RO131144A0 - Cameră de ardere cu preamestec şi turbionare - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o cameră de ardere cu preamestec şi turbionare, folosită în domeniul turbomotoarelor cu gaze cu combustibili gazoşi, în special în care gazele combustibile sunt amestecuri de gaze cu viteze de ardere ridicate, de exemplu, hidrogenul. Camera conform invenţiei este constituită dintr-un sistem (A) de injecţie, care alimentează cu combustibil gazos un turbionator (B) format la exterior de nişte palete (1) elicoidale, care sunt dispuse pe direcţie axială de curgere, având o grosime (a) minimă, constantă pe înălţime, şi care formează nişte canale elicoidale evazate de curgere, având o lăţime (b) mică la bază şi o lăţime (c) mare la vârf, care se îngustează monoton spre aval, formând nişte ajutaje (d) convergente, cu secţiune plan paralelă având o lăţime (e), formând la ieşire jeturi cu nişte unghiuri ( α ) faţă de direcţia axială, şi formând nişte jeturi (f) de turbionare, alimentarea cu gazele combustibile fiind realizată prin pătrunderea acestora printr-un canal (g) interior al turbionatorului (B) şi, mai departe, în fluxul de aer, prin nişte orificii (h), o altă parte din gazele combustibile fiind distribuite prin nişte canale (i) practicate prin toate paletele (1) care comunică apoi cu alte orificii (j) înclinate în direcţia şi după unghiul ( α ) menţionat, intersectându-se cu nişte jeturi (l) de aer, pentru admisia unei alte părţi a aerului în zona primară, fiind practicate nişte orificii (m) alungite, aliniate după o axă înclinată în aceeaşi direcţie şi după acelaşi unghi ( α ).

Description

DESCRIEREA INVENȚIEI

Prezenta invenție se referă la o camera de ardere cu preamestec si turbionare, folosită în domeniul turbomotoarelor cu gaze cu combustibili gazoși, în special în care gazele combustibile sunt amestecuri de gaze cu viteze de ardere ridicate, de exemplu hidrogenul.

Sunt cunoscute camere de ardere cu stabilizare prin turbionare, cu turbionatoare clasice, cu secțiune inelara elicoidala constanta, in care jetul turbionat are caracteristica compacta, combustibilul fiind injectat in centrul jetului de aer turbionat, dezavantajul fiind ca produc noxe relativ mari datorita amestecului ce se face gradual in zona primara a tubului de foc.

Sunt cunoscute de asemenea camere de ardere cu preamestec parțial cu turbionatoare clasice, in care o parte din combustibilul gazos se injectează in canalul de turbionare. Dezavantajul consta in secțiunile constante ale turbionatorului, si in cazul folosirii amestecurilor de combustibili gazoși cu viteza mare de ardere, de exemplu hidrogenul, existând posibilitatea de producere a returului de flacără, cu distrugere prin supraîncălzire si topire.

Sunt cunoscute si camere de ardere cu răcirea pereților tubului de foc prin metoda efuziei (orificii dese cu diametru foarte mic). Dezavantajul consta in faptul ca, in zona primara a camerei de ardere, in cazul stabilizării clasice, zona răcită a pereților tubului de foc, ce se situează in acest caz practic in stratul limita, este spălată de gaze de ardere cu ardere incompleta, contactul cu zona rece înghețând reacția chimica, care produce prin consecința noxe.

Sunt cunoscute si sisteme de ardere cu preamestec, cu jeturi combinate aer gaze combustibile, in sistem pelicular, mai răspândite la postcombustie, aplicarea lor la camere de ardere necesitând sisteme de stabilizare suplimentare, ceea ce reprezintălln dezavantaj.

Camera de ardere cu preamestec si turbionare, conform invenției, este formată dintr-o carcasa exterioara, un sistem de injecție, un sistem de aprindere

Președinte Director General

Page 1 of 16 >fr cr 2 O 1 6 - - 0 0 0 2 5 i 2 -01- 2016 cu bujie si dintr-un tub de foc terminat in aval cu o zona secundara de diluție.

Sistemul de injecție alimentează cu combustibil gazos un turbionator care este ghidat de o piesa de centrare a turbionatorului. Piesa de centrare a turbionatorului face corp comun cu peretele frontal al zonei primare a camerei de ardere, ce se continua cu un perete cilindric al zonei primare a camerei de ardere. In continuare este zona secundara de diluție a camerei de ardere.

Turbionatorul este format la exterior de niște palete elicoidale care sunt dispuse pe direcție axiala de curgere, de grosime minima constanta pe înălțime si care formează niște canale elicoidale evazate de curgere, cu lățimea mica la baza si lățimea mare la vârf. Canale elicoidale se îngustează monoton spre aval formând niște ajutaje convergente cu secțiune plan paralela, formând la ieșire jeturi ce ies cu un unghi fata de direcția axiala formând niște jeturi de turbionare. Jeturile de turbionare produc stabilizarea flăcării prin recirculare de gaze. Ajutajele convergente nu permit returul de flacără, datorita secțiunii minime, in special când sunt folosite gaze combustibile cu viteze mari de ardere, cum ar fi hidrogenul. Secțiunile plan paralele ale ajutajelor permit separarea jeturilor de turbionare, la care prin spatiile dintre jeturile de turbionare este posibil aportul de aer, sau de amestec aer combustibil, fiind creata astfel posibilitatea de stabilizare in spatii mai mici si la temperaturi mai scăzute, deci cu reduceri de emisii poluante, in special NO_X.

Alimentarea cu gazele combustibile se face prin pătrunderea acestora printrun canal interior al turbionatorului si mai departe in fluxul de aer prin niște orificii poziționate pe centru si la baza fiecărui canal de curgere, pe mai multe rânduri, secțiunea acestor orificii micșorându-se monoton in direcția de curgere dinspre amonte spre aval respectând legea: secțiunea următorului rând de găuri este la jumătate din secțiunea primului rând. Aceasta dispunere si aceasta lege fac posibila amestecarea optima a aerului cu gazele combustibile prin asigurarea penetrației jeturilor de combustibil, maxim in amonte si minim in aval.

O alta parte din gazele combustibile, in proporție de maxim 10% din total, sunt distribuite prin niște canale practicate prin toate paletele turbionatorului, canale ce comunica cu niște orificii înclinate in direcția si după unghiul jeturilor principale de gaze de amestec aer combustibil, intersectându-se apoi cu niște jeturi de aer ce

Președinte Director General

Page 2 of 16

« 2 Ο 1 6 - - 0 0 0 2 5 1 2 -01- 2016 pătrund prin canalizații practicate la extremitatea aval a piesei de centrare a turbionatorului. Acest aport de amestec permite o alimentare parțiala suplimentara a jeturilor de turbionare, ducând la îmbunătățirea caracteristicilor de stabilizare.

Pentru admisia unei alte părți ale aerului in zona primara a camerei de ardere, sunt practicate, pe peretele frontal al zonei primare niște orificii alungite aliniate după o axa care începe la diametrul minim al peretelui frontal, de la jumătatea distantei intre ajutajele convergente, axa fiind înclinată in aceeași direcție si după unghiul de ieșire al jeturilor de turbionare din ajutajele convergente. Acest aport de aer permite alimentarea parțiala cu oxigen in stratul limita al jeturilor de turbionare, evitându-se formarea locala de amestecuri bogate.

O alta parte a aerului pătrunde prin niște orificii circulare mici, practicate perpendicular pe suprafața peretelui frontal al zonei primare, raportul intre diametrul orificiilor si grosimea peretelui frontal al zonei primare fiind cuprins intre 0,25-0,5. Acest mod de perforare, de regula executat prin găurire laser, are avantajul permiterii trecerii unui debit mic de aer, cu penetrare mica, pentru a asigura o ușoară răcire a peretelui si evitarea depunerilor carbonoase.

O alta parte a aerului pătrunde prin niște orificii circulare mici practicate, pe peretele circular al zonei primare, acestea fiind înclinate, in secțiune transversala, cu unghiul cu care ies jeturile de turbionare din ajutajele convergente, dar curgerea se realizează in direcția opusa acestora, raportul intre diametrul orificiilor si grosimea peretelui circular al zonei primare fiind cuprins intre 0,25-1,0. Acest fel de dispunere si înclinare scoate răcirea prin efuzie din zona stratului limita, eliminând posibilitatea înghețării reacțiilor chimice. Efectul de răcire al pereților, mai mic in acest caz, este permis datorită posibilității de stabilizare de flacără la temperaturi mult mai mici decât in cazurile clasice in zona primara a tubului de foc.

Soluțiile constructive prezentate conduc la caracteristici superioare de funcționare, deoarece secțiunile axial elicoidale de curgere prin turbionator formează ajutaje convergente, viteza la ieșire din aceste ajutaje fiind superioara vitezei de ardere, in toate regimurile de funcționare ale camerei de ardere, eliminându-se astfel riscul fenomenului de întoarcere de flacără. Amestecul aer combustibil gazos, cu dozaj sărac, este distribuit pe direcție axiala, in canalele de curgere ale

Președinte Director General

Page 3 of 16 <2016-- 0 0 0 2 5 1 2 -01- 2016

turbionatorului, printr-o succesiune de orificii cu diametre monoton descrescătoare in direcția aval, dimensionarea lor fiind făcută astfel ca penetrația jeturilor de combustibil sa fie maxima in amonte si minima in aval. Acesta dispunere permite ca in secțiunea de ieșire din turbionator, amestecul aer combustibil gazos sa fie uniform, condițiile de ardere fiind îndeplinite, iar arderea are loc in jeturi omogene, ducând la scăderea cantității de noxe emise. Ajutajele convergente la ieșirea din turbionator produc jeturi de turbionare, înclinate radial si axial cu unghiuri care sa permită stabilizarea optima a flăcării. Aceste jeturi, de forma caracteristica a jeturilor de fante paralelogram alungite, sunt separate intre ele, permițând astfel, in procesul de turbionare sa primească prin efect de ejecție aport de aer si amestec aer combustibil, pentru optimizarea dozajului optim. Aceasta optimizare se produce prin aport de amestec aer combustibil și se produce prin amestecul de aer si combustibil produs de intersecția jeturilor de combustibil livrat de orificiile de combustibil înclinate la unghiul fantelor de ieșire din turbionator cu jeturile de aer radiale. Un aport suplimentar minim de aer se produce prin ejecție de aerul ce pătrunde prin porțiunea frontala a tubului de foc prin orificii perpendiculare pe peretele tubului de foc. Orificiile dese cu diametre mici au si rolul suplimentar de eliminare a unei zone de stagnare ce poate produce depuneri carbonoase si supraîncălziri. In zona cilindrica a zonei primare a tubului de foc, zona spălata de jeturile de turbionare, sunt practicate orificii dese cu diametre mici, înclinate radial la unghiul de ieșire din fantele turbionatorului. Acest fel de dispunere si înclinare scoate răcirea prin efuzie din zona stratului limita, eliminând posibilitatea înghețării reacțiilor chimice. Efectul de răcire al pereților, mai mic in acest caz, este permis, datorita posibilității de stabilizare de flacără la temperaturi mult mai mici decât in cazurile clasice in zona primara a tubului de foc. Combinația celor de mai sus permite funcționarea cu amestecuri de gaze combustibile cu viteze mari de ardere, rezultând emisii de noxe reduse, si permite micșorarea dimensiunilor tubului de foc. Soluția poate fi folosită în orice domeniu în care este nevoie de arderea combustibililor, sau amestecurilor de combustibili cu viteze mari de ardere, de exemplu hidrogen, în special în domeniul camerelor de ardere și postcombustie ale turbomotoarelor cu gaze industriale si aeroderivative.

Page 4 of 16 c\- 2 Ο 1 6 - - 000251 2 -01- 2016

Se dă, in continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1-12, care reprezintă:

• Fig.1, vedere 3D parțial secționată camera de ardere cu preamestec si turbionare ;

• Fig.2, secțiune longitudinala a camerei de ardere din fig.1;

• Fig.3, detaliu din fig 2 ;

• Fig.4, detaliu in vedere izometrica a reperului B din fig. 3 ;

• Fig.5, vedere laterala a reperului B din fig 4 ;

• Fig.6, vedere frontala pe direcția A din fig.5;

• Fig.7, vedere frontala izometrica pe direcția B din fig.5;

• Fig.8, secțiune după planul C-C din fig.7;

• Fig.9, secțiune, cu detalii nereprezentate, după planul D-D din fig.3 ;

• Fig.10, secțiune după planul D-D din fig.3;

• Fig.11, detaliul E din fig.10;

• Fig.12, detaliul F din fig.10;

Camera de ardere cu preamestec si turbionare este formata dintr-o carcasa exterioara, un sistem de injecție, un sistem de aprindere cu bujie si dintr-un tub de foc terminat in aval cu o zona secundara de diluție. Sistemul de injecție A, alimentează cu combustibil gazos un turbionator B format la exterior de niște palete elicoidale 1, care sunt dispuse pe direcție axiala de curgere, de grosime minima a, constanta pe înălțime si care formează niște canale elicoidale evazate de curgere, cu lățimea mica b la baza si lățimea mare c la vârf, care se îngustează monoton spre aval formând niște ajutaje convergente d, cu secțiune plan paralela de lățime e formând la ieșire jeturi cu unghiuri a fata de direcția axiala si formând niște jeturi de turbionare f. Alimentarea cu gazele combustibile se face prin pătrunderea acestora printr-un canal interior g al turbionatorului B si mai departe in fluxul de aer prin niște orificii h poziționate pe centru si la baza fiecărui canal de curgere, pe mai multe rânduri hi, h₂, h_x, secțiunea lor micșorându-se monoton in direcția de curgere dinspre amonte spre aval după legea: secțiunea h2=0,5x(secțiunea hi), h_x=0,5x (secțiunea h_(x_i)). O alta parte din gazele combustibile, in proporție de maxim 10% din total, sunt distribuite prin niște canale i practicate prin toate paletele 1 turbionatorului B care comunica cu niște orificii j înclinate in direcția si după unghiul a, jetul de amestec aer gaze combustibile, intersectandu-se cu jeturi de aer ce pătrund prin niște canalizații I practicate la extremitatea aval a unei piese C de

Page 5 of 16

C\- 2 Ο 1 6 - - 0 0 0 2 5 ι 2 -01- 2016 hi centrare a turbionatorului B. Pentru admisia unei alte părți ale aerului in zona primara a camerei de ardere, sunt practicate, pe peretele frontal al zonei primare D niște orificii alungite m aliniate după o axa care începe la diametrul minim al peretelui frontal, de la jumătatea distantei intre ajutajele convergente d, axa fiind înclinată in aceeași direcție si după unghiul a cu care ies jeturile de turbionare f din ajutajele convergente d. O alta parte a aerului pătrunde prin niște orificii circulare mici n, practicate perpendicular pe suprafața peretelui frontal al zonei primare D, raportul intre diametrul o al orificiilor n si grosimea p a peretelui frontal al zonei primare fiind o/p = 0,25-0,5. O alta parte a aerului pătrunde prin niște orificii circulare mici r practicate pe peretele circular al zonei primare E, fiind înclinate, in secțiune transversala, cu unghiul a cu care ies jeturile de turbionare e din ajutajele convergente f, pe direcție opusa jeturilor de turbionare f, raportul intre diametrul s al orificiilor r si grosimea p a peretelui circular al zonei primare fiind s/r = 0,25-1,0.

Prpțpdintp nirprtnr Gpneral

Page 6 of 16 «-2016-- 0 0 0 2 5 ι 2 -01- 20«

FIȘA BIBLIOGRAFICĂ > CAMERA DE ARDERE CU PREAMESTEC PARȚIAL - BREVET : 110090 B1 > SISTEM DE POSTCOMBUSTIE TURBOMOTOR, CU PREAMESTEC PARȚIAL, IN COGENERARE - BREVET : 117395 B > MULTI-HOLE FILM COOLED COMBUSTOR LINER WITH SLOTTED FILM STARTER-US 5279127 A > LINER STRUCTURE FOR A GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER EPO 199 534 A1 > COMBUSTION CHAMBER FOR A GAS TURBINE - EP 0741849 B1 > THREE-DIMENSIONAL SWIRLER IN A GAS TURBINE COMBUSTOR - US 6502399 B2 > NATURAL DRAFT LOW SWIRL BURNER - US 20140230701 A1

Claims (1)

1. REVENDICARE

   Camera de ardere cu preamestec si turbionare, formata dintr-o carcasa exterioara, un sistem de injecție, un sistem de aprindere cu bujie si dintr-un tub de foc terminat in aval cu o zona secundara de diluție, caracterizata prin aceea că sistemul de injecție (A), alimentează cu combustibil gazos un turbionator (B) format la exterior de niște palete elicoidale (1), care sunt dispuse pe direcție axiala de curgere, de grosime minima (a), constanta pe înălțime si care formează niște canale elicoidale evazate de curgere, cu lățimea mica (b) la baza si lățimea mare (c) la vârf, care se îngustează monoton spre aval formând niște ajutaje convergente (d) cu secțiune plan paralela de lățime (e) formând la ieșire jeturi cu unghiuri (a) fata de direcția axiala si formând niște jeturi de turbionare (f), alimentarea cu gazele combustibile facondu-se prin pătrunderea acestora printr-un canal interior (g) al turbionatorului (B) si mai departe in fluxul de aer prin niște orificii (h) poziționate pe centru si la baza fiecărui canal de curgere, pe mai multe rânduri (hi), (fh), (h_x), secțiunea lor micșorându-se monoton in direcția de curgere dinspre amonte spre aval după legea secțiunea h2=0,5x(secțiunea hi), h_x=0,5x(secțiunea h(_X.i)), o alta parte din gazele combustibile, in proporție de maxim 10% din total, fiind distribuite prin niște canale (i) practicate prin toate paletele (1) turbionatorului (B) care comunica cu niște orificii 0) înclinate in direcția si după unghiul (a) jetul de amestec aer gaze combustibile, intersectandu-se cu jeturi de aer ce pătrund prin niște canalizații (I) practicate la extremitatea aval a unei piese (C) de centrare a turbionatorului (B), pentru admisia unei alte părți ale aerului in zona primara a camerei de ardere fiind practicate pe peretele frontal al zonei primare (D) niște orificii alungite (m) aliniate după o axa care începe la diametrul minim al peretelui frontal, de la jumătatea distantei intre ajutajele convergente (d), axa fiind înclinată in aceeași direcție si după unghiul (a) cu care ies jeturile de turbionare (f) din ajutajele convergente (d), o alta parte a aerului pătrunzând prin niște orificii circulare mici (n), practicate perpendicular pe suprafața peretelui frontal al zonei primare (D), raportul intre diametrul (o) al orificiilor (n) si grosimea (p) a peretelui frontal al zonei primare

   Page 7 of 16

   0^- 2 0 1 6 - - 000251 2 -01- 2016 fiind o/p = 0,25-0,5, o alta parte a aerului pătrunzând prin niște orificii circulare mici (r) practicate pe peretele circular al zonei primare (E), fiind înclinate, in secțiune transversala, cu unghiul (a) cu care ies jeturile de turbionare (f) din ajutajele convergente (d), pe direcție opusa jeturilor de turbionare (f), raportul intre diametrul (s) al orificiilor (r) si grosimea (p) a peretelui circular al zonei primare fiind s/r = 0,25-