RU2128313C1

RU2128313C1 - Burner

Info

Publication number: RU2128313C1
Application number: RU97109688A
Authority: RU
Inventors: Р.С. Кашапов; Д.А. Максимов; С.Ф. Жданов; Ю.И. Захаров; Д.В. Скиба
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Теплофизика"
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 1999-03-27

Abstract

FIELD: thermal engineering. SUBSTANCE: burner has two segments 1, 2 of truncated cone surface relatively shifted to form two tangential channels 3, 4 for admitting air inside burner; two fuel cyclones 5, 6 installed upstream of each tangential channel in rectangular-section mixing chamber 7 with holes 8 arranged opposite air flow; two fuel cyclones 9, 10 mounted downstream of cyclones 5, 6. Cyclones 9, 10 have holes 11 arranged opposite air flow. Fuel supply tube and jet injector 13 are installed inside burner along its longitudinal axis. EFFECT: reduced emission of nitrogen oxides and improved operating stability of burner. 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей. The invention relates to engine building and can be used in the combustion chambers of gas turbine engines.

Известно горелочное устройство [1], содержащее топливоподводящую трубу, топливный коллектор и смеситель, выполненный в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующих межлопаточные каналы подвода воздуха и топливовоздушной смеси, причем ширина последних больше ширины каналов подвода воздуха, а топливный коллектор выполнен из трубок, установленных перед завихрителем по оси каналов топливовоздушной смеси. Недостатком конструкции является низкая степень однородности состава топливовоздушной смеси, поскольку чередование каналов смеси и чистого воздуха создает на выходе из горелочного устройства поле концентраций топлива с выраженной окружной неравномерностью, при которой сектора с переобогащенной смесью чередуются с секторами, содержащими чистый воздух. В этом случае концентрация NO_x в выхлопных газах будет значительно больше, чем при горении однородной смеси.A burner device [1] is known, comprising a fuel supply pipe, a fuel manifold and a mixer made in the form of an axial blade swirl consisting of curved blades mounted with a variable alternating angular pitch, forming interscapular channels for supplying air and air-fuel mixture, the width of the latter being greater than the width of the channels air supply, and the fuel manifold is made of tubes installed in front of the swirl along the axis of the air-fuel mixture channels. The design drawback is the low degree of uniformity of the composition of the air-fuel mixture, since the alternation of the mixture channels and clean air creates a field of fuel concentrations at the outlet of the burner with pronounced circumferential unevenness, in which sectors with the re-enriched mixture alternate with sectors containing clean air. In this case, the concentration of NO _x in the exhaust gases will be significantly higher than when burning a homogeneous mixture.

Известно также горелочное устройство с предварительной подготовкой смеси [2] , содержащее диффузионную дежурную горелку с топливораспределительной трубкой и воздухоподающей трубкой, камеру предварительного смешения, окружающую дежурную горелку, систему радиальных топливных коллекторов с многочисленными отверстиями, через которые топливо поступает в камеру смешения и завихритель, расположенный вверх по потоку от топливных коллекторов. В этом горелочном устройстве действительно обеспечивается высокое качество подготовки смеси, но лишь в том случае, если процесс горения осуществляется вниз по потоку от среза дежурной горелки. Однако диффузорная форма канала камеры смешения благоприятствует возникновению отрывных течений, что создает опасность проскока пламени в камеру смешения. При этом, даже если не произойдет повреждения элементов горелочного устройства (при оптимальной схеме организации теплозащиты это возможно), то из-за не смешанности топлива с воздухом выбросы NO_x будут чрезмерно высоки. Кроме того, к недостаткам этого решения следует отнести его сложность, особенно в приложении к многогорелочным камерам сгорания.It is also known a burner with preliminary preparation of the mixture [2], containing a diffusion standby burner with a fuel distribution pipe and an air supply pipe, a preliminary mixing chamber surrounding the standby burner, a radial fuel manifold system with numerous openings through which fuel enters the mixing chamber and a swirl located upstream of the fuel manifolds. In this burner device, a high quality preparation of the mixture is really ensured, but only if the combustion process is carried out downstream from the cut-off of the standby burner. However, the diffuser shape of the channel of the mixing chamber favors the occurrence of separated flows, which creates the danger of a flame through the mixing chamber. At the same time, even if damage to the elements of the burner does not occur (with an optimal arrangement of thermal protection, this is possible), then due to the non-mixing of fuel with air, NO _x emissions will be excessively high. In addition, the disadvantages of this solution include its complexity, especially when applied to multi-burner combustion chambers.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [3], разработанное специалистами фирмы ABB. Горелочное устройство состоит по крайней мере из двух расположенных друг под другом усеченных полуконусов, расширяющихся в направлении потока, продольные оси которых смещены с образованием тангенциальных каналов для прохода воздуха. Выше каждой входной щели вне образованной отдельными коническими телами горелки располагается канал, в котором размещен инжектор для топлива. Топливо истекает из инжектора и смешивается с воздушным потоком, текущим через каналы. The closest technical solution, selected as a prototype, is a burner device [3], developed by ABB specialists. The burner device consists of at least two truncated semi-cones located one below the other, expanding in the direction of flow, the longitudinal axes of which are offset to form tangential channels for the passage of air. Above each entrance slit, outside the burner formed by individual conical bodies, there is a channel in which a fuel injector is located. Fuel flows out of the injector and mixes with the air flow flowing through the channels.

Фирмой ABB запатентовано еще несколько горелочных устройств, работающих по аналогичному принципу, отличающихся исполнением системы подачи топлива (см. например [4], [5]). Результаты лабораторных испытаний горелочных устройств данного типа обобщены в статье [6]. ABB has patented several more burner devices operating on a similar principle, differing in the performance of the fuel supply system (see, for example, [4], [5]). The results of laboratory tests of burner devices of this type are summarized in [6].

Конструкция горелочного устройства ABB проста и высокотехнологична, что делает ее предпочтительной для использования в многогорелочных высокофорсированных камерах сгорания. В то же время этой конструкции присущи серьезные недостатки. Качество предварительной подготовки смеси существенно отличается для различных газовых струй в зависимости от расположения труб относительно выходного сечения горелочного устройства. Струи газа, подаваемые вблизи малого диаметра конуса (выше по направлению воздушного потока), к выходному сечению горелочного устройства качественно перемешиваются с воздухом. И напротив, качество смешения газа, подаваемого непосредственно перед выходным сечением является неудовлетворительным из-за малой длины участка смешения. Поле концентраций существенно неравномерное, в отдельных точках локальная концентрация топлива на 40% превышает среднемассовую [6]. Это не может не привести к повышенной эмиссии NO_x.The design of the ABB burner is simple and high-tech, which makes it preferable for use in multi-burner highly accelerated combustion chambers. At the same time, this design has serious flaws. The quality of the preliminary preparation of the mixture differs significantly for different gas jets depending on the location of the pipes relative to the outlet section of the burner device. The gas jets supplied near the small diameter of the cone (higher in the direction of the air flow) to the outlet cross section of the burner device are qualitatively mixed with air. Conversely, the mixing quality of the gas supplied immediately before the outlet section is unsatisfactory due to the small length of the mixing section. The concentration field is essentially non-uniform, at some points the local fuel concentration is 40% higher than the mass-average [6]. This cannot but lead to increased emissions of NO _x .

Кроме того, данное горелочное устройство обладает неудовлетворительной устойчивостью к срыву пламени при обеднении смеси. В частности, при сжигании пропановоздушной смеси при температуре воздуха t_в = 400^oC срыв пламени наступает уже при α = 2,2 [6], в то время, как известно, что для данных условий можно добиться устойчивого горения однородной смеси вплоть до α = 2,5. Очевидно, ранний срыв пламени наступает из-за того, что в приосевой зоне закрученной струи в целом и в зоне обратных токов, в частности, концентрация топлива меньше среднемассовой.In addition, this burner device has an unsatisfactory resistance to flame failure during lean mixture. In particular, when a propane-air mixture is burned at an air temperature of t _at = 400 ^o C, flame failure occurs already at α = 2.2 [6], while it is known that for these conditions it is possible to achieve stable combustion of a homogeneous mixture up to α = 2.5. Obviously, an early flame failure occurs due to the fact that in the near-axial zone of the swirling jet as a whole and in the zone of reverse currents, in particular, the fuel concentration is less than the mass average.

Отмеченные недостатки обуславливают необходимость усложнения конструкции камер сгорания с горелочными устройствами ABB и требуют применения сложных систем регулирования. Для удовлетворения требований по выбросам NO_x, CO и достижения устойчивости горения камеры сгорания ABB состоит из нескольких десятков горелочных устройств, объединенных в отдельные группы, при этом с увеличением нагрузки последовательно включаются отдельные группы горелочных устройств.The noted drawbacks necessitate the complication of the design of combustion chambers with ABB burner devices and require the use of complex control systems. To meet the requirements for NO _x , CO emissions and achieve combustion stability of the combustion chamber, ABB consists of several dozen burner devices combined into separate groups, and with the increase in load, separate groups of burner devices are connected in series.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является снижение эмиссии окислов азота и повышение устойчивости работы горелочного устройства. The problem to which the invention is directed is to reduce the emission of nitrogen oxides and increase the stability of the burner device.

Поставленная цель достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем по крайней мере два расположенных друг под другом усеченных полуконуса, расширяющихся в направлении потока, продольные оси которых смещены с образованием тангенциальных каналов для прохода воздуха, причем что перед каждым тангенциальным каналом размещена камера смешения прямоугольного сечения, содержащая два инжектора с системами многочисленных равномерно расположенных по сечению камеры смешения отверстий для подачи газообразного топлива, причем в одном инжекторе отверстия расположены против направления потока воздуха, а во втором соответственно по направлению потока воздуха и по оси горелочного устройства размещена топливоподводящая трубка, охлаждаемая протекающим внутри нее топливом с расположенной на ней струйной форсункой. This goal is achieved by the fact that in the burner device containing at least two truncated half-cones located one below the other, expanding in the direction of flow, the longitudinal axes of which are offset to form tangential channels for the passage of air, and that a rectangular section mixing chamber is placed in front of each tangential channel containing two injectors with systems of numerous openings for supplying gaseous fuel evenly spaced along the section of the mixing chamber, moreover, in one engineer The holes of the vector are opposite to the direction of the air flow, and in the second, a fuel supply pipe is placed in the second direction, in the direction of the air stream and along the axis of the burner, cooled by the fuel flowing inside it with the jet nozzle located on it.

Существо конструкции поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема горелочного устройства, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. The essence of the construction is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a diagram of a burner device; FIG. 2 is a section AA in FIG. 1.

Заявляемое горелочное устройство содержит два сегмента поверхности усеченного конуса 1, 2, размещенных друг относительно друга со смещением с образованием двух тангенциальных каналов 3, 4 для входа воздуха во внутреннюю полость горелочного устройства, два топливных пилона 5, 6, установленных перед каждым тангенциальным каналом в камере смешения 7 прямоугольного сечения с отверстиями 8, расположенными против направления воздушного потока, два топливных пилона 9, 10, установленных за пилонами 5, 6. На пилонах 9, 10 имеются отверстия 11, расположенные против направления воздушного потока. Топливоподающая трубка 12 со струйной форсункой 13, размещены внутри полости горелочного устройства вдоль продольной оси. The inventive burner device contains two segments of the surface of the truncated cone 1, 2, placed relative to each other with offset to form two tangential channels 3, 4 for air inlet into the internal cavity of the burner device, two fuel pylons 5, 6 installed in front of each tangential channel in the chamber mixing 7 of rectangular cross section with openings 8 located opposite the direction of air flow, two fuel pylons 9, 10 installed behind pylons 5, 6. On pylons 9, 10 there are openings 11, located ie against the direction of air flow. The fuel supply pipe 12 with the jet nozzle 13 is placed inside the cavity of the burner device along the longitudinal axis.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает во внутреннюю полость горелочного устройства через входные каналы 3, 4, основной расход газа подается через систему отверстий 11 в топливных пилонах 9, 10. Смешение газа с воздухом осуществляется в камере смешения и в закрученном потоке внутри конической полости. Благодаря этому достигается более высокое качество смешения топлива с воздухом по сравнению с прототипом, и, следовательно, уменьшение выбросов окислов азота. За счет подачи топлива против направления потока из отверстий 7, расположенных на топливных пилонах 5, 6 можно увеличить гидравлическое сопротивление горелочного устройства и уменьшить расход воздуха в горелочное устройство на режимах пониженных нагрузок. Благодаря этому достигается более высокий уровень концентрации топлива в горелочном устройстве на режимах пониженной мощности газовой турбины и тем самым увеличивается диапазон устойчивой работы горелочного устройства в камере сгорания газовой турбины. При этом относительный расход топлива, подаваемого через отверстия, направленные против направления воздушного потока может регулироваться в зависимости от нагрузки камеры сгорания и коэффициента избытка воздуха в зоне горения. Дежурное топливо подается через струйную форсунку 13 непосредственно в зону обратных токов, располагающуюся вблизи среза горелочного устройства, что позволяет существенно повысить устойчивость горения по сравнению с прототипом и увеличить значение коэффициента избытка воздуха, соответствующее бедному срыву пламени. При этом относительный расход дежурного топлива может регулироваться в зависимости от нагрузки камеры сгорания и коэффициента избытка воздуха в зоне горения. На высоких нагрузках (при низких α) расход дежурного топлива можно уменьшить до нуля, поскольку на этих режимах устойчивость горения достаточно высока и без применения дежурного топлива. The operation of the burner is as follows. Air enters the internal cavity of the burner through the inlet channels 3, 4, the main gas flow is fed through a system of holes 11 in the fuel pylons 9, 10. The gas is mixed with air in the mixing chamber and in a swirling flow inside the conical cavity. Due to this, a higher quality of mixing fuel with air is achieved in comparison with the prototype, and, consequently, the reduction of nitrogen oxide emissions. Due to the supply of fuel against the direction of flow from the openings 7 located on the fuel pylons 5, 6, it is possible to increase the hydraulic resistance of the burner device and reduce the air flow into the burner device under reduced load conditions. Due to this, a higher level of fuel concentration in the burner is achieved at low power modes of the gas turbine and thereby the range of stable operation of the burner in the combustion chamber of the gas turbine is increased. In this case, the relative consumption of fuel supplied through openings directed against the direction of the air flow can be adjusted depending on the load of the combustion chamber and the coefficient of excess air in the combustion zone. Standby fuel is supplied through the jet nozzle 13 directly to the reverse current zone located near the cutoff of the burner device, which can significantly increase combustion stability compared to the prototype and increase the coefficient of excess air corresponding to a poor flameout. In this case, the relative consumption of standby fuel can be regulated depending on the load of the combustion chamber and the coefficient of excess air in the combustion zone. At high loads (at low α), standby fuel consumption can be reduced to zero, since in these modes the combustion stability is quite high without the use of standby fuel.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве, благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно, размещена камера смешения прямоугольного сечения, содержащая два инжектора с системами многочисленных равномерно расположенных по сечению камеры смешения отверстий для подачи газообразного топлива, причем в одном инжекторе отверстия расположены против направления потока воздуха, а во втором соответственно по направлению потока воздуха и по оси горелочного устройства размещена топливоподводящая трубка, охлаждаемая протекающим внутри нее топливом с расположенной на ней струйной форсункой обеспечивается снижение эмиссии окислов азота и повышается устойчивость работы горелочного устройства. Thus, in the inventive burner device, due to the implementation of new design features, namely, there is a mixing chamber of rectangular cross-section, containing two injectors with systems of multiple openings for supplying gaseous fuel evenly spaced across the mixing chamber, and in one injector, the openings are opposite to the flow direction air, and in the second, respectively, in the direction of air flow and along the axis of the burner, a fuel supply pipe is placed, cooled by the fuel flowing inside it with a jet nozzle located on it ensures a reduction in the emission of nitrogen oxides and increases the stability of the burner.

Источники информации принятые во внимание
1. Патент Российской Федерации RU 2036383 C1, кл. F 23 D 14/02, 1995.Sources of information taken into account
1. Patent of the Russian Federation RU 2036383 C1, cl. F 23 D 14/02, 1995.

2. Патент ЕПВ(ЕР) N 0421817 A1, кл. F 23 D 14/00, 1985. 2. Patent EPO (EP) N 0421817 A1, cl. F 23 D 14/00, 1985.

3. Патент ЕПВ (ЕР) N 0433790, кл. F 23 D 17/00, 11/00, F 23 C 7/00, 1985. 3. Patent EPO (EP) N 0433790, cl. F 23 D 17/00, 11/00, F 23 C 7/00, 1985.

4. Патент Российской Федерации RU 2011117 С1, кл. F 23 D 11/00, 1989. 4. Patent of the Russian Federation RU 2011117 C1, cl. F 23 D 11/00, 1989.

5. Патент ЕПВ(ЕР) N 0321809 A1, кл. F 23 D 17/00, 11/40, F 23 R 3/02. 5. Patent EPO (EP) N 0321809 A1, cl. F 23 D 17/00, 11/40, F 23 R 3/02.

6. TH. Sattelmayer, M. P. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure. 1989. 6. TH. Sattelmayer, M. P. Felchlin, J. Haumann, J. Hellat, D. Styner. Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbines: Burner Developmen and Tests at Atmospheric Pressure. 1989.

7. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б. Ахмедова. M.: Энергия, 1977, 240 с. 7. Aerodynamics of a swirling jet. Ed. R.B. Akhmedova. M .: Energy, 1977, 240 p.

Claims

A burner device containing at least two truncated half-cones located one below the other, expanding in the direction of flow, the longitudinal axes of which are displaced to form tangential channels for air passage, characterized in that a rectangular section mixing chamber is placed in front of each tangential channel, containing two injectors and systems of numerous openings for supplying gaseous fuel evenly spaced along the cross section of the mixing chamber, the openings being located in one injector against the direction of the air flow, and in the second, respectively, in the direction of the air flow, and along the axis of the burner device, a fuel supply pipe is placed, cooled by the fuel flowing inside it, ending in a fuel nozzle.