RU10443U1

RU10443U1 - THE COMBUSTION CHAMBER

Info

Publication number: RU10443U1
Application number: RU98119585/20U
Authority: RU
Inventors: Д.А. Максимов; Р.С. Кашапов; Д.В. Скиба; С.В. Куликов; М.Н. Баштанников; Н.А. Гафаров
Original assignee: Максимов Дмитрий Александрович
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 1999-07-16

Abstract

Камера сгорания, содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для прохода вторичного воздуха, образующего с цилиндрическим корпусом проточную часть для подвода воздуха к горелкам, отличающаяся тем, что имеет цилиндрический экран, расположенный соосно внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, n периферийных горелок, расположенных с торца по окружности на входе в жаровую трубу, центральную горелку, расположенную на оси жаровой трубы и задвинутую в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелки, при этом все горелки выполнены в виде горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и саморегуляцией поля концентраций топлива.A combustion chamber comprising a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it and openings arranged uniformly around the circumference for the passage of secondary air forming a flow part with a cylindrical body for supplying air to the burners, characterized in that it has a cylindrical screen located coaxially inside the flame tube and forming with it an annular channel for the passage of cooling air, n peripheral burners located at the end of the circumference at the entrance to the heat pipe, the central burner located on the axis ApoB tube and pushed into the flame tube deeper than the peripheral burners, with all burners are designed as burners with preparation of fuel-air mixture and the fuel self-regulation field concentrations.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в газотурбинных установках и двигателях.The utility model relates to the field of engine building and can be used in gas turbine plants and engines.

Известна кольцевая камера сгорания патент SU №1835031 A3, МКИ F23R 3/00, 1993г., в которой используются конусные горелки двух размеров, но одинаковой конструкции - дежурные и основные, причем размер основных конусных горелок больше чем дежурных. Дежурные и основные конусные горелки установлены поочередно по всему фронту жаровой трубы кольцевой камеры сгорания. Вихри топливо-воздушной смеси, на выходе из конусных горелок, направлены в одну и ту же сторону. Благодаря этому в камере сгорания возникают два крупных потока газа текущих по окружности и охватывающих всю жаровую трубу. Потоки текут в разных направлениях вдоль внешней и внутренней стенок жаровой трубы. Эти потоки переносят горячие газы из малых зон горения, в большие более холодные зоны горения, что уменьшает образование окислов азота (NOx) из-за замораживания продуктов сгорания. Но это является и недостатком, так как перенос горячих газов приводит к резкому снижению их температуры и скорости окисления окиси углерода (СО) и, как следствие, количество СО в выхлопных газах увеличивается. Так же недостатком этой конструкции является неустойчивая работа камеры сгорания при обеднении топливо-воздушной смеси. Так как используемые здесь конические горелки, при обеднении топливо-воздушной смеси обладают неудовлетворительной устойчивостью к срыву пламени. В частности при сжигании пропано-воздушной смеси, при температуре воздуха t° 400°C срыв пламени наступает уже при ,2 ТН. Sattelmayer, М. Р. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure, 1989, в то же время, как известно, для данных условий можно добиться устойчивого горения однородной смеси вплоть до а 2,5. Очевидно, ранний срыв пламени наступает из-за того, что в приосевой зоне закрученной струи в целом и в зоне обратных токов, в частности, концентрация топлива меньше среднемассовой.Known annular combustion chamber patent SU No. 1835031 A3, MKI F23R 3/00, 1993., in which cone burners of two sizes are used, but of the same design - on-duty and main, and the size of the main cone burners is larger than on-duty. Duty and main cone burners are installed alternately along the entire front of the flame tube of the annular combustion chamber. The vortices of the fuel-air mixture at the exit of the cone burners are directed in the same direction. Due to this, in the combustion chamber there are two large gas flows flowing around the circumference and covering the entire flame tube. Streams flow in different directions along the outer and inner walls of the flame tube. These flows transfer hot gases from small combustion zones to larger colder combustion zones, which reduces the formation of nitrogen oxides (NOx) due to freezing of the combustion products. But this is also a drawback, since the transfer of hot gases leads to a sharp decrease in their temperature and the rate of oxidation of carbon monoxide (CO) and, as a result, the amount of CO in the exhaust gases increases. Also a disadvantage of this design is the unstable operation of the combustion chamber during depletion of the fuel-air mixture. Since the conical burners used here, when depleted in the fuel-air mixture, they have poor resistance to flame outage. In particular, when burning a propane-air mixture, at an air temperature of t ° 400 ° C, flame failure occurs even at 2 TN. Sattelmayer, M. P. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure, 1989, at the same time, as is known, for these conditions it is possible to achieve stable combustion of a homogeneous mixture up to a 2.5. Obviously, an early flame failure occurs due to the fact that in the near-axial zone of the swirling jet as a whole and in the zone of reverse currents, in particular, the fuel concentration is lower than the mass average.

МП к F23R 3/00MP to F23R 3/00

расположенных вокруг первичной зоны горения. Вторичные смесительные топливовоздушные трубки ограничены парой кольцевых стенок и множеством стенок расположенных равномерно между кольцевыми стенками. Каждый канал смешения вторичного топлива с воздухом имеет отверстия для направления топливовоздушной смеси во вторичную зону горения. Эти отверстия имеют одинаковую проходную площадь. Каждый смеситель имеет один или более топливный инжектор для впрыска топлива вверх по потоку от смесителя. Эта компоновка предполагает, что отношение топливо/воздух, в смеси выбрасываемой через каждое отверстие, отличается примерно на 3% от среднего отношения топливо/воздух, даже если поле скоростей воздушного потока в смесителе неравномерное. В этой камере сгорания достигается низкая эмиссия NOx и СО посредством стадийного сжигания топливовоздушной смеси. В каждой стадии сжигается бедная предварительно подготовленная топливо-воздушная смесь. Поэтому температура в зоне горения относительно мала, чем и достигается низкие выбросы NO/ . Крупным недостатком этой камеры сгорания является узкий температурный диапазон рабочего процесса в зоне горения 1600-1750 К, при выходе за который резко возрастают выбросы NOx и СО, по этой же причине велика вероятность неустойчивой работы камеры сгорания на переходных режимах. Также недостатком является сложная конструкция камеры сгорания и то, что устройство смешения и камера сгорания представляют собой единое целое и в случае прогара смесителя из строя выходит вся камера целиком. То есть камера сгорания обладает низкими эксплуатационными характеристиками.located around the primary combustion zone. Secondary air-fuel mixing tubes are limited by a pair of annular walls and a plurality of walls evenly spaced between the annular walls. Each channel for mixing secondary fuel with air has openings for directing the air-fuel mixture into the secondary combustion zone. These holes have the same passage area. Each mixer has one or more fuel injectors for injecting fuel upstream of the mixer. This arrangement assumes that the fuel / air ratio in the mixture discharged through each hole differs by about 3% from the average fuel / air ratio, even if the airflow velocity field in the mixer is uneven. In this combustion chamber, low emissions of NOx and CO are achieved by stage-by-stage combustion of the air-fuel mixture. At each stage, a poor pre-prepared fuel-air mixture is burned. Therefore, the temperature in the combustion zone is relatively low, which results in low NO / emissions. A major drawback of this combustion chamber is the narrow temperature range of the working process in the combustion zone of 1600-1750 K, beyond which emissions of NOx and CO sharply increase, for the same reason there is a high probability of unstable operation of the combustion chamber in transient conditions. Another disadvantage is the complex construction of the combustion chamber and the fact that the mixing device and the combustion chamber are a single unit and in the event of burnout of the mixer, the entire chamber fails. That is, the combustion chamber has low performance.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является известная многорежимная камера сгорания, фирмы General Electric Company. Данная камера сгорания имеет жаровую трубу; топливные сопла; установленные соответственно в первичной и вторичной зонах горения, причем эти зоны созданы особой конструкцией жаровой трубы, центральная часть торца которой вынесена вниз по потоку; сопло Вентури, по внешней стенке которого подается охлаждающий воздух и поджимает горячие газы, выходящие из первичной зоны горения; втулки предназначенные для протекания разбавляющего воздуха во вторичную реакционную зону.Патент US № 5454221, кл F23R 3/06, F02C 3/14, 1995г. В этой камере сгорания горение предварительно перемешанной топливновоздушной смеси происходит только на режиме полной нагрузки агрегата во вторичной зоне горения. Топливо из первичных топливных сопел перемешивается с воздухом, поступающим в первичную зону горения через отверстия в жаровой трубе, и во вторичную зону горения поступает уже перемешанная топливо-воздушнаяThe closest technical solution, selected as a prototype, is the well-known multi-mode combustion chamber, General Electric Company. This combustion chamber has a flame tube; fuel nozzles; installed respectively in the primary and secondary combustion zones, these zones being created by the special design of the flame tube, the central part of the end of which is carried downstream; Venturi nozzle, on the outer wall of which cooling air is supplied and compresses hot gases leaving the primary combustion zone; bushings designed for the flow of dilution air into the secondary reaction zone. US Patent No. 5454221, CL F23R 3/06, F02C 3/14, 1995. In this combustion chamber, the combustion of the premixed air-fuel mixture occurs only at full load in the secondary combustion zone. The fuel from the primary fuel nozzles is mixed with air entering the primary combustion zone through openings in the flame tube, and already mixed fuel-air fuel enters the secondary combustion zone

смесь. На остальных режимах работы горение и в первичной и во вторичной зонах происходит в диффузионном режиме, при котором образуется большое количество NOx , а воздух, попадающий в первичную зону горения через отверстия жаровой трубы, замораживает процесс окисления топлива, что отрицательно сказывается на выбросах СО. Также недостатком этой камеры сгорания является узкий рабочий диапазон температур во вторичной зоне горения, при которых достигаются малые выбросы NOx и СО. Еще одним крупным недостатком этой камеры сгорания является ее сложность изготовления, так как сопло Вентури имеет пористое охлаждение, которое технологически выполнить очень сложно патент US №5127221А, кл F23R 3/54 F02C 3/00, 1992г..mixture. In other operating modes, combustion in both the primary and secondary zones occurs in a diffusion mode, in which a large amount of NOx is formed, and air entering the primary combustion zone through the openings of the flame tube freezes the fuel oxidation process, which negatively affects CO emissions. Another disadvantage of this combustion chamber is the narrow operating temperature range in the secondary combustion zone, at which low emissions of NOx and CO are achieved. Another major drawback of this combustion chamber is its manufacturing complexity, since the Venturi nozzle has porous cooling, which is technologically very difficult to perform US Pat. No. 5127221A, class F23R 3/54 F02C 3/00, 1992 ..

. Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы камеры сгорания, за счет установки экрана, выдвижения центральной горелки дальше периферийных горелок в низ по потоку и использованию в качестве горелок съемных горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и саморегуляцией поля концентрации топлива.. The task to which the claimed utility model is aimed is to improve the environmental performance and increase the range of stable operation of the combustion chamber by installing a screen, extending the central burner further downstream of the peripheral burners and using removable burner devices with preliminary preparation of fuel air mixture and self-regulation of the fuel concentration field.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в камере сгорания, содержащей цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, с расположенными равномерно по окружности отверстиями, для прохода вторичного воздуха, образующего с цилиндрическим корпусом проточную часть, для подвода воздуха к горелкам, в отличии от прототипа содержится цилиндрический экран, расположенный соосно внутри жаровой трубы, и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, п периферийных горелок, расположенных с торца по окружности, на входе в жаровую трубу, центральную горелку, расположенную на оси жаровой трубы и задвинутую в жаровую трубу глубже чем периферийные горелки, при этом все горелки выполнены в виде горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и саморегуляцией поля концентраций топлива.The solution of this problem is achieved by the fact that in the combustion chamber containing a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it, with holes uniformly spaced around the circumference, for the passage of secondary air forming a flow part with the cylindrical body, for supplying air to the burners, in contrast to the prototype contains a cylindrical screen located coaxially inside the flame tube, and forming with it an annular channel for the passage of cooling air, n peripheral burners located from the end face around the circumference, to the entrance e into the flame tube, the central burner located on the axis of the flame tube and pushed deeper into the flame tube than the peripheral burners, while all burners are made in the form of burner devices with preliminary preparation of the fuel-air mixture and self-regulation of the field of fuel concentrations.

Заявляемая камера сгорания содержит (см. фиг.1) цилиндрический корпус 1, внутри которого и соосно с ним находится жаровая труба 2, образующая вместе с цилиндрическим корпусом проточную полость 3, внутри жаровой трубы и соосно с ней находится цилиндрический экран 4, образующий с жаровой трубой 2 кольцевой канал 5, с торца, на входе в жаровую трубу 2, по окружности стоят периферийные горелки 6, также с торца на входе в жаровую трубу на её оси стоит центральная горелка 7, причем она задвинута в жаровую трубу глубже чем периферийные горелки 6, периферийную зону горения 8 между входом в жаровую трубу 2 и срезом центральной горелки 7, центральную зону горения 9 между срезом центральной горелки 7 и выходным торцом цилиндрического экрана 4, за цилиндрическим экраном 4 ниже по потону выполнены отверстия 10 для подачи вторичного воздуха.The inventive combustion chamber contains (see Fig. 1) a cylindrical body 1, inside of which and coaxially with it there is a heat pipe 2, forming together with the cylindrical body a flow cavity 3, inside the flame tube and coaxially with it there is a cylindrical screen 4, forming with the heat pipe 2 annular channel 5, from the end, at the entrance to the flame tube 2, there are peripheral burners 6 around the circumference, also from the end at the entrance to the flame pipe there is a central burner 7 on its axis, and it is pushed deeper into the flame tube than the peripheral burners 6 peripherals 8 th combustion zone between the inlet 2 in the flame tube of the burner and the central cut 7, the central combustion zone 9 between the trailing edge 7 of the central burner and the output end of the cylindrical screen 4, a cylindrical screen 4 Potonie lower openings 10 for supplying secondary air.

Камера сгорания может работать на нескольких режимах, в зависимости от расхода, температуры и давления воздуха, и суммарного коэффициента избытка воздуха (а), этим достигается более широкий диапазон малотоксичной работы камеры сгорания чем у прототипа.The combustion chamber can operate in several modes, depending on the flow rate, temperature and air pressure, and the total coefficient of excess air (a), this achieves a wider range of low-toxicity combustion chamber than the prototype.

На пусковых режимах, при низких температуре и давлении воздуха, и высоком а, периферийные горелки б работают в диффузионном режиме, а центральная горелка 7 отключена, то есть топливо в неё не подается. Режим диффузионного горения обеспечивает устойчивую работу камеры сгорания при запуске агрегата.In starting conditions, at low temperature and air pressure, and high a, peripheral burners b operate in diffusion mode, and the central burner 7 is turned off, that is, fuel is not supplied to it. The diffusion combustion mode ensures stable operation of the combustion chamber when starting the unit.

При достижении режима частичной нагрузки, периферийные горелки 6 переключаются на режим горения предварительно подготовленной бедной топливовоздушной смеси, которая имеет равномерное поле концентраций топлива на выходе из периферийных горелок 6. Это позволяет предотвратить возникновение локальных горячих зон во фронте пламени и получить температуру продуктов сгорания в периферийной зоне горения 8 значительно меньшую, чем при диффузионном горении, что снижает образование NOx практически до минимума. Но при этом температура периферийной зоны горения 8 достаточна для эффективного выгорания СО (СО+О2 СО2). Центральная горелка 7, как и в предыдущем случае, отключена (т.е. через неё протекает только воздух), а так как она вынесена дальше периферийных горелок 6 в низ по потоку, для исключения попадания воздуха в периферийную зону горения 8, то условия для замораживания реакции выгорания СО не возникают.When the partial load mode is reached, the peripheral burners 6 switch to the combustion mode of the pre-prepared lean air-fuel mixture, which has a uniform field of fuel concentrations at the outlet of the peripheral burners 6. This prevents the occurrence of local hot zones in the flame front and obtains the temperature of the combustion products in the peripheral zone Combustion 8 is much smaller than with diffusion combustion, which reduces the formation of NOx to a minimum. But at the same time, the temperature of the peripheral combustion zone 8 is sufficient for the effective burning of CO (СО + О2 СО2). The central burner 7, as in the previous case, is turned off (that is, only air flows through it), and since it is carried further downstream of the peripheral burners 6, to prevent air from entering the peripheral combustion zone 8, the conditions for freezing of the CO burning reaction does not occur.

центральную область зоны горения, что также предотвращает замораживание реакции выгорания СО.the central region of the combustion zone, which also prevents freezing of the CO burnout reaction.

Расход и скорость охлаждающего воздуха в кольцевом канале 5 выбирают из условия достаточности его хладоресурса, для обеспечения охлаждения кольцевого экрана 4 и создания пленочного охлаждения жаровой отрубы 2 вниз по потоку от кольцевого экрана 4.The flow rate and speed of cooling air in the annular channel 5 is selected from the condition that its cold resource is sufficient to ensure cooling of the annular screen 4 and the creation of film cooling of the flame cut 2 downstream of the annular screen 4.

При переходе агрегата на режим полной нагрузки топливо-воздушная смесь становится более богатой, выбросы NOx и СО увеличиваются. Поэтому на этом режиме топливо перераспределяется между периферийными горелками 6 и центральной горелкой 7, в которую до этого топливо не подавалось. При этом суммарном расходе топлива, значение а в каждой горелке увеличивается. Повторяется такая же схема горения, как и на предыдущем режиме, т.е. образование NO/ в периферийной и в центральной зонах горения 8, 9 незначительно. Это происходит потому, что периферийные горелки 6 и центральная горелка 7 работают на предварительно перемешанной бедной топливо-воздушной смеси, имеющей равномерное поле концентраций топлива на выходе из горелок. В то же время температура в зонах горения достаточно велика, чтобы происходило эффективное выгорание СО.When the unit switches to full load, the fuel-air mixture becomes richer, NOx and CO emissions increase. Therefore, in this mode, the fuel is redistributed between the peripheral burners 6 and the central burner 7, to which no fuel was previously supplied. With this total fuel consumption, the value of a in each burner increases. The same combustion pattern is repeated as in the previous mode, i.e. the formation of NO / in the peripheral and central combustion zones 8, 9 is insignificant. This is because the peripheral burners 6 and the central burner 7 operate on a pre-mixed lean fuel-air mixture having a uniform field of fuel concentrations at the exit of the burners. At the same time, the temperature in the combustion zones is high enough for the effective combustion of CO.

Устойчивость работы камеры сгорания, на режимах частичной и полной нагрузок, достигается использованием в камере сгорания горелочных устройств, в которых конструктивно заложена саморегуляция поля концентраций топлива на выходе из горелок. Этот принцип заключается в том, что при увеличении значений а (т.е. при уменьшении расхода топлива) относительная концентрация топлива в привтулочной зоне горелки и в зоне рециркуляции автоматически увеличивается, что расширяет диапазон устойчивой работы горелок и камеры сгорания в целом на бедных топливо-воздушных смесях.The stability of the combustion chamber, under partial and full load conditions, is achieved by using burner devices in the combustion chamber, in which self-regulation of the field of fuel concentration at the outlet of the burners is structurally incorporated. This principle consists in the fact that with increasing values of a (i.e., with decreasing fuel consumption), the relative concentration of fuel in the burner side zone and in the recirculation zone automatically increases, which extends the range of stable operation of burners and the combustion chamber as a whole on poor fuel air mixtures.

Ниже по потоку от зон горения продукты сгорания смешиваются со вторичным воздухом, поступающим через отверстия 10 в жаровой трубе 2, обеспечивая необходимое поле температур на выходе из камеры сгорания.Downstream of the combustion zones, the combustion products are mixed with secondary air flowing through the openings 10 in the flame tube 2, providing the necessary temperature field at the outlet of the combustion chamber.

Итак, как показано выше, улучшение экологических характеристик и увеличение диапазона устойчивой работы камеры сгорания достигается за счет: установки экрана, выдвижения центральной горелки дальше периферийных горелок в низ по потоку и использованию в качестве горелок съемных горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси и в которых конструктивно заложена саморегуляция поля концентраций топлива.So, as shown above, improving environmental performance and increasing the range of stable operation of the combustion chamber is achieved by: installing a screen, extending the central burner further than the peripheral burners downstream and using removable burner devices with preliminary preparation of the fuel-air mixture as burners and which self-regulation of the field of fuel concentrations is constructively based on.

Claims

A combustion chamber comprising a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it and openings arranged uniformly around the circumference for the passage of secondary air forming a flow part with a cylindrical body for supplying air to the burners, characterized in that it has a cylindrical screen located coaxially inside the flame tube and forming with it an annular channel for the passage of cooling air, n peripheral burners located at the end of the circumference at the entrance to the heat pipe, the central burner located on the axis ApoB tube and pushed into the flame tube deeper than the peripheral burners, with all burners are designed as burners with preparation of fuel-air mixture and the fuel self-regulation field concentrations.