RU2079684C1

RU2079684C1 - Steam generator

Info

Publication number: RU2079684C1
Application number: RU94028141A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Грязнов; С.П. Малышенко
Original assignee: Малое инновационное предприятие Научно-исследовательского института тепловых процессов "Теплоэн"
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1997-05-20
Also published as: RU94028141A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas turbine installation. SUBSTANCE: output of combustion chamber is made in form of nozzle whose diffuser is profiled with undercutting. Ring insert is installed in ballasting component feeder. Ring insert has stepped longitudinal channels. Step of larger cross section is pointed towards combustion chamber. EFFECT: improved reliability of operation. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области силовых установок, преимущественно газотурбинных, использующих в качестве рабочего тела пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента с горячим газом
продуктом сгорания водорода в кислороде, а более конкретно, к конструкциям парогенераторов.The invention relates to the field of power plants, mainly gas turbine, using steam generated as a working fluid by directly mixing the ballasting component with hot gas
the product of the combustion of hydrogen in oxygen, and more specifically, to the designs of steam generators.

Известны силовые установки газотурбинного типа, камера сгорания которых содержит цилиндрическую жаровую трубу с зоной горения и зоной смешения, разделенными диафрагмой и выполненные в виде эксцентрично установленных полуцилиндров [1] В каналах, образованных взаимным перекрытием цилиндрических корпусов зон горения и смешения, установлены форсунки топлива. В зоне смешения продукты горения разбавляются вторичным воздухом, подаваемым по каналам охлаждения корпуса. Known power plants of a gas turbine type, the combustion chamber of which contains a cylindrical flame tube with a combustion zone and a mixing zone, separated by a diaphragm and made in the form of eccentrically mounted half cylinders [1] In the channels formed by the mutual overlapping of the cylindrical bodies of the combustion and mixing zones, fuel nozzles are installed. In the mixing zone, the combustion products are diluted with secondary air supplied through the cooling channels of the housing.

Камеры горения и смешения кинематически связаны с приводами, которые управляются автоматически в соответствии с заданными режимами изменений расхода топлива и, следовательно, площади перекрытия каналов. Устройство исключает проскок пламени из зоны горения, чем повышается надежность действия. The combustion and mixing chambers are kinematically connected to the drives, which are automatically controlled in accordance with the specified modes of changes in fuel consumption and, therefore, the area of overlapping of the channels. The device eliminates the breakthrough of the flame from the combustion zone, which increases the reliability of the action.

Однако, недостатком известного агрегата является конструктивная сложность и, главное, системы регулирования и управления в динамике. However, the disadvantage of the known unit is the structural complexity and, most importantly, the regulation and control systems in dynamics.

Указанный недостаток устранен в конструкции парогенератора для производства водяного пара за счет тепла сжигаемого кислородно-водородного топлива, который содержит распределительную головку с коллекторами топлива и окислителя и форкамеру с запальны устройством инициирования запального факела, описанного в [2] Парогенератор представляет собой водоохлаждаемую камеру сгорания, оснащенную системой подачи балластировочной воды, работает на химическом топливе кислород-водород с добавлением воды или снижения температуры рабочего тела до заданного уровня по трехкаскадной схеме последовательно смонтированных в камере блоков смешения устройств подачи балластировочной воды. This drawback is eliminated in the design of the steam generator for the production of water vapor due to the heat of the burned oxygen-hydrogen fuel, which contains a distribution head with fuel and oxidizer collectors and a prechamber with the ignition device for initiating the ignition torch described in [2]. The steam generator is a water-cooled combustion chamber equipped with ballast water supply system, runs on chemical fuel oxygen-hydrogen with the addition of water or lowering the temperature of the working fluid predetermined level by a three-stage circuit sequentially mounted in the mixing chamber ballasting water supply device blocks.

Недостатком известного парогенератора является сложность его конструкции, повышенный вес и габариты, ограничивающие область использования. A disadvantage of the known steam generator is the complexity of its design, increased weight and dimensions that limit the scope of use.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы парогенератора и упрощение конструкции и пневмогидравлической схемы. The aim of the present invention is to increase the efficiency of the steam generator and simplify the design and pneumohydraulic circuit.

Поставленная цель достигается тем, что в известном парогенераторе, содержащем форкамеру с электрозапальным устройством, охлаждаемый корпус, внутри которого размещены камеры сгорания и смешения, разделенные устройством подачи балластировочной воды, выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован с поднутрением, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большего проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания. This goal is achieved by the fact that in the known steam generator containing a prechamber with an electro-dispensing device, a cooled case, inside which there are combustion and mixing chambers separated by a ballast water supply device, the output of the combustion chamber is made in the form of a nozzle, the diffuser of which is profiled with undercut, and in the device of the supply of the ballasting component, an annular insert with stepwise longitudinal channels is mounted, and a step of a larger passage section is directed towards the chamber Goran.

Отличительные признаки обеспечили заданный уровень равномерности поля температур на выходе из парогенератора в одном блоке смешения при существенном (примерно в три раза) сокращении продольного габарита агрегата при том же уровне мощности и, как следствие, эквивалентном снижении его массы, и позволили исключить необходимость наружного охлаждения камеры смешения, что значительно упростило гидравлическую схему агрегата, его конструкцию и технологию изготовления. Distinctive features provided a given level of uniformity of the temperature field at the outlet of the steam generator in one mixing unit with a substantial (approximately three-fold) reduction in the longitudinal dimension of the unit at the same power level and, as a result, equivalent reduction in its mass, and eliminated the need for external cooling of the chamber mixing, which greatly simplified the hydraulic circuit of the unit, its design and manufacturing technology.

Выполнение в виде кольцевого ступенчатой формы вкладыша устройства подачи балластировочного компонента обеспечивает его распределение в заданном соотношении, направляя вихрем основной расход (-80%) посредством поднутрения диффузора расчетного профиля под углом в поток высокотемпературного газа, сформированного выходным соплом камеры сгорания. The implementation in the form of an annular step shape of the insert of the ballast component supply device ensures its distribution in a predetermined ratio, directing the main flow rate (-80%) by the vortex by undercutting the diffuser of the calculated profile at an angle into the high-temperature gas flow formed by the exhaust nozzle of the combustion chamber.

Таким образом, происходит эффективное принудительное перемешивание балластировочного компонента с продуктами сгорания, выходящими из сопла, а часть балластировочного компонента (-20%), направляемая каналами вкладыша вдоль стенок, обеспечивает активное охлаждение корпуса камеры смешения, а что исключает необходимость в специальном устройстве для внешнего охлаждения. Thus, effective forced mixing of the ballast component with the combustion products leaving the nozzle takes place, and the part of the ballast component (-20%) directed by the liner channels along the walls provides active cooling of the mixing chamber body, and this eliminates the need for a special device for external cooling .

Профиль поднутрения диффузора сопла оптимизирован по углу внедрения балластировочного компонента в виде струй в факел продуктов сгорания для максимального снижения температуры, практически без градиента в поперечном сечении. The nozzle diffuser undercut profile is optimized for the angle of introduction of the ballasting component in the form of jets into the torch of combustion products to minimize temperature, with virtually no gradient in the cross section.

Выбранный профиль поднутрения описывается функциональной однозначной зависимостью и представляет собой инженерную расчетную формулу, которая составляет предмет "ноу-хау". The selected profile of the undercut is described by a functional unambiguous dependence and represents an engineering calculation formula that makes up the subject of know-how.

Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечили получение нового технического эффекта, не присущего частям, т.е. эффект от суммы признаков, а не сумму эффектов. Distinctive features in combination with the known ones provided a new technical effect that is not inherent in parts, i.e. the effect of the sum of the attributes, not the sum of the effects.

Изобретение поясняется фиг. 1-3, которые носят чисто иллюстративный характер и не ограничивают объема прав совокупности существенных признаков, где изображено: на фиг. 1 схематично парогенератор; на фиг. 2 вкладыш, узел 1 на фиг. 1, повернуто; на фиг. 3 разрез А-А на фиг.1. The invention is illustrated in FIG. 1-3, which are purely illustrative and do not limit the scope of the rights of the aggregate of essential features, which depict: in FIG. 1 schematically a steam generator; in FIG. 2 insert, unit 1 in FIG. 1, rotated; in FIG. 3 section aa in figure 1.

Парогенератор включает в себя форкамеру 1, коллектор 2 горючего и окислителя, водоохлаждаемую камеру 3 сгорания и камеру 4 смешения, разделенные устройством 5 подачи балластировочного компонента (воды). В форкамере 1 смонтировано электрозапальное устройство, содержащее свечу 6 зажигания и магистрали 7, 8 подачи горючего и окислителя соответственно. Коллектор 2 сообщается с магистралью 9 горючего и магистралью 10 окислителя. Корпус камеры 3 сгорания имеет тракт охлаждения, образуемый продольными ребрами 11 с каналами 12 между ними для протекания охлаждения воды. Выход камеры 3 сгорания выполнен в виде сопла 13, диффузор 14 которого спрофилирован с поднутрением по расчетной кривой. The steam generator includes a pre-chamber 1, a fuel and oxidizer collector 2, a water-cooled combustion chamber 3 and a mixing chamber 4, separated by a device 5 for supplying the ballasting component (water). In the prechamber 1, an electric firing device is mounted comprising a spark plug 6 and a fuel supply line and an oxidizer 7, 8, respectively. The collector 2 communicates with the highway 9 fuel and the highway 10 oxidizer. The housing of the combustion chamber 3 has a cooling path formed by longitudinal ribs 11 with channels 12 between them for cooling water to flow. The output of the combustion chamber 3 is made in the form of a nozzle 13, the diffuser 14 of which is profiled with undercut according to the calculated curve.

Внутри устройства 5 подачи балластировочной воды смонтирован кольцевой вкладыш 15 (фиг. 3), на периферии которого выполнены ступенчатой формы каналы (фиг. 2). Выход 16 каналов большего проходного сечения направлен в сторону камеры 3 сгорания, а выход 17 каналов меньшего проходного сечения на выход парогенератора, в камеру 4 смешения. An annular insert 15 is mounted inside the ballast water supply device 5 (Fig. 3), on the periphery of which channels are formed in a stepped form (Fig. 2). The output of 16 channels of a larger passage section is directed towards the combustion chamber 3, and the output of 17 channels of a smaller passage section is directed to the output of the steam generator into the mixing chamber 4.

Работает парогенератор следующим образом. Водород по магистрали 7 и кислород по магистрали 3 в отношении 1:5 поступают в форкамеру 1, где электрическим разрядом свечи 6 их смесь воспламеняется. Образовавшийся запальный факел поступает в камеру 3 сгорания, где посредством коллектора 2 от магистралей 9 и 10 образуется горючая химическая смесь водород-кислород в отношении 1:1. Эта смесь в камере 3 воспламеняется запальным факелом форкамеры 1 и сгорает. Корпус камеры 3 охлаждается водой, которая подается по каналам 12 и затем сбрасывается в камеру 4 смешения. The steam generator operates as follows. Hydrogen on line 7 and oxygen on line 3 in a ratio of 1: 5 enter prechamber 1, where the mixture is ignited by the electric discharge of spark plug 6. The resulting ignition torch enters the combustion chamber 3, where through the collector 2 from the lines 9 and 10 a combustible chemical mixture of hydrogen-oxygen is formed in a ratio of 1: 1. This mixture in the chamber 3 is ignited by the pilot torch of the pre-chamber 1 and burns. The housing of the chamber 3 is cooled by water, which is supplied through the channels 12 and then discharged into the mixing chamber 4.

Центральный факел продуктов сгорания, сформированный соплом 13, разбивается мощными обратными вихрями струйных потоков воды из каналов 16 вкладыша 15 устройства 5, направляемыми поднутрением диффузора 14. Горячие газы факела из камеры 3 сгорания при этом активно перемешиваются с рабочим объемом балластировочной воды, а образующаяся паро-газовая смесь (рабочее тело) через центральное отверстие вкладыша 15 поступает в камеру 4 смешения, где стабилизируются параметры назначения (температура, скорость, давление). The central flame of the combustion products formed by the nozzle 13 is broken by powerful reverse vortices of the jet streams of water from the channels 16 of the insert 15 of the device 5, directed by the undercut of the diffuser 14. The hot gases of the flame from the combustion chamber 3 are actively mixed with the working volume of ballast water, and the resulting vapor the gas mixture (working fluid) through the central hole of the liner 15 enters the mixing chamber 4, where the destination parameters (temperature, speed, pressure) are stabilized.

Выбранный профиль диффузора 14 обеспечивает высокоскоростной вихрь струй балластировочного компонента (воды, пара), от каналов 16 вкладыша 15, дискретно пересекающих поток продуктов сгорания на выходе сопла 13 под оптимальным углом, в частности 45^o, определенным расчетно-экспериментальным путем по характеристикам выравнивания температуры рабочего тела на минимальной длине камеры 4 смешения.The selected profile of the diffuser 14 provides a high-speed vortex of the jets of the ballasting component (water, steam), from the channels 16 of the insert 15, which discretely intersect the flow of combustion products at the exit of the nozzle 13 at an optimal angle, in particular, 45 ^° determined by calculation and experimental method according to the characteristics of the working temperature equalization bodies at a minimum length of 4 mixing chamber.

Часть воды, поступающей через каналы 17 вкладыша 15 подается вдоль корпуса камеры 4 и за счет испарения активно его охлаждает. Part of the water entering through the channels 17 of the insert 15 is supplied along the housing of the chamber 4 and actively cools it due to evaporation.

Предложенное техническое решение обеспечивает получение заданной температуры рабочего тела в объеме, т.е. практически равномерное распределение в поперечном сечении потока (T_ср), и краткое снижение его высокотемпературной зоны за один этап смешения в камере без специального устройства охлаждения корпуса. Агрегат втрое легче прототипа, что позволяет использовать его для летательных аппаратов, при этом исключено разрушительное действие горячих газов на элементы силовой установки, чем повышена ее живучесть. Устройство просто по конструкции, технологично в изготовлении и надежно при эксплуатации.The proposed technical solution provides a given temperature of the working fluid in the volume, i.e. almost uniform distribution in the cross section of the flow (T _cf ), and a brief decrease in its high-temperature zone in one stage of mixing in the chamber without a special case cooling device. The unit is three times lighter than the prototype, which allows it to be used for aircraft, while the destructive effect of hot gases on the elements of the power plant is excluded, which increases its survivability. The device is simple in design, manufacturable and reliable in operation.

Claims

A steam generator comprising a prechamber with an electro-filling device, a cooled case, inside which combustion and mixing chambers are located, separated by a feeding device of the ballast component, characterized in that the output of the combustion chamber is made in the form of a nozzle, the diffuser of which is profiled with undercut, and mounted in the supply device of the ballast component an annular liner with longitudinal channels of a stepped shape, the step of a larger bore being directed toward the combustion chamber.