RU2309325C1 - Steam generator - Google Patents
Steam generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2309325C1 RU2309325C1 RU2005139564/06A RU2005139564A RU2309325C1 RU 2309325 C1 RU2309325 C1 RU 2309325C1 RU 2005139564/06 A RU2005139564/06 A RU 2005139564/06A RU 2005139564 A RU2005139564 A RU 2005139564A RU 2309325 C1 RU2309325 C1 RU 2309325C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steam generator
- component
- mixing
- ballasting
- ballasting component
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области силовых установок, преимущественно газо- и паротурбинных, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента (вода, отработанный водяной пар) 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 and steam turbines, using water vapor as a working fluid generated by directly mixing the ballasting component (water, spent water vapor) with hot gas - the product of the combustion of hydrogen in oxygen, and more particularly, to structures steam generators.
Результаты термодинамического и технико-экономического анализа различных схем использования водорода в электроэнергетике для аккумулирования энергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки показывают, что при уровне мощностей более 10 МВт наиболее эффективными являются установки паротурбинного или парогазового циклов. В этом случае водород сжигается в кислороде при высоком давлении. Продукты сгорания (высокотемпературный водяной пар) смешиваются с водой или водяным паром, поступающим от парогенератора. В результате образуется пар требуемых параметров, который используется для получения дополнительной мощности в паротурбинной установке. В таких схемах коэффициент полезного использования водорода (отношение дополнительно полученной электрической мощности к теплоте сгорания затраченного водорода) может достигать 60-70%, а коэффициент рекуперации электроэнергии при производстве водорода и кислорода путем электролиза воды в часы провала графика нагрузки - 40-55%.The results of a thermodynamic and feasibility study of various schemes for using hydrogen in the electric power industry for energy storage and for covering uneven load schedules show that at a power level of more than 10 MW, steam-turbine or gas-vapor cycle units are most effective. In this case, hydrogen is burned in oxygen at high pressure. Combustion products (high temperature water vapor) are mixed with water or water vapor coming from a steam generator. As a result, a pair of required parameters is formed, which is used to obtain additional power in a steam turbine installation. In such schemes, the hydrogen efficiency (the ratio of the additional electric power received to the calorific value of spent hydrogen) can reach 60-70%, and the energy recovery coefficient in the production of hydrogen and oxygen by electrolysis of water during the hours of the failure of the load schedule is 40-55%.
Одно из основных преимуществ схем энергоустановок с водородно-кислородными парогенераторами (ВКПГ) - возможность использования хорошо развитой паротурбинной техники с небольшой модификацией. Основное отличие Н2/О2 - парогенераторов от жидкостных ракетных двигателей состоит в наличии у него блока испарения и смешения (БИС). Здесь вырабатывается от 75 до 90% пара требуемых параметров. Другая часть рабочего тела (10-25%) - охлажденные продукты сгорания водородно-кислородного топлива, состоящие на 80-100% из паров воды. Впрыск воды в блок испарения и смешения может осуществляться сосредоточенно (т.е. в одном сечении камеры испарения) или распределение (в нескольких сечениях или по всей длине камеры испарения).One of the main advantages of power plants with hydrogen-oxygen steam generators (VKPG) is the possibility of using well-developed steam-turbine equipment with a slight modification. The main difference between H 2 / O 2 - steam generators from liquid rocket engines is that it has an evaporation and mixing unit (LSI). From 75 to 90% of the pair of required parameters is produced here. Another part of the working fluid (10-25%) is the cooled products of the combustion of hydrogen-oxygen fuel, consisting of 80-100% of water vapor. The injection of water into the evaporation and mixing unit can be concentrated (i.e., in one section of the evaporation chamber) or distribution (in several sections or along the entire length of the evaporation chamber).
Перегрузочная способность современных турбоагрегатов составляет около 10-12% их номинальной мощности, мощность ВКПГ, применяемых в качестве пиковой надстройки без существенных изменений турбины, может составлять 10-80 МВт (т). При этом эффективность процесса генерации пара в этих парогенераторах должна быть высокой (желательно, не менее 98%).The overload capacity of modern turbine units is about 10-12% of their rated power, the capacity of the HCPGs used as a peak superstructure without significant changes in the turbine can be 10-80 MW (t). At the same time, the efficiency of the steam generation process in these steam generators should be high (preferably, at least 98%).
Водородно-кислородные парогенераторы по их концепции можно разделить на несколько типов. В соответствии со схемами подачи в камеру сгорания (КС) горючего и окислителя: жидкость-жидкость (ЖЖ), жидкость-газ (ЖГ), газ-жидкость (ГЖ) и газ-газ (ГГ). В соответствии со схемами подачи агента, охлаждающего стенки КС и блока испарения и смешения (БИС), и введения балластировочного компонента в БИС могут быть рассмотрены схемы: вода-вода-вода (ВВВ), вода-вода-пар (ВВП), вода-пар-пар (ВПП). С термодинамической точки зрения наиболее эффективными являются схемы газ-газ и вода-пар-пар (ГТ-ВПП). Однако в этом случае проблемы охлаждения основных узлов ВКПГ и конструктивные решения оказываются наиболее сложными.Hydrogen-oxygen steam generators according to their concept can be divided into several types. In accordance with the schemes for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber (CS): liquid-liquid (LJ), liquid-gas (LH), gas-liquid (GL) and gas-gas (GH). In accordance with the schemes for supplying the agent, the cooling walls of the compressor station and the evaporation and mixing unit (LSI), and the introduction of the ballasting component in the LSI, the following schemes can be considered: water-water-water (BBB), water-water-steam (GDP), water- steam-steam (runway). From the thermodynamic point of view, the most effective are gas-gas and water-steam-steam (GT-WFP) schemes. However, in this case, the problems of cooling the main nodes of the VKPG and structural solutions are the most complex.
Известен парогенератор (Журнал Теплоэнергетика, изд. "Интерпериодика", №8, 1997, стр.48-52), включающий (см. рис.1) смесительную головку, запальное устройство, камеру сгорания, узел впрыска воды, камеру смешения, выходное сопло, блок испарения, блок смешения. Получение рабочего тела в экспериментальном парогенераторе осуществляется в два этапа. Первый этап реализуется в камере сгорания при давлении 3,0-7,0 МПа. В результате реакции кислорода и водорода в стехиометрическом соотношении образуется высокотемпературный теплоноситель (Т=3600 К) - перегретый водяной пар. Второй этап реализуется в блоке испарения и смешения. Здесь в поток продуктов сгорания впрыскивается определенное количество балластировочного компонента - воды или отработавшего пара и осуществляется эффективное смешение компонентов. В результате на срезе БИС образуется пар с заданными температурой и давлением.A steam generator is known (Journal of Thermal Power Engineering, publishing house "Interperiodica", No. 8, 1997, pages 48-52), including (see Fig. 1) a mixing head, an ignition device, a combustion chamber, a water injection unit, a mixing chamber, an output nozzle , evaporation unit, mixing unit. Obtaining a working fluid in an experimental steam generator is carried out in two stages. The first stage is implemented in the combustion chamber at a pressure of 3.0-7.0 MPa. As a result of the reaction of oxygen and hydrogen in a stoichiometric ratio, a high-temperature coolant is formed (T = 3600 K) - superheated water vapor. The second stage is implemented in the evaporation and mixing unit. Here, a certain amount of the ballasting component — water or exhaust steam — is injected into the flow of combustion products and the components are mixed effectively. As a result, steam with a given temperature and pressure is formed on the LSI section.
В японской заявке JP 09-177608 описан газогенератор для жидкостных ракетных двигателей, использующий в качестве рабочего тела пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента с горячим газом - продуктом сгорания водорода в кислороде.Japanese application JP 09-177608 describes a gas generator for liquid propellant rocket engines using steam generated as a working fluid by directly mixing the ballasting component with hot gas, a product of the combustion of hydrogen in oxygen.
Известен парогенератор DLR (Германия), описанный в журнале "Perspectives in Energy", т.3, №1, 1994-1995 гг., стр.17-25, включающий в себя запальное устройство, смесительную головку с соосно-струйными смесительными элементами, камеру сгорания и каскадно-радиальное устройство подачи балластировочной воды.Known steam generator DLR (Germany), described in the journal "Perspectives in Energy", t.3, No. 1, 1994-1995, pp. 17-25, including an ignition device, a mixing head with coaxial-jet mixing elements, combustion chamber and cascade-radial ballast water supply device.
Известен парогенератор (патент RU 2079684), принятый за прототип, содержащий форкамеру с электрозапальным устройством, камеры сгорания и смешения, разделенные устройством подачи балластировочного компонента. При этом выход камеры сгорания выполнен в виде сопла, диффузор которого спрофилирован по линии тока балластировочного компонента, а в устройстве подачи балластировочного компонента смонтирован кольцевой вкладыш с продольными каналами ступенчатой формы, причем ступень большего проходного сечения направлена в сторону камеры сгорания. В результате осуществляется эффективное турбулентное смешение продуктов сгорания и балластировочного компонента в камере смешения, обеспечивающее повышенную однородность температуры рабочего тела по сечению парогенератора.A known steam generator (patent RU 2079684), adopted for the prototype, containing a prechamber with an electric filling device, combustion and mixing chambers, separated by a feed device for the ballasting component. In this case, the output of the combustion chamber is made in the form of a nozzle, the diffuser of which is profiled along the flow line of the ballast component, and an annular insert with stepwise longitudinal channels is mounted in the supply device of the ballast component, and a step of a larger passage section is directed towards the combustion chamber. As a result, effective turbulent mixing of the combustion products and the ballasting component in the mixing chamber is carried out, providing increased uniformity of the temperature of the working fluid over the cross section of the steam generator.
Такой парогенератор имеет простую конструкцию и повышенную эффективность. Обеспечен заданный уровень равномерности поля температур на выходе из парогенератора в одном блоке смешения, исключена необходимость наружного охлаждения камеры смешения, что значительно повышает КПД парогенератора, упрощает гидравлическую схему агрегата, его конструкцию и технологию изготовления. За счет конструктивных особенностей парогенератора 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, что исключает необходимость в специальном устройстве для внешнего охлаждения.Such a steam generator has a simple design and increased efficiency. A predetermined level of uniformity of the temperature field at the outlet of the steam generator in one mixing unit is ensured, the need for external cooling of the mixing chamber is excluded, which significantly increases the efficiency of the steam generator, simplifies the hydraulic circuit of the unit, its design and manufacturing technology. Due to the design features of the steam generator, there is an effective forced mixing of the ballast component with the combustion products leaving the nozzle, and part of the ballast component (~ 20%) directed by the liner channels along the walls provides active cooling of the mixing chamber body, which eliminates the need for a special device for external cooling.
Недостатками известных агрегатов являются:The disadvantages of the known aggregates are:
во-первых: область их применения ограничена работой по схеме «жидкость-газ» (жидкий кислород - газообразный водород), поскольку применяемые в этих парогенераторах соосно-струйные смесительные элементы обеспечивают высокую полноту сгорания топлива при приемлемых габаритах камеры сгорания только при работе по этой схеме; при переходе на схему «газ-газ» (газообразный кислород - газообразный водород) вследствие особенностей организации рабочего процесса этими смесительными элементами потребуется увеличение длины камеры сгорания, примерно в три раза, что приведет к существенному увеличению габаритно-массовых характеристик и увеличению тепловых нагрузок на огневой стенке камеры сгорания из-за пропорционального увеличения общего теплосъема, а это приведет к значительному снижению КПД парогенератора и запасов работоспособности;firstly: the scope of their application is limited to the operation according to the “liquid-gas” scheme (liquid oxygen - hydrogen gas), since the coaxial-jet mixing elements used in these steam generators provide high completeness of fuel combustion with acceptable dimensions of the combustion chamber only when operating according to this scheme ; when switching to the gas-gas scheme (gaseous oxygen - gaseous hydrogen) due to the nature of the organization of the working process with these mixing elements, it will be necessary to increase the length of the combustion chamber by about three times, which will lead to a significant increase in overall mass characteristics and an increase in thermal loads on the fire the wall of the combustion chamber due to a proportional increase in the total heat removal, and this will lead to a significant reduction in the efficiency of the steam generator and the health reserves;
во-вторых: применяемая в парогенераторе DLR каскадно-радиальная схема подачи балластировочной воды посредством струйных форсунок малоэффективна с точки зрения интенсивности перемешивания балластировочной воды с продуктами сгорания топлива, вследствие чего для обеспечения требуемого уровня равномерности генерируемого пара требуются значительные продольные габариты агрегата и большое число каскадов - не менее трех.secondly: the cascade-radial scheme for supplying ballast water through jet nozzles used in the DLR steam generator is ineffective in terms of the intensity of mixing ballast water with fuel combustion products, as a result of which significant longitudinal dimensions of the unit and a large number of cascades are required to ensure the required uniformity of the generated steam not less than three.
Задачей изобретения является создание парогенератора, свободного от указанных недостатков, являющегося высокоэффективным, имеющего простую компактную конструкцию, а также расширение области применения парогенератора (работа, как по схеме «жидкость-газ», так и по схеме «газ-газ»), повышение надежности работы, улучшение характеристик смесеобразования между балластировочным компонентом и факелом продуктов сгорания, снижение массы и габаритов агрегата.The objective of the invention is to provide a steam generator that is free from these drawbacks, which is highly efficient, with a simple compact design, and also expands the scope of the steam generator (work, both on the "liquid-gas" and the "gas-gas"), increasing reliability work, improving the characteristics of mixture formation between the ballasting component and the torch of combustion products, reducing the mass and dimensions of the unit.
Для решения поставленной задачи предложен парогенератор, содержащий запальное устройство с электросвечой и магистралями подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), смесительную головку с огневым днищем, коллекторами окислителя (кислорода) и горючего (водорода) и соответствующими магистралями, камеры сгорания и смешения, промежуточное сопло с профилированными стенками, вкладышем подачи балластировочного компонента с магистралью подвода балластировочного компонента. При этом в смесительной головке применены триплетные смесительные элементы с обеспечением соударения струй. Профиль торцевой стенки промежуточного сопла, расположенного между камерой сгорания и камерой смешения, оптимизирован по углу внедрения струй балластировочного компонента в факел продуктов сгорания и по линии тока балластировочного компонента вдоль торцевой стенки для исключения отрыва потока балластировочного компонента от этой стенки. Вкладыш подачи балластировочного компонента выполнен с отверстиями, обеспечивающими разнокалиберность струй балластировочного компонента.To solve this problem, a steam generator is proposed that contains an ignition device with an electric candle and highways for supplying fuel (hydrogen) and an oxidizer (oxygen), a mixing head with a fire bottom, collectors of an oxidizer (oxygen) and fuel (hydrogen) and the corresponding highways, a combustion and mixing chamber, intermediate nozzle with profiled walls, ballast component feed insert with ballast component supply line. At the same time, triplet mixing elements are applied in the mixing head to ensure the impact of the jets. The profile of the end wall of the intermediate nozzle located between the combustion chamber and the mixing chamber is optimized by the angle of introduction of the jets of the ballasting component into the flame of the combustion products and along the flow line of the ballasting component along the end wall to prevent separation of the flow of the ballasting component from this wall. The feed liner of the ballasting component is made with holes that ensure the diversity of the jets of the ballasting component.
При этом в качестве балластировочного компонента используется вода или водяной пар. Смесительная головка с триплетными смесительными элементами может представлять собой комбинацию из трех струйных форсунок - одной форсунки окислителя (кислорода), направленной параллельно центральной оси парогенератора, и двух форсунок горючего (водорода), направленных под углом к форсунке окислителя, причем оси всех трех форсунок пересекаются в одной точке.In this case, water or water vapor is used as a ballasting component. The mixing head with triplet mixing elements can be a combination of three jet nozzles - one oxidizer (oxygen) nozzle directed parallel to the central axis of the steam generator and two fuel (hydrogen) nozzles, angled to the oxidizer nozzle, and the axes of all three nozzles intersect in one point.
Вкладыш подачи балластировочного компонента целесообразно выполнять кольцевым или цилиндрическим. При этом вкладыш подачи балластировочного компонента может представлять собой кольцо с расположенными на его образующей поверхности продольными каналами с разнокалиберными отверстиями. При этом продольные каналы кольцевого вкладыша, предназначенного для подачи балластировочного компонента, выполнены с разными площадями поперечного сечения. Камера сгорания содержит тракт внешнего охлаждения однофазным теплоносителем: водой или водяным паром. Целесообразно, чтобы камера сгорания охлаждалась водой, подводимой через магистраль подвода воды охлаждения. Камера смешения охлаждается водяным паром, подаваемым от внешнего источника и являющимся балластировочным компонентом. В начале камеры смешения расположен кольцевой вкладыш подачи балластировочного компонента, при этом балластировочная вода из магистрали подвода балластировочного компонента поступает в распределительный коллектор кольцевого вкладыша, где разделяется на два потока, основной из которых, выходя из кольцевого вкладыша, омывает наружную стенку промежуточного сопла и под заданным углом внедряется в поток продуктов сгорания и спутный ему поток воды охлаждения камеры сгорания, другой поток подается вдоль стенки камеры смешения, обеспечивая ее внутреннее охлаждение. Огневое днище смесительной головки, как правило, выполняется профилированным и представляет из себя комбинацию плоских стенок и усеченных конусов. При этом углы усеченных конусов подбирают таким образом, чтобы отверстия форсунок горючего были расположены перпендикулярно соответствующей конической поверхности огневого днища.It is advisable that the insert for supplying the ballasting component be circular or cylindrical. In this case, the supply ballast component may be a ring with longitudinal channels located on its forming surface with different-sized openings. In this case, the longitudinal channels of the annular liner intended for supplying the ballasting component are made with different cross-sectional areas. The combustion chamber contains an external cooling path by a single-phase coolant: water or water vapor. It is advisable that the combustion chamber is cooled by water supplied through the cooling water supply line. The mixing chamber is cooled by water vapor supplied from an external source and which is a ballasting component. At the beginning of the mixing chamber, there is an annular liner for supplying the ballast component, while ballast water from the supply line of the ballast component enters the distribution manifold of the annular liner, where it is divided into two flows, the main of which, leaving the annular liner, washes the outer wall of the intermediate nozzle and under the specified the angle is introduced into the flow of combustion products and the stream of water cooling the combustion chamber, which is confused to it, another flow is supplied along the wall of the mixing chamber, its internal cooling. The firing head of the mixing head, as a rule, is profiled and is a combination of flat walls and truncated cones. In this case, the angles of the truncated cones are selected so that the holes of the fuel nozzles are perpendicular to the corresponding conical surface of the firing bottom.
Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью всех признаков формулы, является создание парогенератора с возможностью работы, как по схеме «жидкость-газ», так и по схеме «газ-газ», повышение надежности работы, улучшение характеристик смесеобразования между балластировочным компонентом и факелом продуктов сгорания, снижение массы и габаритов агрегата, пар на выходе имеет заданные параметры. Обеспечивается высокая надежность конструкции парогенератора при его длительной непрерывной работе и многократных включениях-выключениях.The technical result provided by the combination of all the features of the formula is the creation of a steam generator with the ability to work, both according to the "liquid-gas" and the "gas-gas" schemes, increasing the reliability of work, improving the characteristics of the mixture formation between the ballasting component and the torch of combustion products, reduction in mass and dimensions of the unit, steam at the outlet has the specified parameters. The high reliability of the design of the steam generator during its long continuous operation and multiple on-offs is ensured.
При этом для подачи горючего и окислителя в камеру сгорания разработана смесительная головка с триплетными смесительными элементами, представляющими собой комбинацию из трех струйных форсунок - одной форсунки окислителя (кислорода) и двух форсунок горючего (водорода), оси которых пересекаются в одной точке, между камерой сгорания и камерой смешения расположено промежуточное сопло, торцевая поверхность которого со стороны камеры смешения спрофилирована по линиям тока балластировочного компонента, подаваемого через вкладыш (см. фиг.2) с разнокалиберными каналами навстречу потоку горячих газов, истекающего из камеры сгорания через промежуточное сопло.Moreover, to supply fuel and oxidizer to the combustion chamber, a mixing head has been developed with triplet mixing elements, which are a combination of three jet nozzles - one oxidizer (oxygen) nozzle and two fuel (hydrogen) nozzles, the axes of which intersect at one point, between the combustion chamber and the mixing chamber is an intermediate nozzle, the end surface of which on the side of the mixing chamber is profiled along the current lines of the ballast component supplied through the liner (see figure 2) with aznokalibernymi channels upstream of the hot gases flowing from the combustion chamber through the intermediate nozzle.
Это способствует внедрению потока балластировочного компонента под оптимальным с точки зрения эффективности перемешивания углом к потоку продуктов сгорания. Большая часть балластировочной воды (~80%) подается навстречу потоку продуктов сгорания в периферийной зоне и посредством спрофилированной стенки промежуточного сопла направляется под заданным углом в поток продуктов сгорания. Меньшая часть балластировочной воды (~20%) направляется соосно потоку продуктов сгорания вдоль стенки камеры смешения, осуществляя ее внутреннее охлаждение. Профиль торцевой стенки промежуточного сопла оптимизирован не только по углу внедрения струй балластировочного компонента в факел продуктов сгорания, но и по линии тока балластировочного компонента вдоль торцевой стенки, что полностью исключает отрыв потока балластировочного компонента от этой стенки, обеспечивая тем самым ее гарантированное охлаждение. Оптимальная траектория линии тока рассчитывается по дополнительно разработанной методике. Продольные каналы кольцевого вкладыша, предназначенного для подачи балластировочного компонента, выполнены с разными площадями поперечного сечения, что увеличивает турбулентность потока балластировочного компонента при его внедрении в факел продуктов сгорания, в результате чего поле температур генерируемого пара становится более равномерным, чем в исходном варианте.This contributes to the introduction of the flow of the ballasting component at an optimum angle from the point of view of mixing efficiency to the flow of combustion products. Most of the ballast water (~ 80%) is supplied towards the flow of combustion products in the peripheral zone and, through the profiled wall of the intermediate nozzle, is directed at a given angle into the flow of combustion products. A smaller part of ballast water (~ 20%) is directed coaxially to the flow of combustion products along the wall of the mixing chamber, carrying out its internal cooling. The profile of the end wall of the intermediate nozzle is optimized not only by the angle of introduction of the jets of the ballast component into the torch of combustion products, but also by the flow line of the ballast component along the end wall, which completely eliminates the separation of the flow of the ballast component from this wall, thereby ensuring its guaranteed cooling. The optimal path of the streamline is calculated using an additionally developed technique. The longitudinal channels of the annular liner designed to supply the ballasting component are made with different cross-sectional areas, which increases the turbulence of the flow of the ballasting component when it is introduced into the flare of the combustion products, as a result of which the temperature field of the generated steam becomes more uniform than in the original version.
Предложенное конструктивное решение позволяет гарантировать надежное охлаждение профилированной стенки диффузора промежуточного сопла и улучшить равномерность поля температур генерируемого пара.The proposed constructive solution allows us to guarantee reliable cooling of the profiled wall of the diffuser of the intermediate nozzle and to improve the uniformity of the temperature field of the generated steam.
Триплетные смесительные элементы для газогенераторов в принципе известны. Так, в патенте US 6189315 описан газогенератор, имеющий в своем составе 32 триплетных смесительных элемента. В этой конструкции форсунки, предназначенные для подачи горючего, выполнены в виде отверстий, просверленных под углом к огневому днищу смесительной головки. В результате истечение газов происходит из каналов с косым срезом на выходе, что приводит к отклонению струи от оси канала и затрудняет точную фокусировку струй в одной точке. При использовании водородного топлива этот недостаток становится принципиальным в связи с низкой вязкостью и плотностью газа. Кроме того, такая конструкция сложна в производстве и нетехнологична.Triplet mixing elements for gas generators are in principle known. So, in the patent US 6189315 describes a gas generator having in its composition 32 triplet mixing elements. In this design, nozzles for supplying fuel are made in the form of holes drilled at an angle to the firing head of the mixing head. As a result, the outflow of gases occurs from channels with an oblique cut at the outlet, which leads to the deviation of the jet from the axis of the channel and makes it difficult to accurately focus the jets at one point. When using hydrogen fuel, this drawback becomes fundamental due to the low viscosity and density of the gas. In addition, this design is difficult to manufacture and low-tech.
С целью устранения указанного выше недостатка и для удобства компоновки и изготовления форсунок огневое днище смесительной головки выполнено профилированным и представляет из себя комбинацию плоских стенок и усеченных конусов (см. фиг.1). Причем углы конусов подобраны таким образом, что отверстия форсунок горючего сверлятся перпендикулярно соответствующей конической поверхности огневого днища. Такая конструкция компактна и технологична и исключаются косые срезы каналов на выходе.In order to eliminate the above drawback and for the convenience of the layout and manufacture of nozzles, the firing head of the mixing head is made profiled and is a combination of flat walls and truncated cones (see figure 1). Moreover, the corners of the cones are selected in such a way that the holes of the fuel nozzles are drilled perpendicular to the corresponding conical surface of the firing bottom. This design is compact and technological and oblique cuts of channels at the exit are excluded.
Изобретение поясняется фиг.1-3.The invention is illustrated in figures 1-3.
На фиг.1 изображена схема парогенератора.Figure 1 shows a diagram of a steam generator.
На фиг.2 изображен фрагмент кольцевого вкладыша.Figure 2 shows a fragment of an annular liner.
На фиг.3 изображен разрез фрагмента вкладыша с фиг.2.Figure 3 shows a section of a fragment of the liner of figure 2.
Парогенератор (фиг.1) включает в себя запальное устройство 1 с электросвечой 2 и магистралями подвода горючего (водорода) 3 и окислителя (кислорода) 4; смесительную головку 5 с коллекторами окислителя 6 и горючего 7 и соответствующими магистралями 8, 9, укомплектованную триплетными смесительными элементами 10; камеру сгорания 11 с трактом внешнего охлаждения 12, промежуточным соплом 13, профилированную торцевую стенку 14 промежуточного сопла 13 и магистраль подвода воды охлаждения камеры сгорания 15; кольцевой вкладыш для подачи балластировочного компонента 16 с магистралью подвода балластировочного компонента 17 и камеру смешения 18.The steam generator (figure 1) includes an ignition device 1 with an electric candle 2 and highways for supplying fuel (hydrogen) 3 and an oxidizer (oxygen) 4; a mixing head 5 with collectors of oxidizing agent 6 and fuel 7 and corresponding highways 8, 9, equipped with triplet mixing elements 10; the combustion chamber 11 with the external cooling path 12, the intermediate nozzle 13, the profiled end wall 14 of the intermediate nozzle 13 and the water supply line of the cooling of the combustion chamber 15; an annular liner for supplying the ballasting component 16 with the supply line of the ballasting component 17 and the mixing chamber 18.
Вкладыш подачи балластировочного компонента, фрагмент которого представлен на фиг.2, представляет собой кольцо с расположенными на его торцевой поверхности продольными каналами - отверстиями двух различных диаметров, чередующихся по окружности через одно. Разнокалиберность струй балластировочного компонента увеличивает его турбулентность при внедрении в факел продуктов сгорания, что благоприятно сказывается на равномерности поля температур генерируемого пара.The ballast component feed insert, a fragment of which is shown in FIG. 2, is a ring with longitudinal channels located on its end surface — holes of two different diameters, alternating in a circle through one. The variability of the jets of the ballasting component increases its turbulence when the combustion products are introduced into the torch, which favorably affects the uniformity of the temperature field of the generated steam.
Поперечное сечение фрагмента вкладыша представлено на фиг.3.The cross section of a fragment of the liner is presented in figure 3.
Работает парогенератор следующим образом.The steam generator operates as follows.
Небольшие заданные расходы кислорода и водорода в газообразной фазе по магистралям 3 и 4, соответственно, поступают в запальное устройство 1, где их смесь воспламеняется электросвечой 2. Образовавшийся запальный факел поступает в камеру сгорания 11. Основные расходы газообразных кислорода и водорода через магистрали 8, 9 и коллектора 6, 7, соответственно, через триплетные форсунки 10 в массовом соотношении 8:1 поступают в камеру сгорания 11, где воспламеняются от запального факела и полностью реагируют. Образовавшиеся продукты сгорания истекают из камеры через промежуточное сопло 13. Камера сгорания 11 охлаждается, например, водой, которая подается через магистраль 15 в тракт наружного охлаждения 12 и, пройдя вдоль него, сбрасывается параллельно потоку продуктов сгорания, выходящему из промежуточного сопла. Продукты сгорания и вода охлаждения камеры сгорания поступают в камеру смешения 18, в начале которой расположен кольцевой вкладыш подачи балластировочного компонента 16. Балластировочный компонент (вода или водяной пар) из магистрали 17 поступает в распределительный коллектор кольцевого вкладыша, где разделяется на два потока - I и II. Около 80% расхода балластировочной воды - поток I, выходя из кольцевого вкладыша, омывает профилированную торцевую стенку 14 промежуточного сопла 13, спрофилированную по линии тока балластировочного компонента, и под заданным углом внедряется в поток продуктов сгорания и спутный ему поток воды охлаждения камеры сгорания. Профилирование наружной стенки промежуточного сопла 14 по линии тока балластировочного компонента обеспечивает не только внедрение балластировочной воды под заданным углом, но и безотрывное обтекание ею этой стенки, что гарантирует ее надежное охлаждение. Истечение потока I через разнокалиберные отверстия (фиг.2, 3) увеличивает его турбулентность, что благоприятно сказывается на процессе перемешивания этого потока с продуктами сгорания и водой охлаждения камеры сгорания, обеспечивая тем самым более равномерное поле температур генерируемого пара, чем в исходном варианте (прототипе). Остальной расход балластировочной воды - поток II, фиг.1, составляющий около 20% полного расхода, подается вдоль стенки камеры смешения 18, обеспечивая ее внутреннее охлаждение.Small predetermined flow rates of oxygen and hydrogen in the gaseous phase along the lines 3 and 4, respectively, enter the ignition device 1, where their mixture is ignited by the electric light 2. The resulting ignition torch enters the combustion chamber 11. The main consumption of gaseous oxygen and hydrogen through the lines 8, 9 and collector 6, 7, respectively, through triplet nozzles 10 in a mass ratio of 8: 1 enter the combustion chamber 11, where they ignite from the ignition torch and completely react. The resulting combustion products flow out of the chamber through the intermediate nozzle 13. The combustion chamber 11 is cooled, for example, by water, which is supplied through the highway 15 to the external cooling duct 12 and, passing along it, is discharged parallel to the stream of combustion products leaving the intermediate nozzle. The combustion products and the cooling water of the combustion chamber enter the mixing chamber 18, at the beginning of which there is an annular feed liner for the ballast component 16. The ballast component (water or water vapor) from line 17 enters the distribution manifold of the annular liner, where it is divided into two streams - I and II. About 80% of the flow of ballast water - stream I, leaving the annular liner, washes the profiled end wall 14 of the intermediate nozzle 13, profiled along the flow line of the ballast component, and at a given angle is introduced into the flow of combustion products and the flow of cooling water from the cooling chamber, which is associated with it. Profiling the outer wall of the intermediate nozzle 14 along the flow line of the ballast component provides not only the introduction of ballast water at a given angle, but also continuous flow around it of this wall, which ensures its reliable cooling. The outflow of stream I through different-sized openings (FIGS. 2, 3) increases its turbulence, which favorably affects the process of mixing this stream with combustion products and cooling water of the combustion chamber, thereby ensuring a more uniform temperature field of the generated steam than in the original version (prototype ) The rest of the flow of ballast water - stream II, figure 1, comprising about 20% of the total flow, is fed along the wall of the mixing chamber 18, providing its internal cooling.
Предложенное техническое решение позволяет осуществить работу парогенератора при той же номинальной мощности не только по схеме «жидкость-газ», но и по схеме «газ-газ» без увеличения габаритно-массовых характеристик, организовать гарантированное надежное охлаждение профилированной наружной стенки промежуточного сопла и обеспечить более равномерное поле температур генерируемого пара.The proposed technical solution allows the steam generator to operate at the same rated power not only according to the “liquid-gas” scheme, but also according to the “gas-gas” scheme without increasing the overall mass characteristics, to organize guaranteed reliable cooling of the profiled outer wall of the intermediate nozzle and provide more uniform temperature field of the generated steam.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005139564/06A RU2309325C1 (en) | 2005-12-19 | 2005-12-19 | Steam generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005139564/06A RU2309325C1 (en) | 2005-12-19 | 2005-12-19 | Steam generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005139564A RU2005139564A (en) | 2007-06-27 |
| RU2309325C1 true RU2309325C1 (en) | 2007-10-27 |
Family
ID=38315049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005139564/06A RU2309325C1 (en) | 2005-12-19 | 2005-12-19 | Steam generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2309325C1 (en) |
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488903C1 (en) * | 2012-05-03 | 2013-07-27 | Рашид Зарифович Аминов | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam |
| RU2536646C1 (en) * | 2013-06-25 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Counter-current hydrogen-oxygen combustor |
| RU2539243C2 (en) * | 2013-02-25 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Vortex hydrogen-oxygen combustion chamber |
| RU2544417C1 (en) * | 2014-02-17 | 2015-03-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Steam generator |
| RU2555598C1 (en) * | 2014-02-04 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Mixing head of methane-oxygen steam generator |
| RU2557139C1 (en) * | 2014-04-08 | 2015-07-20 | Федеральное казенное предприятие "Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности" (ФКП "НИЦ РКП") | Method of obtaining of high-temperature steam and gas in liquid rocket steam and gas generator |
| RU2612491C1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-03-09 | Владислав Юрьевич Климов | Steam-gas generator |
| RU2614311C1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-03-24 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Steam generator |
| RU2623017C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-06-21 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Steam generator |
| RU2633741C1 (en) * | 2016-12-01 | 2017-10-17 | Владислав Юрьевич Климов | Steam and gas generator |
| RU2680282C1 (en) * | 2018-06-07 | 2019-02-19 | Владислав Юрьевич Климов | Mixing head of gas generator |
| RU2692596C1 (en) * | 2018-04-17 | 2019-06-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Gas heat generator |
| RU2699896C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2699897C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2699895C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2699914C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2700702C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-19 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2700706C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-19 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2705925C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-11-12 | Валерий Александрович Чернышов | Steam generator |
| RU2712336C1 (en) * | 2018-12-06 | 2020-01-28 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2735976C1 (en) * | 2020-07-14 | 2020-11-11 | Николай Иванович Кузин | Steam generator |
| RU2760602C1 (en) * | 2021-06-30 | 2021-11-29 | Владислав Юрьевич Климов | Lpe combustion chamber mixing head |
| US11988114B2 (en) | 2022-04-21 | 2024-05-21 | Mitsubishi Power Americas, Inc. | H2 boiler for steam system |
| RU2827277C1 (en) * | 2024-01-09 | 2024-09-23 | Владислав Юрьевич Климов | Gas generator |
-
2005
- 2005-12-19 RU RU2005139564/06A patent/RU2309325C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488903C1 (en) * | 2012-05-03 | 2013-07-27 | Рашид Зарифович Аминов | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam |
| RU2539243C2 (en) * | 2013-02-25 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Vortex hydrogen-oxygen combustion chamber |
| RU2536646C1 (en) * | 2013-06-25 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Counter-current hydrogen-oxygen combustor |
| RU2555598C1 (en) * | 2014-02-04 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Mixing head of methane-oxygen steam generator |
| RU2544417C1 (en) * | 2014-02-17 | 2015-03-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Steam generator |
| RU2557139C1 (en) * | 2014-04-08 | 2015-07-20 | Федеральное казенное предприятие "Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности" (ФКП "НИЦ РКП") | Method of obtaining of high-temperature steam and gas in liquid rocket steam and gas generator |
| RU2612491C1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-03-09 | Владислав Юрьевич Климов | Steam-gas generator |
| RU2614311C1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-03-24 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Steam generator |
| RU2623017C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-06-21 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Steam generator |
| RU2633741C1 (en) * | 2016-12-01 | 2017-10-17 | Владислав Юрьевич Климов | Steam and gas generator |
| RU2692596C1 (en) * | 2018-04-17 | 2019-06-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Gas heat generator |
| RU2680282C1 (en) * | 2018-06-07 | 2019-02-19 | Владислав Юрьевич Климов | Mixing head of gas generator |
| RU2699896C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2699897C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2699895C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2699914C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-11 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2700702C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-19 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2700706C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-09-19 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2705925C1 (en) * | 2018-12-06 | 2019-11-12 | Валерий Александрович Чернышов | Steam generator |
| RU2712336C1 (en) * | 2018-12-06 | 2020-01-28 | Владимир Викторович Черниченко | Steam generator |
| RU2735976C1 (en) * | 2020-07-14 | 2020-11-11 | Николай Иванович Кузин | Steam generator |
| RU2760602C1 (en) * | 2021-06-30 | 2021-11-29 | Владислав Юрьевич Климов | Lpe combustion chamber mixing head |
| US11988114B2 (en) | 2022-04-21 | 2024-05-21 | Mitsubishi Power Americas, Inc. | H2 boiler for steam system |
| RU2827277C1 (en) * | 2024-01-09 | 2024-09-23 | Владислав Юрьевич Климов | Gas generator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005139564A (en) | 2007-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2309325C1 (en) | Steam generator | |
| RU2300049C1 (en) | Mini steam generator | |
| US4787208A (en) | Low-nox, rich-lean combustor | |
| US4893468A (en) | Emissions control for gas turbine engine | |
| RU2644668C1 (en) | Gas-steam generator | |
| RU2345238C1 (en) | Mixing head of liquid propellant rocket engine chamber | |
| RU2633741C1 (en) | Steam and gas generator | |
| RU2358190C1 (en) | Hydrogen high-temperature steam generator with combined evaporation cooling of mixing chamber | |
| RU2635012C1 (en) | Steam-gas generator | |
| RU2613011C1 (en) | Steam-gas generator | |
| RU2431079C1 (en) | Steam generator (versions) | |
| RU2614311C1 (en) | Steam generator | |
| JP2004101175A (en) | Fluid injection device and fluid injection method | |
| RU2488903C1 (en) | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam | |
| CN113983495B (en) | Rotary detonation combustion chamber suitable for natural gas hydrogen-doped combustion | |
| US20200072458A1 (en) | Redesigned Burner | |
| US9453646B2 (en) | Method for air entry in liner to reduce water requirement to control NOx | |
| RU2408417C1 (en) | Synthesis gas generator | |
| JPS59107119A (en) | Combustion of gas turbine | |
| JPH05202769A (en) | Power plant for driving gas turbine | |
| RU2709237C1 (en) | Hydrogen burning system for hydrogen vapor overheating of fresh steam in a cycle of a nuclear power plant with swirled flow of components and using ultrahigh-temperature ceramic materials | |
| RU2079684C1 (en) | Steam generator | |
| GB2116308A (en) | Improved Low-NOx, rich-lean combustor | |
| JP3706455B2 (en) | Hydrogen / oxygen combustor for hydrogen combustion turbine | |
| CN114151234B (en) | Regenerated cooling liquid oxygen methane torch igniter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081220 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20100120 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131220 |