№222395 Вихревая камера для сжигания газодисперсного топлива

(72) Автор(ы):
Егоров Александр Григорьевич (RU),
Тизилов Андрей Сергеевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" (RU)

Полезная модель относится к области энергетики, в частности к устройствам для сжигания твердого порошкообразного топлива (угольной пыли, порошков металлов и др.).

Одним из основных элементов энергосиловых установок является камера сгорания, к которой предъявляются разнообразные требования: по надежному воспламенению, диапазону устойчивой работы, полноте сгорания топлива, многотопливности, гидравлическим потерям и др.

Применение вихревого принципа организации рабочего процесса в камере сгорания с профилированными стенками в значительной мере удовлетворяет этим требованиям. Вихревой поток обладает высокой диспергирующей способностью, а наличие поля центробежных сил, в свою очередь, приводит к расслоению топливной смеси и позволяет увеличить время пребывания частиц в камере, соответственно повысить полноту сгорания [1].

Известно [2-4], что камера сгорания с внезапным расширением обеспечивает надежное воспламенение и стабилизацию фронта пламени твердого порошкообразного горючего смешенного с потоком воздуха. Камера сгорания с внезапным расширением позволяет стабилизировать фронт пламени при скорости набегающего потока топливно-воздушной смеси ~ 300 м/с и в широком диапазоне изменения состава смеси (картинка) [5-7].

Известна пылеугольная горелка (патент RU №2270400, F23D 1/00, 20.02.2006), содержащая канал для транспортирования пыли, а также канал для транспортирующего материала, который снабжен эжектором. В горелке дополнительно изготовлен эжектор, выполненный в виде двух конусных втулок, встроенных одна в другую с зазором для подачи воздуха и закрепленных в трубе. В трубе выполнено отверстие для прохода угольной пыли, а на выходе транспортирующего материала с угольной пылью выполнено сопло. В сопле размещено закручивающее поток устройство, изготовленное в виде конуса с закрепленными на нем витками спирали.

Недостатком известной пылеугольной горелки является низкое качество смешения топливной пыли с окислителем, низкая полнота сгорания топлива, малый коэффициент эжекции, а также высокая теплонапряженность корпуса горелки.

Известно вихревое горелочное устройство сжигания пылевидного топлива (патент RU №2565737, F23D 1/02, 20.10.2015), содержащее патрубок подвода первичного воздуха, камеру сгорания, патрубок подвода вторичного воздуха, отверстия для подвода вторичного воздуха, перегородку, форсунку подачи топливной пыли, электрический нагреватель, камеру смешения пылевидного топлива с окислителем и конфузорно-диффузорный переход, причем отверстия для подвода вторичного воздуха выполнены на входе в цилиндрический участок камеры сгорания, а электрический нагреватель выполнен в виде цилиндрического стержня и установлен осесимметрично внутри форсунки подачи топливной пыли.

Известное устройство характеризуется узким диапазоном изменения скорости и состава топливной пыли на входе в устройство, имеет большие габариты и недостаточно технологично.

Известно устройство для осуществления способа сжигания твердого топлива (патент RU №2468292, F23С15 /00, 27.11.2012), содержащее камеру сгорания, выполненную в виде полузамкнутого плоского кольцевого канала, ограниченного двумя плоскими стенками и цилиндрической поверхностью, с расположенными вдоль нее профилированными отверстиями (форсунками), системы подачи твердого топлива, окислителя и отвода продуктов сгорания, при этом профилированные отверстия для подачи окислителя направлены тангенциально или под углом к цилиндрической поверхности, отличающееся тем, что диаметр упомянутого канала больше расстояния между плоскими стенками, по крайней мере, одна из плоских стенок имеет выходное отверстие для продуктов детонации, при этом устройство снабжено средством для непрерывной подачи твердого топлива в камеру сгорания, выходное отверстие для продуктов детонации расположено по оси камеры сгорания.

Известное устройство характеризуется сложной системой подачи топлива и узким диапазоном изменения коэффициента избытка окислителя, в котором можно сжигать топливно-воздушные смеси.

Наиболее близкой по технологической сущности и конструкции является вихревая камера сгорания (изобретение №589452, F02С 7/22, 25.01.1978).

Известная вихревая камера сгорания, содержащая укрепленную на одной из торцевых стенок форсунку для подачи жидкого топлива, выполненное соосно форсунке в противоположной торцевой стенке выходное сопло и тангенциальные каналы в боковой стенке для подвода воздуха, вокруг выходного сопла выполнен кольцевой желоб для сбора топлива, а по периферии форсунки размещены дополнительные топливные сопла, сообщенные с желобом каналами в стенках камеры.

Недостатком данной вихревой камеры сгорания является не надежное воспламенение и стабилизация фронта пламени, а также отсутствие возможности сжигать твердое порошкообразное топливо в потоке воздуха.

Техническими задачами заявляемой вихревой камеры сгорания являются возможность подвода твердого порошкообразного топлива, снижение гидравлических потерь, повышение надежности воспламенения и стабилизации пламени, увеличение полноты сгорания.

Технические задачи для вихревой камеры сгорания, включающей основную камеру сгорания с корпусом и патрубком для подвода воздуха в коллектор, направляющее кольцо с тангенциальными плоскими соплами для закрутки потока воздуха, переднюю и заднюю стенки, выходное сопло, решаются тем, что дополнительно содержит патрубок подвода твердого топлива расположенный соосно с форкамерой и основной камерой, при этом электрическая свеча установлена в форкамере. Основная камера сгорания совместно с патрубком подачи твердого порошкообразного топлива и форкамерой представляет собой вихревой эжектор прямоточного типа.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении предложенной полезной модели, является повышение коэффициента полноты сгорания твердого порошкообразного топлива при малых гидравлических потерях.

Существенными признаками изобретения являются: вихревая камера для сжигания твердого порошкообразного топлива, включающая основную камеру с корпусом и патрубком для подвода воздуха в коллектор, направляющее кольцо с тангенциальными плоскими соплами для закрутки потока воздуха, переднюю и заднюю стенки, выходное сопло, отличающаяся тем, что содержит форкамеру, патрубок подачи твердого порошкообразного топлива, расположенный соосно с форкамерой и основной камерой, при этом электрическая свеча установлена в форкамере в пределах донной области зоны рециркуляции на расстоянии от дна не более чем на (картинка), где (картинка) - основной радиус форкамеры, (картинка) - радиус входного отверстия форкамеры, к которому подсоединен патрубок подачи топлива, передняя и задняя стенки основной камеры выполнены профилированными по закону минимальных гидродинамических потерь.

Изобретение поясняется фиг. 1, где приведена схема вихревой камеры для сжигания твердого порошкообразного топлива.

Схема заявляемой вихревой камеры сгорания, включает патрубок подачи твердого порошкообразного топлива 1, форкамеру 2 со степенью внезапного расширения (картинка) от 2,0 до 4,0, размером (картинка) не менее 0,01 м и длиной (картинка) от 7,5H до 10H, свечу зажигания 3, установленную в донной области зоны рециркуляции на расстояние не более чем на (картинка), основную камеру сгорания 4, содержащую корпус 5 с патрубком 6 для подвода воздуха в коллектор 7, направляющее кольцо 8 с тангенциальными плоскими соплами 9 для закрутки потока воздуха, переднюю 10 и заднюю 11 профилированные стенки по закону отвечающему условию минимальных гидродинамических потерь: (картинка),

где (картинка)=(картинка)- относительный радиус камеры сгорания ((картинка) - текущий и начальный радиус, соответственно), (картинка) (картинка)- радиус сопла, (картинка) - число Маха, а также выходное сопло 12.

Вихревая камера сгорания работает следующим образом: воздух под избыточном давлении через штуцер 6 поступает в коллектор 7, который при дальнейшем прохождении через сопла 9 направляющего кольца 8 приобретает окружную составляющую скорости, в результате чего под воздействием радиального градиента давления в осевой области основной камеры сгорания 4 формируется зона пониженного давления, куда поступают воспламенившиеся в форкамере частицы твердого порошкообразного топлива, которые поступают в нее через патрубок 1.

Надежное воспламенение твердого порошкообразного топлива в форкамере электрической свечой обусловлено гидродинамикой течения и временем пребывания частиц в донной области зоны рециркуляции, где его значения на два порядка больше, чем в самой зоне рециркуляции. Стабилизация фронта пламени достигается за счет интенсивных тепло-массообменных процессов зоны рециркуляции и основным потоком твердого порошкообразного топлива. Высокотемпературные продукты сгорания зоны рециркуляции, попадая в основной поток твердого порошкообразного топлива, поджигают его и при равенстве скоростей набегающего потока и распространения пламени, фронт пламени стабилизируется. Профилирование торцевых стенок основной камеры сгорания обеспечивает длительное удержание частиц топлива в зоне термической активации при минимальном гидравлическом сопротивлении. Сочетание этих качеств в вихревой камере сгорания с ограниченными размерами реакционной зоны позволяет получать высокий коэффициент полноты сгорания при малых гидравлических потерях, а также эффективно работать в области бедных смесей, снижая тем самым уровень токсичности продуктов сгорания.

Подачу твердого порошкообразного топлива можно осуществлять посредством эжектирования поскольку основная камера вместе с форкамерой и входным патрубком представляет собой вихревой эжектор прямоточного типа или же с помощью шнековой или поршневой системы.

Полезная модель - вихревая камера, содержащая патрубок подачи твердого порошкообразного топлива смешанного с потоком воздуха, форкамеру в виде осесимметричного канала с внезапным расширением, обеспечивающего надежное зажигание и стабилизацию фронта пламени в широком диапазоне изменения скорости и состава твердого топлива, большое время пребывания в основной камере частиц твердого порошкообразного топлива, за счет профилирования стенок по закону минимальных гидродинамических потерь - высокую полноту сгорания. Настоящая вихревая камера сгорания применима как для стационарных энергетических установок, так и двигателей перспективных летательных аппаратов при реализации программ полетов на Венеру и Марс (сжигание твердых порошков алюминия или магния в среде углекислого газа).

Литература

1. Вихревой эффект и его промышленное применение. Под редакцией Меркулов А.П. - Куйбышев: КуАИ, 1981, 444 с.

2. Егоров А.Г., Пивнева С.В. Организация рабочего процесса в камерах сгорания двигательных и энергетических установок нового поколения. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2006. №2-1 (10). С.382-387.

3. Егоров А.Г. Стабилизация пламени в турбулентном двухфазном потоке. Химическая физика. 2003. Т.22. №4. С.70-79.

4. Егоров А.Г., Мигалин.В., Шайкин А.П. Экспериментальное исследование процессов воспламенения и стабилизации пламени порошкообразного алюминия в камере сгорания с внезапным расширением. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1989. №2. С.85-86.

5. Архипов В.А., Егоров А.Г., Иванин С. В., Маслов Е.А., Матвиенко О.В. Численное моделирование аэродинамики и горения газовзвеси в канале с внезапным расширением. Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. №6. С.39-48.

6. Егоров А.Г. О максимальном времени пребывания порошкообразного металлического горючего в зоне обратных токов. В сборнике: Процессы горения, теплообмена, и экология тепловых двигателей. Сер. «Вестник СГАУ» Самара, 2000. С.38-42.

7. Егоров А.Г. Горение дисперсного алюминия в потоке воздуха: Монография - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 305 с.

Формула полезной модели

1. Вихревая камера для сжигания твёрдого порошкообразного топлива, включающая основную камеру с корпусом и патрубком для подвода воздуха в коллектор, направляющее кольцо с тангенциальными плоскими соплами для закрутки потока воздуха, переднюю и заднюю стенки, выходное сопло, отличающаяся тем, что дополнительно содержит патрубок подачи твердого порошкообразного топлива, расположенный соосно с форкамерой и основной камерой, при этом электрическая свеча установлена в форкамере в пределах донной области зоны рециркуляции на расстоянии от дна не более чем на L_св=2(r₀-r_вх), где r₀ - основной радиус форкамеры, r_вх - радиус входного отверстия форкамеры, к которому подсоединён патрубок подачи топлива, передняя и задняя стенки основной камеры выполнены профилированными по закону минимальных гидродинамических потерь.

2. Вихревая камера для сжигания твёрдого порошкообразного топлива по п.1, отличающаяся тем, что основная камера вместе с патрубком подачи топлива и форкамерой представляет собой вихревой эжектор прямоточного типа.

3. Вихревая камера для сжигания твёрдого порошкообразного топлива по п.1, отличающаяся тем, что форкамера выполнена в виде осесимметричного канала с внезапным расширением.

4. Вихревая камера для сжигания твёрдого порошкообразного топлива по п.3, отличающаяся тем, что электрическая свеча установлена в форкамере в пределах донной области зоны рециркуляции.

5. Вихревая камера для сжигания твёрдого порошкообразного топлива по п.1, отличающаяся тем, что основная камера содержит профилированные переднюю и заднюю стенки.

(картинка)