у попередньому прилеглій до впускного отвору, але зовні примевипадку, який при більш високій температурі горінжового шару, до швидкості вхідного основного ня забезпечує високі викиди NOx і дуже повільне потоку, що поступає в зону основного потоку, позгоряння CO. Потрібно зазначити, що крива II завинно бути збільшене, працюючи в діапазоні від дана при припущенні однорідної паливно1,4 до 2,2. У цьому випадку камера згоряння праповітряної суміші, яка є ідеальним випадком. При цює згідно з рівнянням (1), знову з низькими викизмішуванні палива і повітря, одержуваному в кадами NOX, а концентрації CO значно зменшені, як мерах згоряння попереднього рівня техніки, репоказано кривою І на Фіг.5. зультат буде набагато гіршим. Відношення швидкості периферії вихору в діДля усунення вказаних недоліків попереднього лянці, прилеглій до впускного отвору, але зовні рівня техніки необхідно підвищити температуру примежового шару, до швидкості вхідного основосновного повітряного потоку на самому вході в ного потоку текучого середовища, що поступає в зону горіння рівномірно по поперечному перерізу зону основного потоку, коливається від 1,4 до 2,2. впускного отвору, через який подається потік текуЯк показано вище, існує взаємозв'язок між цим чого середовища в камеру згоряння. Важливо, відношенням і температурним збільшенням у вхідщоб в основному вся маса вхідного потоку одерному потоці текучого середовища. Як видно на жала, по суті, одну й ту ж кількість теплової енергії Фіг.4, існують дві ділянки, одна описується рівнянперед входом у зону горіння. Якщо це так, то умоням (2), а інша описується рівнянням (1). Перехідви перетворення палива по всій масі паливнона ділянка приблизно між значеннями 0,8 і 1,5 відповітряної суміші будуть, по суті, одні й ті ж. ношень описується обома рівняннями (1) і (2), в Даний спосіб має наступні переваги. Оскільки якій концентрації NOX будуть вищі за концентрації запалений потік не мав нерівномірність темпераяк в ділянці ліворуч, так і в ділянці праворуч, а тур перед запаленням паливно-повітряної суміші, концентрації CO будуть вищі тільки порівняно з горіння відбувається, по суті, при одній і тій же ділянкою праворуч. Ця перехідна ділянка буде температурі по всій масі потоку, і в цьому випадку виникати, наприклад, під час перехідних процесів, максимальна задана розрахункова температура і її можна уникнути, наприклад, шляхом зміни відна вихідному отворі камери згоряння буде, наприношення швидкостей (наприклад, шляхом зміни клад, 1200°С, і температура не може бути вищою поперечного перерізу впускного отвору або кута β за це значення в будь-якій точці в камері згоряння. у точці відриву потоку). Відомо, що ця температура є температурою мініКамера згоряння відповідно до даного винахомального утворення NO2 і найбільш інтенсивного ду може бути виконана з турбулізатором, розтазгоряння CO. Це дозволяє конструювати камеру шованим вниз за потоком від випускного отвору згоряння для температури згоряння, яка дорівнює простору горіння для поліпшення умов для окисTIT (температурі на вході в турбіну), при викориснення залишкового СО. У такому випадку, камера танні в газотурбінному двигуні. Рівномірний прозгоряння може працювати відповідно до рівняння філь температур у зоні горіння усуває наявність (2) при більш низькій температурі горіння і все ще гарячих ділянок і ділянок, що локально перегрівамати оптимальний показник викидів СО. Той же ються в камері згоряння, отже, роблячи камеру самий пристрій може бути використаний при робозгоряння більш дешевою і простою у виготовленні ті відповідно до рівняння (1) для додаткового змеі продовжуючи її термін служби. ншення концентрації CO. Рівномірність профілю температур у вхідному Фіг.6 представляє вигляд у поперечному розпотоці забезпечує оптимальну роботу камери згорізі камери згоряння відповідно до даного винахоряння з використанням або рівняння (1), або рівду в застосуванні до пальника. Як показано на няння (2). Як показано на Фіг.4, при швидкості пеФіг.7, камера згоряння має подовжену конструкриферії вихору приблизно в 1,2 рази більшої за цію, і вона може бути виконана з довжиною, необ 23 87669 24 хідною для закривання, наприклад, пічної стінки наприклад, вгорі за потоком від впускного отвору для котельної установки. Камера 10 згоряння міс18 або в просторі 16 горіння) і починає горіти в тить корпус, утворений стінкою 12 (яка може також просторі 16 горіння, приводячи до утворення гарявиконувати функцію футерівки). Стінка 12 і торцеві чих продуктів горіння, які випускаються через вистінки 14 (тільки одна права стінка 14 показана на пускний отвір 20, наприклад, для використання в Фіг.7) утворюють простір 16 горіння, в якому відбубойлері або будь-якому іншому теплообмінному вається горіння палива. Простір 16 горіння має пристрої. впускний отвір 18 і випускний отвір 20, розташоваПереважно, запальник не повинен бути розний один від одного на відстані, і зрозуміло, що ташований у рециркуляційному вихорі, щоб униктекуче середовище (наприклад повітря під тиском) нути впливу потоку в цій ділянці. У варіанті здійсподається зі швидкістю V1 у простір 16 горіння ченення камери згоряння трубчастого типу трубки з рез впускний отвір 18 і переміщається у просторі поперечним напрямом полум'я можуть з'єднувати 16 горіння в напрямі до випускного отвору 20, що каністри в деякій точці на кожній каністрі за межавикористовується у пристрої (не показано), розтами ділянки рециркуляції або перед ділянкою рецишованому вниз за потоком від камери 10 згоряння. ркуляції (але не в ділянці рециркуляції, як це іноді Відповідно до даного винаходу простір горіння звичайно практикувалося). Альтернативно, запамістить круглу стінку 21, що створює напрям руху льник міг бути розташований навіть у рециркулярециркуляційного вихрового потоку, який відділяційній камері, якщо він пристосований для того, ється від потоку текучого середовища, який випусщоб, по суті, не перешкоджати потоку. До того, як кається через випускний отвір 20 простору 16 гопродукти горіння (гарячі гази) вийдуть із простору ріння. Частина потоку текучого середовища 16 горіння, частина їх відділяється в точці 22 відвідділяється від текучого середовища перед його ділення або відриву потоку від основного потоку, випуском з простору 16 горіння через випускний що проходить звичайно вздовж лінії 0-0, для утвоотвір 20 у точці 22 відриву потоку, і кругла поверхрення рециркуляційного вихрового потоку, показаня 21 проходить між точкою 22 відриву потоку і ного стрілкою 28 на Фіг.6. Цей потік має швидкість ділянкою 24 впускного отвору, в якій розташовано V2, яка залежить від відношень між внутрішніми впускний отвір 18. Термін «кругла» використовурозмірами простору 16 горіння, а також від харакється тут у значенні «має точну або приблизну теру рециркуляційного вихрового потоку вздовж форму або контур круга» (Вебстерський новий круглої поверхні 21. При куті β між напрямом руху англійський міжнародний словник третього виданвхідного потоку текучого середовища 0-0 і дотичня, Merriam-Webster, Inc.). Зрозуміло, що потрібен ною площиною Т-Т до стінки 12 в точці 22 відриву точний круг згідно з метою даного винаходу, але потоку, що дорівнює 45°, ступінь турбулентності форма, що наближається до круга, така як еліпс вихрового потоку вздовж круглої поверхні 21 буде або подібна до нього, також може бути використаскладати близько 0,008, і якщо кут β складає блина для досягнення мети даного винаходу. Вхідний зько 100°, ступінь турбулентності буде складати потік текучого середовища переміщується в просблизько 0,2. Переважне значення кута β становить торі 16 горіння вздовж напряму руху, позначеного 65° для ступеня турбулентності приблизно від 0,03 лінією О-О. Кут α між напрямом руху вхідного подо 0,025. Зрозуміло, що вказані низькі значення току текучого середовища і ділянкою 26 стінки 12 ступеня турбулентності можуть бути одержані, на впускному отворі 18 або напрямом рециркуляякщо тільки кругла поверхня 21 (принаймні, на ційного вихору на впускному отворі 18 знаходитьосновній ділянці її поверхні, що починається від ся, переважно, приблизно між 85° і 175°, і тут він точки 22 відриву потоку і проходить у напрямі до показаний як прямий кут. Призначення даного кута впускного отвору 18) виконана гладкою, тобто без буде описуватися нижче. Кут β між напрямом руху яких-небудь отворів, поглиблень, виступів, впусквхідного потоку текучого середовища 0-0 і дотичних отворів для текучого середовища і тому подібною площиною Т-Т до стінки 12 в точці 22 відриву ного. Будь-які такі нерівності на поверхні будуть потоку або напрямом рециркуляційного вихору в безпосередньо і неминуче збурювати вихровий точці 22 відділення/відриву потоку, переважно, потік вздовж поверхні 21, турбулізувати його і збізнаходиться приблизно між 100° і 15°. Призначенльшувати ступінь турбуленції вище вказаних меж ня даного кута буде пояснюватися нижче. Розміри до 0,2 і навіть вище, подібно до того, що відбуваa, b, с, d і r пояснені вище при описі способу горінється у звичайних камерах згоряння із захопленим ня відповідно до даного винаходу. вихором. Ступінь турбулентності можна збільшити Дана камера згоряння працює у такий спосіб. (у вказаних точно встановлених межах) для того, Текуче середовище, таке як повітря для горіння, щоб збільшити температуру вихору, коли потрібне подається через впускний отвір 18, наприклад, від дане застосування. Кут α вибирається в діапазоні нагнітального вентилятора або компресора, і, зровід 85° до 175°, виходячи з умов, при яких рецирзуміло, що повітря може подаватися з паливом, куляційний вихровий потік зустрічає потік текучого заздалегідь уже змішаним, або паливо може подасередовища в зоні 24 впускного отвору 18. Збільватися незалежно в потік текучого середовища на шення значення цього кута приводить до більш впускному отворі (не показано). Це текуче середонизької турбулентності цих двох потоків, коли вони вище, що подається через впускний отвір 18, рузустрічаються. Коли рециркуляційний вихровий хається в основному напрямі 0-0 до випускного потік, що має швидкість V2, зустрічає вхідний потік отвору 20 з простору 16 горіння, і початкова швидтекучого середовища, що має швидкість V1 в зоні кість цього потоку текучого середовища дорівнює впускного отвору (V2>V1), то ці два потоки утвоV1. Паливо запалюється за допомогою запальника рюють між собою шар на межі поділу, як описано (який не показаний і який може бути встановлений, детально вище для ілюстрації процесів, що відбу 25 87669 26 ваються у просторі 16 горіння. Безсумнівно, зрольки шляхом зміни вхідних умов відношення зуміло, що швидкість V2 більша за швидкість V1, як швидкостей V2 і V1 можна змінювати, змінюючи у описувалося вище, через ефект теплового сопла, такий спосіб максимальну розрахункову точкову описаний вище, і через низький ступінь турбуленттемпературу камери згоряння. Стінка 434 може ності вздовж круглої поверхні 21 і відсутність турбути встановлена таким чином, щоб переміщатися булізувальних елементів уздовж цього напряму під час роботи камери згоряння (за допомогою руху, і висока швидкість V2 залишається вищою за механізму, який не показаний), і в цьому випадку швидкість V1 до того моменту, коли ці два потоки максимальна температура камери згоряння може зустрінуться в зоні впускного отвору. змінюватися, наприклад, залежно від режиму наФіг.8 представляє схематичний частковий вивантаження. гляд у розрізі кільцевої камери згоряння відповідно Фіг.12 і 13 представляють варіанти здійснення до даного винаходу, з ідентичними елементами, камери згоряння відповідно до даного винаходу з позначеними тими ж посилальними позиціями, як модифікаціями впускного отвору 18. Як показано на Фіг.6 і 7, при додаванні 100. У даному варіанті на Фіг.12, впускний отвір має виступи 13, що проздійснення поверхня 130, уздовж якої проходить ходять радіально всередину, віддалені по кругу вхідне текуче середовище, має ділянку 132 на отвори, і на Фіг.13 впускний отвір має радіальну впускному отворі 118, яка нахилена відносно освиїмку, розташовану з інтервалом по кругу отвору. новного напряму 0-0 вхідного потоку текучого сеВ обох випадках виступи і виїмки забезпечують конструкцію периферійної поверхні вхідного потоку редовища під кутом g приблизно від 0° до 15°. Датекучого середовища шляхом збільшення її повена конструкція може бути використана в рхневої площі. Це дозволяє збільшити контактну застосуваннях, де потрібно зберегти відношення поверхневу площу між периферією вхідного потоку між швидкостями V2 і V1, і радіальний розмір каметекучого середовища і рециркуляційним вихровим ри згоряння обмежений. У такому випадку, швидпотоком з одними й тими ж відношеннями між кість V1 не можна зменшити шляхом збільшення швидкостями V1 і V2 цих двох потоків. При такому площі поперечного перерізу впускного отвору внарозташуванні камера згоряння може бути зроблеслідок простого збільшення розміру b, оскільки це на коротшою, або взаємодія між двома потоками призвело б до впливу вхідного потоку на рециркуможе бути посилена при одній і тій же довжині ляційний вихровий потік з низькою турбулентністю. камери згоряння. Шляхом використання кута g, який більше 0°, розФіг.14 представляє подовжній вигляд у розрізі мір b залишається практично незміненим, але газотурбінного двигуна, що містить кільцеву камеплоща поперечного перерізу потоку зроблена біру згоряння відповідно до даного винаходу, в якій льшою, не створюючи перешкод рециркуляційноідентичні елементи позначені тими ж посилальниму потоку. Стосовно решти, даний варіант здійсми позиціями з додаванням 500. Кільцева камера нення працює аналогічно варіанта здійснення, 510 згоряння, яка звичайно виконується аналогічописаного вище з посиланнями на Фіг.6 і 7. но до камери згоряння, зображеній та описаній з Фіг.9 представляє подовжній вигляд у розрізі посиланням на Фіг.11, вбудована в газотурбінний кільцевої камери згоряння, виконаний за лініями двигун, турбіна 540 якого з комплектом сопел 541 Фіг.8, з ідентичними елементами, позначеними показана встановленою на осі 542. Повітря податими ж посилальними позиціями, як на Фіг.6 і 7, ється в камеру згоряння через канал 519 від комппри додаванні 200. Різниця тут полягає в тому, що ресора (не показаний) у впускний отвір 518 проскут α зроблений більшим, забезпечуючи полегшені тору 516 горіння. Впускний отвір 518 має дифузор умови для низької турбулентності для даних двох 544, який підтримує залишкове окружне завихренпотоків (рециркуляційного вихрового потоку і вхідня, яке було передане повітряному потоку для ного потоку текучого середовища) при більш низьпосилення взаємодії між периферійною поверхнею кій концентрації CO. вхідного повітряного потоку і рециркуляційним Фіг.10 представляє варіант здійснення камери вихровим потоком 528 у просторі 516 згоряння. згоряння на Фіг.8 з ідентичними елементами, поПаливо подається у простір 516 горіння через значеними тими ж посилальними позиціями з доотвори 546 для попереднього змішування з повітдаванням 300 для ілюстрації того, як варіанти рям. Зрозуміло, що паливо може бути змішане з здійснення камери згоряння на Фіг.8 і 9 використоповітрям вгорі за потоком від камери згоряння. вуються разом. Можна бачити тут, що кут g більше Додатковий впускний отвір для повітря і/або пали0°, а кут α більше 90°. Під час використання камева передбачений на ділянці 526 стінки в зоні 524 ри згоряння, спроектованої відповідно до даного впускного отвору, позначений посилальним номевинаходу, можна зменшити концентрацію СО при ром 548, для того, щоб змінити склад рециркуляневеликому радіальному розмірі камери згоряння. ційного вихрового потоку перед тим, як він зустріФіг.11 представляє камеру згоряння трубчаснеться з периферією повітряного потоку, який того типу, виконану відповідно до даного винахоподається через впускний отвір 518. Якщо камера ду. Ідентичні елементи позначені тими ж посилазгоряння призначена для роботи при низькій темльними позиціями з додаванням 400. Різниця тут пературі горіння, скажімо 1000°С, добавлення пополягає в тому, що вхідний потік подається в радівітря і палива через отвори 548 приведе до збільальному напрямі і переміщається вздовж кривої шення температури, наприклад до 1500°С. Якщо, О1-О1. Стінка 434, яка утворює поверхню 430, монавпаки, камера згоряння призначена для роботи же переміщатися всередину і назовні (зліва напри температурі 1500°С, більш низька температуправо або, навпаки, на кресленні) по напрямному ра, скажімо 1000°С, може бути одержана шляхом рукаву 436. Це дозволяє використовувати одну й подачі додаткового повітря через отвори 548.1 ту ж камеру згоряння в різних застосуваннях, оскі 27 87669 28 повітря, і паливо можна подавати через отвори прямі, як показано на кресленні. При одних і тих 548 в контрольованих кількостях і в контрольоваже умовах турбулентності вихрового потоку, як них відношеннях для підтримання будь-якої необописувалося вище для попередніх варіантів здійсхідної температури в камері згоряння в межах денення, додаткова перевага полягає в тому, що цей якого заданого значення в умовах змінного потік рухається над «газовим мастилом», забезпенавантаження. У камері згоряння є інший впускний чуваним потоком паливно-повітряної суміші, яке отвір для повітря горіння, позначений посилальзменшує гідравлічні й теплові втрати. Як видно на ним номером 550, для добавлення свіжого повітря Фіг.17, кругла поверхня 630 розділена на сегменти (наприклад, кисню) до продуктів горіння, які віддіза допомогою лопатей 636 (показані на Фіг.16), які лені від потоку гарячих газів, що випускаються перетворюють доцентрову швидкість потоку текучерез випускний отвір 520 для використання в тучого середовища біля подовжньої осі О3-О3 двигурбіні 540. Якщо відношення еквівалентності дуже на на швидкість V2 вихору. низьке, в потік вихлопних газів необхідно добавити Необхідно зазначити, що відношення швидкобільше кисню для окиснення CO. Якщо камера сті вихору до швидкості вхідного потоку (V2/V1) згоряння працює при відношенні еквівалентності, впливає на концентрацію СО у вихлопних газах. яке дуже високе, то потік вихлопних газів буде Фіг.18 показує концентрацію чадного газу CO замістити продукти неповного окиснення компоненлежно від часу перебування (в мс) для трьох різтів палива, СН і CO, і добавлення свіжого повітря в них значень відношення V2/V1. Можна побачити, цьому випадку прискорить реакції окиснення, нащо найкращим рішенням є одержання найбільшовіть підвищуючи температуру вихлопних газів. Него відношення швидкостей, скажімо 2,2, але в обхідно додати, що добавлення повітря через цьому випадку максимально досяжна температура отвори 550 турбулізує потік вихлопних газів і призменшується. Це означає, що в застосуваннях, які скорює вигоряння CO. Комплект сопел 541 також вимагають високих температур на випускному турбулізує потік вихлопних газів. Очевидно, що отворі камери згоряння, відношення швидкостей спеціальні турбулізатори, добре відомі фахівцям в повинно бути зменшене з подальшим збільшенданій галузі техніки, також можуть бути встановленям концентрації CO. Способи, які можуть бути ні вниз за потоком від випускного отвору від зони використані для контролю більш високих концентгоріння. Безсумнівно, зрозуміло, що вказані етапи рацій CO, були описані вище. добавлення повітря і/або палива через отвори 548 Дослідна кільцева камера згоряння була вигоі добавлення повітря через отвори 550 можуть товлена відповідно до даного винаходу і перевірездійснюватися за допомогою використання систена. Одна камера згоряння №1 мала об'єм 760см3, і ми керування, яка містить датчики навантаження горіння проходило з максимально можливою швиі/або температури і відповідні пристрої керування дкістю V2. Максимальна температура в камері згодля зміни, ввімкнення або вимкнення додаткових ряння складала близько 1650°С. Інша камера згоподач повітря і палива в камеру згоряння з викоряння №2 мала об'єм 690см3, і горіння проходило ристанням способів та обладнання, добре відомих з переважною швидкістю V2, забезпечуючи максифахівцям у даній галузі техніки. мальну температуру близько 1260°С. Ця камера Фіг.15 представляє подовжній вигляд у розрізі згоряння мала наступні технічні характеристики: іншого варіанта здійснення газотурбінного двигуВнутрішній діаметр 100мм на, який містить кільцеву камеру згоряння відповіВитрата 0,06кг/с дно до даного винаходу. У даному варіанті здійсТиск 1,2кг/см2 нення використовується відцентровий компресор Тна виході 650-1260°С 600 і доцентрова турбіна 610 на загальному оберВипробування, що проводяться в горючому товому диску 612, встановленому на осі 614, що природному газі, дали наступні результати: проходить у корпусі 615. Камера 616 згоряння відКамера згоряння забезпечила стійке запаленповідно до даного винаходу містить корпус 618 і ня без спеціального складу розпалювальної палифутерівку 619, які створюють простір 620 горіння, вної суміші. що має впускний отвір 622 на боці компресора і Камера згоряння забезпечила стійкий запуск із випускний отвір 624 на боці турбіни. Камера згохолодного стану без попереднього прогрівання. ряння містить запальник 626. Роздільна стінка між Метал всередині камери згоряння не показав компресором 600 і турбіною 610 має круглу поверознак пошкодження після близько 500 пускових хню 630 для рециркуляційного вихрового потоку, циклів. яка проходить між точкою 632 відриву потоку на Стійке горіння в усьому діапазоні умов горіння випускному отворі 624 і впускним отвором 622 з відношеннями еквівалентності від 0,7 до 0,17. простору 620 горіння. Як видно з Фіг.16 (яка зоУ вихлопних газах не були виявлені видимі бражує вигляд за стрілкою XVI на Фіг.15), рециртверді частинки під час усього випробувального куляційний вихровий потік, утворений частиною періоду з відношеннями еквівалентності від 0,7 до продуктів горіння, які переміщуються вздовж лінії 0,17. О2-О2, стрілки 634, буде в цьому випадку розміщуДеякі результати випробування наведені нижватися всередині вхідного потоку, який рухається че. вздовж напряму руху О2-О2 у тому ж самому на 29 87669 30 Таблиця 1 Результати випробування викидів для дослідної камери згоряння №1 (760см3) Викиди NOx CO 650 0 150 Температура на виході камери згоряння ,°C 1,100 1,370 1,650 2-3 частини на мільйон 4-5 частин на мільйон 10 частин на мільйон 30 частин на мільйон 12 частин на мільйон 5 частин на мільйон Примітка: Всі дані в таблиці від 1 до 4 мають на увазі 15% О2. Таблиця 2 Результати випробування викидів для дослідної камери згоряння №2 (690см3) Температура, °С Викиди CO, проміле 1005 449 1090 263 1145 93 1175 53 1190 38 1220 15 1220 7 1245 0 Таблиця 3 Викиди NOx дослідної камери згоряння №2 (690см) (Газоаналізатор 400 HCLD) Температура, °С NOx, частина на мільйон NO2, частина на мільйон 765 1,37 0,11 875 1,53 0,06 975 1,65 0,07 1030 1,36 0,03 1065 1,45 0,03 1195 1,79 0,05 1130 1,41 0,04 1150 1,61 0,02 1190 1,81 0,05 1210 1,97 0,08 Таблиця 4 Результати випробування викидів NOx з використанням більш точного газоаналізатора API 200A; камера згоряння №2 (690см3) Температура, °С NOX, частина на мільйон 835 1,06 940 1,49 985 1,25 Дослідні камери згоряння були перевірені з паливом, що має наступний склад: Метан 15-22% абс. знач. Азот 10-30% Вуглекислий газ 20-25% Вода (пара) до 40% Інші гази до 7% Результати виявилися тими ж самими, що й результати, наведені вище, для природного газоподібного палива. Використовуючи нормальне еквівалентне відношення для конкретної камери згоряння (наприклад Фіг.22), пряма реакція горіння переважає зворотну реакцією. Однак зворотні реакції перетворення палива відбуваються в поверхневому шарі вихору, і в цьому випадку процес супроводиться зменшенням температури вихору, і в результаті спричиняють зменшення температури стінок камери згоряння (через потік газу). Див. таблицю 6. Потрібно зазначити, що зміна концентрації СН4 і О2 в шарах на межі поділу потоку вихору і паливно-повітряного потоку впливає не тільки на процес передачі теплової енергії, але й на напрям реакції (прямий і зворотний). Якщо концентрація СH4 більше нормальної для горіння в паливноповітряній суміші (внаслідок збільшення коефіцієнта еквівалентності порівняно з розрахунковим встановленим значенням), то процеси перетво 1045 0,995 1100 0,988 1180 1,19 1205 1,42 1225 1,73 рення палива почнуть переважати в шарах на межі поділу. Це, в поєднанні зі специфікою подачі кисню у вихор, призведе до зменшення температури периферії вихору, і, як наслідок, температура молекул, які проходять у центральну частину вихору, також знизиться. Обидва процеси, які відбуваються одночасно, приведуть до зменшення температури вихору до значення нижче критичного, приводячи до зриву полум'я. Це є причиною того, чому стійке горіння бідної суміші не може бути вирішене шляхом простого механічного змішування вихрового потоку і потоку паливно-повітряної суміші, як це робилося раніше, оскільки подача теплової енергії в паливно-повітряну суміш у такому випадку супроводжується одночасним збільшенням подачі СО2 і Н2О (приводячи до інтенсивного перетворення палива) зі зменшенням температури вихору і паливно-повітряної суміші. Однак, завдяки реакціям, які відбуваються в примежовому шарі «на межі поділу» згідно з даним винаходом, камера згоряння відповідно до даного винаходу може працювати стійко при таких умовах. Див. таблицю 7. Така робота в «режимі перетворення» може виконуватися стійко і безперервно, навіть без наявності полум'я. Таблиці 5 і 6: Результати випробування на стійкість згоряння в камері згоряння №2 (690см3) для камери згоряння з металевою футерівкою (випробування, виконані з газоподібним паливом). 31 87669 32 Таблиця 5 Випробування, Початковий потік па№ лива, сл/хв. (φ-0,5) 1 2 3 4 5 6 60** 52 45 40 35,5 зо Значення стійкого згоряння потоку палива, сл/хв.* 50 45 40 33 30 29 45 41 32 29 26 23 40 36 28 25 22 19 35 30 25 21 20 18 30 27 23 19 18 16 Потік палива зі зривом полум'я сл/хв. t, °C 26,9 325 23,1 323 19,1 325 16 330 15 331 13,2 330 * Стандартні літри за хвилину. Відношення еквівалентності не було визначене. Був змінений тільки потік палива, а повітряний потік залишився незмінним. ** 60сл/хв. є переважним споживанням палива для камери згоряння 690см3. Таблиця 6 Точка № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TIT (температура на виході турбіни, °С) 1150 1200 1250 612 619 630 618 622 639 582 617 625 560 585 610 536 559 583 510 535 560 479 509 537 458 475 491 447 456 473 441 448 469 625 631 648 1000 600 610 576 551 527 503 471 452 442 436 620 1270 635 655 649 645 620 590 547 520 495 487 663 Примітка. Температури металу були виміряні на зовнішній металевій поверхні, оскільки футерівка не охолоджувалася. Таблиця 7 Потік палива, сл/хв. 120 СО2, % CO, % 3,31 2,35 НС, частина на мільйон 250 Переважні варіанти здійснення даного винаходу були описані вище. Однак, зрозуміло, що можливі різні модифікації і зміни в представлених О2, % ТЗ, °С Постріл 12,25 460 0 тут варіантах здійснення без відходу від суті й обсягу даного винаходу, визначеного в доданій формулі винаходу. 33 87669 34 35 87669 36 37 87669 38 39 87669 40 41 87669 42 43 87669 44 45 87669 46 47 87669 48 49 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 87669 Підписне 50 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601