Водородно-кислородный минипарогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания

Авторы патента:

F23R3/06 - расположение отверстий вдоль жаровой трубы

Предлагаемая полезная модель относится к силовым установкам паротурбинного типа, а именно, парогенераторам, использующим в качестве горючего водород.

Использование комбинированного внутреннего и внешнего охлаждения позволяет обеспечить надежное охлаждение камеры сгорания водородно-кислородного минипарогенератора при мощностях менее 200 кВт. Первый ряд, состоящий из 8 отверстий, расположенных на расстоянии 0,6-1,15 калибров от смесительного элемента под углом 10-25° к центральной оси, обеспечивает подачу воды на внутреннее охлаждение камеры сгорания. Второй ряд, состоящий из 4 отверстий, расположенных на выходе из камеры сгорания перпендикулярно к центральной, обеспечивает подачу воды на балластировку продуктов сгорания. Диаметры отверстий подобраны таким образом, что 20-30% от общего расхода охлаждающей воды поступает через первый ряд внутрь камеры сгорания, что обеспечивает создание на внутренней стенки низкотемпературного пристеночного слоя. При этом оставшаяся часть охлаждающей воды поступает далее ко второму ряду отверстий, чем обеспечивается комбинированное внешнее и внутреннее охлаждение наиболее теплонапряженного участка. Расстояние расположения первого ряда отверстий выбрано таким образом, что подача охлаждающей воды начинается в наиболее теплонапряженной зоне, при этом более ранняя подача охлаждающей воды может приводить к ее подмешиванию в зону горения, и, как следствие, к снижению полноты сгорания водорода. Расположение второго ряда отверстий обусловлено тем, что на выходе из камеры сгорания процесс горения водорода в кислороде практически завершен, и подача в этой зоне воды не приведет к снижению полноты сгорания. Изготовление камеры сгорания с сужающимся соплом на выходе и подача в этой зоне балластировочной воды с одной стороны обеспечит его защиту от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания, а с другой стороны, последующее резкое расширение обеспечит равномерное перемешивание образованной двухфазной смеси и создание равномерного поля температур на входе к потребителю, в частности перед паровой турбиной. Ил.1.

Известен парогенератор, работающий на химическом топливе кислород (окислитель) - водород (горючее), камера сгорания которого охлаждается только с внешней стороны (Патент РФ 230049 С1). Однако такой способ охлаждения наиболее эффективен при номинальной тепловой мощности парогенератора не менее 1 МВт. При переходе к более компактным установкам с тепловой мощностью 50-200 кВт расход охлаждающей воды, подаваемый на охлаждение камеры сгорания снижается до 9-25 г/сек и обеспечение надежного теплосъема только за счет внешнего охлаждения практически невозможно. Это объясняется тем, что температура в камере сгорания может достигать 3600 К и попадание такого высокотемпературного потока на внутреннюю стенку практически всегда приводит к ее прогару или оплавлению. Известен также парогенератор с с комбинированным водородо-водяным охлаждением камеры сгорания (Патент РФ 2358191 С1). В этом случае становится возможным обеспечение более высокого теплосъема со стенок камеры сгорания за счет частичного использования для охлаждения водородного топлива, однако при мощностях менее 200 кВт, расход водорода на охлаждение составит менее 1,2 г/сек, что также не обеспечит необходимый теплосъем с внутренней стенки.

Одним из вариантов решения вышеуказанной проблемы является камера сгорания с комбинированным внешним и внутренним охлаждением.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция водородно-кислородного парогенератора с комбинированным внешним и внутренним охлаждением низкотемпературным паром (Патент JP2006017367). В этом случае обеспечивается необходимое охлаждение стенок камеры сгорания в том числе и при мощностях менее 200 кВт. Недостатком данной конструкции является то, что для ее работы необходимо наличие низкотемпературного пара с давлением, соответствующим давлению в камере сгорания водородо-кислородного парогенератора. Подобная конструкция сильно ограничивает область применения водородо-кислородного парогенератора.

Предложенная полезная модель решает техническую задачу обеспечения надежного охлаждения камеры сгорания водородо-кислородного минипарогенератора при мощностях менее 200 кВт. Такое решение технической задачи возможно за счет того что на внутренней стенке камеры сгорания расположены 2 ряда отверстий. Первый ряд, состоящий из 8 отверстий, расположенных на расстоянии 0.6-1.15 калибров камеры сгорания от смесительного элемента под углом 10-25° к центральной оси, обеспечивает подачу воды на внутреннее охлаждение камеры сгорания. Второй ряд, состоящий из 4 отверстий, расположенных на выходе из камеры сгорания перпендикулярно к центральной, обеспечивает подачу воды на балластировку продуктов сгорания. Диаметры отверстий подобраны таким образом, что 20-30% от общего расхода охлаждающей воды поступает через первый ряд внутрь камеры сгорания, что обеспечивает создание на внутренней стенки низкотемпературного пристеночного слоя. При этом оставшаяся часть охлаждающей воды поступает далее ко второму ряду отверстий, чем обеспечивается комбинированное внешнее и внутреннее охлаждение наиболее теплонапряженного участка. Расстояние расположения первого ряда отверстий выбрано таким образом, что подача охлаждающей воды начинается в наиболее теплонапряженной зоне, при этом более ранняя подача охлаждающей воды может приводить к ее подмешиванию в зону горения, и, как следствие, к снижению полноты сгорания водорода. Расположение второго ряда отверстий обусловлено тем, что на выходе из камеры сгорания процесс горения водорода в кислороде практически завершен, и подача в этой зоне воды не приведет к снижению полноты сгорания. Изготовление камеры сгорания с сужающимся соплом на выходе и подача в этой зоне балластировочной воды с одной стороны обеспечит его защиту от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания, а с другой стороны, последующее резкое расширение обеспечит равномерное перемешивание образованной двухфазной смеси и создание равномерного поля температур на входе к потребителю, в частности перед паровой турбиной.

Таким образом, предложенная конструкция водородно-кислородного минипарогенератора с комбинированной системой охлаждения камеры сгорания позволяет обеспечить надежное охлаждение при мощностях менее 200 кВт, а также низкую неравномерность поля температур для конечного потребителя.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу тем, что водородно-кислородный минипарогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания содержит электросвечу, связанную со смесительным элементом, связанным с камерой сгорания на внутренней стенке которой расположен первый ряд отверстий в количестве 8 штук и имеющих угол наклона к центральной оси от 10 до 25° для подачи воды на внутреннее охлаждение, расположенные на расстоянии 0,6-1,15 калибров камеры сгорания от смесительного элемента, и второй ряд отверстий в количестве 4 штук, расположенные перпендикулярно к центральной оси на выходе из камеры сгорания, для подачи воды на балластировку, при этом диаметр отверстий выбран таким образом, что 20-30% от общего расхода воды подается через первый ряд отверстий, а оставшаяся часть воды через второй ряд отверстий.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг.1. Водородно-кислородный минипарогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания включает в себя электросвечу 1, смесительный элемент 2 с магистралями подвода водорода 3, кислорода 4 и форсунками подачи водорода 5 и кислорода 6, внешний корпус камеры сгорания 7 с магистралью подвода охлаждающей воды 8, внутреннюю стенку камеры сгорания 9 с отверстиями для подачи воды на внутреннее охлаждение 10, отверстиями для подачи воды на балластировку 11 и выходное сопло 12.

Водородно-кислородный минипарогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает следующим образом:

Кислород через магистраль подвода кислорода 4 поступает в смесительный элемент 2, где происходит его ионизация посредством электросвечи 1 и дальнейшее поступление в камеру сгорания через форсунку 6. Водород через магистраль 3 и форсунки 5 в количестве 6 штук, также поступает в камеру сгорания где происходит его смешение с ионизированным кислородом и последующее воспламенение. Вода через магистраль 8 поступает на охлаждение внутренней стенки камеры сгорания 9. Далее через отверстия 10 в количестве 8 штук, расположенных на равноудаленном расстоянии друг от друга и имеющих угол наклона к центральной оси от 10 до 25°, происходит подача 20-30% от общего расхода охлаждающей воды внутрь камеры сгорания в результате чего на внутренней стенки камеры сгорания образуется защитная водяная пленка. Оставшаяся часть воды обеспечивает внешнее охлаждение внутренней стенки и далее через отверстия 11 в количестве 4 штук, расположенных на равноудаленном расстоянии друг от друга, подается внутрь камеры сгорания для балластировки продуктов сгорания (охлаждения их до требуемой температуры).

Водородно-кислородный минипарогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания, содержащий электросвечу, смесительный элемент и камеру сгорания, отличающийся тем, что на внутренней стенке камеры сгорания расположен первый ряд отверстий в количестве 8 штук, имеющих угол наклона к центральной оси от 10° до 25°, расположенных на расстоянии 0,6-1,15 калибров камеры сгорания от смесительного элемента, и второй ряд отверстий в количестве 4 штук, расположенных на выходе из камеры сгорания и направленных перпендикулярно к центральной оси, при этом диаметр отверстий выбран таким образом, что 20-30% от общего расхода воды подается через первый ряд отверстий, а оставшаяся часть воды поступает через второй ряд отверстий.