RU2107869C1

RU2107869C1 - Burner of gas-turbine engine combustion chamber

Info

Publication number: RU2107869C1
Application number: RU93034343A
Authority: RU
Inventors: А.М. Постников; А.Н. Маркушин; И.С. Денисов; В.П. Савченко
Original assignee: Акционерное общество открытого типа Самарский научно-технический комплекс им.Н.Д.Кузнецова
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1998-03-27

Abstract

FIELD: combustion chambers of gas-turbine engines working mainly on gaseous fuel. SUBSTANCE: each burner of combustion zone and pilot combustion zone. Combustion process in pilot zone is organized at excess air coefficient of α = 1.2 to 1.4 and in main combustion zone at excess air coefficient of α = 1.8 to 2.0. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к камерам сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), работающих преимущественно на газообразном топливе. The invention relates to combustion chambers (CS) of gas turbine engines (GTE), operating mainly on gaseous fuel.

Известны устройства топливовоздушных горелок, расположенных во фронтовом устройстве (КС) [1], содержащие осесимметричные лопаточные завихрители с расположенными по их оси топливными форсунками. В таком устройстве топливо из форсунок подается в зону обратных токов (ЗОТ), образующуюся ниже по потоку за завихрителем, создавая в ней переобогащенную топливом смесь. При горении такой смеси в ЗОТ (из-за высокой температуры и большого времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур) образуются в большом количестве оксиды азота, которые вместе с продуктами сгорания выходят из ГТД, загрязняя окружающую среду, что является недостатком таких устройств. Known devices for air-fuel burners located in the front device (CS) [1], containing axisymmetric blade swirls with fuel nozzles located along their axis. In such a device, fuel from nozzles is fed into the reverse current zone (GFC), which is formed downstream behind the swirler, creating a mixture re-enriched with fuel in it. When such a mixture is burned in the BCP (due to the high temperature and the long residence time of the combustion products in the high temperature zone), nitrogen oxides are formed in large quantities, which, together with the combustion products, leave the gas turbine engine, polluting the environment, which is a drawback of such devices.

В настоящее время как у нас, так и за рубежом введены жесткие ограничения на количество выбрасываемых ГТД оксидов азота. At present, both in our country and abroad, strict restrictions have been imposed on the amount of nitrogen oxides emitted by gas turbine engines.

Известны камеры сгорания, в которых для уменьшения количества оксидов азота они выполняются с двумя зонами горения (см. например, пат. США 3872664 и [2] , в первой зоне организован процесс горения на богатом составе смеси, но с подачей малого расхода топлива в нее (10 - 20%), а во второй зоне - при бедном составе смеси остального топлива на продуктах горения в первой зоне. Во второй зоне образуется малое количество оксидов азота, однако такие камеры сгорания сложны, имеют большой вес, что является их недостатком. Combustion chambers are known in which, in order to reduce the amount of nitrogen oxides, they are carried out with two combustion zones (see, for example, US Pat. No. 3,872,664 and [2]), the combustion process is organized in the first zone with a rich composition of the mixture, but with a low fuel consumption into it (10 - 20%), and in the second zone - with a poor mixture of the rest of the fuel on the combustion products in the first zone.In the second zone, a small amount of nitrogen oxides is formed, however, such combustion chambers are complex, have a lot of weight, which is their disadvantage.

Известно устройство топливовоздушной горелки [3] (прототип), в которой для уменьшения выделения оксидов азота в нее подают до 55% воздуха, идущего в КС, обедняя смесь, что уменьшает образование оксидов азота. Однако из дежурной зоны, расположенной по центру горелки, затрудняется переброс пламени к дежурной зоне рядом расположенных аналогичных горелок, т.к. они разделены слоями бедного состава смеси, выходящими по периферии горелок. Это затрудняет запуск камеры сгорания, что является недостатком таких устройств. A device for a fuel-air burner [3] (prototype) is known, in which to reduce the emission of nitrogen oxides it is fed up to 55% of the air going to the compressor station, a lean mixture, which reduces the formation of nitrogen oxides. However, from the duty zone located in the center of the burner, it is difficult to transfer the flame to the duty zone of nearby similar burners, because they are separated by layers of a poor mixture, extending along the periphery of the burners. This makes it difficult to start the combustion chamber, which is a disadvantage of such devices.

Целью изобретения является снижение токсичности продуктов сгорания и обеспечение надежного запуска камеры сгорания. The aim of the invention is to reduce the toxicity of combustion products and ensure reliable start of the combustion chamber.

Эта цель достигается тем, что в горелке организован процесс горения одновременно в двух зонах. В одной зоне, расположенной по периферии горелки, процесс горения малого расхода топлива организован на "богатом" составе смеси, а в другой, расположенной по оси горелки, процесс горения остального топлива организован на "бедном" составе смеси. This goal is achieved by the fact that in the burner the combustion process is organized simultaneously in two zones. In one zone located on the periphery of the burner, the process of burning low fuel consumption is organized on the "rich" composition of the mixture, and in another, located on the axis of the burner, the process of burning the remaining fuel is organized on the "poor" composition of the mixture.

Предложенное техническое решение находится на уровне изобретения, обладающего новизной и полезностью. The proposed technical solution is at the level of the invention, with novelty and utility.

Сущность изобретения поясняется примерами конструктивного выполнения, приведенными на фиг. 1 и 2. The invention is illustrated by examples of structural embodiment shown in FIG. 1 and 2.

На фиг. 1 приведен продольный разрез горелки; на фиг. 2 - поперечный разрез топливного коллектора. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the burner; in FIG. 2 is a cross section of a fuel manifold.

На входе горелки размещен осесимметричный завихритель 1 с отверстием 2 по оси и кольцевым разделителем 3 по высоте лопаток, которые по обе стороны от него могут быть установлены под разными углами относительно оси завихрителя 1. На периферии завихрителя 2 размещен топливный коллектор 4, подключенный к топливораздающему углу, образованному двумя рядами форсуночных отверстий 5, 6, при этом оси отверстий 5 расположены перпендикулярно оси завихрителя 1, а оси отверстий 6 - параллельны ей. Суммарная площадь отверстий 6 выполнена равной 10 - 20% от суммарной площади отверстий 5, 6. At the inlet of the burner there is an axisymmetric swirler 1 with an opening 2 along the axis and an annular separator 3 along the height of the blades, which on both sides of it can be installed at different angles relative to the axis of the swirl 1. At the periphery of the swirl 2 there is a fuel manifold 4 connected to the fuel-distributing corner formed by two rows of nozzle holes 5, 6, while the axis of the holes 5 are perpendicular to the axis of the swirler 1, and the axis of the holes 6 are parallel to it. The total area of the holes 6 is made equal to 10 - 20% of the total area of the holes 5, 6.

За завихрителем 1 расположены две конфузорные концентрично расположенные втулки 7, 8, между которыми образован конфузорный канал 9, против входа которого расположены отверстия 6. Наружная втулка 8 выполнена с окнами (щелью) 10 на входе и с раструбом на выходе. Окна 10 могут быть выполнены на внутренней втулке 7. Behind the swirler 1 there are two concentrically arranged confuser bushings 7, 8, between which a confuser channel 9 is formed, against the entrance of which there are openings 6. The outer sleeve 8 is made with windows (slit) 10 at the inlet and with a socket at the outlet. Windows 10 can be made on the inner sleeve 7.

Площадь окон 10 выбирается из условия получения коэффициента избытка воздуха α в смеси канала 9, равного 1,2- 1,4. На выходе из канала 9 размещен осесимметричный завихритель 11. Кольцевое пространство за раструбом втулки 8, завихрителем 11 и выходной кромкой втулки 7 образует зону стабилизации 12. The area of the windows 10 is selected from the conditions for obtaining the coefficient of excess air α in the mixture of channel 9, equal to 1.2 - 1.4. At the exit of the channel 9, an axisymmetric swirl 11 is placed. The annular space behind the bell of the sleeve 8, swirl 11 and the output edge of the sleeve 7 forms a stabilization zone 12.

Для варианта горелки с раздельной подачей топлива в каждый из двух рядов отверстий 5, 6 полость топливного коллектора 2 разделена перегородкой 13 на две полости 14, 15, при этом подвод топлива к каждой из них производится по отдельным топливоподводящим каналам 16, 17. For a variant of a burner with separate fuel supply to each of the two rows of openings 5, 6, the cavity of the fuel manifold 2 is divided by a partition 13 into two cavities 14, 15, while the fuel is supplied to each of them via separate fuel supply channels 16, 17.

Горелка установлена во фронтовом устройстве жаровой трубы 18 камеры сгорания. The burner is installed in the front device of the flame tube 18 of the combustion chamber.

Работает топливовоздушная горелка следующим образом. The air-fuel burner operates as follows.

При включении камеры сгорания подается топливо в коллектор 4, из которого оно поступает через форсуночные отверстия 5, 6. При этом топливо через отверстия 5 подается поперек потока воздуха в зону за завихритель 1, где смешивается с турбулизированным завихрителем 1, воздухом образует гомогенную (однородную) смесь, которая далее по конфузорному каналу втулки 7 выходит за ее срез. Топливо из отверстий 6 подается в канал 9, где смешивается с воздухом, поступающим через окна 10, и далее через завихритель 11 выходит в зону стабилизации 12. Горючая топливовоздушная смесь с α = 1,2 - 1,4 воспламеняется от постороннего источника (например, от свечи), образует дежурную зону горения, от пламени, которым поджигается смесь с α = 1,8...2,0, выходящая из сопла втулки 7, образуя основную зону горения. Процесс горения бедной смеси с α = 1,8 - 2,0 в основной зоне происходит с низкой температурой пламени, которая оказывается недостаточной для интенсивного образования оксидов азота. Наличие отверстия 2 по оси завихрителя 1 предотвращает образование зоны обратных токов за ним, что уменьшает время пребывания продуктов горения в этой зоне, а следовательно, уменьшает образование оксидов азота в основной зоне. When the combustion chamber is turned on, fuel is supplied to the manifold 4, from which it enters through the nozzle openings 5, 6. In this case, the fuel through the openings 5 is fed across the air flow into the zone behind the swirler 1, where it mixes with the turbulent swirl 1, and forms homogeneous (uniform) air the mixture, which is further along the confuser channel of the sleeve 7 extends beyond its slice. The fuel from the openings 6 is fed into the channel 9, where it is mixed with the air entering through the windows 10, and then through the swirler 11 it enters the stabilization zone 12. The combustible air-fuel mixture with α = 1.2 - 1.4 is ignited from an external source (for example, from the candle), forms the combustion zone on duty, from the flame, which ignites the mixture with α = 1.8 ... 2.0, leaving the nozzle of the sleeve 7, forming the main combustion zone. The process of burning a lean mixture with α = 1.8 - 2.0 in the main zone occurs with a low flame temperature, which is insufficient for the intensive formation of nitrogen oxides. The presence of a hole 2 along the axis of the swirler 1 prevents the formation of a reverse current zone behind it, which reduces the residence time of the combustion products in this zone and, therefore, reduces the formation of nitrogen oxides in the main zone.

Процесс горения в дежурной зоне происходит при более высокой температуре пламени, поэтому в ней образуются оксиды азота, однако в этой зоне сгорает малое количество топлива (10 - 20%) и концентрация их, отнесенная ко всему расходу топлива, оказывается малой. The combustion process in the standby zone occurs at a higher flame temperature, therefore, nitrogen oxides are formed in it, however, a small amount of fuel (10 - 20%) burns in this zone and their concentration, referred to the entire fuel consumption, is small.

При наличии в коллекторе двух полостей 14, 15 (и соответственно двух регуляторов расхода в системе двигателя) топливо сначала подается в полость 14 до достижения оптимального режима в дежурной зоне, а после этого подается топливо в полость 15, т.е. в основную зону горения, дальнейшее увеличение режима производства происходит за счет увеличения расхода топлива в основную зону горения. If there are two cavities 14, 15 in the collector (and, accordingly, two flow regulators in the engine system), the fuel is first supplied to the cavity 14 until the optimum mode in the standby zone is reached, and then the fuel is supplied to the cavity 15, i.e. into the main combustion zone, a further increase in the production mode occurs due to an increase in fuel consumption in the main combustion zone.

Воспламенение топливовоздушной смеси в рядом расположенных горелках происходит от пламени дежурной зоны, воспламенение смеси в которой происходит от постороннего источника, что обеспечивает надежный запуск камеры сгорания. The ignition of the air-fuel mixture in the adjacent burners occurs from the flame of the duty zone, the ignition of the mixture in which comes from an external source, which ensures reliable starting of the combustion chamber.

На нашем предприятии изготовлен опытный экземпляр таких горелок и испытан на полноразмерном двигателе (РГ-N 1 сб. 6) с положительными результатами, а именно при расходе топлива в дежурную зону 7 - 15% концентрация оксидов азота в выхлопных газах двигателя оказалась на 30 - 40% меньше по сравнению с двигателем, оснащенным горелками прототипа. Our company made a prototype of such burners and tested on a full-size engine (RG-N 1 sb. 6) with positive results, namely, when the fuel consumption in the standby zone was 7-15%, the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases of the engine was 30-40 % less compared to an engine equipped with prototype burners.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции топливовоздушной горелки на камере сгорания газотурбинного двигателя позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота в выхлопных газах двигателя, а следовательно, уменьшить их токсичность и улучшить эмиссионные характеристики двигателя. Thus, the use of the proposed design of the air-fuel burner on the combustion chamber of a gas turbine engine allows to reduce the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases of the engine, and therefore, to reduce their toxicity and improve the emission characteristics of the engine.

Claims

1. The burner of the combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel distributing unit connected to the collector, and an axisymmetric swirl with a confuser sleeve at the outlet, characterized in that the collector is located on the periphery of the swirl, and the fuel distributing unit is formed by two rows of nozzle openings, while the axis of the openings of the first row directed perpendicular to the swirl axis, and the axis of the second row parallel to it and facing the inlet of the confuser channel formed by the inner and outer confuser bushings, the latter of which has windows at the inlet and funnel outlet, wherein the outlet channel is provided with a swirler axisymmetric.

2. The burner according to claim 1, characterized in that the cavity of the fuel manifold is divided by a partition into two cavities so that one of them communicates with the nozzle openings of one row and the other with the openings of the second row.