RU2106579C1

RU2106579C1 - Tubular-and-annular combustion chamber of gas-turbine power plant

Info

Publication number: RU2106579C1
Application number: RU95118605A
Authority: RU
Inventors: М.Л. Кузменко; А.А. Снитко; В.В. Токарев; О.В. Брындин; Ю.Е. Кириевский; М.С. Хрящиков; М.Ф. Хайруллин
Original assignee: Акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 1995-11-01
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: power engineering; gas turbines burning compressed natural gas. SUBSTANCE: each flame tube 1 of combustion chamber has mixer 7 placed in internal space 5 downstream of flow, behind flame 6, and secured to wall 10 of flame tube 1; mixer 7 is built up of two cones 11 and 12 concentrically arranged relative to wall 10 of flame tube 1. Air vortex generator 13 is installed between walls of cones 11 and 12. Holes 14 and slits 15 are made in wall of external cone 11. Tops 16 and 17 of this cone oppose air flow 18. Surfaces of cones 11 and 12 form annular channels contracting towards vortex generator 13. Space of gas collector 20 is formed by its annular walls 21, 22. EFFECT: reduced emission of nitrogen oxides and carbon into atmosphere. 4 dwg

Description

Изобретение относится к трубчато-кольцевым камерам сгорания газотурбинных энергетических установок, работающих преимущественно на сжатом природном газе с низкими выбросами оксидов азота и углерода. The invention relates to a tube-annular combustion chamber of gas turbine power plants operating primarily on compressed natural gas with low emissions of nitrogen and carbon oxides.

Известна камера сгорания со ступенчатым горением, включающая в себя коаксиальную трубчатую конструкцию, состоящую из наружного цилиндра и коаксиально расположенного с ним внутреннего цилиндра, при этом внутренний цилиндр по длине короче наружного и располагается в зоне горения на участке восходящего потока, в осевом направлении, и образует кольцевую зону, ограниченную собственной стенкой и стенкой наружного цилиндра. В стенке наружного цилиндра, которая охватывает внутреннюю кольцевую часть внутреннего цилиндра, выполнен ряд отверстий, а на расстоянии, не меньшем, чем диаметр этого наружного цилиндра, располагается еще один ряд воздухоподводящих отверстий в направлении вниз по потоку относительно первых воздухоподводящих отверстий. Known combustion chamber with step combustion, including a coaxial tubular structure consisting of an outer cylinder and an inner cylinder coaxially located with it, while the inner cylinder is shorter than the outer one and is located in the combustion zone in the upward flow section, in the axial direction, and forms an annular zone limited by its own wall and the wall of the outer cylinder. In the wall of the outer cylinder, which covers the inner annular part of the inner cylinder, a number of holes are made, and at a distance not smaller than the diameter of this outer cylinder, there is another row of air supply openings in the downstream direction relative to the first air supply openings.

Недостатками известной камеры сгорания являются увеличенные осевые габариты жаровой трубы вследствие ступенчатого горения и малый ресурс работы жаровых труб из-за окантовки воздухоподводящих отверстий в стенках жаровых труб, особенно при наличии вращения в набегающем потоке, что приводит к увеличенным перепадам статического давления вокруг втулок и обычно способствует более быстрому прогоранию мест крепления, уменьшая ресурс жаровых труб. Известная конструкция предусматривает также впрыск воды и предназначена главным образом для выносных камер сгорания газотурбинных установок. The disadvantages of the known combustion chamber are the increased axial dimensions of the flame tube due to staged combustion and the low life of the flame tubes due to the edging of the air inlets in the walls of the flame tubes, especially in the presence of rotation in the oncoming flow, which leads to increased static pressure drops around the bushings and usually contributes to more rapid burning of attachment points, reducing the resource of the flame tubes. The known design also provides for the injection of water and is intended mainly for remote combustion chambers of gas turbine plants.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция трубчато-кольцевой камеры сгорания газотурбинной энергетической установки, содержащая соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами и с полостью, образованной собственными кольцевыми стенками, жаровые трубы, во внутренней полости каждой из которых ниже по потоку за факелом пламени расположен смеситель, скрепленный со стенкой жаровой трубы и выполненный в виде конусной оболочки. Closest to the claimed one is the design of a tubular-annular combustion chamber of a gas turbine power plant, comprising flame tubes connected to a gas collector fastened to the outer and inner bodies and to a cavity formed by their own annular walls, in the inner cavity of each of which is downstream of the flame torch a mixer is located, bonded to the wall of the flame tube and made in the form of a conical shell.

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей осуществления кинетического горения переобогащенной смеси путем внезапного обеднения ("замораживания") продуктов горения и уменьшения времени нахождения их при максимальных температурах. A disadvantage of the known design is the incomplete use of the possibilities for the kinetic combustion of a re-enriched mixture by sudden depletion ("freezing") of the combustion products and a decrease in their residence time at maximum temperatures.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении устойчивого экономичного горения с низким выбросом окислов азота и углерода при сжигании природного газа в камере сгорания газотурбинной энергетической установки путем достижения полноты его сгорания выше 99% на рабочих режимах, а также уменьшения времени нахождения активных реагентов топлива при максимальных температурах. The technical problem to which the claimed invention is directed is to provide sustainable, economical combustion with a low emission of nitrogen and carbon oxides during the combustion of natural gas in the combustion chamber of a gas turbine power plant by achieving its complete combustion above 99% in operating conditions, as well as reducing the residence time active fuel reagents at maximum temperatures.

Принцип организации горения в предлагаемой камере сгорания заключается в том, что при обеспечении лавинной активации горения с возникновением цепных реакций (кинетического горения) предварительно перемешанной смеси, выбросы NOx, CO и HC почти на порядок ниже, чем при горении диффузионного факела, в основе которого лежит теория тепловой активации молекулярных связей. Первичная зона богатого горения (коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива, α₁ = 0,5-0,7) снижает температуру газов за счет устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровых труб. В зоне отверстий смесителя смесь обедняется и сгорает при α_г = 1,8-2,2 с образованием зон лавинной активации горения, что повышает скорость и температуру зон горения, обеспечивая полноту сгорания до 99,9%. При этом зоны кинетического горения тормозятся воздушным потоком, истекающим из отверстий в стенках жаровых труб и смесителя, что позволяет осуществить быстрое смешение продуктов горения ("замораживание") несгоревшего топлива с оставшейся частью воздуха, многократно уменьшить время нахождения активных реагентов топлива при максимальных температурах и организовать вторую стадию сжигания топлива, обеспечивая требования по температурному полю на выходе из камеры сгорания.The principle of the organization of combustion in the proposed combustion chamber is that when providing avalanche activation of combustion with the occurrence of chain reactions (kinetic combustion) of a premixed mixture, the emissions of NOx, CO and HC are almost an order of magnitude lower than when burning a diffusion flame, which is based on theory of thermal activation of molecular bonds. The primary zone of rich combustion (coefficient of excess oxidizer, equal to the ratio of the actual amount of air to the theoretically necessary for complete combustion of the fuel, α ₁ = 0.5-0.7) reduces the temperature of the gases by eliminating the mixing of air on the inner walls of the flame tubes. In the zone of the openings of the mixer, the mixture is leaner and burns at α _g = 1.8-2.2 with the formation of zones of avalanche activation of combustion, which increases the speed and temperature of the combustion zones, ensuring complete combustion up to 99.9%. At the same time, the kinetic combustion zones are inhibited by the air flow flowing out of the holes in the walls of the flame tubes and the mixer, which allows for quick mixing of the combustion products (“freezing”) of unburned fuel with the remaining part of the air, significantly reducing the residence time of active fuel reagents at maximum temperatures and organizing the second stage of fuel combustion, providing requirements for the temperature field at the outlet of the combustion chamber.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами: на фиг. 1 представлена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания; на фиг. 2 показан один из вариантов расположения смесителя на выходе из жаровой трубы; на фиг. 3 показано сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - вариант выполнения конусной оболочки смесителя. The invention is illustrated by the following figures: in FIG. 1 shows the upper part of a longitudinal section of a combustion chamber; in FIG. 2 shows one of the options for the location of the mixer at the exit of the flame tube; in FIG. 3 shows a section AA in FIG. 2; in FIG. 4 - an embodiment of the conical shell of the mixer.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинной энергетической установки содержит жаровые трубы 1, соединенные с газосборником 2, скрепленным с внешним 3 и внутренним 4 корпусами. Каждая из жаровых труб 1 содержит расположенный во внутренней полости 5 ниже по потоку за факелом пламени 6 смеситель 7, скрепленный полыми стойками 8, 9 (тремя или четырьмя) со стенкой 10 жаровой трубы 1. Смеситель 7 выполнен в виде конусной оболочки 11 с днищем 12, скрепленным сваркой. В стенках днища 12 конусной оболочки 11 смесителя 7 и в стенке 10 жаровой трубы 1 в пределах длины 13 смесителя 7 выполнены отверстия 14, 15 и щели 16. The tubular-annular combustion chamber of a gas turbine power plant includes flame tubes 1 connected to a gas collector 2, bonded to the outer 3 and inner 4 bodies. Each of the flame tubes 1 contains a mixer 7 located in the inner cavity 5 downstream of the flame torch 6, fastened by hollow posts 8, 9 (three or four) with the wall 10 of the flame tube 1. The mixer 7 is made in the form of a conical shell 11 with a bottom 12 bonded by welding. In the walls of the bottom 12 of the conical shell 11 of the mixer 7 and in the wall 10 of the flame tube 1, holes 14, 15 and slits 16 are made within the length 13 of the mixer 7.

Вершина 17 конуса смесителя 7 направлена против потока 18, а полость 19 газосборника 2 образована внешней 20 и внутренней 21 кольцевыми стенками. The top 17 of the cone of the mixer 7 is directed against the stream 18, and the cavity 19 of the gas collector 2 is formed by the outer 20 and inner 21 annular walls.

Кроме того, на фиг. 4 показано, что образующая 22 конусной оболочки смесителя 7 выполнена в форме дуг окружностей 23, 24, выпуклая сторона 25 которых направлена к оси 26 жаровой трубы 1. In addition, in FIG. 4 shows that the generatrix 22 of the conical shell of the mixer 7 is made in the form of arcs of circles 23, 24, the convex side 25 of which is directed to the axis 26 of the flame tube 1.

Угол конусности α₁ на кромке 27 смесителя 7, с которой стекает пелена охлаждающего ее стенки потока воздуха 18, больше угла α₂ смесителя с конусной поверхностью (при одном и том же диаметре кромки 27).The taper angle α ₁ at the edge 27 of the mixer 7, with which the veil of the cooling air stream 18 flows down, is larger than the angle α _{2 of the} mixer with a conical surface (with the same edge diameter 27).

На фиг. 1 показаны топливная форсунка 28 с завихрителем и диффузор 29 с "внезапным" расширением. In FIG. 1 shows a swirl fuel nozzle 28 and a “sudden” expansion diffuser 29.

Камера сгорания работает следующим образом. The combustion chamber operates as follows.

При запуске энергетической установки в камере сгорания сжатый природный газ подается через топливную форсунку 28, далее, смешиваясь с потоком воздуха 18, закрученного лопатками завихрителя форсунки 28, смесь воспламеняется во внутренней полости 5 жаровой трубы 1, образуя факел 6 диффузионного горения обогащенной ( α₁ =0,5-0,7) топливно-воздушной смеси. В первичной зоне богатого горения ( α_г =0,5-0,7) температура газов пониженная (≈750 K) в результате устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровой трубы 1. При этом часть воздушного потока 18 через полые стойки 8, 9 и отверстия 15 в стенке 11 смесителя 7, а также отверстия 14 в стенке 10 жаровой трубы 1 направляется навстречу фронту диффузионного факела пламени 6 первичной зоны богатого горения.When starting the power plant in the combustion chamber, compressed natural gas is supplied through the fuel nozzle 28, then, mixed with the air stream 18 swirling by the blades of the swirl nozzle 28, the mixture ignites in the inner cavity 5 of the flame tube 1, forming an enriched diffusion flame torch 6 (α ₁ = 0.5-0.7) air-fuel mixture. In the primary zone of rich combustion (α _g = 0.5-0.7), the temperature of the gases is lowered (≈750 K) as a result of eliminating the mixing of air on the inner walls of the flame tube 1. In this case, part of the air flow 18 through the hollow posts 8, 9 and holes 15 in the wall 11 of the mixer 7, as well as holes 14 in the wall 10 of the flame tube 1 is directed towards the front of the diffusion flame of the flame 6 of the primary zone of rich combustion.

Столбики воздуха, вытекающие через эти отверстия, пронизывают границу фронта факела пламени 6 и способствуют возникновению лавинообразной активации горения. Смесь продуктов сгорания резко обедняется до α_г =1,8-2,2. При этом температура смеси резко повышается (до 1980 K). Для ее снижения служит смеситель, который образует воздушную завесу (аэродинамическое торможение) и "разбавляет" продукты сгорания путем истечения встречных потоков воздуха через отверстия 15 в стенках 11 смесителя 7 и через отверстия 14 в стенках 10 жаровой трубы 11.The columns of air flowing through these openings penetrate the boundary of the flame front 6 and contribute to the occurrence of an avalanche-like activation of combustion. The mixture of combustion products is sharply depleted to α _g = 1.8-2.2. The temperature of the mixture rises sharply (up to 1980 K). To reduce it, a mixer is used that forms an air curtain (aerodynamic drag) and “dilutes” the combustion products by expiration of oncoming air flows through openings 15 in the walls 11 of the mixer 7 and through openings 14 in the walls 10 of the flame tube 11.

При этом многократно уменьшается время нахождения активных реагентов топлива при максимальных температурах, от которого зависит образование окислов азота и углерода, а следовательно, токсичность выбросов. At the same time, the residence time of active fuel reagents is greatly reduced at maximum temperatures, on which the formation of nitrogen and carbon oxides, and hence the toxicity of emissions, depends.

Газосборник 2, образованный собственными кольцевыми стенками 20 и 21, увеличивает дополнительно время пребывания продуктов сгорания в полости газосборника за счет увеличения его объема, а также увеличения траектории движения частиц продуктов сгорания. The gas collector 2, formed by its own annular walls 20 and 21, additionally increases the residence time of the combustion products in the cavity of the gas collector by increasing its volume, as well as increasing the trajectory of the particles of combustion products.

При выполнении образующей конуса оболочки смесителя в форме дуг 23, 24 траектория движения еще больше отклоняется в радиальном направлении (угол α₁ вместо α₂ , способствуя более высокой степени смешения, и увеличивает дополнительное время пребывания в полости газосборника продуктов сгорания, что понижает поле температур на выходе из газосборника.When the generatrix of the mixer shell cone is made in the form of arcs 23, 24, the motion path deviates even more in the radial direction (the angle α ₁ instead of α ₂ , contributing to a higher degree of mixing, and increases the additional residence time in the gas chamber of the combustion products, which lowers the temperature field by exit from the gas collector.

Предлагаемая камера сгорания позволяет обеспечить устойчивое эффективное горение с пониженной токсичностью выхлопных газов при сжигании природного газа в газотурбинной энергетической установке. The proposed combustion chamber allows for sustainable effective combustion with reduced toxicity of exhaust gases during the combustion of natural gas in a gas turbine power plant.

Claims

A tubular-annular combustion chamber of a gas turbine power plant, comprising flame tubes connected to a gas collector having a cavity formed by its own annular walls and fastened to the outer and inner bodies, in each of which a mixer is fastened in the inner cavity downstream of the flame torch hollow racks with a flame tube wall, made in the form of a cone, characterized in that the mixer is equipped with an internal cone, a swirler is placed between the cones, and the surfaces form cones tapering in the direction of the swirler ring channel tops of the cones are directed against the flow and in the wall of the outer cone is provided with holes and slits.