Результат интеллектуальной деятельности: СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА МЕТАНО-КИСЛОРОДНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА

Изобретение относится к энергетике, в частности к энергетическим установкам, производящим водяной пар высоких параметров, получаемый за счет энергии, выделяемой при сгорании горючего (природного газа (ПГ)) в окислителе (кислороде).

Известен водородно-кислородный парогенератор для получения водяного пара (патент RU 2309325, F22B 1/26, 2005), в состав которого входит 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. Кроме того, на огневом днище смесительной головки расположены отверстия для подачи воды на пленочное охлаждение камеры сгорания.

Недостатком данной конструкции является:

- возможность контакта высокотемпературных обратных токов с огневым днищем смесительной головки, что может привести к его оплавлению;

- из-за более высокой плотности ПГ по сравнению с водородом (~ в 10 раз) очень сложно реализовать пересечение в одной зоне горючего и окислителя с оптимальным соотношением компонентов, что может сказаться на эффективности работы парогенератора.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция смесительной головки водородно-кислородного парогенератора (патент RU 2379590, F23D 14/62, F02K 9/44, 2008, прототип), в состав которой входит запальное устройство, корпус, огневое днище, в котором основные форсунки находятся на одном радиальном расстоянии и установлены так, что пересечение их осей находится в одной зоне на расстоянии не менее 8 выходных диаметров форсунок окислителя от огневого днища, а дополнительные форсунки горючего установлены на промежуточных радиальных расстояниях.

Недостатком данной конструкции является невозможность, из-за высокой плотности горючего, осуществить полноту сгорания компонентов топлива при стехиометрическом соотношении в одной зоне, что снижает эффективность работы парогенератора.

Кроме того, наличие дополнительных форсунок горючего, защищающих огневое днище от горячих обратных токов, также не обеспечивает полноту сгорания компонентов топлива при оптимальном соотношении.

Данное изобретение решает техническую задачу повышения эффективности горения, ресурса работы смесительной головки и парогенератора в целом, устраняет указанные недостатки прототипа. Поставленная техническая задача решается тем, что в смесительной головке метано-кислородного парогенератора, содержащей струйные форсунками, запальное устройство, корпус и огневое днище, имеется два каскада форсунок горючего, находящихся на разных радиальных расстояниях. Форсунки горючего первого каскада выполнены таким образом, что пересечение их осей с продольной осью форсунки окислителя находится от огневого днища на расстоянии 5÷7 выходных диаметров форсунки окислителя, а форсунки горючего второго каскада - находится от огневого днища на расстоянии 10÷15 выходных диаметров форсунки окислителя.

Такое выполнение смесительной головки позволяет реализовать следующие процессы:

1. Горючее из форсунок первого каскада и окислитель при пересечении реализуют в первой зоне на расстоянии 5÷7 выходных диаметров форсунки окислителя смешение с соотношением компонентов топлива (отношение расхода окислителя к расходу горючего) k_m=10÷12 с реализацией температуры ~ 2600÷2800°С. Реализуемые с такой температурой обратные токи защищают огневое днище.

2. Горючее из форсунок второго каскада при соединении на расстоянии 10÷15 выходных диаметров форсунки окислителя от огневого днища с продуктами сгорания, имеющими соотношением k_m=10÷12, осуществляют дальнейшее сгорание топлива при оптимальном соотношении k_m=4.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1- 4.

Смесительная головка метано-кислородного парогенератора со струйными форсунками (фиг. 1) включает в себя запальное устройство 1, корпус 2 с магистралями подвода окислителя 3, горючего 4, воды 5 на пленочное охлаждение, полость окислителя 6, полость горючего 7, огневое днище (фиг. 2) 8 с форсунками горючего первого 9 (с чередованием через одну форсунку 10) и второго 10 (с чередованием через одну форсунку 9) каскадов, находящихся на разных радиальных расстояниях, форсунками окислителя 11, отверстия 12 для подачи воды на завесу.

Смесительная головка метано-кислородного парогенератора со струйными форсунками работает следующим образом.

В запальном устройстве происходит предварительное сжигание небольшого количества горючего в окислителе. Из магистрали подачи воды 5 через отверстия 12 вода поступает на пленочное охлаждение камеры сгорания.

Из магистралей 3 и 4 окислитель и горючее через форсунки окислителя 11 и форсунки горючего 9 и 10 поступает в камеру сгорания. Продукты сгорания запального устройства с температурой ~ 1400÷1500°С поджигают горючее, поступающее через форсунки горючего 9 с окислителем при соотношении k_m=10÷12 c реализацией температуры горения ~ 2600÷2800°С (зона первого каскада). На расстоянии от огневого днища 10÷15 выходных диаметров форсунки окислителя (D₀) при поступлении горючего из форсунок горючего 10 осуществляется дальнейшее сгорание при температуре 3550°С с соотношением компонентов топлива k_m=4 (зона второго каскада).

Таким образом, использование смесительной головки с двумя каскадами форсунок горючего, находящимися на разных радиальных расстояниях, обеспечивают надежную защиту огневого днища за счет обтекания его обратными токами пониженной температуры из зоны первого каскада горения, качественное перемешивание компонентов топлива и эффективное горение за счет поступления горючего из форсунок второго каскада, что в целом обеспечивает высокую экономичность, надежность и повышенный ресурс работы смесительной головки метано-кислородного парогенератора.