RU105005U1

RU105005U1 - BURNER

Info

Publication number: RU105005U1
Application number: RU2011107756/06U
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Соломатников; Дмитрий Сергеевич Тарасов; Андрей Витальевич Юшкевич; Александр Серафимович Лебедев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Силовые машины-ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ОАО "Силовые машины")
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-05-27

Abstract

1. Горелка, состоящая из внешней обечайки и коаксиальной к ней внутренней обечайки, при этом внешняя обечайка и внутренняя обечайка образуют конически сужающийся кольцевой зазор, в котором расположен диагональный завихритель, состоящий из лопаток с форсунками для подвода топлива к потоку, отличающаяся тем, что корневые и периферийные сечения лопаток на высоте 3-8% от длины лопатки смещены в сторону спинки относительно средних сечений на величину, равную 2-12% от длины лопатки. ! 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что на входе внешняя обечайка открывается по типу губы, а внутренняя обечайка имеет закругленный край. 1. The burner, consisting of an outer shell and an inner shell coaxial to it, wherein the outer shell and the inner shell form a conically tapering annular gap, in which there is a diagonal swirler consisting of blades with nozzles for supplying fuel to the stream, characterized in that the root and peripheral sections of the blades at a height of 3-8% of the length of the blade are shifted towards the back relative to the average sections by an amount equal to 2-12% of the length of the blade. ! 2. The burner according to claim 1, characterized in that at the entrance, the outer shell opens like a lip, and the inner shell has a rounded edge.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области энергомашиностроения, а именно, турбостроения, конкретно к горелке с предварительным смешиванием.The proposed utility model relates to the field of power engineering, namely, turbine engineering, specifically to a pre-mixed burner.

Известна горелка, содержащая аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками, цилиндрическую обечайку, втулку и кольцевую предкамеру. На выходе цилиндрической обечайки установлено сужающее устройство в виде конического пережима. Благодаря выполнению сужающего устройства в виде конического пережима внутри предкамеры отсутствуют застойные зоны с низкими скоростями топливовоздушной смеси, в которых может стабилизироваться горение в случае проскока пламени, а сам пережим хорошо охлаждается высокоскоростным потоком топливовоздушной смеси, и его температура всегда ниже температуры воспламенения смеси (патент РФ №2099639, F23R 3/28, опубл. 20.12.1997 г.).Known burner containing an axial blade air swirl with blades, a cylindrical shell, a sleeve and an annular precamera. At the exit of the cylindrical shell, a narrowing device in the form of a conical pinch is installed. Due to the design of the constricting device in the form of a conical pinch, inside the prechamber there are no stagnant zones with low speeds of the air-fuel mixture, in which combustion can stabilize in the event of a breakthrough of the flame, and the pinch itself is well cooled by a high-speed stream of the air-fuel mixture, and its temperature is always lower than the ignition temperature of the mixture (RF patent No. 2099639, F23R 3/28, publ. 12/20/1997).

Недостатком данной конструкции является то, что при работе горелки на режимах розжига, низкой нагрузки, а также при смене нагрузки возможен проскок пламени по пограничному слою, где скорость потока может быть, ниже скорости распространения пламени.The disadvantage of this design is that when the burner is operating in the ignition mode, low load, and also when the load is changed, a flame may slip through the boundary layer, where the flow velocity may be lower than the flame propagation velocity.

Известна горелка с предварительным смешиванием, содержащая внешнюю оболочку, выполненную по типу губы и коаксиальную к ней внутреннюю оболочку, имеющую на входе закругленный край. Конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки определяет проходящий от входа до выхода кольцевой зазор для направления потока. В кольцевом зазоре расположена завихрительная решетка, состоящая из радиальных направляющих лопаток с расположенными в них соплами для подвода топлива к потоку. Конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена таким образом, что обеспечивается постоянная меридиональная скорость потока через кольцевой зазор между завихрительной решеткой и выходом, (патент РФ №2156405, F23D 14/82, опубл. 20.09.2000 г.)Known burner with pre-mixing, containing an outer shell made by the type of lips and coaxial to it inner shell having a rounded edge at the entrance. The design of the outer shell and the inner shell determines the annular gap passing from the inlet to the outlet for the direction of flow. In the annular gap there is a swirl lattice consisting of radial guide vanes with nozzles located in them for supplying fuel to the flow. The design of the outer shell and the inner shell is made in such a way that a constant meridional flow rate through the annular gap between the swirl lattice and the outlet is ensured (RF patent No. 2156405, F23D 14/82, publ. September 20, 2000)

Недостатком такой конструкции является низкая надежность работы горелки на режимах розжига, низкой нагрузки и при смене нагрузки. На выходе из горелки в области около внешней обечайки и внутренней обечайки могут появляться застойные зоны, скорость в которых ниже меридиональной скорости основного потока, т.е. ниже, чем скорость распространения пламени. Это может привести к проскоку пламени вверх по потоку с последующей стабилизацией внутри горелки, а, следовательно, к выходу горелки из строя.The disadvantage of this design is the low reliability of the burner during ignition, low load and when changing load. Stagnant zones may appear at the outlet of the burner in the area near the outer shell and the inner shell, the speed of which is lower than the meridional velocity of the main stream, i.e. lower than flame propagation speed. This can lead to a flame upstream with subsequent stabilization inside the burner, and, consequently, to burner failure.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция, описанная в изобретении «Устройство горелки» (патент РФ №2079049, F23D 17/00, опубл. 10.05.1997 г.). В указанном изобретении горелка с предварительным смешиванием содержит внешнюю часть (обечайку) и коаксиальную к ней внутреннюю часть (обечайку). Внешняя обечайка и внутренняя обечайка образуют конически сужающуюся систему кольцевых каналов (кольцевой зазор) для подвода воздуха. В кольцевом зазоре расположен набор завихряющих лопаток (диагональный завихритель), состоящий из полых лопаток с выпускными форсунками для подвода топлива к потоку. Горелка содержит практически концентрично расположенные кольцевые каналы для подвода различных рабочих сред, причем со стороны притока выше выпускных форсунок в кольцевой зазор впадает дополнительный кольцевой канал для подвода горячего газа с низкой удельной теплотой сгорания. Для стабилизации пламени горелка содержит пилотную горелку.Closest to the technical nature of the claimed utility model is the design described in the invention "Burner Device" (RF patent No. 2079049, F23D 17/00, publ. 05/10/1997). In this invention, the pre-mixed burner comprises an outer part (shell) and an inner part (shell) coaxial thereto. The outer shell and the inner shell form a conically tapering system of annular channels (annular gap) for supplying air. In the annular gap is a set of swirl blades (diagonal swirl), consisting of hollow blades with exhaust nozzles for supplying fuel to the flow. The burner contains almost concentric annular channels for supplying various working fluids, and from the inlet side above the exhaust nozzles, an additional annular channel for supplying hot gas with a low specific heat of combustion flows into the annular gap. To stabilize the flame, the burner contains a pilot burner.

Недостатком такой конструкции является то, что при работе горелки возможен проскок пламени вверх по потоку по пограничному слою, где скорость потока может быть ниже скорости распространения пламени, что снижает надежность работы горелки.The disadvantage of this design is that during operation of the burner, a flame can slip upstream along the boundary layer, where the flow rate may be lower than the flame propagation velocity, which reduces the reliability of the burner.

Наиболее вероятной причиной проскока пламени является закрутка потока в кольцевом зазоре, что приводит к появлению центробежных сил и способствует нарастанию пограничного слоя и даже возможно отрыву потока у внутренней обечайки. Это явление в совокупности с высокой температурой, способствует проскоку пламени у поверхности обечаек в части кольцевого зазора между диагональным завихрителем и выходом, где имеется пограничный слой и скорость потока мала по сравнению со скоростью основного потока и скоростью распространения пламени в топливовоздушной смеси.The most probable cause of the flame slip is the swirling of the flow in the annular gap, which leads to the appearance of centrifugal forces and contributes to the growth of the boundary layer and even possible separation of the flow from the inner shell. This phenomenon, combined with high temperature, contributes to the breakthrough of the flame near the surface of the shells in the part of the annular gap between the diagonal swirler and the outlet, where there is a boundary layer and the flow velocity is small compared to the main flow velocity and the flame propagation velocity in the air-fuel mixture.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении надежности работы горелки.The technical result, the achievement of which is proposed by the proposed utility model, is to increase the reliability of the burner.

Указанный технический результат достигается тем, что горелка с предварительным смешиванием состоит из внешней обечайки и коаксиальной к ней внутренней обечайки. Внешняя обечайка и внутренняя обечайка образуют конически сужающийся кольцевой зазор. В кольцевом зазоре расположен диагональный завихритель, состоящий из лопаток с форсунками для подвода топлива к потоку. Корневые и периферийные сечения лопаток на высоте 3-8% от длины лопатки смещены в сторону спинки относительно средних сечений на величину, равную 2-12% от длины лопатки.The specified technical result is achieved in that the burner with preliminary mixing consists of an outer shell and an inner shell coaxial to it. The outer shell and the inner shell form a conically tapering annular gap. In the annular gap there is a diagonal swirl consisting of blades with nozzles for supplying fuel to the flow. The root and peripheral sections of the blades at a height of 3-8% of the length of the scapula are shifted towards the back relative to the average sections by an amount equal to 2-12% of the length of the scapula.

За счет смещения корневых и периферийных сечений лопаток в сторону спинки относительно средних сечений поток топливовоздушной смеси оттесняется к корню и периферии лопаток. При этом уменьшается толщина пограничных слоев, что приводит к увеличению меридиональной скорости в пограничном слое. Таким образом, уменьшается вероятность проскока пламени внутрь по пограничному слою, что повышает надежность работы горелки.Due to the displacement of the root and peripheral sections of the blades towards the back relative to the average sections, the flow of the air-fuel mixture is pushed to the root and periphery of the blades. In this case, the thickness of the boundary layers decreases, which leads to an increase in the meridional velocity in the boundary layer. Thus, the probability of flame penetration inward along the boundary layer is reduced, which increases the reliability of the burner.

С целью дополнительного повышения надежности горелки и снижения степени неравномерности протекающего через горелку потока, на входе внешняя обечайка выполнена таким образом, что она открывается по типу губы, а внутренняя обечайка имеет закругленный край.In order to further increase the reliability of the burner and reduce the degree of unevenness of the flow through the burner, the outer shell at the inlet is designed so that it opens like a lip, and the inner shell has a rounded edge.

Новым в заявляемом устройстве является то, что корневые и периферийные сечения лопаток на высоте 3-8% от длины лопатки смещены в сторону спинки относительно средних сечений на величину, равную 2-12% от длины лопатки.New in the claimed device is that the root and peripheral sections of the blades at a height of 3-8% of the length of the blade are shifted towards the back relative to the average sections by an amount equal to 2-12% of the length of the blade.

На фиг.1 представлен продольный разрез горелки, на фиг.2 представлен главный вид и вид сверху радиальной лопатки диагонального завихрителя, на фиг.3 представлен главный вид, вид сверху А и вид снизу Б лопатки диагонального завихрителя со смещенными сечениями.Figure 1 shows a longitudinal section of the burner, figure 2 shows the main view and top view of the radial blades of the diagonal swirl, figure 3 shows the main view, top view A and bottom view B of the blades of the diagonal swirl with offset sections.

Горелка состоит из внешней обечайки 1 коаксиальной к ней внутренней обечайки 2. Для поддержания устойчивого процесса горения имеется пилотная горелка 3. Для воспламенения топливовоздушной смеси горелка содержит воспламенитель, для которого известно множество вариантов выполнения (на фиг.1 не показан). Внешняя обечайка 1 и внутренняя обечайка 2 образуют конически сужающийся кольцевой зазор 4, в котором расположен диагональный завихритель 5, состоящий из лопаток 6 с форсунками 7 для подвода топлива к воздушному потоку 8 (обозначен стрелкой). Корневые 9 и периферийные 10 сечения лопаток 6 на высоте 3-8% от длины L лопатки 6 смещены в сторону спинки 11 относительно средних сечений 12 на величину, равную 2-12% от длины L лопатки 6. Для снижения степени неравномерности (повышения гомогенизации) протекающего через горелку потока 8, внешняя обечайка 1 и внутренняя обечайка 2 выполнены таким образом, что кольцевой зазор 4 между входом 13 и диагональным завихрителем 5 сужается. Для этого внешняя обечайка 1 выполнена таким образом, что она открывается на входе 13 по типу губы, а внутренняя обечайка 2 имеет на входе 13 закругленный край 14.The burner consists of an outer shell 1 of the inner shell 2 coaxial to it. To maintain a stable combustion process, there is a pilot burner 3. To ignite the air-fuel mixture, the burner contains an igniter, for which many embodiments are known (not shown in FIG. 1). The outer shell 1 and the inner shell 2 form a conically tapering annular gap 4, in which there is a diagonal swirler 5, consisting of blades 6 with nozzles 7 for supplying fuel to the air stream 8 (indicated by an arrow). The root 9 and peripheral 10 sections of the blades 6 at a height of 3-8% of the length L of the blade 6 are shifted toward the back 11 relative to the average sections 12 by an amount equal to 2-12% of the length L of the blade 6. To reduce the degree of unevenness (increase homogenization) flowing through the burner stream 8, the outer shell 1 and the inner shell 2 are made in such a way that the annular gap 4 between the input 13 and the diagonal swirler 5 narrows. For this, the outer shell 1 is made in such a way that it opens at the inlet 13 as a lip, and the inner shell 2 has a rounded edge 14 at the inlet 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

При работе горелки воздух подается на вход 13. Далее, воздушный поток 8 проходя через конически сужающийся кольцевой зазор 4, натекает на лопатки 6 диагонального завихрителя 5. Через форсунки 7 перпендикулярно воздушному потоку 8 подается топливный газ. Проходя между лопатками 6 диагонального завихрителя 5 воздушный поток 8 и топливный газ закручиваются. При движении в кольцевом зазоре 4 вследствие турбулентного характера течения закрученного потока происходит интенсивное перемешивание воздушного потока 8 и топливного газа, образуется топливовоздушная смесь. При обтекании лопаток 6 диагонального завихрителя 5 за счет смещения корневых 9 и периферийных 10 сечений в сторону спинки 11 относительно средних сечений 12 топливовоздушная смесь оттесняется к корню и периферии лопаток 6. При этом уменьшается толщина пограничных слоев, что приводит к увеличению меридиональной скорости топливовоздушной смеси в пограничном слое. Далее закрученный поток топливовоздушной смеси движется в части кольцевого зазора 4 от диагонального завихрителя 5 до выхода 15. Воспламенение горючей смеси в потоке 8 происходит вне горелки. Для этого предусмотрена пилотная горелка 3, в каналы которой подается незначительное количество природного газа, сжигаемого при стехиометрической температуре. На выходе из горелки топливовоздушная смесь имеет равномерное поле концентраций, что обеспечивает низкую эмиссию оксидов азота при последующем сжигании.When the burner is in operation, air is supplied to inlet 13. Further, the air stream 8 passing through a conically tapering annular gap 4 flows onto the blades 6 of the diagonal swirl 5. Through the nozzles 7, fuel gas is supplied perpendicular to the air stream 8. Passing between the blades 6 of the diagonal swirler 5, the air stream 8 and the fuel gas are twisted. When moving in the annular gap 4 due to the turbulent nature of the flow of the swirling flow, intensive mixing of the air flow 8 and the fuel gas occurs, the air-fuel mixture is formed. When flowing around the blades 6 of the diagonal swirl 5 due to the displacement of the root 9 and peripheral 10 sections towards the back 11 relative to the middle sections 12, the air-fuel mixture is pushed to the root and the periphery of the blades 6. In this case, the thickness of the boundary layers decreases, which leads to an increase in the meridional velocity of the air-fuel mixture in boundary layer. Next, the swirling flow of the air-fuel mixture moves in part of the annular gap 4 from the diagonal swirl 5 to the exit 15. The ignition of the combustible mixture in stream 8 occurs outside the burner. For this, a pilot burner 3 is provided, into the channels of which a small amount of natural gas is combusted at stoichiometric temperature. At the outlet of the burner, the air-fuel mixture has a uniform concentration field, which ensures low emission of nitrogen oxides during subsequent combustion.

Результаты проведенных в программном комплексе ANSYS FLUENT расчетов показали, что предложенная конструкция горелки, вследствие особенности структуры течения, позволила добиться уменьшения толщины пограничного слоя, что повышает надежность работы горелки.The results of calculations performed in the ANSYS FLUENT software package showed that the proposed burner design, due to the peculiarities of the flow structure, allowed to reduce the thickness of the boundary layer, which increases the reliability of the burner.

Claims

1. The burner, consisting of an outer shell and an inner shell coaxial to it, wherein the outer shell and the inner shell form a conically tapering annular gap, in which there is a diagonal swirler consisting of blades with nozzles for supplying fuel to the stream, characterized in that the root and peripheral sections of the blades at a height of 3-8% of the length of the blade are shifted towards the back relative to the average sections by an amount equal to 2-12% of the length of the blade.

2. The burner according to claim 1, characterized in that at the entrance, the outer shell opens like a lip, and the inner shell has a rounded edge.