RU2133411C1

RU2133411C1 - Fuel-air burner of gas-turbine engine combustion chamber

Info

Publication number: RU2133411C1
Application number: RU94030081A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Маркушин; Н.А. Маркушин
Original assignee: Самарское государственное научно-производственное предприятие "Труд"
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1999-07-20
Also published as: RU94030081A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: fuel-air burner of combustion chamber has hollow thin-walled housing with diffuser at outlet, profiled converging ring with conical tip and bell pointed to outlet installed coaxially with housing to form clearance increasing to outlet. Converging ring is arranged on outer surface of wall in clearance. Burner had also air swirler and fuel nozzle. Conical tip is provided with flange on edge. Summary effective area of through sections for passing primary air through front of burner is 0.55-0.8 of summary effective area of through sections of flue holes, and corresponding area of nozzle relative to area of burner and area of nozzle behind tip relative to area of nozzle are 0.1-0.25. Holes are made on edge of conical tip before flange. EFFECT: enlarged range of steady operation of burner, increased starting altitude. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к камерам сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), работающих преимущественно на жидком и газообразном углеводородных топливах. The invention relates to combustion chambers (CS) of gas turbine engines (GTE), working mainly on liquid and gaseous hydrocarbon fuels.

Известна топливовоздушная горелка, устанавливаемая во фронтовое устройство (ФУ) КС, преимущественно трубчатой или трубчато-кольцевой конструкции, для двухстадийного сжигания топлива, например, по а.с. N 1166568, кл. F 23 R 3/24. Known air-fuel burner installed in the front device (FU) KS, mainly tubular or tubular-ring design, for two-stage combustion of fuel, for example, by AS N 1166568, cl. F 23 R 3/24.

Известна также горелка, содержащая топливную форсунку, корпус с двумя соосными воздушными завихрителями, профилированное сопло, например, с перфорацией на входной части и диффузорный насадок на выходе (а.с. N 230557, кл. F 02 C 7/03 - прототип). Also known is a burner containing a fuel nozzle, a housing with two coaxial air swirls, a profiled nozzle, for example, with perforation at the inlet and diffuser nozzles at the outlet (A.S. N 230557, class F 02 C 7/03 - prototype).

Эти горелки набирают по кольцу ФУ камеры, имеют индивидуальную вихревую структуру течения за ФУ, хорошее перемешивание топлива с воздухом в сопле, обеспечивают энергичное сжигание топливовоздушной смеси (ТВС) в относительно короткой жаровой трубе (ЖТ) камеры с высокой полнотой сгорания на номинальном и максимальном режимах работы и с умеренным выбросом дыма на выхлопе двигателя. Камеры с такими и подобного типа горелками нашли широкое применение в авиационных ГТД, например, Д18, Д36. These burners collect along the FU chamber ring, have an individual vortex flow structure behind the FU, good mixing of the fuel with air in the nozzle, provide vigorous combustion of the air-fuel mixture (FA) in the relatively short flame tube (VT) of the chamber with high completeness of combustion at the nominal and maximum modes work and with moderate smoke emission on the engine exhaust. Cameras with such and similar types of burners are widely used in aviation gas turbine engines, for example, D18, D36.

Однако эти КС без существенных усложнений конструкции ЖТ и системы топливоподачи пока не могут обеспечить современные и тем более перспективные нормы на выброс в атмосферу токсичных выделений (эмиссии) от сжигания углеводородных топлив, особенно окислов азота NO_х, во всем эксплуатационном диапазоне работы.However, these CSs without significant structural complications of the VT and fuel supply system cannot yet provide modern and even more promising standards for the emission of toxic emissions (emissions) from the combustion of hydrocarbon fuels, especially nitrogen oxides NO _x , in the entire operational range of operation.

Целью предлагаемого изобретения является усовершенствование конструкции горелок для улучшения эмиссионных характеристик традиционных однозонных камер, особенно по выбросам NO_х, расширение диапазона устойчивой работы по "белому" срыву пламени и повышения высотности запуска без усложнения конструкции ЖТ и системы топливоподачи.The aim of the invention is to improve the design of the burners to improve the emission characteristics of traditional single-zone chambers, especially in terms of NO _x emissions, expanding the range of stable operation in the "white" flame outage and increasing the altitude of the launch without complicating the construction of the VT and fuel supply system.

Эта цель достигается тем, что в топливовоздушной горелке, имеющей тонкостенный пустотелый корпус с диффузором на выходе, соосно в нем с относительно большим зазором профилированное конфузорное сопло с перфорацией на выходной части, воздушным завихрителем и топливной форсункой на входе, на наружной поверхности сопла у выхода устанавливается конический насадок с отверстиями и отбортовкой на кромке и раструбом к выходу. При этом для увеличения пропускной способности ФУ суммарная эффективная площадь сечений для прохода первичного воздуха через ФУ с данными горелками составляет 0,55-0,8 от суммарной эффективной площади отверстий ЖТ, чтобы обеспечить в зоне горения, например при 3,5 ТВС с α_фу ≥ 1,8, при которой практически не образуются оксиды азота. Вместе с этим, эффективная площадь сопла, составляющая 0,15.. 0,25 от площади горелки, за счет сечений перфорации в его стенках и выходного отверстия обеспечивает выпуск 80-90% ТВС в наружный поток до конического насадка и 10-20% за ним. Это делается для того, чтобы организовать в циркуляционных зонах за насадком "дежурный" очаг горения с α_см ≈ 0,6-1,2, который должен поджигать и поддерживать процесс горения наружного потока с "бедным" составом ТВС за горелкой.This goal is achieved by the fact that in a fuel-air burner having a thin-walled hollow body with a diffuser at the outlet, a profiled confuser nozzle with perforation at the output part, an air swirl and a fuel nozzle at the inlet, on the outer surface of the nozzle at the exit is installed coaxially with a relatively large gap conical nozzles with holes and flanging on the edge and a bell to the exit. In this case, to increase the throughput of the FC, the total effective cross-sectional area for primary air passage through the FC with these burners is 0.55-0.8 of the total effective area of the openings of the VT to provide in the combustion zone, for example, at 3.5 fuel assemblies with α _fu ≥ 1.8, at which nitrogen oxides are practically not formed. At the same time, the effective area of the nozzle, which is 0.15 .. 0.25 of the area of the burner, due to the perforation cross-sections in its walls and the outlet, ensures the release of 80-90% fuel assemblies into the external flow to the conical nozzle and 10-20% for him. This is done in order to organize in the circulation zones behind the nozzle a “standby” burning center with α _cm ≈ 0.6-1.2, which should ignite and support the external flow combustion process with a “poor” fuel assembly behind the burner.

Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями, т.к. отличительные признаки изобретения в других объектах техники не обнаружены. The proposed technical solution has significant differences, because distinctive features of the invention in other objects of technology are not found.

На чертеже для примера показана конструкция горелки по предлагаемому изобретению. In the drawing, for example, shows the design of the burner according to the invention.

Как видно, горелка имеет тонкостенный пустотелый корпус 1 с элементами крепления к лобовой плите ФУ, например, с помощью гайки 2, диффузор 3, соосно в нем с большим зазором профилированное конфузорное сопло 4 с перфорацией на выходной части, воздушным завихрителем 5 и топливной форсункой 6 на входе. В расширяющемся к выходу зазоре между диффузором и соплом на его внешней поверхности имеется конический насадок 7 с отверстиями и отбортовкой на выходной кромке. Насадок в сопряжении с выходной частью сопла образует в сечении профиль тела V - образной формы, в следе за которым при натекании воздушного потока возникают циркуляционные зоны сложной структуры (в представлении авторов картина течения показана на чертеже) и создаются благоприятные условия для организации высокотемпературного "дежурного" очага горения ТВС, которая выходит через отверстия сопла за насадкой. As you can see, the burner has a thin-walled hollow body 1 with fastening elements to the frontal plate of the ФУ, for example, using a nut 2, a diffuser 3, a profiled confuser nozzle 4 coaxially with a large gap in it with perforation on the output part, an air swirl 5 and a fuel nozzle 6 at the entrance. In the gap widening towards the exit between the diffuser and the nozzle, on its outer surface there is a conical nozzle 7 with holes and a flange at the output edge. The nozzles, in conjunction with the exit part of the nozzle, form a V-shaped body profile in the section, followed by circulation zones of a complex structure when air flows in (in the authors' view, the flow pattern is shown in the drawing) and favorable conditions are created for organizing a high-temperature “standby” the combustion center of the fuel assembly, which exits through the nozzle openings behind the nozzle.

Отбортовка и отверстия на выходной кромке насадка служат для турбулизации наружного потока с "бедной" ТВС и создания, таким образом, промежуточного кольцевого слоя контакта центральной высокотемпературной зоны с ним. Сопло крепится внутри корпуса с помощью, например, 3-4 пилонов обтекаемой формы (на фиг. не показано). Flanging and openings on the outlet edge of the nozzle serve to turbulize the external flow from the “poor” fuel assembly and thus create an intermediate annular layer of contact between the central high-temperature zone and it. The nozzle is mounted inside the housing using, for example, 3-4 streamlined pylons (not shown in FIG.).

Из литературы (А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", М., Мир, 1986) известно, что значительное уменьшение NO_х (в 3-10 раз от современного уровня, т.е. до 3-6 г на 1 кг сгоревшего топлива) можно достичь организацией процесса сжигания за ФУ камер "бедных" смесей с α_фу ≥ 1,4, т.е. при температуре факела пламени менее 1800^oC.From the literature (A. Lefebvre "Processes in the combustion chamber of a gas turbine engine", M., Mir, 1986) it is known that a significant decrease in NO _x (3-10 times from the current level, i.e. up to 3-6 g per 1 kg burnt fuel) can be achieved by organizing the process of burning for the FU chambers of “poor” mixtures with α _fu ≥ 1.4, i.e. at a flame temperature of less than 1800 ^o C.

В рассматриваемой конструкции горелки проходные сечения каналов, и особенно наружного, специально увеличены так, что суммарная эффективная площадь для первичного воздуха всех горелок ФУ составляла 0,55-0,8 от суммарной эффективной площади проходных сечений всей ЖТ. Это обеспечивает за горелками, например, при α_кс ≈ 3,5, π_K≈ 25(Tг*≈1550 K ), α_фу ≥ 1,8 и температуру факела пламени не более 1800^oC.In the burner design under consideration, the passage sections of the channels, and especially the external one, are specially increased so that the total effective area for the primary air of all FU burners is 0.55-0.8 of the total effective area of the passage sections of the entire VT. This provides behind the burners, for example, at α _kc ≈ 3.5, π _K ≈ 25 (Tg * ≈1550 K), α _fu ≥ 1.8 and the flame temperature of the flame is not more than 1800 ^o C.

Для обеспечения розжига и поддержания процесса горения "бедной" ТВС наружного потока служит высокотемпературная зона горения в следе за коническим насадком и соплом, куда подается 0,10-0,25 расхода топлива и воздуха горелки. A high-temperature combustion zone in the wake of the conical nozzle and nozzle, to which 0.10-0.25 fuel consumption and burner air flows, is used to ensure ignition and maintain the combustion process of the “poor” fuel assembly of the external flow.

Уточнение площадей для прохода первичного воздуха и ТВС горелки делается в ходе экспериментальной отработки КС в зависимости от назначения и типа ГТД. The refinement of the areas for the passage of primary air and fuel assemblies of the burner is done during the experimental testing of the compressor, depending on the purpose and type of gas turbine engine.

Принцип работы горелок в системе камеры ГТД заключается в следующем. The principle of operation of the burners in the gas turbine engine chamber system is as follows.

После раскрутки ротора ГТД от постороннего источника до заданной частоты вращения начинает поступать топливо в форсунку, которое смешивается с набегающим закрученным потоком воздуха в полости сопла за завихрителем. Под перепадом давления на ЖТ (обычно 3-4%), а также от разрежения, создаваемого наружным потоком горелки, ТВС выходит в отверстия перфорации перед насадкой и за ним, где поджигается от кратковременно включенного малогабаритного воспламенителя или свечи непосредственного розжига (на чертеже не показано) и начинает гореть в следе за конусом и соплом в зонах циркуляции и в высокотемпературном фронте за ними. По мере увеличения режима, т.е. увеличения расхода топлива и выхода его в виде ТВС за пределы горелки, все в больших и больших количествах начинает вступать в горение воздух "бедной" смеси наружного контура, т.к. растет объем зоны горения по фронту и по длине факела. After the GTE rotor is unwound from an extraneous source to a predetermined speed, fuel begins to flow into the nozzle, which is mixed with an incoming swirling air flow in the nozzle cavity behind the swirler. Under the pressure drop across the VT (usually 3-4%), as well as from the vacuum generated by the external flow of the burner, the fuel assembly goes into the perforation holes in front of the nozzle and behind it, where it is ignited by a short-time igniter or a direct ignition candle (not shown in the drawing ) and begins to burn in the wake behind the cone and nozzle in the circulation zones and in the high-temperature front behind them. As the mode increases, i.e. increase in fuel consumption and its exit in the form of fuel assemblies beyond the limits of the burner, everything in large and large quantities begins to enter into combustion the air of the “poor” mixture of the external circuit, because the volume of the combustion zone increases along the front and along the length of the torch.

В связи с наличием в горелках лишь ослабленного перфорацией отверстий сопла центрального воздушного вихря и отсутствием наружного вихря за ФУ, видимо, не будут возникать "горячие" следы большой протяженности, которые приводят к перегреву стенок ЖТ и лопаток турбины. Известно, что "следы" являются следствием взаимодействия индивидуальных вихреобразований между собой и стенками ЖТ. Due to the presence of only a central air vortex nozzle weakened by perforation of the holes in the burners and the absence of an external vortex behind the PV, apparently, there will be no “hot” traces of a long extent that lead to overheating of the walls of the VT and turbine blades. It is known that “traces” are the result of the interaction of individual vortices between themselves and the walls of the VT.

По предлагаемому изобретению разработана экспериментальная документация, изготовлена в одном экземпляре горелка, выполнены предварительные исследования ее в модельных условиях стендов предприятия при работе на керосине, дизтопливе и природном газе. В экспериментах подтвержден эффект сжигания ТВС в широком диапазоне по составу ТВС в коротком факеле пламени; определены также границы по розжигу и погасанию горелки. Они оказались в 3-4 раза шире, чем у традиционных двухзавихрительных горелок. Принято решение о проверке предлагаемой конструкции горелок в составе ГТД. According to the invention, experimental documentation is developed, the burner is made in one copy, its preliminary studies are carried out in the model conditions of the company's stands when working on kerosene, diesel fuel and natural gas. The experiments confirmed the effect of fuel assembly burning in a wide range in the composition of fuel assemblies in a short flame flame; boundaries for ignition and extinction of the burner are also determined. They turned out to be 3-4 times wider than traditional two-vortex burners. A decision was made to verify the proposed design of the burners in the gas turbine engine.

Claims

1. A fuel-air burner of a combustion chamber of a gas turbine engine, comprising a hollow thin-walled casing with a diffuser at the outlet, installed therein coaxially with the formation of a profiled confuser nozzle with a conical nozzle with a bell to the outlet located on the outer surface of the wall in the gap, increasing to the outlet of the gap, an air swirl and fuel nozzle, characterized in that the conical nozzle is flanged at the edge, the total effective area of the passage sections for the passage of primary air Erez front-line burner apparatus is 0.55 - 0.8 times the total effective area of the passage section of holes of the flame tube, and the corresponding area of the nozzle from the burner area and nozzle area of the nozzle area of the nozzle 0.1 - 0.25.

2. The burner according to claim 1, characterized in that holes are made on the edge of the conical nozzle before flanging.