RU2138659C1 - Gas turbine engine with carburation and combustion system - Google Patents
Gas turbine engine with carburation and combustion system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2138659C1 RU2138659C1 RU97109662A RU97109662A RU2138659C1 RU 2138659 C1 RU2138659 C1 RU 2138659C1 RU 97109662 A RU97109662 A RU 97109662A RU 97109662 A RU97109662 A RU 97109662A RU 2138659 C1 RU2138659 C1 RU 2138659C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion
- combustion chamber
- fuel
- mixing chamber
- chamber
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, преимущественно наземных энергетических установок, работающих на газообразном топливе. The invention relates to the field of gas turbine engines, mainly ground-based power plants operating on gaseous fuels.
Известен газотурбинный двигатель с турбиной, в которой камера сгорания разделена на до- и застехиометрическую ступени, а горячие газы воздействуют на турбину высокого давления, затем отработавшие газы из этой турбины подвергаются повторной подготовке в последовательно включенной камере сгорания на стороне низкого давления и подаются в турбину низкого давления [1]. A gas turbine engine with a turbine is known in which the combustion chamber is divided into pre- and stoichiometric stages, and hot gases act on the high-pressure turbine, then the exhaust gases from this turbine are re-trained in a series-connected combustion chamber on the low pressure side and fed to the low turbine pressure [1].
Недостатком известной конструкции газовой турбины является возможность образования в жаровых трубах камеры сгорания локальных зон обедненных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливо-воздушных смесей преимущественно при работе на сжатом природном газе. Это объясняется тем, что процессы смешения топливо-воздушной смеси и ее горения осуществляются непосредственно в первичной (реакционной) зоне жаровых труб обеих ступеней камеры сгорания. Однако, поскольку смешение - это физический процесс, а горение - мгновенная термохимическая реакция, скорости этих процессов не могут быть одного порядка. A disadvantage of the known construction of a gas turbine is the possibility of formation in the combustion tubes of the combustion chamber of local zones of depleted and close to stoichiometric composition of hydrocarbon fuel-air mixtures mainly when operating on compressed natural gas. This is because the processes of mixing the fuel-air mixture and its combustion are carried out directly in the primary (reaction) zone of the flame tubes of both stages of the combustion chamber. However, since mixing is a physical process, and combustion is an instant thermochemical reaction, the rates of these processes cannot be of the same order.
В камерах сгорания, в которых смешение и горение происходят в одном и том же объеме, реакция горения протекает в локальных зонах, "удобных" для горения стехеометрического состава смеси с локальными максимальными температурами. In combustion chambers in which mixing and combustion take place in the same volume, the combustion reaction proceeds in local zones "convenient" for burning the stoichiometric composition of the mixture with local maximum temperatures.
Известно, что уровень NOx определяется не средней температурой в зоне горения, а максимальной. При этом скорость образования NOx экспоненциально зависит от локальной температуры в зоне горения.It is known that the level of NO x is determined not by the average temperature in the combustion zone, but by the maximum. Moreover, the rate of formation of NO x exponentially depends on the local temperature in the combustion zone.
В известной камере сгорания смешиваются малые объемы топлива с большим количеством воздуха, а процесс смесеобразования затягивается. Чем медленнее происходит процесс превращения топлива в химически активный реагент, тем больше и длительнее "забросы" температур, а, следовательно, не исключаются выбросы NOx, что повышает токсичность продуктов сгорания.In a known combustion chamber, small volumes of fuel are mixed with a large amount of air, and the process of mixture formation is delayed. The slower the process of converting fuel into a chemically active reagent, the greater and longer the “casting” of temperatures, and, consequently, NO x emissions are not excluded, which increases the toxicity of combustion products.
Наиболее близким к заявляемому является газотурбинный двигатель с системой карбюрирования и сгорания, который содержит камеру сгорания, смесительную камеру, первый и второй ряды форсунок, устройство зажигания и пластинчатый элемент для отделения смесительной камеры от камеры сгорания [2]. В смесительной камере размещен первый ряд форсунок, направляющих топливо-воздушную смесь в камеру сгорания в виде вращающегося вихря. Второй ряд форсунок, расположенный рядом с первым рядом форсунок, но за первым рядом форсунок по направлению потока, окружает камеру сгорания. Через второй ряд форсунок осуществляется подача сжатого воздуха в камеру сгорания в виде спирального вихря, окружающего топливо-воздушную смесь. Этот вихревой поток воздуха отделяет газы продуктов сгорания от внутренней стенки камеры сгорания, образуя изолирующий слой, который препятствует подводу тепла от газов к стенке камеры сгорания. Closest to the claimed gas turbine engine with a carburing and combustion system, which contains a combustion chamber, a mixing chamber, first and second rows of nozzles, an ignition device and a plate element for separating the mixing chamber from the combustion chamber [2]. The first row of nozzles is placed in the mixing chamber, directing the fuel-air mixture into the combustion chamber in the form of a rotating vortex. The second row of nozzles, located next to the first row of nozzles, but behind the first row of nozzles in the direction of flow, surrounds the combustion chamber. Through the second row of nozzles, compressed air is supplied to the combustion chamber in the form of a spiral vortex surrounding the fuel-air mixture. This vortex air flow separates the gases of the combustion products from the inner wall of the combustion chamber, forming an insulating layer that prevents the supply of heat from the gases to the wall of the combustion chamber.
Недостатком известной конструкции газотурбинного двигателя является возможность образования в жаровых трубах локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных смесей, преимущественно при работе на сжатом природном газе. Это объясняется расположением смесительной камеры внутри камеры сгорания, отделяемой от последней вихревым потоком воздуха, и, следовательно, задержкой по времени процессов смешения. Поэтому осуществление и завершение процессов смешивания происходит непосредственно в первичной (реакционной) зоне жаровых труб. При этом локальные зоны бедных и близких к стехиометрическому составу смесей в жаровых трубах камеры сгорания известного газотурбинного двигателя неизбежно образуются и при горении переобогащенных смесей также вследствие задержки процесса смешения углеводородных реагентов. A disadvantage of the known construction of a gas turbine engine is the possibility of the formation in the flame tubes of local zones of poor and close to stoichiometric composition of hydrocarbon mixtures, mainly when working on compressed natural gas. This is explained by the location of the mixing chamber inside the combustion chamber, which is separated from the latter by a vortex air flow, and, therefore, the time delay of the mixing processes. Therefore, the implementation and completion of mixing processes occurs directly in the primary (reaction) zone of the flame tubes. Moreover, local zones of poor and close to stoichiometric mixtures in the flame tubes of a combustion chamber of a known gas turbine engine are inevitably formed during the combustion of re-enriched mixtures also due to a delay in the process of mixing hydrocarbon reagents.
Известно, что локальные зоны горения бедных и близких к стехиометрическому составу смесей обладают повышенной локальной температурой в зоне горения, а это влечет за собой неизбежность образования окислов азота NOx и повышенную токсичность продуктов сгорания.It is known that local combustion zones of poor and stoichiometric mixtures have an increased local temperature in the combustion zone, and this entails the inevitability of formation of nitrogen oxides NO x and increased toxicity of combustion products.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении токсичности продуктов сгорания и повышении топливной экономичности газотурбинного двигателя путем интенсификации процессов смешения и повышения полноты сгорания топлива за счет внешнего смесеобразования горючей смеси, а именно - разделения процессов смешения топливо-воздушной смеси от ее горения, исключения возможности образования локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливо- воздушных смесей и, следовательно, условий для образования окислов азота в реакционной зоне жаровой трубы в процессе горения. The technical problem to which the invention is directed is to reduce the toxicity of combustion products and increase the fuel economy of a gas turbine engine by intensifying mixing processes and increasing the completeness of fuel combustion due to external mixture formation of a combustible mixture, namely, separation of the processes of mixing a fuel-air mixture from its combustion , excluding the possibility of the formation of local zones of poor and close to stoichiometric composition of hydrocarbon fuel-air mixtures and, therefore, the investigator about, the conditions for the formation of nitrogen oxides in the reaction zone of the flame tube to the combustion process.
Данная задача решается за счет того, что в газотурбинном двигателе с системой карбюрирования и сгорания, содержащем камеру сгорания, выполненную по меньшей мере с одной жаровой трубой, смесительную камеру, распылители топлива и устройство зажигания, согласно изобретению смесительная камера и распылители топлива расположены с внешней стороны наружного корпуса камеры сгорания, дополнительно включает регулятор расхода воздуха, направляемого в реакционную зону жаровой трубы, при этом вход регулятора сообщен с внутренней полостью камеры сгорания через отверстия в стенке ее наружного корпуса, выходы регулятора и распылителей топлива соединены с входом смесительной камеры, а вход жаровой трубы изолирован от потока воздуха во внутренней полости камеры сгорания и через стенку ее наружного корпуса сообщен с выходом смесительной камеры. This problem is solved due to the fact that in a gas turbine engine with a carburing and combustion system containing a combustion chamber made with at least one flame tube, a mixing chamber, fuel sprayers and an ignition device, according to the invention, the mixing chamber and fuel sprayers are located on the outside the outer housing of the combustion chamber, further includes a regulator of air flow directed to the reaction zone of the flame tube, while the input of the regulator is in communication with the internal cavity of the chamber Goran through openings in the wall of an outer casing, and outputs control fuel dispensers connected to the input of the mixing chamber, and the entrance of the flame tube is isolated from the air flow in the internal cavity of the combustion chamber and through the wall of an outer casing in communication with the outlet of the mixing chamber.
Размещение смесительной камеры и распылителей топлива с внешней стороны наружного корпуса камеры сгорания, а также наличие регулятора воздуха, участвующего непосредственно в процессе горения, направляемого в реакционную зону жаровой трубы, позволяет организовать внешнее смесеобразование горючей смеси, преимущественно природного газа, перед подачей его в зону горения, а также организовать и завершить процесс смешения не в объеме жаровой трубы, а в отдельной смесительной камере. Это исключает возможность образования в жаровой трубе камеры сгорания локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных топливо-воздушных смесей, имеющих максимальную локальную температуру, от времени пребывания при которой экспоненциально зависит скорость образования окислов азота NOx.The placement of the mixing chamber and fuel atomizers on the outside of the outer housing of the combustion chamber, as well as the presence of an air regulator that is directly involved in the combustion process directed to the reaction zone of the flame tube, allows for external mixture formation of the combustible mixture, mainly natural gas, before it is fed into the combustion zone , as well as organize and complete the mixing process not in the volume of the flame tube, but in a separate mixing chamber. This excludes the possibility of the formation in the combustion pipe of the combustion chamber of local zones of poor and close to stoichiometric hydrocarbon-air mixtures having a maximum local temperature, the rate of formation of nitrogen oxides NO x exponentially depends on the residence time.
Выполнение входа регулятора сообщенным с внутренней полостью камеры сгорания через отверстия в стенке ее наружного корпуса, выходов регулятора и распылителей топлива соединенными с входом смесительной камеры, а входа жаровой трубы - изолированным от потока воздуха во внутренней полости камеры сгорания и через стенку ее наружного корпуса сообщенным с выходом смесительной камеры, позволяет расширить диапазон регулирования состава смеси и обеспечить стабильность требуемого состава смеси в процессе горения. The execution of the input of the regulator communicated with the internal cavity of the combustion chamber through openings in the wall of its outer casing, the outputs of the regulator and fuel atomizers connected to the inlet of the mixing chamber, and the input of the flame tube - isolated from the air flow in the internal cavity of the combustion chamber and through the wall of its outer casing, communicate with the output of the mixing chamber, allows you to expand the range of regulation of the composition of the mixture and to ensure the stability of the desired composition of the mixture during combustion.
Это объясняется тем, что для предварительно подготовленной смеси температура пламени зависит от начальной температуры смеси и от величины αг, где αг - коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. В области переобогащенных смесей (αг = 0,5-0,7) образование окислов азота NOx ограничивается отсутствием свободного кислорода в продуктах горения. С целью устранения противоречия в процессах, их природной физической несовместимости при рациональном сжигании, необходимо эти процессы (смешения и горения) разделить, т. е. вначале подготовить горючую смесь в объеме и времени, требуемых для образования гомогенной смеси, а затем провести химическую реакцию горения в объеме и времени, требуемых для данной реакции горения.This is because for a pre-prepared mixture, the flame temperature depends on the initial temperature of the mixture and on the value of α g , where α g is the excess coefficient of the oxidizing agent, equal to the ratio of the actual amount of air to the theoretically necessary for complete combustion of the fuel. In the region of over-enriched mixtures (α g = 0.5-0.7), the formation of nitrogen oxides NO x is limited by the absence of free oxygen in the combustion products. In order to eliminate the contradictions in the processes, their natural physical incompatibility during rational combustion, it is necessary to separate these processes (mixing and burning), i.e., first prepare the combustible mixture in the amount and time required for the formation of a homogeneous mixture, and then conduct a chemical combustion reaction in the amount and time required for a given combustion reaction.
Изобретение иллюстрируется чертежом. The invention is illustrated in the drawing.
На чертеже представлена верхняя часть продольного разреза двигателя со смесительной камерой и регулятором расхода воздуха в камере сгорания. The drawing shows the upper part of a longitudinal section of an engine with a mixing chamber and an air flow regulator in the combustion chamber.
Газотурбинный двигатель с системой карбюрирования и сжигания содержит камеру сгорания 1, выполненную по меньшей мере с одной жаровой трубой 2, смесительную камеру 3, распылители 4 топлива 5 и устройство зажигания 6. A gas turbine engine with a carburing and combustion system comprises a combustion chamber 1 made with at least one flame tube 2, a mixing chamber 3, fuel atomizers 4 and an ignition device 6.
Смесительная камера 3 и распылители 4 топлива 5 расположены с внешней стороны 7 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1 и дополнительно содержит регулятор расхода 9 воздуха 10, направляемого в реакционную зону 11 жаровой трубы 2. Вход 12 регулятора расхода 9 воздуха 10 сообщен с внутренней полостью 13 камеры сгорания 1 через отверстия 14, 15 в стенке 16 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1. Выход 17 регулятора расхода 9 воздуха 10 и выходы 18, 19 распылителей 4 соединены с входом 20 смесительной камеры 3. The mixing chamber 3 and the nozzles 4 of the fuel 5 are located on the outside 7 of the outer casing 8 of the combustion chamber 1 and further comprises a flow regulator 9 of the air 10 directed to the reaction zone 11 of the flame tube 2. The input 12 of the flow regulator 9 of the air 10 is in communication with the internal cavity 13 of the chamber combustion 1 through openings 14, 15 in the wall 16 of the outer casing 8 of the combustion chamber 1. The output 17 of the air flow regulator 9 of the air 10 and the outputs 18, 19 of the nozzles 4 are connected to the input 20 of the mixing chamber 3.
Вход 21 жаровой трубы 2 изолирован от потока воздуха 10 во внутренней полости 13 камеры сгорания 1, например, при помощи герметично приваренного обтекаемого патрубка 22, и через стенку 16 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1 сообщен с выходом 23 смесительной камеры 3, например, при помощи соединения трубопроводом 24, по которому в реакционную зону 11 жаровой трубы 2 подается горючая смесь 25 заданной концентрации. The inlet 21 of the flame tube 2 is isolated from the air stream 10 in the inner cavity 13 of the combustion chamber 1, for example, by means of a hermetically welded streamlined nozzle 22, and through the wall 16 of the outer housing 8 of the combustion chamber 1 is communicated with the output 23 of the mixing chamber 3, for example, by connection by a pipe 24, through which a combustible mixture 25 of a given concentration is supplied to the reaction zone 11 of the flame tube 2.
На чертеже показаны также ось 26 двигателя и камеры сгорания 1, факел пламени 27 в реакционной зоне 11 и отверстия 28 жаровой трубы 2, а также кольцевой газосборник 29 и внутренний корпус 30 камеры сгорания 1. The drawing also shows the axis 26 of the engine and combustion chamber 1, the flame torch 27 in the reaction zone 11 and the holes 28 of the flame tube 2, as well as the annular gas collector 29 and the inner housing 30 of the combustion chamber 1.
Предлагаемая конструкция газотурбинного двигателя может содержать гибридную камеру сгорания с индивидуальной зоной горения в отдельных жаровых трубах и зоной турбулентного смешивания в общем кольцевом газосборнике или может быть выполнена с кольцевой жаровой трубой камеры сгорания. The proposed design of a gas turbine engine may include a hybrid combustion chamber with an individual combustion zone in individual flame tubes and a turbulent mixing zone in a common annular gas collector, or may be performed with an annular flame tube of the combustion chamber.
Газотурбинный двигатель работает следующим образом. The gas turbine engine operates as follows.
При запуске двигателя сжатый природный газ 5 подается через распылители 18, 19 в смесительную камеру 3, а воздух 10, сжатый в компрессоре двигателя, подается одновременно через отверстия 14, 15 в стенке 16 наружного корпуса 8 камеры сгорания 1 в регулятор расхода 9 и далее - в смесительную камеру 3, где производится смесеобразование переобогащенной горючей смеси, при пусках и работе с недостатком кислорода ( αг = 0,5 - 0,7).When the engine is started, compressed natural gas 5 is supplied through the nozzles 18, 19 to the mixing chamber 3, and air 10 compressed in the engine compressor is supplied simultaneously through the openings 14, 15 in the wall 16 of the outer casing 8 of the combustion chamber 1 to the flow regulator 9 and then into the mixing chamber 3, where the re-enriched combustible mixture is mixed during start-up and operation with a lack of oxygen (α g = 0.5 - 0.7).
При воспламенении горючей смеси в реакционной полости 11 жаровой трубы 2 от устройства зажигания 6 образуется факел пламени 27 диффузионного горения ( αг =0,5-0,7). При горении переобогащенной смеси температура пламени невысока (≈750К) и, следовательно, мала скорость образования окислов азота на первой стадии сжигания. При этом за счет внешнего смесеобразования горючей смеси в отдельной смесительной камере исключается возможность образования в реакционной зоне 11 жаровой трубы локальных зон бедных и близких к стехиометрическому составу углеводородных смесей, а также снижается скорость образования окислов азота в процессе горения. При этом другая, большая часть сжатого компрессором воздуха 10, поступает через отверстия 28 в жаровой трубе 2 в расширяющуюся часть (ниже горловины) жаровой трубы 2 и вдувается циркуляционно в факел пламени 27 продуктов горения переобогащенной смеси. При этом в факеле пламени 27 инициируются локальные зоны цепных реакций несгоревших активных реагентов топлива, смесь продуктов горения резко обедняется ( αг = 1,8-2,2) и аэродинамически затормаживается за счет "внезапного" расширения сечения между жаровыми трубами 2 и газосборником 29, повышая полноту сгорания смеси. Скорость горения многократно возрастает, а температура горения фронта пламени повышается до 1990К. Однако при этом локальных зон горения смесей стехиометрического состава или зон горения близких к этому составу смесей не образуется, т.к. процесс смесеобразование завершен до поступления топливного газа в реакционную зону жаровой трубы. При этом во время пребывания продуктов горения в зоне максимальных локальных температур концентрация кислорода и азота в зоне горения многократно сокращается, что позволяет управлять локальной температурой газа и снижать ее до требуемого уровня выбросов вредных веществ.When igniting a combustible mixture in the reaction cavity 11 of the flame tube 2 from the ignition device 6, a flame torch 27 of diffusion combustion is formed (α g = 0.5-0.7). When burning a re-enriched mixture, the flame temperature is low (≈750 K) and, therefore, the rate of formation of nitrogen oxides at the first stage of combustion is low. In this case, due to the external mixture formation of the combustible mixture in a separate mixing chamber, the possibility of the formation of local zones of poor and close to stoichiometric hydrocarbon mixtures in the reaction zone 11 of the flame tube is excluded, and the rate of formation of nitrogen oxides during combustion is reduced. In this case, the other, most of the air compressed by the compressor 10, enters through the openings 28 in the flame tube 2 into the expanding part (below the neck) of the flame tube 2 and is circulated into the flame flame 27 of the products of combustion of the re-enriched mixture. At the same time, in the flame plume 27 local zones of chain reactions of unburned active fuel reagents are initiated, the mixture of combustion products is sharply depleted (α g = 1.8-2.2) and aerodynamically braked due to the “sudden” expansion of the cross section between the heat pipes 2 and the gas collector 29 , increasing the completeness of combustion of the mixture. The burning rate increases many times, and the combustion temperature of the flame front rises to 1990K. However, in this case, local combustion zones of mixtures of stoichiometric composition or combustion zones close to this composition of mixtures are not formed, because the mixture formation process is completed before the fuel gas enters the reaction zone of the flame tube. Moreover, during the stay of the combustion products in the zone of maximum local temperatures, the concentration of oxygen and nitrogen in the combustion zone is many times reduced, which allows you to control the local gas temperature and reduce it to the required level of emissions of harmful substances.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97109662A RU2138659C1 (en) | 1997-06-10 | 1997-06-10 | Gas turbine engine with carburation and combustion system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97109662A RU2138659C1 (en) | 1997-06-10 | 1997-06-10 | Gas turbine engine with carburation and combustion system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU97109662A RU97109662A (en) | 1999-05-10 |
| RU2138659C1 true RU2138659C1 (en) | 1999-09-27 |
Family
ID=20193994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97109662A RU2138659C1 (en) | 1997-06-10 | 1997-06-10 | Gas turbine engine with carburation and combustion system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2138659C1 (en) |
-
1997
- 1997-06-10 RU RU97109662A patent/RU2138659C1/en active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4040252A (en) | Catalytic premixing combustor | |
| US4112676A (en) | Hybrid combustor with staged injection of pre-mixed fuel | |
| US5325660A (en) | Method of burning a premixed gas in a combustor cap | |
| JP2591866B2 (en) | Gas turbine catalytic combustor with preburner with reduced NOx generation | |
| US7111463B2 (en) | Combustion wave ignition for combustors | |
| US4356698A (en) | Staged combustor having aerodynamically separated combustion zones | |
| US5207185A (en) | Emissions reduction system for internal combustion engines | |
| US4240784A (en) | Three-stage liquid fuel burner | |
| US5158445A (en) | Ultra-low pollutant emission combustion method and apparatus | |
| US5013236A (en) | Ultra-low pollutant emission combustion process and apparatus | |
| CA2574091A1 (en) | Stagnation point reverse flow combustor for a combustion system | |
| JPH10511448A (en) | Internal combustion gas generator | |
| US4067190A (en) | Catalytic gas turbine combustor with a fuel-air premix chamber | |
| CA2151095A1 (en) | Method and apparatus for sequentially staged combustion using a catalyst | |
| US4351156A (en) | Combustion systems | |
| KR0148195B1 (en) | Apparatus and method for decreasing nitrogen oxide emissions from internal combustion power sources | |
| US4448577A (en) | Device for production of inert gases | |
| US2973808A (en) | Flame stabilizer-mixer | |
| RU2138659C1 (en) | Gas turbine engine with carburation and combustion system | |
| RU2334916C1 (en) | Gas-dynamic igniter | |
| JP6152417B2 (en) | Fuel injection system used in catalyst heaters and reactors for catalytic combustion of liquid fuel | |
| US3744250A (en) | After-burner for an internal combustion engine | |
| RU2215242C2 (en) | Turbomachine combustion chamber | |
| US4063872A (en) | Universal burner | |
| CN109751622A (en) | A kind of compound soft catalytic combustion system |