Спосіб одержання високотемпературного парогаза в рідинному ракетний парогазогенераторе

 

Винахід відноситься до теплоенергетиці і може бути використане в ежекторних установках, що використовуються для імітації висотних умов при випробуваннях ракетних двигунів на випробувальних стендах, а також у силових установках паротурбінного типу.

З теорії РРД відомо, що для отримання високої питомої тяги двигунів верхніх ступенів ракет-носіїв використовують сопло високого ступеня розширення, яке забезпечує безотривное витікання продуктів згоряння при тиску на зрізі сопла, рівній сотим часткам від тиску середовища в наземних умовах, відповідним висот понад 30 км.

Для підтвердження розрахункових параметрів роботи двигунів у висотних умовах і перевірки в цих умовах їх працездатності вони відпрацьовуються на випробувальних стендах, обладнаних системою імітації висотних умов, до складу яких входять установки для вакуумування вихлопного тракту випробувального стенду.

Як правило, при випробуванні двигунів верхніх ступенів ракет-носіїв на стендах з імітацією висотних умов, до складу газодинамічного тракту висотних стендів входять установки, в яких в якості вакуумирующего пристрої застосовуються пароструминні ежектори (А. А. ШЂних умов роботи ракетних двигунів і рухових установок на висотних стендах за допомогою пароструминних ежекторів вимагається отримання великих кількостей пара за короткий проміжок часу. Ці вимоги можна виконати за допомогою рідинних ракетних парогазогенераторов.

Принцип роботи рідинного ракетного парогазогенератора полягає у впорскуванні води в гарячі продукти згоряння, що надходять у зону змішування з камери згоряння, подібній камері згоряння РРД.

Рідинні ракетні парогазогенератори дозволяють найбільш ефективно отримувати парогаз протягом тривалого часу в кількості, необхідній для створення необхідного рівня розрідження на зрізі сопла випробовуваного двигуна в газодинамическом тракті випробувального висотного стенду.

Відомий спосіб одержання високотемпературного парогаза в рідинному ракетний парогазогенераторе, що включає подачу компонентів палива в камеру згоряння парогазогенератора і їх спалювання з утворенням високотемпературних продуктів згорання, при цьому воду впорскують у високотемпературні продукти згоряння в камеру змішування (див. патент РФ №2309325, МПК F22B 1/26, 2005).

Спосіб одержання високотемпературного парогаза в рідинному ракетний парогазогенераторе здійснюється наступним чином.

По команді на запуск парогазогенератора через сорочку охолодження камери згоряння і вкладиш подачі води в сме�ь і пальне, які запалюються від запального полум'я з утворенням високотемпературних продуктів згоряння.

Потім продукти згоряння, що минає з камери згоряння через проміжне сопло, і вода охолодження камери згоряння надходять у камеру змішування. Одночасно з цією водою з боку вкладиша в струмінь продуктів згоряння надходить балластировочная вода, 80% якої омиває зовнішню торцеву стінку проміжного сопла, а решта 20% - подаються вздовж стінки камери змішування на її охолодження.

Одне з основних вимог, що пред'являються до рідинного ракетного парогазогенератору, - це великий ресурс при забезпеченні надійної роботи, оскільки при стендових випробуваннях двигунів з імітацією висотних умов парогазогенератор повинен мати високу продуктивність по парогазу, а ресурс роботи парогазогенератора повинен перевищувати в кілька разів ресурс роботи випробовуваного двигуна. При порівнянному ж ресурсі вартість стендових випробувань різко зросте, оскільки на кожне випробування необхідно буде встановлювати новий рідинний ракетний парогазогенератор, а з урахуванням того, що для створення необхідного розрідження в газодинамическом тракті стенду, як правило, їх необд продуктів згоряння випробовуваного двигуна), то вартість зросте ще більше.

До недоліків відомого способу одержання високотемпературного парогаза можна віднести наступне:

1. Висока температура продуктів згоряння в камері згоряння, яка досягає ~3500°C, призводить до високим тепловим потокам в її стінки, що накладає високі вимоги до їх захисту від прогару для забезпечення великого ресурсу і надійної роботи. Це пов'язано з тим, що згоряння компонентів палива в камері згоряння відбувається при стехіометричному співвідношенні з метою забезпечення максимальної ефективності використання компонентів палива. При цьому досягається максимальна температура горіння і, відповідно, максимально високі теплові потоки. Така висока температура зберігається протягом усього часу роботи парогазогенератора. Крім того, наявність проміжного сопла підвищує тиск в камері згоряння, що додатково призводить до збільшення температури продуктів згоряння та теплових потоків до стінок і вогневого днища камери згоряння, що також знижує надійність роботи і скорочує ресурс камери згоряння, і, відповідно, парогазогенератора в цілому. В цьому випадку ресурс роботи парогазогенератора фактично буде соотвЂора на випробувальному стенді для створення висотних умов.

2. Низька якість змішування продуктів згоряння з впорскується в них водою для утворення парогаза, що призводить до нерівномірності температури парогаза та її складу по поперечному перерізу парогазогенератора, і, як наслідок, до зниження його продуктивності, енергетичної ефективності та ККД. Це пов'язано з тим, що вода в потоці продуктів згоряння подається трьома потоками: перший - у вигляді кільця з струменів, стікали з сорочки охолодження камери згоряння (якщо вона виконана з ребрами), або кільцевої пелени паралельно потоку продуктів згоряння на виході з проміжного сопла, де він зустрічається з другим потоком води у вигляді кільцевої пелени або пара, що омивають внутрішню поверхню камери змішування, що випливає з вкладиша в бік проміжного сопла (пелена води при зіткненні з омитої поверхнею внаслідок тертя втрачає швидкість, що погіршує якість її розпилення продуктами згорання), і тільки після цього обидва кільцевих потоку води змішуються з продуктами згоряння. При цьому третій потік води, що випливає з кільцевої щілини вкладиша у вигляді пелени попутно з продуктами згоряння, фактично входить в контакт з продуктами згоряння на виході з парогазогенерато�вих двох перших потоків води з продуктами згоряння і практично виноситься їм з парогенератора. В результаті низької якості перемішування води з продуктами згоряння в поперечному перерізі парогазогенератора не буде повного випаровування води і буде спостерігатися нерівномірність температури і складу парогаза, що призводить до падіння його продуктивності і зниження енергетичної ефективності, тобто эжектирующей здібності парогаза.

3. Можливість виникнення високочастотних коливань тиску в камері згоряння рідинного ракетного парогазогенератора, які можуть призвести до порушення робочого процесу і, як наслідок, до прогару стінок камери згорання та руйнування парогазогенератора.

Технічна задача, розв'язувана винаходом, полягає в зниженні теплових потоків в стінки камери згоряння рідинного ракетного парогазогенератора і тим самим збільшення ресурсу його роботи шляхом охолодження продуктів згоряння в камері згоряння при збереженні високої повноти згоряння пального, отримання рівномірних температур і складу парогаза у вихідному перерізі парогазогенератора при оптимальних розмірах парогазогенератора, що сприяють підвищенню його енергетичної ефективності, а також зниження ймовірності виникнення високочастотних коливань тиску � парогаза в рідинному ракетний парогазогенераторе, включає подачу компонентів палива в камеру згоряння парогазогенератора і їх спалювання з утворенням високотемпературних продуктів згоряння, які в камері змішування парогазогенератора впорскують воду з отриманням парогаза, згідно винаходу попередньо частина води, використовуваної для одержання парогаза, в кількості 30...40% від сумарної витрати цієї води і пального, подають на регенеративну охолодження вогневого днища змішувальної головки камери згоряння парогазогенератора з подальшим її уприскуванням через висунуті в камеру згоряння форсунки, встановлені на вогневому днищі, а іншу частину води, що впорскується в високотемпературні продукти згоряння в камері змішування, подають у вигляді пучків крапель, рівномірно розподілених по поперечному перерізу високотемпературних продуктів згоряння.

Крім того, воду в камеру згоряння впорскують парогазогенератора через висунуті в камеру згоряння відцентрові форсунки, встановлені між собою без зазору і утворюють в радіальному напрямку камери згоряння антипульсационние перегородки.

На Фіг. 1 показаний поздовжній розріз рідинного ракетного парогазогенератора, що реалізує запропонований спосіб получениямери згоряння парогазогенератора, а на Фіг. 3 - переріз В-В парогазогенератора, на якому показані перетину пучків крапель води, що впорскується в високотемпературні продукти згоряння.

Рідинний ракетний парогазогенератор містить послідовно з'єднані циліндричні камеру згоряння 1, розпилювач води 2 і камеру змішування 3 однакового перерізу, стінки 5, 13 і 20 з яких охолоджуються водою через сорочки охолодження. Камера згоряння 1 містить змішувальну голівку 4 з чотирма днищами і запальний пристрій 6, закріплене на змішувальної головки 4.

В змішувальній головці 4 між днищами утворені порожнини: 7 - для подачі окислювача, 8 - для подачі пального; 9 - для подачі води на охолодження вогневого днища камери згоряння 1. З порожнин 7 і 8 окислювач і пальне подаються в камеру згоряння через двокомпонентні відцентрові форсунки 10. На вогневому днищі 11 змішувальної головки 4 закріплені, висунуті всередину камери згоряння 1 і сполучені з порожниною 9 змішувальної головки 4 форсунки 12, наприклад, відцентрові. Висунуті форсунки 12 можуть бути встановлені між собою без зазору (щільно притиснуті один до одного і до стінки камери згоряння) з утворенням в радіальному напрямку камери згоряння 1 трьох антипульсационних пере� 1 форсунок 12, впритул встановлених між собою і утворюють антипульсационние перегородки, знижує ймовірність виникнення найбільш небезпечних тангенціальних високочастотних коливань тиску в камері згоряння 1 парогазогенератора. Довжина антипульсационних перегородок менше радіуса камери згоряння 1 для забезпечення освіти по осі камери згоряння 1 - запального факела. Вода з порожнини 9 через форсунки 12 подається в зону горіння камери згоряння 1 для зниження температури продуктів згоряння з метою зниження теплового навантаження на внутрішні поверхні камери згорання, що, як наслідок, призводить до підвищення надійності і збільшення ресурсу роботи парогазогенератора. Розрахунковим шляхом отримано та експериментально підтверджено, що кількість води, що впорскується через форсунки 12 в камеру згоряння 1, не повинна перевищувати 30...40% від сумарної витрати цієї води і пального. Це пов'язано з тим, що при витраті води менше 30% температура продуктів згорання залишається досить високою і високими залишаються теплові потоки в стінку камери згоряння 1, а при витраті води понад 40% відбувається не тільки суттєве зниження температури продуктів згоряння в камері згоряння 1, що добре з точки зору повишенияа згоряння пального в камері згоряння 1 і, як наслідок, знижується енергетична ефективність і ККД парогазогенератора.

Розпилювач води 2 парогазогенератора призначений для упорскування води в продукти згоряння, на зовнішній охолоджуваної оболонці 13 якого закріплений кільцевий колектор 14, з яким з'єднані в радіальній площині трубки 15 і 16 з форсунками на кінцях (форсунки умовно не показані). Трубки 15 (3 шт.) і 16 (9 шт.) чергуються по колу і розбиті на декілька груп, в даному варіанті на дві, при цьому вони відрізняються кутом нахилу до осі камери згоряння 1 (α - для трубок 15 і β - для трубок 16, α>β, див. Фіг. 1) парогазогенератора і видатковою характеристикою форсунок. Трубки 15 і 16 чергуються між собою таким чином, щоб минає з них пучки дрібних крапель рівномірно розподілялися по всьому поперечному перерізу потоку продуктів згоряння в камері змішування 3. Камера змішування 3 зі стінками 19 і 20 призначена для повного змішування продуктів згоряння з водою і забезпечення отримання рівномірного розподілу температур і складу парогаза у вихідному перерізі парогазогенератора.

Вода, що виходить з форсунок трьох трубок 15, утворює пучки дрібних крапель 17 в центральній частині перерізу, а вода, що виходить з форсунок дев'яти тѰмери змішування 3 (див. Фіг. 3). Така організація подачі води в продукти згоряння забезпечує високу якість її розпилення і розподілу в поперечному перерізі продуктів згоряння в камері змішування 3.

Спосіб одержання високотемпературного парогаза в рідинному ракетний парогазогенераторе реалізується наступним чином.

По команді на запуск спочатку в сорочки охолодження камери згоряння 1, розпилювача води 2 та камери змішування 3, а також в порожнину 9 змішувальної головки 4 і в колектор 14 подають воду. Потім подають компоненти палива в запальний пристрій 6 і після його запуску через порожнину 7 і форсунки 10 в камеру згоряння 1 подають окислювач, а потім через порожнини 8 і форсунки 10 - пальне. Після займання компонентів палива на запальному факелі запального пристрій 6 в камері згоряння 1 утворюються високотемпературні продукти згоряння. Оскільки вода в камеру згоряння 1 надходить через форсунки 12 на деякій відстані від вогневого днища 11 (т. к. форсунки висунуті всередину камери згоряння 1), це забезпечує надійний запуск і роботу камери згоряння 1 на її початковій ділянці при стехіометричному співвідношенні компонентів палива і температурі продуктів згоряння ~3500°C з високою повнотою згоряння компо� конусоподібних пучків крапель 17 і 18, яка йде на освіту парогаза, і де здійснюється її попереднє змішання з високотемпературними продуктами згоряння, балластированними водою, що надходить з форсунок 12, встановлених на вогневому днищі 11 змішувальної головки 4. Під впливом швидкісного напору газоподібних продуктів згоряння пучки крапель починають відхилятися і по криволінійній траєкторії (див. Фіг. 1) переміщуються разом з продуктами згоряння в камеру змішування 3, одночасно перемішуючись і випаровуючись, з утворенням парогаза. Остаточне перемішування балластированних водою продуктів згоряння з пучками дрібних крапель води, що надійшла з форсунок трубок 15 і 16, здійснюється в камері змішування 3, де відбувається вирівнювання температури парогаза та її складу по перерізу парогазогенератора.

Внаслідок того, що частина води, яка використовується для отримання парогаза (в кількості 30...40% від сумарної витрати цієї води і пального, надходить в камеру згоряння 1), впорскують в камеру згоряння 1 через висунуті в неї відцентрові форсунки 12, встановлені на вогневому днищі 11 камери згоряння 1 парогазогенератора, знижується температура продуктів згоряння в камері згоряння 1, і тим самим - теплові потоки �кновение високочастотних коливань тиску в камері згоряння, призводять до порушення робочого процесу в камері згоряння 1 і її руйнування.

Таким чином, зниження температури продуктів згоряння в камері згоряння рідинного ракетного парогазогенератора до заданих значень внаслідок подачі в них води в кількості 30...40% від сумарної витрати цієї води і пального значно знижує теплові потоки в стінки камери згоряння, тим самим підвищує надійність роботи парогазогенератора і збільшує ресурс його роботи. При цьому зберігається висока повнота згоряння компонентів палива. Розпилення води в потоці продуктів згоряння у вигляді рівномірно розподілених по перерізу камери змішування пучків дрібних крапель підвищує якість їх перемішування з продуктами згоряння та ефективність їх випаровування, а також забезпечує рівномірність температури і складу парогаза по перерізу, що призводить до збільшення продуктивності та енергетичної ефективності парогазогенератора, тобто эжектирующей здібності парогаза. В цілому це призводить до зменшення ваги і габаритів парогазогенератора.

Крім того, наявність антипульсационних перегородок на вогневому днищі камери згоряння, виконаних і висунутих всередину камери згоряння форсунок, установлених �ня рідинного ракетного парогазогенератора, які можуть призвести до порушення робочого процесу і, як наслідок, до прогару стінок камери згорання та руйнування парогазогенератора, що підвищує надійність його роботи.

1. Спосіб одержання високотемпературного парогаза в рідинному ракетний парогазогенераторе, що включає подачу компонентів палива в камеру згоряння парогазогенератора і їх спалювання з утворенням високотемпературних продуктів згоряння, які в камері змішування парогазогенератора впорскують воду з отриманням парогаза, відрізняється тим, що попередньо частина води, використовуваної для одержання парогаза, в кількості 30...40% від сумарної витрати цієї води і пального, подають на регенеративну охолодження вогневого днища змішувальної головки камери згоряння парогазогенератора з подальшим її уприскуванням через висунуті в камеру згоряння форсунки, встановлені на вогневому днищі, а решту води, впорскується в високотемпературні продукти згоряння в камері змішування, подають у вигляді пучків крапель, рівномірно розподілених по поперечному перерізу високотемпературних продуктів згоряння.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що воду в камеру згоряння впорскують парогазогенератора через видвин� напрямку антипульсационние перегородки.



 

Схожі патенти:

Спосіб отримання пари і пристрій для його реалізації

Винахід відноситься до конструкції печей і способу генерації перегрітої пари і може бути використане при розробці обладнання для лазень стаціонарного та мобільного типів. Спосіб отримання пари полягає в забезпеченні взаємодії парообразующей рідини з розігрітим теплообмінним матеріалом. Парообразующую рідину подають у попередньо розташовані в теплообмінному матеріалі ємності у вигляді вертикальних патрубків, що складаються з двох частин, нижній і верхній, для парообразующей рідини, розташованих в нижній частині вертикальної центральної порожнистої стійки. Ємності патрубків заповнюють парообразующей рідиною. В верхній частині центральної порожнистої стійки встановлена ємність для парообразующей рідини з гідрозатворів. Кожен вертикальний патрубок в своїй центральній частині з'єднаний з центральною стійкою з'єднувальним патрубком. Між місцем їх з'єднання з центральною стійкою і її нижнім торцем утворена порожнина. У верхній частині вертикальних патрубків і нижній частині вертикальної стійки в місці її з'єднання з згаданими сполучними патрубками виконані канали, що з'єднують порожнину пристрою з навколишнім середовищем. Канали у вертикальних патрубках расположшение економічності роботи пристрою за рахунок збільшення часу подачі пари без обслуговуючого персоналу. 1 з.п. ф-ли, 4 іл.

Парогенератор

Винахід призначений для вироблення високотемпературного водяної пари і може бути використане в силових установках. Парогенератор містить запальний пристрій з электросвечой, змішувальну голівку з магістралями підведення окислювача, пального і води на завесное охолодження, камеру згоряння з каналами тракту охолодження і профільованою торцевою стінкою для направлення балластировочной води, камеру змішування з отворами для подачі балластировочной води. Канали тракту охолодження камери згоряння виконані під гострим кутом до осі парогенератора, а отвори для подачі балластировочной води в зону змішування виконані також під гострим кутом до осі парогенератора, і спрямовані в протилежну сторону щодо каналів тракту охолодження камери згоряння. Винахід покращує процес перемішування води з продуктами згоряння компонентів палива за рахунок наявності додаткової турбулентної складової, що дозволяє отримати якісний фракційний склад водяної пари при зменшеній довжині камери змішування. 2 іл.

Енергетична система

Винахід відноситься до енергетичного машинобудування і може використовуватися для автономного забезпечення споживачів різними видами енергії. Винахід дозволяє досягти високих екологічних показників при отриманні гарячої води і знизити енергоспоживання при її нагріванні, розширити діапазон автономного та мобільного забезпечення споживачів різними видами енергії. Зазначений технічний результат досягається тим, що система містить джерела кисню і водню, парогенератор, пароводяної ежектор з активним і пасивним контурами, джерело води і споживач гарячої води, де парогенератор забезпечений трубопроводами підведення кисню, водню, балластировочной води, відведення пароводяної суміші і включає об'єднаний вузол пристрою запалювання і форсунок, причому трубопроводи підведення кисню і водню до парогенератору оснащені кожен краном і жиклером і підключені на вході до джерел кисню або водню, притому до активного контуру ежектора на вході підключений трубопровід відведення пароводяної суміші від парогенератора, пасивний контур ежектора на вході з'єднаний трубопроводом з джерелом води, а вихід ежектора підключений до споживача гарячої води. Допвиход ежектора підключений до споживача гарячої води через гідротурбіну, крани зроблені запірними, регулятори тиску, встановлені в трубопроводах підведення кисню і водню між кранами і жиклерами. 7 з.п. ф-ли, 2 іл.

Спосіб і пристрій для свердловинного газогенератора

Група винаходів відноситься до скважинному парогенератору. Пристрій може включати в себе секцію введення, секцію спалювання і секцію пароутворення. Система свердловинного парогенератора містить секцію введення, виконану з можливістю введення палива і окислювача в камеру згоряння; секцію згоряння, що містить льойнер, і секцію пароутворення, що містить форсунку. Льойнер утворює камеру згоряння. Причому льойнер містить шлях потоку, що проходить через льойнер для подачі текучого середовища до лейнеру. Секція пароутворення виконана з можливістю введення текучого середовища з шляху потоку лейнера до камери згоряння. Причому форсунка з'єднана з лейнером допомогою труби, яка забезпечує сполучення з текучого середовища шляхом потоку лейнера і форсункою. Подають паливо, окислювач і текуче середовище в пристрій. Спалюють паливо і окислювач в камері з подачею текучого середовища через безліч каналів, що проходять через льойнер. Нагрівають текуче середовище і охолоджують льойнер. Вводять краплі нагрітої текучого середовища в камеру. Перетворюють краплі в пар з допомогою спалювання. Технічним результатом є підвищення ефективності вилучення нафти з пласта. 5 н. і 43 з.п. ф-ли, 22 іл.

Парогенератор (варіанти)

Винахід відноситься до теплових енергетичних установок, а саме до парогенераторам, використовують як компоненти палива кисень і водень з додаванням баластної води, і може бути використане в паросилових установках, де в якості робочого тіла використовується водяний пар

Система спалювання водню для пароводородного перегріву свіжої пари в циклі атомної електричної станції

Винахід відноситься до галузі атомної енергетики і призначений для використання на паротурбінних установках атомних електричних станцій (АЕС) при температурі робочого тіла нижче температури самозаймання водню в суміші з киснем (450°З)

Котел пульсуючого горіння

Винахід відноситься до теплоенергетиці і може бути використане в котлах пульсуючого горіння для нагрівання води в системах опалення

Парогенератор

Винахід відноситься до парогенераторам і може бути використане як автономний агрегат для отримання парогазової суміші

Водневий високотемпературний парогенератор з комбінованим охолодженням камери згоряння

Винахід відноситься до силових установок паротурбінного типу, а саме парогенераторам, що використовують в якості пального водень

Водневий високотемпературний парогенератор з комбінованим випарним охолодженням камери змішування

Винахід відноситься до силових установок паротурбінного типу, а саме парогенераторам, що використовують в якості пального водень
Up!