Вихревая водород-кислородная камера сгорания

Авторы патента:

F23R3/02 - отличающиеся конфигурацией газового или воздушного потока (камеры сгорания с реверсированием потока F23R 3/54; камеры сгорания циклонного или вихревого типа F23R 3/58)

F02K9/64 - с устройствами для охлаждения

Владельцы патента RU 2539243:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" (RU)

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для создания потока перегретого водяного пара за счет сжигания водород-кислородной смеси в паровой среде. Может использоваться в ракетных двигателях, циклах комбинированных и паротурбинных энергетических установок. Вихревая водород-кислородная камера сгорания содержит запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, жаровую трубу и охлаждающий канал, а также полусферический коллектор. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения стенки камеры смешения и пламенной трубы, равномерность термогазодинамических параметров на выходе и снизить остаточную закрутку потока перегретого пара; упростить систему разделения пара по зонам; обеспечить возможность компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известен пароперегреватель RU 2005139564 A, F02K 9/68 (2006.01) от 27.06.2007, предназначенный для получения перегретого пара, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего и окислителя, камеру сгорания, форсунки.

Недостатком данной конструкции является высокая неравномерность поля температуры на выходе из парогенератора; низкая полнота сгорания; высокая вероятность срыва пламени; отсутствие возможности пространственной локализации фронта пламени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является вихревой водород-кислородный пароперегреватель RU 2007147083/06 (051620), F02K 9/68 от 17.12.2007, предназначенный для перегрева водяного пара, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу.

Недостатком данной конструкции является низкая эффективность охлаждения стенки камеры смешения и пламенной трубы; неравномерность термогазодинамических параметров на выходе; высокая остаточная закрутка потока перегретого пара; сложная система разделения пара по зонам; отсутствие возможности компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения стенки камеры смешения; повышение эффективности охлаждения пламенной трубы; повышение равномерности термогазодинамических параметров на выходе и снижение остаточной закрутки потока перегретого пара; упрощение системы разделения пара по зонам; обеспечение возможности компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что вихревая водород-кислородная камера сгорания, содержащая запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, жаровую трубу, охлаждающий канал дополнительно содержит полусферический коллектор; в жаровой трубе выполнена перфорация, цилиндрические и кольцевое отверстия смешения; вихревая водород-кислородная камера сгорания имеет единственный патрубок подвода водяного пара, компенсатор тепловых расширений.

С целью повышения эффективности охлаждения стенки камеры смешения в жаровой трубе выполнена перфорация. Для повышения равномерности термогазодинамических параметров на выходе и снижения остаточной закрутки потока перегретого пара в жаровой трубе выполнены цилиндрические и кольцевое отверстия смешения. Упрощение системы разделения пара по зонам достигается тем, что вихревая водород-кислородная камера сгорания имеет единственный патрубок подвода водяного пара и полусферический коллектор. Возможность компенсации теплового расширения теплонапряженных элементов конструкции обеспечивается за счет того, что вихревая водород-кислородная камера сгорания имеет компенсатор тепловых расширений.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом: фиг.1 - продольный разрез вихревой водород-кислородной камеры сгорания с вынесенными сечениями.

Вихревая водород-кислородная камера сгорания содержит магистрали подвода окислителя (кислорода) 1 и горючего (водорода) 2. Патрубок подвода водяного пара 3 тангенциально крепится к стенке 4 камеры смешения 5, в объеме которой установлена жаровая труба 6, имеющая перфорацию 7, цилиндрические 8 и кольцевое 9 отверстия смешения. Между жаровой трубой 6 и выходным соплом 10 находится компенсатор тепловых расширений 11. Охлаждающий канал 12 образован стенкой 4 камеры смешения 5 и жаровой трубой 6. Магистрали подвода окислителя 1 и горючего 2 крепятся к корпусу камеры сгорания 13, в котором выполнена зона смешения 14 пара с окислителем, расположены форсунки окислителя 15 и закручивающее устройство 16. На выходе из зоны смешения 14 пара с окислителем установлен конический стабилизатор пламени 17 с отверстиями 18 в торцевой поверхности, форсунки горючего 19 и пламенная труба 20, между стенкой которой и жаровой трубой 6 образован периферийный канал 21 подачи пара, в котором находится аксиальное закручивающее устройство 22. Отверстия 23 для охлаждения пламенной трубы 20 распределены по ее поверхности, ограничивающей объем камеры сгорания 24. Полусферический коллектор 25 и запальное устройство 26 крепятся к корпусу камеры сгорания 13.

Вихревая водород-кислородная камера сгорания работает следующим образом. Водяной пар из котла поступает через патрубок подвода водяного пара 3 в охлаждающий канал 12, где в виде интенсивно закрученного потока движется в сторону корпуса камеры сгорания 13. Попадая в полусферический коллектор 25, поток водяного пара меняет осевое направление движения на противоположное и поступает в зону смешения 14 пара с окислителем и периферийный канал подачи пара 21. Через форсунки окислителя 15 в центральный поток пара подается кислород, поступающий из магистрали подвода окислителя (кислорода) 1. Образующаяся парокислородная смесь закручивается с помощью закручивающего устройства 16 с целью интенсификации массообменных процессов и ее гомогенизации и, обтекая конический стабилизатор пламени 17, поступает в камеру сгорания 24. На выходе из зоны смешения 14 пара с окислителем в полученную смесь через форсунки горючего 19 подается водород, поступающий из магистрали подвода горючего (водорода) 2. Форсунки горючего 19 установлены таким образом, что время обтекания конического стабилизатора пламени 17 подготовленной к химическому реагированию пароводород-кислородной смеси, не превышает период индукции химических реакций (задержки воспламенения). Это позволяет исключить проскок фронта пламени в зону смешения 14 и уменьшить лучистый и конвективный тепловые потоки на боковую поверхность конического стабилизатора пламени 17 и сопла форсунок горючего 19. Полученная пароводород-кислородная смесь воспламеняется от запального устройства 26, и в результате протекающих окислительно-восстановительных реакций горения осуществляется ее разогрев до необходимой температуры, определяемой соотношением расходов пара, водорода и кислорода. Образующийся перегретый пар истекает из выходного сопла 10.

При обтекании закрученным потоком пароводород-кислородной смеси конического стабилизатора пламени 17 в объеме камеры сгорания 24 образуется центральная рециркуляционная зона, на границах которой осуществляется стабилизация фронта волны горения после воспламенения смеси от запального устройства 26. Через отверстия 18 в торцевой поверхности конического стабилизатора пламени 17 выдувается водяной пар, оттесняя фронт пламени от стенки стабилизатора и локализуя его в пространственной области, ограниченной границами рециркуляционной зоны. Поток пара, проходящий по периферийному каналу 21 подачи пара через аксиальное закручивающее устройство 22, приобретает окружную составляющую скорости, что позволяет организовать конвективное охлаждение пламенной трубы 20 за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи от стенок к паровому потоку. Дополнительное охлаждение термически нагруженной стенки пламенной трубы 20 достигается организацией завесы из паровых струй, выдуваемых через отверстия 23 и перфорацию 7 в стенке жаровой трубы 6.

Через цилиндрические 8 и кольцевое 9 отверстия смешения из охлаждающего канала 12 в объем жаровой трубы 6 радиально вдуваются паровые струи, формируя равномерное поле термогазодинамических параметров на выходе и снижая остаточную закрутки потока перегретого пара. Возникающие в результате теплового расширения элементов конструкции термические напряжения нивелируются компенсатором тепловых расширений 11. Отмеченные особенности конструкции вихревой водород-кислородной камеры сгорания позволяют эффективно организовать рабочий процесс, управлять горением, охлаждением, формированием температурного поля в зоне реакции и выходном сечении.

1. Вихревая водород-кислородная камера сгорания, содержащая запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающие устройства, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, жаровую трубу и охлаждающий канал, отличающаяся тем, что дополнительно содержит полусферический коллектор.

2. Вихревая водород-кислородная камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в жаровой трубе выполнена перфорация.

3. Вихревая водород-кислородная камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в жаровой трубе выполнены цилиндрические и кольцевое отверстия смешения.

4. Вихревая водород-кислородная камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что имеет тангенциальный ввод в одном сечении с использованием одного или нескольких патрубков подвода водяного пара.

5. Вихревая водород-кислородная камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что имеет компенсатор тепловых расширений.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для перегрева водяного пара при организации рабочего процесса паровых, парогазовых энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов.

Система уменьшения динамики камеры сгорания // 2467252

Камера сгорания газотурбинного двигателя с передним колпаком для разделения газового потока, кольцевой стенкой, образующей козырек переднего колпака камеры, и газотурбинный двигатель, содержащий вышеуказанную камеру // 2382946

Способ сжигания жидкого или газообразного топлива и камера сгорания теплогенератора // 2301376

Блок камеры сгорания и способ охлаждения трубки вентури в этом блоке // 2292516

Жаровая труба камеры сгорания // 2260156

Изобретение относится к устройствам камер сгорания газотурбинных двигателей и установок. .

Камера сгорания // 2250414

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам, предназначенным для сжигания топливно-воздушной смеси, преимущественно камерам сгорания ГТД. .

Приводная газотурбинная установка с подводом воздуха в корпус камеры сгорания через систему воздуховодов // 2175096

Камера сгорания газотурбинного двигателя // 2173818

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а более конкретно - к камерам сгорания высокотемпературных газотурбинных двигателей. .

Усовершенствования в сжигании и утилизации топливных газов // 2149312

Способ изготовления сопла жидкостного ракетного двигателя оживальной формы (варианты) // 2536653

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к способу изготовления сопла жидкостного ракетного двигателя оживальной формы. Сопло состоит из нескольких автономных трапецеидальных секторов оживальной формы, соединенных в осевом направлении.

Противоточная водород-кислородная камера сгорания // 2536646

Способ изготовления сопла камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя // 2519003

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении сопел камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Камера жидкосного ракетного двигателя // 2517949

Изобретение относится к области ракетной техники. Камера жидкостного ракетного двигателя содержит наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными двутавровыми проставками, на которых размещены турбулизаторы потока.

Способ изготовления тракта регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двитателя // 2516723

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно - к созданию камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Способ изготовления тракта регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя заключается в изготовлении наружной и огневой оболочек с последующим их скреплением между собой по вершинам двутавровых проставок с образованием каналов охлаждения между ними, при этом полки двутавровых проставок выполняют переменной ширины за счет выполнения на них чередующихся выборок, при этом турбулизаторы потока образованы указанными чередующимися выборками.

Тракт регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя // 2516678

Изобретение относится к области ракетной техники. Тракт регенеративного охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя содержит наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными двутавровыми проставками, на которых размещены турбулизаторы потока.

Сопло камеры жидкостного ракетного двигателя // 2515576

Изобретение относится к области ракетной техники. Сопло камеры жидкостного ракетного двигателя содержит наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными двутавровыми проставками, на которых размещены турбулизаторы потока.

Система охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя // 2514863

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. В системе охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащей цилиндрическую камеру сгорания и сопло, содержащее, в свою очередь, сужающуюся и расширяющиеся части и критическое сечение между ними, выполненные в виде наружной оболочки, внутренней оболочки с основными ребрами постоянной толщины, образующими тракт охлаждения и, по меньшей мере, один пояс завесы с тангенциальными отверстиями и коллектором, внутри которого установлена кольцевая деталь, согласно изобретению кольцевая деталь выполнена в форме полутора с полостью, на кольцевой детали в плоскости, перпендикулярной оси камеры сгорания, выполнены входные тангенциальные отверстия с возможностью закрутки потока охладителя в плоскости, а параллельно оси камеры выполнены выходные отверстия.

Устройство для регенеративного охлаждения сверхзвуковой части сопла жидкостного ракетного двигателя // 2514570

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для охлаждения сверхзвуковой части сопла жидкостных ракетных двигателей. Задачей предлагаемого изобретения является создание работоспособного на переходных и стационарных режимах работы устройства охлаждения сверхзвуковой части сопла с низким уровнем давления охладителя (Рохл<<Рк), что должно обеспечить возможность создания высокоэкономичных ЖРД с повышенным давлением в камере, с одновременным упрощением изготовления сопел и повышением их надежности.

Тракт охлаждения теплонапряженных конструкций // 2513059

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к двигателестроению и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Тракт охлаждения теплонапряженных конструкций содержит наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными двутавровыми проставками, на которых размещены турбулизаторы потока.

Камера жидкостного ракетного двигателя // 2555418

Изобретение относится к области ракетной техники может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Камера ЖРД содержит смесительную головку, внутреннюю профилированную оболочку, на внешней поверхности которой выполнены ребра тракта охлаждения, наружную профилированную оболочку, установленную на внутреннюю и скрепленную с ней по вершинам ребер тракта охлаждения, причем упомянутые оболочки и ребра образуют каналы охлаждения. Между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой. Наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения. Перемычки выполнены таким образом, что соединяют между собой группы ребер, причем между упомянутыми группами ребер, с каждой их стороны, выполнен канал, ширина которых равна ширине канала охлаждения в месте расположения перемычек. Соседние перемычки расположены со смещением относительно друг друга на величину, равную ширине канала охлаждения в месте их расположения, при этом ширина перемычек равна ширине канала охлаждения в месте расположения перемычек. Группы ребер содержат по три ребра. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.