RU105006U1

RU105006U1 - THE COMBUSTION CHAMBER

Info

Publication number: RU105006U1
Application number: RU2011101309/06U
Authority: RU
Inventors: Рафаэль Салихзянович Кашапов; Алексей Олегович Прокопец; Андрей Николаевич Вдовин; Дмитрий Владимирович Скиба; Дмитрий Александрович Максимов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Югорс"; Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Теплофизика"
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-05-27
Also published as: RU105006U8

Abstract

Противоточная камера сгорания, содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для подачи воздуха на смешение, образующую с цилиндрическим корпусом проточную полость для воздуха, n периферийных горелочных устройств, расположенных по окружности с торца на входе в жаровую трубу, и центральное горелочное устройство, расположенное по оси жаровой трубы, цилиндрический экран, расположенный внутри жаровой трубы соосно ей и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, а также свечу зажигания, причем все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, отличающаяся тем, что цилиндрический экран выполнен из листового материала, изготовленного с помощью холодного проката и загнутого в цилиндр перпендикулярно линии проката, причем на поверхности экрана выполнены местные выступы-зиги в форме полуокружности в продольном сечении камеры, выпуклая часть которых направлена к оси экрана, на стенке жаровой трубы напротив экрана равномерно по окружности выполнены дополнительные отверстия для подачи к нему охлаждающего воздуха, а все горелочные устройства установлены на фронтовой доске, расположенной на входе в жаровую трубу, причем свеча зажигания установлена по центру центрального горелочного устройства. A counterflow combustion chamber comprising a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it and openings uniformly arranged along the circumference for supplying air for mixing, forming a flow cavity for air with the cylindrical body, n peripheral burner devices located circumferentially from the end at the entrance to the heat pipe, and a central burner device located along the axis of the flame tube, a cylindrical screen located inside the flame tube coaxially with it and forming an annular channel with it for cooling passage air, as well as a spark plug, and all burner devices are made with preliminary preparation of the air-fuel mixture, characterized in that the cylindrical screen is made of sheet material made by cold rolling and bent into the cylinder perpendicular to the rolling line, and local protrusions are made on the surface of the screen - semicircle-shaped ridges in the longitudinal section of the chamber, the convex part of which is directed to the screen axis, on the wall of the flame tube opposite the screen uniformly around the circumference ying additional openings for supplying cooling air thereto, and all the burners are mounted on the front board, situated at the inlet to the flame tube, wherein the spark plug is mounted on the center of the central burner.

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 камера сгорания (US 6772594B2, МПК F23R 3/00, опубл. 10.08.2004), разработанная специалистами фирмы Mitsubishy Heavy Industries. Камера сгорания противоточного типа состоит из корпуса, жаровой трубы, фронтовой доски, на которой по окружности расположено n-горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси, по оси камеры сгорания установлено диффузионное горелочное устройство, в первичной зоне камеры сгорания выполнено ударно-пленочное охлаждение стенки жаровой трубы. Выход горелочных устройств с предварительным смешением топлива выполнен под углом к фронтовой доске в окружном направлении, так что при выходе из n-горелочных устройств возникает дополнительная закрутка потока.Known combustion chamber (US 6772594B2, IPC F23R 3/00, publ. 08/10/2004), developed by specialists of the company Mitsubishy Heavy Industries. The counterflow type combustion chamber consists of a housing, a flame tube, a front plate, on which n-burner devices with preliminary preparation of the fuel-air mixture are arranged around the circumference, a diffusion burner device is installed along the axis of the combustion chamber, and shock-film cooling is performed in the primary zone of the combustion chamber walls of the flame tube. The output of the burner devices with preliminary fuel mixing is made at an angle to the front plate in the circumferential direction, so that when the n-burner devices exit, an additional flow swirl occurs.

Недостатками известной камеры сгорания являются низкий диапазон устойчивой работы и низкие экологические характеристики. Эти недостатки вызваны следующим:The disadvantages of the known combustion chamber are the low range of stable operation and low environmental performance. These deficiencies are caused by the following:

- трудно стабилизировать горение на периферии камеры сгорания;- it is difficult to stabilize combustion on the periphery of the combustion chamber;

- отсутствует диффузионная подача топлива в периферийные горелочные устройства;- there is no diffusion fuel supply to the peripheral burner devices;

- пленочное охлаждение первичной зоны приводит к образованию слоев смешения между реагирующими продуктами сгорания и воздухом, в этих слоях смешения при сжигании бедной предварительно подготовленной смеси возможно «замораживание» реакции окисления оксида углерода (СО).- film cooling of the primary zone leads to the formation of mixing layers between reacting combustion products and air; in these mixing layers, when burning a poorly prepared mixture, it is possible to “freeze” the oxidation of carbon monoxide (CO).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является противоточная камера сгорания, содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для прохода вторичного воздуха, образующую с цилиндрическим корпусом проточную часть для подвода воздуха к горелкам, цилиндрический экран, расположенный соосно внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, n периферийных горелок, расположенных с торца на входе в жаровую трубу по окружности, 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 (свидетельство на полезную модель №10443, МПК F23R 3/00, опубл. 16.07.1999).The closest technical solution, selected as a prototype, is a countercurrent combustion chamber containing a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it and openings uniformly spaced around the circumference for secondary air passage, forming a flow part with a cylindrical body for supplying air to the burners, 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 at the entrance to the heat around the circumference, a 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 burners with preliminary preparation of the fuel-air mixture and self-regulation of the field of fuel concentrations (certificate for utility model No. 10443, IPC F23R 3/00, published on July 16, 1999).

Недостатки прототипа следующие.The disadvantages of the prototype are as follows.

1. Возможен перегрев обечайки центрального горелочного устройства ввиду наличия большой площади охлаждения (площадь внешней поверхности обечайки центральной горелки, задвинутой в жаровую трубу глубже, чем периферийные, площадь фронтовой доски и площадь экрана жаровой трубы) при ограниченном расходе идущего на охлаждение воздуха. Перегрев обечайки приводит к снижению ресурса работы камеры сгорания.1. It is possible that the shell of the central burner can overheat due to the presence of a large cooling area (the area of the outer surface of the shell of the central burner pushed deeper into the flame tube than the peripheral ones, the area of the front plate and the screen area of the flame pipe) with limited air flow for cooling. Overheating of the shell leads to a decrease in the life of the combustion chamber.

2. Цилиндрический экран недостаточно устойчив к высоким продолжительным термическим нагрузкам, в результате чего в ходе эксплуатации камеры сгорания возможно его коробление и смещение, что приводит к перекосу расхода охлаждающего воздуха в полости между экраном и жаровой трубой по окружности, еще большему короблению и смещению экрана до тех пор, пока полость для охлаждающего воздуха между экраном и жаровой трубой не станет критически минимальной (недостаточной для охлаждения) или пока экран не будет касаться в определенных местах стенок жаровой трубы. В результате будет возникать локальный перегрев экрана и жаровой трубы, вследствие чего в этих местах возможно образование прогаров, что снижает надежность камеры сгорания и ресурс ее работы.2. The cylindrical screen is not sufficiently resistant to high long-term thermal loads, as a result of which the combustion chamber can warp and shift during operation of the combustion chamber, which leads to a misalignment of the cooling air flow in the cavity between the screen and the flame tube around the circumference, further warping and shifting the screen to until the cooling air cavity between the screen and the flame tube becomes critically minimal (insufficient for cooling) or until the screen touches the wall in certain places to the flame tube. As a result, local overheating of the screen and the flame tube will occur, as a result of which burnout may occur in these places, which reduces the reliability of the combustion chamber and its service life.

3. Недостаточная надежность камеры сгорания, обусловленная расположением свечи зажигания. В камерах сгорания, подобных описанной в прототипе, свеча обычно выполняется неподвижной и размещается на жаровой трубе, но это не совсем удобно, так как концентрация топлива у стенки жаровой трубы ниже, чем по оси горелочного устройства, что усложняет процесс зажигания. Известны технические решения (патент US 5259184, Интернет - страница http://turbinecowboy.com/Company/TIPS/2006/APRIL06_TIP.pdf), где свеча зажигания при запуске выдвигается внутрь камеры сгорания, а при осуществленном запуске с помощью пружины убирается из горячего объема камеры сгорания, однако такая система обладает пониженной надежностью из-за наличия подвижных частей.3. The lack of reliability of the combustion chamber due to the location of the spark plug. In combustion chambers, such as described in the prototype, the candle is usually fixed and placed on the flame tube, but this is not very convenient, since the fuel concentration at the flame tube wall is lower than along the axis of the burner device, which complicates the ignition process. Known technical solutions (patent US 5259184, Internet - page http://turbinecowboy.com/Company/TIPS/2006/APRIL06_TIP.pdf), where the spark plug is pulled out into the combustion chamber at start-up, and when launched, it is removed from the hot the volume of the combustion chamber, however, such a system has reduced reliability due to the presence of moving parts.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы за счет повышения устойчивости к термическим нагрузкам цилиндрического экрана, а также за счет расположения центральной горелки и свечи зажигания.The problem the utility model aims to solve is to increase the reliability of the combustion chamber and increase its service life by increasing the resistance to thermal loads of the cylindrical screen, as well as by arranging the central burner and spark plug.

Поставленная задача решается противоточной камерой сгорания, содержащей цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу с расположенными равномерно по окружности отверстиями для подачи воздуха на смешение, образующую с цилиндрическим корпусом проточную полость для воздуха, n периферийных горелочных устройств, расположенных по окружности с торца на входе в жаровую трубу, и центральное горелочное устройство, расположенное по оси жаровой трубы, цилиндрический экран, расположенный внутри жаровой трубы соосно ей и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, а также свечу зажигания, причем все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси. В отличие от прототипа, цилиндрический экран выполнен из листового материала, изготовленного с помощью холодного проката и загнутого в цилиндр перпендикулярно линии проката, причем на поверхности экрана выполнены местные выступы-зиги в форме полуокружности в продольном сечении камеры, выпуклая часть которых направлена к оси экрана, на стенке жаровой трубы напротив экрана равномерно по окружности выполнены дополнительные отверстия для подачи к нему охлаждающего воздуха, а все горелочные устройства установлены на фронтовой доске, расположенной на входе в жаровую трубу, причем свеча зажигания установлена по центру центрального горелочного устройства.The problem is solved by a countercurrent combustion chamber containing a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it with openings for uniformly supplying air for mixing air, forming a flow cavity for air with a cylindrical body, n peripheral burner devices located circumferentially from the end at the inlet the flame tube, and the central burner device located along the axis of the flame tube, a cylindrical screen located inside the flame tube coaxially with it and forming a ring with it the main channel for the passage of cooling air, as well as the spark plug, and all burner devices are made with preliminary preparation of the fuel-air mixture. Unlike the prototype, the cylindrical screen is made of sheet material made by cold rolling and bent into the cylinder perpendicular to the rolling line, and on the surface of the screen there are local ridges-ridges in the form of a semicircle in the longitudinal section of the chamber, the convex part of which is directed to the axis of the screen, on the wall of the heat pipe opposite the screen evenly around the circumference there are additional openings for supplying cooling air to it, and all burner devices are installed on the front board decomposition at the inlet to the flame tube, wherein the spark plug is mounted on the center of the central burner.

При нагреве экрана происходит его расширение, которое компенсируется сжатием выполненных на поверхности экрана местных выступов-зигов, действующих как демпферы; кроме того, радиальному расширению экрана препятствуют линии проката, образующие в окружном направлении выстроенные кристаллы материала. Перекос экрана вследствие его теплового расширения сведен к минимуму. Высокая устойчивость экрана к термическим нагрузкам препятствует его деформации, приводящей к неравномерности расхода воздуха по окружности в полости, образованной жаровой трубой и экраном, и, в дальнейшем, прогоранию экрана, что способствует повышению надежности и ресурса работы камеры сгорания.When the screen heats up, it expands, which is compensated by the compression of local zig-ridges made on the surface of the screen, acting as dampers; in addition, the rolling lines prevent the radial expansion of the screen, forming in the circumferential direction aligned material crystals. The skew of the screen due to its thermal expansion is minimized. The high resistance of the screen to thermal loads prevents its deformation, leading to uneven air flow around the circumference in the cavity formed by the flame tube and the screen, and, further, the burning of the screen, which increases the reliability and service life of the combustion chamber.

В заявляемом решении все горелки установлены на фронтовой доске, и срез центрального горелочного устройства расположен в одной плоскости со срезами периферийных горелочных устройств. Площадь охлаждаемой поверхности, таким образом, меньше по сравнению с прототипом, охлаждения обечайки центрального горелочного устройства не требуется, что, при одинаковом с прототипом расходе воздуха, идущего на охлаждение экрана жаровой трубы и обечайки центральной горелки, приводит к лучшему охлаждению экрана и его большей устойчивости.In the claimed solution, all the burners are installed on the front plate, and the slice of the central burner device is located in the same plane as the slices of the peripheral burner devices. Thus, the surface area to be cooled is smaller compared to the prototype, cooling of the shell of the central burner device is not required, which, with the same flow rate of air used to cool the screen of the flame tube and the shell of the central burner, leads to better cooling of the screen and its greater stability .

Расположение свечи по центру центрального горелочного устройства также повышает надежность камеры сгорания, потому что после успешного запуска свеча не убирается, поскольку ее необходимое охлаждение обеспечивается топливом, поступающим в центральное горелочное устройство.The location of the candle in the center of the central burner device also increases the reliability of the combustion chamber, because after a successful start the candle is not removed, since its necessary cooling is provided by the fuel entering the central burner device.

Существо конструкции поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема противоточной камеры сгорания.The essence of the design is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a countercurrent combustion chamber.

Камера сгорания содержит внешний цилиндрический корпус 1, соосную с ним жаровую трубу 2, образующую с цилиндрическим корпусом проточную полость 3, на трубе расположены равномерно по окружности отверстия 4 для подачи воздуха на смешение и отверстия 5 для подачи охлаждающего воздуха к экрану, n периферийных горелочных устройств 6, центральное горелочное устройство 7 с установленной по центру свечой зажигания 8, цилиндрический экран 9, расположенный внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал 10, на поверхности экрана выполнены местные выступы-зиги 11.The combustion chamber contains an external cylindrical body 1, a heat pipe 2 coaxial with it, forming a flow cavity 3 with the cylindrical body, the openings 4 for mixing air supply and openings 5 for supplying cooling air to the screen, n peripheral burner devices are arranged uniformly around the circumference 6, a central burner device 7 with a centrally mounted spark plug 8, a cylindrical screen 9 located inside the flame tube and forming an annular channel 10 with it, local ridge ridges 11.

Все горелочные устройства установлены на фронтовой доске 12.All burner devices are installed on the front plate 12.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает в проточную полость 3 из компрессора или другого источника сжатого воздуха. Одна часть воздуха поступает в объем камеры сгорания через отверстия 4, а другая часть поступает в горелочные устройства 6, 7. В горелочные устройства также подается топливо - газ, в смесителях горелочных устройств осуществляется смешение топлива с воздухом. На срезе горелочных устройств 6 и 7 топливовоздушная смесь сгорает с образованием высокотемпературных продуктов сгорания.The operation of the burner is as follows. Air enters the flow cavity 3 from a compressor or other source of compressed air. One part of the air enters the volume of the combustion chamber through the openings 4, and the other part enters the burner devices 6, 7. Fuel and gas are also supplied to the burner devices, and the mixers of the burner devices mix fuel with air. On the cut of burner devices 6 and 7, the air-fuel mixture burns with the formation of high-temperature combustion products.

Защита жаровой трубы 2 от высокотемпературных продуктов сгорания осуществляется экраном 9. Устойчивость самого экрана к высоким термическим нагрузкам обусловлена особенностями его конструктивного выполнения. При нагревании экран 9 расширяется, но это расширение компенсируется выполненными на поверхности экрана местными выступами-зигами 11. Кроме того, радиальному расширению экрана препятствуют линии проката, образующие в окружном направлении выстроенные кристаллы материала. Охлаждение экрана происходит воздухом, поступающим через отверстия 5 на жаровой трубе. Лучшему охлаждению экрана способствует также расположение всех горелочных устройств на фронтовой доске 12. Таким образом, экран в силу своей устойчивости мало подвержен деформации, которая приводит к неравномерности расхода охлаждающего воздуха в полости 10 по окружности, что предотвращает прогорание экрана и увеличивает надежность и ресурс работы камеры сгорания.The protection of the flame tube 2 from high-temperature combustion products is carried out by the shield 9. The stability of the shield to high thermal loads is due to the features of its design. When heated, the screen 9 expands, but this expansion is compensated by the local protrusions-zigs 11 made on the surface of the screen. In addition, the rolling lines, forming in the circumferential direction aligned material crystals, impede the radial expansion of the screen. The screen is cooled by air entering through openings 5 on the flame tube. The best cooling of the screen is also facilitated by the location of all burner devices on the front plate 12. Thus, the screen, due to its stability, is not subject to deformation, which leads to an uneven flow of cooling air in the cavity 10 around the circumference, which prevents the screen from burning out and increases the reliability and life of the camera combustion.

При запуске камеры сгорания в центральное горелочное устройство подается расход топлива больший, чем в остальные горелочные устройства. Зажигание топливовоздушной смеси осуществляется с помощью свечи 8, расположенной по центру центрального горелочного устройства 7. После запуска свеча не убирается, поскольку охлаждается топливом, поступающим в центральное горелочное устройство 7.When the combustion chamber is started, a higher fuel consumption is supplied to the central burner device than to other burner devices. Ignition of the air-fuel mixture is carried out using a candle 8 located in the center of the central burner device 7. After starting, the candle is not removed, because it is cooled by the fuel entering the central burner device 7.

Таким образом, в заявляемой камере сгорания благодаря конструктивным особенностям экрана, а также расположению центральной горелки и свечи зажигания достигается повышение надежности камеры сгорания и увеличение ресурса ее работы.Thus, in the inventive combustion chamber due to the design features of the screen, as well as the location of the central burner and spark plug, an increase in the reliability of the combustion chamber and an increase in the resource of its operation are achieved.

Claims

A counterflow combustion chamber comprising a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it and openings uniformly arranged along the circumference for supplying air for mixing, forming a flow cavity for air with the cylindrical body, n peripheral burner devices located circumferentially from the end at the entrance to the heat pipe, and a central burner device located along the axis of the flame tube, a cylindrical screen located inside the flame tube coaxially with it and forming an annular channel with it for cooling passage air, as well as a spark plug, and all burner devices are made with preliminary preparation of the air-fuel mixture, characterized in that the cylindrical screen is made of sheet material made by cold rolling and bent into the cylinder perpendicular to the rolling line, and local protrusions are made on the surface of the screen - semicircle-shaped ridges in the longitudinal section of the chamber, the convex part of which is directed to the screen axis, on the wall of the flame tube opposite the screen uniformly around the circumference ying additional openings for supplying cooling air thereto, and all the burners are mounted on the front board, situated at the inlet to the flame tube, wherein the spark plug is mounted on the center of the central burner.