RU2083928C1

RU2083928C1 - Method of control of fuel delivery to combustion chamber and combustion chamber for realization of this method

Info

Publication number: RU2083928C1
Application number: RU93049847A
Authority: RU
Inventors: Е.Д. Виноградов; Ю.И. Захаров; А.В. Сударев
Original assignee: Научно-производственное предприятие - Товарищество с ограниченной ответственностью "ЭСТ"
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1993-11-02
Publication date: 1997-07-10

Abstract

FIELD: power engineering, transport engineering and chemical engineering; combustion chambers of gas turbines. SUBSTANCE: fuel is first fed to first-loop burners and then to parallel burners of next loops; differentials of fuel and air pressures are maintained constant in all operating loops but for one loop. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газовых турбин, а также в других топливосжигающих устройствах. The invention relates to energy, transport and chemical engineering and can be used in the combustion chambers of gas turbines, as well as in other fuel-burning devices.

Известен способ подачи топлива в камеру сгорания, заключающийся в том, что в момент пуска камеры сгорания топливо подают к горелкам под минимальным давлением, а затем по мере увеличения нагрузки увеличивают перепад давления топлива на горелках /1/. A known method of supplying fuel to the combustion chamber, which consists in the fact that at the time of starting up the combustion chamber, the fuel is supplied to the burners under minimum pressure, and then, as the load increases, the differential pressure of the fuel on the burners is increased / 1 /.

В камерах сгорания расход топлива на номинальном режиме во много раз превышает расход при пуске. В то же время расход воздуха от пуска до номинального режима изменяется в значительно более узких пределах. Вследствие этого при использовании рассматриваемого способа регулирования коэффициент избытка воздуха в горелках изменяется в очень широком диапазоне. Это приводит к проблемам по обеспечению надежного пуска камеры сгорания, недожогу и высокой токсичности продуктов сгорания на долевых нагрузках. In the combustion chambers, the fuel consumption in the nominal mode is many times higher than the start-up consumption. At the same time, the air flow from start-up to rated mode varies within much narrower limits. As a result, when using the control method under consideration, the coefficient of excess air in the burners varies in a very wide range. This leads to problems in ensuring reliable start-up of the combustion chamber, underburning and high toxicity of combustion products at fractional loads.

Указанных недостатков в значительной мере лишен способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания, заключающийся в том, что топливо подают сначала в горелки первого контура, а затем по мере увеличения нагрузки параллельно им подключают горелки второго и т.д. контуров. Как правило, во всех работающих контурах, кроме одного, поддерживают постоянные перепады давления топлива на горелках. The aforementioned drawbacks are largely devoid of the method of regulating the supply of fuel to the combustion chamber, namely, that the fuel is first supplied to the burners of the primary circuit, and then, as the load increases, the second burners are connected in parallel with them, etc. contours. As a rule, in all operating circuits, except for one, constant pressure differences of the fuel on the burners are maintained.

Недостатком этого способа является повышенная токсичность продуктов сгорания топлива на долевых нагрузках. Для обеспечения низкой токсичности продуктов сгорания при высокой полноте сгорания топлива необходимо сжигать смесь топлива и воздуха строго определенного оптимального состава. В рассматриваемом же способе регулирования расход топлива на горелки работающих контуров (кроме одного) остается постоянным, а расход воздуха при повышении нагрузки увеличивается, т. е. поддерживать постоянный оптимальный состав топливовоздушной смеси не удается. Это и приводит к повышенной токсичности продуктов сгорания и недостаточно высокой полноте сгорания топлива на долевых нагрузках. The disadvantage of this method is the increased toxicity of fuel combustion products at shared loads. To ensure low toxicity of the combustion products with a high completeness of fuel combustion, it is necessary to burn a mixture of fuel and air with a strictly defined optimal composition. In the control method under consideration, the fuel consumption for burners of the working circuits (except for one) remains constant, and the air consumption increases with increasing load, that is, it is not possible to maintain a constant optimal composition of the air-fuel mixture. This leads to increased toxicity of the combustion products and insufficiently high completeness of fuel combustion at fractional loads.

Широко известны камеры сгорания, содержащие горелки, включающие топливораздающие и воздухонаправляющие устройства, топливный коллектор и клапан, регулирующий расход топлива на коллектор /2/. Widely known are combustion chambers containing burners, including fuel-distributing and air-guiding devices, a fuel manifold and a valve regulating fuel consumption to the collector / 2 /.

Эта камера сгорания предназначена для осуществления первого из описанных выше способов сжигания топлива и обладает всеми присущими этому способу недостатками: сложностью обеспечения надежного пуска, недожогом и высокой токсичностью продуктов сгорания на долевых нагрузках. This combustion chamber is designed to implement the first of the above methods of burning fuel and has all the inherent disadvantages of this method: the complexity of ensuring reliable start-up, incomplete burning and high toxicity of combustion products at fractional loads.

Известна камера сгорания, содержащая два или более топливных контуров, состоящих из топливного коллектора и горелок, включающих топливораздающие и воздухонаправляющие устройства /2/. A known combustion chamber containing two or more fuel circuits, consisting of a fuel manifold and burners, including fuel-distributing and air-guiding devices / 2 /.

Эта камера сгорания предназначена для осуществления второго из рассмотренных выше способов регулирования подачи топлива и, соответственно, имеет его недостатки: повышенную токсичность продуктов сгорания и недостаточно высокую полноту сгорания топлива на долевых нагрузках. This combustion chamber is designed to implement the second of the above methods of regulating the fuel supply and, accordingly, has its drawbacks: increased toxicity of the combustion products and insufficiently high completeness of fuel combustion at fractional loads.

Задачей, на решние которой направлен предлагаемый способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания, является снижение токсичности продуктов сгорания и повышение полноты сгорания топлива. The problem, which is solved by the proposed method of regulating the supply of fuel to the combustion chamber, is to reduce the toxicity of combustion products and increase the completeness of combustion of fuel.

Целью, которая может быть получена при осуществлении заявляемого способа, является обеспечение низкой токсичности продуктов сгорания на всех режимах работы камеры сгорания, а также снижение расхода топлива на долевых нагрузках. The goal, which can be obtained by implementing the proposed method, is to ensure low toxicity of combustion products in all modes of operation of the combustion chamber, as well as reducing fuel consumption at fractional loads.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая камера сгорания, является осуществление предлагаемого способа регулирования подачи топлива в камеру сгорания. Целью, которая может быть получена при осуществлении предлагаемой камеры сгорания, является значительное снижение токсичности выхлопных газов на долевых нагрузках и создание всережимной малотоксичной камеры сгорания, а также снижение расхода топлива на долевых нагрузках. The problem to which the proposed combustion chamber is directed is the implementation of the proposed method for regulating the supply of fuel to the combustion chamber. The goal that can be obtained by implementing the proposed combustion chamber is to significantly reduce the toxicity of exhaust gases at fractional loads and to create an all-mode low-toxic combustion chamber, as well as to reduce fuel consumption at fractional loads.

Решение поставленной задачи и получение указанной цели достигается при осуществлении способа подачи топлива в камеру сгорания, заключающегося в том, что топливо подают сначала в горелки первого контура, а затем по мере увеличения нагрузки параллельно им подключают горелки второго и т.д. контуров, причем в отличие от прототипа, во всех работающих контурах горелок, кроме одного, поддерживают постоянные соотношения перепадов давления топлива и воздуха. The solution of this problem and the achievement of this goal is achieved by implementing the method of supplying fuel to the combustion chamber, which consists in the fact that the fuel is supplied first to the burners of the first circuit, and then, as the load increases, they connect the second burners, etc. circuits, and in contrast to the prototype, in all working circuits of the burners, except one, maintain a constant ratio of the pressure drops of the fuel and air.

Известно, что расход топлива через топливораздающие устройства горелок пропорционален квадратному корню из соответствующего перепада давления. Поэтому поддерживая постоянные соотношения перепадов давления топлива и воздуха на горелках, тем самым поддерживают постоянные оптимальные коэффициенты избытка воздуха на всех режимах работы камеры сгорания и, следовательно, осуществляют процесс горения на всех режимах работы камеры сгорания с минимальной эмиссией токсичных веществ и максимальной полнотой сгорания топлива. It is known that the fuel consumption through the fuel distributing devices of the burners is proportional to the square root of the corresponding pressure drop. Therefore, maintaining constant ratios of pressure differences between fuel and air on the burners, thereby maintaining constant optimal coefficients of excess air in all modes of operation of the combustion chamber and, therefore, carry out the combustion process in all modes of operation of the combustion chamber with minimal emission of toxic substances and maximum completeness of fuel combustion.

Решение поставленной задачи и достижение указанной цели достигается при реализации камеры сгорания, содержащей два или более топливных контуров, состоящих из топливного коллектора и горелок, включающих топливораздающие и воздухонаправляющие устройства, отличающейся от прототипа тем, что топливные коллекторы контуров последовательно сообщены каналами, на каждом из которых установлен клапан, регулирующий расход топлива из коллектора 1-го контура в коллектор (i+1)-го контура, причем управление клапаном осуществляется подвижным поршнем, разделяющим две камеры, одна из которых сообщена с воздушным пространством перед воздухонаправляющим устройством, а другая с топливным коллектором 1-го контура. The solution of this problem and the achievement of this goal is achieved by implementing a combustion chamber containing two or more fuel circuits, consisting of a fuel manifold and burners, including fuel-distributing and air-guiding devices, which differs from the prototype in that the fuel collectors of the circuits are sequentially connected by channels, on each of which a valve is installed that regulates fuel consumption from the collector of the 1st circuit to the collector of the (i + 1) -th circuit, and the valve is controlled by a movable piston, p separating two chambers, one of which is connected with the air space in front of the air guide device, and the other with the fuel collector of the 1st circuit.

То, что топливные коллекторы контуров последовательно сообщены каналами, на каждом из которых установлен клапан, обеспечивает последовательное (во времени) включение топливных контуров в работу по мере увеличения нагрузки. The fact that the fuel collectors of the circuits are sequentially communicated by channels, on each of which a valve is installed, provides a sequential (in time) inclusion of the fuel circuits in operation as the load increases.

Поддержание постоянных соотношений перепадов давления топлива и воздуха на горелках каждого топливного контура обеспечивается тем, что управление клапаном, регулирующим расход топлива из коллектора i-го контура в коллектор (i+1)-го контура, осуществляется подвижным поршнем, разделяющим две камеры, одна из которых сообщена с воздушным пространством перед воздухонаправляющим устройством, а другая с топливным коллектором i-го контура. Поскольку и воздухонаправляющие устройства, и топливораздающие устройства на выходе сообщены с одним и тем же пространством зоной горения камеры сгорания, подвижный поршень находится, с одной стороны, под действием перепада давления на воздухонаправляющем устройстве, с другой стороны под действием перепада на топливораздающем устройстве. Если состав топливовоздушной смеси, т.е. соотношение расходов воздуха и топлива, а значит, и соотношение рассматриваемых перепадов давления нарушается, нарушается равновесие поршня, и он перемещается, открывая или закрывая регулирующий клапан до тех пор, пока равновесие не будет восстановлено. Более подробно процесс регулирования подачи топлива рассмотрен ниже при описании работы камеры сгорания. Maintaining constant ratios of pressure differences between the fuel and air on the burners of each fuel circuit is ensured by the fact that the valve controlling the fuel consumption from the collector of the i-th circuit to the collector of the (i + 1) -th circuit is controlled by a movable piston that separates the two chambers, one of which communicates with the airspace in front of the air guide device, and the other with the fuel manifold of the i-th circuit. Since both the air guiding devices and the fuel dispensing devices at the outlet are in communication with the same space as the combustion zone of the combustion chamber, the movable piston is, on the one hand, under the influence of the differential pressure on the air guiding device, and on the other hand, under the influence of the differential on the fuel dispensing device. If the composition of the air-fuel mixture, i.e. the ratio of air and fuel consumption, and hence the ratio of the considered pressure drops, is violated, the piston is out of balance, and it moves, opening or closing the control valve until the balance is restored. The fuel supply control process is described in more detail below in the description of the operation of the combustion chamber.

Таким образом, на всех режимах работы камеры сгорания во всех топливных контурах, кроме одного, поддерживается постоянный оптимальный состав топливовоздушной смеси, обеспечивающий низкую токсичность продуктов сгорания при высокой полноте сгорания топлива. Thus, at all modes of operation of the combustion chamber in all fuel circuits, except one, a constant optimal composition of the air-fuel mixture is maintained, which ensures low toxicity of the combustion products with a high completeness of fuel combustion.

На фиг. 1 и 2 даны продольный и поперечный разрезы предлагаемой кольцевой камеры сгорания; на фиг. 3 регулирующий клапан. In FIG. 1 and 2 are longitudinal and transverse sections of the proposed annular combustion chamber; in FIG. 3 control valve.

Камера сгорания (фиг. 1 и 2) содержит три топливных контура, состоящих из топливных коллекторов 1, выполненных в виде кольцевых коаксиальных стабилизаторов горения, и горелок, включающих топливораздающие устройства 2, выполненные в виде отверстий в торцевых стенках стабилизаторов-коллекторов, и воздухонаправляющие устройства 2, выполненные в виде отверстий в торцевых стенках стабилизаторов-коллекторов, и воздухонаправляющие устройства 3, выполненные в виде коаксиальных кольцевых лопаточных завихрителей. Топливные коллекторы последовательно сообщены каналами 4, на каждом из которых установлен клапан 5, регулирующий расход топлива из коллектора i-го контура в коллектор (i+1)-го контура. Управление клапаном осуществляется подвижным поршнем 6 (см. фиг. 3), разделяющим камеры 7 и 8. Камера 7 сообщена с помощью отверстия 9 с воздушным пространством перед воздухонаправляющим устройством 3, а камера 8 сообщена с помощью канала 10 с топливным коллектором i-того контура. Канал 11 сообщен с топливным коллектором (i+1)-того каскада. Поршень 5 имеет уравнительный шток 12, который через уплотнение 13 выходит через корпус 14 в воздушное пространство перед воздухонаправляющим устройством 3. The combustion chamber (Fig. 1 and 2) contains three fuel circuits, consisting of fuel manifolds 1, made in the form of annular coaxial combustion stabilizers, and burners, including fuel distributing devices 2, made in the form of holes in the end walls of stabilizer-collectors, and air guide devices 2, made in the form of holes in the end walls of the stabilizer-collectors, and air guide devices 3, made in the form of coaxial annular blade-like swirlers. Fuel collectors are sequentially communicated by channels 4, on each of which a valve 5 is installed that regulates fuel consumption from the collector of the i-th circuit to the collector of the (i + 1) -th circuit. The valve is controlled by a movable piston 6 (see Fig. 3) separating the chambers 7 and 8. The chamber 7 is communicated by means of a hole 9 with air space in front of the air guide device 3, and the chamber 8 is communicated by means of a channel 10 with a fuel manifold of the ith circuit . Channel 11 is in communication with the fuel manifold of the (i + 1) th stage. The piston 5 has a balancing rod 12, which through the seal 13 exits through the housing 14 into the air space in front of the air guide device 3.

Кроме того, на фиг. 1 обозначено: 15 наружная и 16 внутренняя пламенные трубы, 17 топливоподводящая труба. In addition, in FIG. 1 marked: 15 outer and 16 inner flame tubes, 17 fuel supply pipe.

Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания осуществляется при работе камеры сгорания, которая заключается в следующем. Во время пуска камеры сгорания к горелкам подается воздух. На воздухонаправляющих устройствах 3 появляется перепад давления ΔP_в, равный их гидравлическому сопротивлению, который воздействует на поршень 6 со стороны камеры 7. При этом поршень опускается в нижнее положение (как изображено на фиг. 3) и перекрывает канал 11. Это происходит в клапанах 5 2-го и 3-го топливных контуров.The method of regulating the supply of fuel to the combustion chamber is carried out during operation of the combustion chamber, which is as follows. During start-up of the combustion chamber, air is supplied to the burners. In the air guide devices 3 appears _in the differential pressure ΔP equal to their hydraulic resistance which acts on the piston side chamber 6 with 7. When the piston descends to a lower position (as shown in FIG. 3) and closes the passage 11. This occurs in valves 5 2nd and 3rd fuel circuits.

Затем по топливоподводящей трубе 17 в топливный коллектор 1 первого каскада подают топливо и воспламеняют с помощью запального устройства (не показано) топливовоздушную смесь за горелкой первого каскада. Then, fuel is supplied through the fuel supply pipe 17 to the fuel manifold 1 of the first cascade and ignited by means of an ignition device (not shown) for the air-fuel mixture behind the burner of the first cascade.

По мере увеличения нагрузки увеличивают расход топлива и, соответственно, растет перепад давления ΔP_т на топливораздающих устройствах 2, равный их гидравлическому сопротивлению, который воздействует на поршень 6 со стороны камеры 8. В момент, когда топливовоздушная смесь за горелкой первого топливного контура достигает оптимального состава, силы, действующие на поршень 6 со стороны камеры 7 и со стороны камеры 8, выравниваются. Поскольку при оптимальном составе смеси, как правило, ΔP_в<ΔP_т, для выравнивания указанных сил необходимо, чтобы площади поверхностей, на которые воздействуют перепады ΔP_в<ΔP_т, были обратно пропорциональны этим перепадам. Именно для этой цели служат уравнительный шток 12 и уплотнение 13, уменьшающие площадь поверхности поршня, на которую воздействует больший перепад ΔP_т.As the load increases, fuel consumption increases and, consequently, the pressure drop ΔP _t on the fuel distributing devices 2 increases, equal to their hydraulic resistance, which acts on the piston 6 from the side of the chamber 8. At the time when the air-fuel mixture behind the burner of the first fuel circuit reaches the optimal composition , the forces acting on the piston 6 from the side of the chamber 7 and from the side of the chamber 8 are aligned. Since, with the optimal composition of the mixture, as a rule, ΔP _in <ΔP _t , to equalize the indicated forces, it is necessary that the surface areas affected by the differences ΔP _in <ΔP _t be inversely proportional to these differences. It is for this purpose that the equalizing rod 12 and the seal 13 serve, which reduce the surface area of the piston, which is affected by a larger difference ΔP _t .

При дальнейшем увеличении расхода топлива равновесие поршня нарушается, и он начинает перемещаться вверх, приоткрывая канал 11, через который часть топлива подается в коллектор второго контура. При этом поршень переместится ровно настолько, сколько необходимо, чтобы восстановилось его равновесие, т. е. чтобы восстановилось оптимальное соотношение давлений ΔP_в и ΔP_т, а следовательно, и оптимальный состав смеси в горелке первого контура.With a further increase in fuel consumption, the piston equilibrium is disturbed, and it begins to move upward, opening the channel 11, through which part of the fuel is supplied to the secondary circuit collector. In this case, the piston will move as much as necessary to restore its equilibrium, i.e., to restore the optimal pressure ratio ΔP _in and ΔP _t , and therefore the optimal composition of the mixture in the primary burner.

При дальнейшем увеличении нагрузки расход топлива на второй контур увеличивается, а в горелке первого контура поддерживается оптимальный состав топливовоздушной смеси

. В момент достижения оптимального состава смеси на горелке второго контура вступает в работу регулирующий клапан третьего контура, который работает аналогично клапану второго контура.With a further increase in the load, the fuel consumption in the second circuit increases, and the optimal composition of the air-fuel mixture is maintained in the burner of the first circuit

. At the moment of achieving the optimal mixture composition on the burner of the second circuit, the control valve of the third circuit comes into operation, which works similarly to the valve of the second circuit.

При выходе на номинальную нагрузку горелки всех контуров работают при оптимальном составе топливовоздушной смеси (на долевых нагрузках один контур работает с избытком воздуха больше оптимального, а остальные на смеси оптимального состава). При уменьшении нагрузки от номинальной до останова все описанные процессы протекают в обратном порядке. When reaching the rated load, the burners of all circuits operate with the optimal composition of the air-fuel mixture (at fractional loads, one circuit works with excess air more than optimal, and the rest on the mixture of optimal composition). When the load decreases from nominal to shutdown, all the described processes proceed in the reverse order.

Следует подчеркнуть, что при изменении нагрузки камеры сгорания меняется не только расход топлива, но и расход воздуха и, соответственно,

Однако благодаря тому, что клапан 5 автоматически поддерживают соотношение

, состав топливовоздушной смеси остается оптимальным независимо от величины ΔP_в.It should be emphasized that when the load of the combustion chamber changes, not only the fuel consumption changes, but also the air consumption and, accordingly,

However, due to the fact that valve 5 automatically maintains the ratio

, the composition of the air-fuel mixture remains optimal regardless of ΔP _c .

Как видно из представленных чертежей и описания изобретения, камера сгорания содержит элементы, широко применяемые в технике: коллекторы, лопаточные завихрители, поршневые клапаны. По этому ни с конструктивной, ни с технологической точки зрения возможность осуществления данного изобретения сомнений не вызывает. As can be seen from the drawings and description of the invention, the combustion chamber contains elements that are widely used in technology: manifolds, blade swirls, piston valves. Therefore, neither from a constructive nor from a technological point of view, the possibility of implementing this invention is beyond doubt.

Claims

1. The method of regulating the supply of fuel to the combustion chamber by supplying fuel first to the burners of the primary circuit, and then, as the load increases, fuel is sequentially fed to the burners of the following circuits located parallel to it, characterized in that in all working circuits, except for one, constant ratios are maintained pressure differences of fuel and air.

2. A combustion chamber for regulating the supply of fuel to the combustion chamber, comprising two or more fuel circuits, each of which consists of a fuel manifold and burners with fuel distributing and air-guiding devices, characterized in that it contains valves regulating the flow of fuel from the i-th collector circuit into the collector of the (i + 1) -th circuit, consisting of two chambers separated by a movable piston, one of the chambers is in communication with the air space in front of the air guide device, and the other with the fuel manifold i-th circuit, valves are installed on the nozzles, through which the fuel circuits are sequentially communicated with each other.