RU2138738C1

RU2138738C1 - Gas turbine combustion chamber

Info

Publication number: RU2138738C1
Application number: RU97105664A
Authority: RU
Inventors: М.Л. Кузменко; А.А. Снитко; В.В. Токарев; О.В. Брындин; Ю.Е. Кириевский; В.И. Максин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1999-09-27

Abstract

FIELD: combustion chambers of gas turbines. SUBSTANCE: gas-turbine combustion chamber working on compressed natural gas at low emissions of nitrogen and carbon oxides has one or set of flame tubes each of which is connected with inner and outer cases and includes mixer connected with wall of flame tube and located in inner cavity of line in way of flow after flame. Mixer consists of at least two envelopes located coaxially relative to wall of flame tube. Envelopes are made in form of truncated cones with slotted passages narrowing towards ends at outlet. Convex side of envelopes and their end faces at outlet of slotted passages are directed in way of flow. Wall of flame tube has holes between envelopes. At least two additional air swirler are mounted in walls of flame tube below in way of flow behind mixer. Outlet of passage of one air swirler is directed in way of flow and outlet of passage of other air swirler is directed opposite flow. Longitudinal axes of passages of both air swirlers are located at angle relative to each other. EFFECT: reduction of contents of NO_x, Co and HC in waste gears. 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям камер сгорания газовых турбин, работающих преимущественно на сжатом природном газе с низкими выбросами окислов азота и углерода. The invention relates to designs of combustion chambers of gas turbines operating primarily on compressed natural gas with low emissions of nitrogen and carbon oxides.

Известная конструкция камеры сгорания включает стабилизатор пламени, выполненный в виде вытянутого U-образного желоба, расположенного поперек основного потока газов внутри камеры сгорания [1]. Вихри образуются задними кромками U-образного стабилизатора и циркулируют в двухмерной плоскости потока перпендикулярно U-образному желобу, создавая вытянутую в потоке струю. Множество консолей закреплено на основном стабилизаторе и имеет конфигурацию, способную формировать вихри, вращающиеся вокруг оси, как правило, параллельной основному потоку. The known design of the combustion chamber includes a flame stabilizer made in the form of an elongated U-shaped groove located across the main gas stream inside the combustion chamber [1]. Vortices are formed by the trailing edges of the U-shaped stabilizer and circulate in the two-dimensional plane of the flow perpendicular to the U-shaped trough, creating a stream elongated in the stream. Many consoles are mounted on the main stabilizer and have a configuration capable of forming vortices rotating around an axis, usually parallel to the main flow.

Недостатком известной конструкции является низкая интенсивность перемешивания топлива с воздухом, приводящая к образованию "длинных факелов", длительному пребыванию продуктов горения в зоне высоких температур и, как следствие, к повышению концентрации окислов азота в отработанных газах турбины, а также к увеличению осевых габаритов жаровых труб, основной или форсажной камер сгорания. A disadvantage of the known design is the low intensity of mixing fuel with air, leading to the formation of "long flares", a long stay of combustion products in the high temperature zone and, as a result, to an increase in the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases of the turbine, as well as to an increase in the axial dimensions of the flame tubes , main or afterburner combustion chambers.

Наиболее близкой к заявляемой является камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая жаровую трубу, состоящую из двухярусной предкамерной секции, внутренней и наружной кольцевых оболочек, соединенных с внешним и внутренним корпусами, и содержащую расположенный во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени, смеситель, соединенный со стенкой жаровой трубы [2]. Closest to the claimed is a combustion chamber of a gas turbine engine containing a flame tube, consisting of a two-tier precamera section, inner and outer annular shells connected to the outer and inner bodies, and containing a mixer connected to the flame torch, connected to the wall of the flame tube [2].

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей процесса кинетического горения природного газа и высокая токсичность выбросов NO_x, CO и HC в отработанных газах в процессе работы газовой турбины.A disadvantage of the known design is the incomplete use of the capabilities of the kinetic combustion of natural gas and the high toxicity of emissions of NO _x , CO and HC in the exhaust gases during operation of the gas turbine.

Техническая задача, которая решается изобретением, заключается в обеспечении высокой полноты сгорания природного газа и снижении концентрации NO_x, CO и HC в отработанных газах за счет повышения интенсивности смешивания продуктов горения при высоких температурах.The technical problem that is solved by the invention is to ensure high combustion of natural gas and reducing the concentration of NO _x , CO and HC in the exhaust gases by increasing the intensity of mixing of the combustion products at high temperatures.

Данная техническая задача решается за счет того, что в камере сгорания газовой турбины, содержащей одну или ряд жаровых труб, каждая из которых соединена с внешним и внутренним корпусами и содержит расположенный во внутренней полости ниже по потоку за факелом пламени смеситель, соединенный со стенкой жаровой трубы, согласно изобретению смеситель состоит по меньшей мере из двух коаксиально расположенных относительно стенки жаровой трубы оболочек, выполненных в виде усеченных конусов со щелевыми каналами, сужающимися в направлении торцев на выходе, выпуклая сторона оболочек и их торцы на выходе щелевых каналов направлены по потоку, а в стенке жаровой трубы между оболочками смесителя выполнены отверстия, при этом в стенках жаровой трубы ниже по потоку за смесителем установлены по меньшей мере два дополнительных завихрителя воздуха, выход канала одного из завихрителей воздуха направлен по потоку, выход канала другого завихрителя воздуха направлен против потока, а продольные оси каналов обоих завихрителей воздуха расположены под углом друг к другу. This technical problem is solved due to the fact that in the combustion chamber of a gas turbine containing one or a series of flame tubes, each of which is connected to the external and internal housings and contains a mixer located in the inner cavity downstream of the flame, connected to the wall of the flame tube , according to the invention, the mixer consists of at least two shells coaxially arranged relative to the wall of the flame tube, made in the form of truncated cones with slotted channels narrowing in the direction of the end in the outlet, the convex side of the shells and their ends at the outlet of the slotted channels are directed downstream, and holes are made in the wall of the heat pipe between the shells of the mixer, while at least two additional air swirls are installed in the walls of the heat pipe downstream of the mixer, output the channel of one of the air swirls is directed upstream, the output of the channel of the other air swirler is directed against the flow, and the longitudinal axis of the channels of both air swirls are at an angle to each other.

Принцип организации горения в камере сгорания заявляемой конструкции заключается в том, что при использовании сжатого природного газа и обеспечения лавинной активации горения с возникновением цепных реакций (т.е. кинетического горения) предварительно перемешанной смеси, выбросы NO_x, CO и HC почти на порядок ниже, чем при горении диффузионного факела, в основе которого лежит теория активизации молекулярных связей.The principle of the organization of combustion in the combustion chamber of the claimed design is that when using compressed natural gas and ensuring avalanche activation of combustion with the occurrence of chain reactions (i.e. kinetic combustion) of a premixed mixture, the emissions of NO _x , CO and HC are almost an order of magnitude lower than when burning a diffusion torch, which is based on the theory of activation of molecular bonds.

В первичной зоне богатого горения α_т = 0,5-0,7 где α_т коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива, температура газов снижается за счет устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровых труб. В зоне щелевых каналов, образованных коаксиальными оболочками, смесь обедняется и сгорает при α_т = 1,8-2,2 с образованием зон лавинной активации горения, обеспечивая полноту сгорания до 99,5%.In the primary zone of rich combustion, α _t = 0.5-0.7 where α _{t 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, the temperature of the gases is reduced by eliminating the mixing of air on the inner walls of the flame tubes. In the zone of slotted channels formed by coaxial shells, the mixture is depleted and burns at α _t = 1.8-2.2 with the formation of zones of avalanche activation of combustion, ensuring complete combustion up to 99.5%.

При этом зоны кинетического горения аэродинамически тормозятся закрученными вихревыми потоками вторичного воздуха, направленными из выходных каналов двух завихрителей (по два завихрителя на одну топливную форсунку), организующих дополнительную закрутку вихревых потоков относительно друг друга. Результирующий поток в кильваторе горловины смесителя становится трехмерным, что многократно повышает эффективность смешивания газовых компонентов. In this case, the kinetic combustion zones are aerodynamically inhibited by the swirling vortex flows of secondary air directed from the output channels of two swirlers (two swirls per fuel nozzle), which organize additional swirling of the vortex flows relative to each other. The resulting flow in the wake of the neck of the mixer becomes three-dimensional, which greatly increases the efficiency of mixing gas components.

Выполнение смесителя, состоящего по меньшей мере из двух коаксиально расположенных относительно стенки жаровой трубы оболочек, выполненных в виде усеченных конусов со щелевыми каналами, позволяет осуществлять аэродинамическое торможение и стабилизацию пламени первичной зоны богатого горения, что инициирует в ней зоны (центры) лавинной активации горения. The implementation of the mixer, consisting of at least two shells coaxially located relative to the wall of the flame tube, made in the form of truncated cones with slotted channels, allows aerodynamic braking and stabilization of the flame of the primary rich combustion zone, which initiates zones (centers) of avalanche activation of combustion in it.

Сужение щелевых каналов обеспечивает дополнительно ускорение потока вторичного воздуха за счет уменьшения поперечного сечения каналов в направлении торцев на выходе, что повышает интенсивность смешения продуктов горения. The narrowing of the slotted channels additionally accelerates the flow of secondary air by reducing the cross section of the channels in the direction of the ends at the outlet, which increases the intensity of mixing of the combustion products.

Направление торцев на выходе щелевых каналов по потоку обеспечивает защиту стенок смесителя от прогара за счет охлаждения коаксиальных оболочек потоком вторичного воздуха, протекающим в щелевых каналах, что увеличивает ресурс жаровых труб. The direction of the ends at the exit of the slotted channels along the stream provides protection of the walls of the mixer from burnout due to cooling of the coaxial shells with a stream of secondary air flowing in the slotted channels, which increases the resource of the flame tubes.

Для трубчато-кольцевой схемы камеры сгорания смеситель выполняют не менее чем из двух коаксиально расположенных относительно стенки жаровой трубы оболочек. Для кольцевой камеры сгорания предусмотрено не менее четырех оболочек. При этом для любой схемы камеры сгорания в жаровых трубах выполнен сужающийся газовый тракт, критическое сечение которого образовано торцами оболочек, выполненных в виде усеченных конусов со щелевыми каналами. Это дополнительно повышает степень смешения, т.е. вторичный воздух направляется во фронт диффузионного факела первичной зоны богатого горения в месте сужения, где скорость потока максимальна, а величина статического давления пониженная. For a tubular-annular diagram of the combustion chamber, the mixer is made of at least two shells coaxially located relative to the wall of the flame tube. For an annular combustion chamber, at least four shells are provided. Moreover, for any scheme of the combustion chamber in the flame tubes, a narrowing gas path is made, the critical section of which is formed by the ends of the shells made in the form of truncated cones with slotted channels. This further increases the degree of mixing, i.e. secondary air is directed to the front of the diffusion plume of the primary zone of rich combustion at the narrowing point, where the flow rate is maximum and the static pressure is reduced.

Направление по потоку выпуклой стороны оболочек, образующих сужающуюся часть газового тракта жаровых труб, приводит к уменьшению потери давления и обеспечивает безотрывное течение продуктов первичной зоны богатого давления до торцев горловины, образованной оболочками. The flow direction of the convex side of the shells forming the tapering part of the gas path of the flame tubes reduces pressure loss and ensures an uninterrupted flow of the products of the primary zone of high pressure to the ends of the neck formed by the shells.

Наиболее эффективным является выполнение выпуклой стороны оболочек в форме дуг окружности или в форме гиперболоида вращения, т.к. в этом случае поток продуктов горения, закрученный с помощью завихрителя топливной форсунки, будет протекать безотрывно по прямым (геодезическим) линиям вдоль поверхностей оболочек, обращенных к первичной зоне богатого горения, что увеличивает ресурс жаровых труб. The most effective is the execution of the convex side of the shells in the form of circular arcs or in the form of a hyperboloid of revolution, because in this case, the flow of combustion products, swirled using a swirl of the fuel nozzle, will flow continuously in straight (geodesic) lines along the surfaces of the shells facing the primary zone of rich combustion, which increases the resource of the flame tubes.

Кроме того, такое выполнение оболочек обеспечивает более эффективное смешивание вторичного воздуха с продуктами первичной зоны богатого горения за счет увеличения угла конусности на кромках торцев оболочек на выходе щелевых каналов. In addition, this embodiment of the shells provides a more efficient mixing of the secondary air with the products of the primary rich combustion zone by increasing the angle of taper at the edges of the ends of the shells at the exit of the slotted channels.

В стенках жаровой трубы между оболочками смесителя выполнены отверстия, которые обеспечивают подвод вторичного воздуха в щелевые каналы для осуществления реакций кинетического горения богатой смеси первичной зоны богатого горения и более эффективное охлаждение стенок коаксиальных оболочек, образующих сужающийся тракт в жаровых трубах, а также за счет уменьшения потерь давления. Holes are made in the walls of the flame tube between the shells of the mixer, which provide secondary air to the slotted channels for carrying out the kinetic combustion reactions of the rich mixture of the primary rich combustion zone and more efficient cooling of the walls of the coaxial shells that form a narrowing tract in the flame tubes, as well as by reducing losses pressure.

Установка в стенках жаровой трубы ниже по потоку за смесителем по меньшей мере двух дополнительных завихрителей воздуха, когда выход канала одного из ник направлен по потоку, а выход канала другого - против потока, а продольные оси каналов обоих завихрителей воздуха расположены под углом друг к другу, позволяет повысить степень смешения вторичного воздуха с продуктами первичной зоны богатого горения за счет дополнительной закрутки вихревых потоков из первого и второго завихрителей. Это уменьшает время нахождения микрочастиц топлива в зонах повышенных температур и одновременно увеличивает время нахождения продуктов сгорания в полости жаровой трубы и снижает температурное поле на выходе из камеры сгорания. Installing at least two additional air swirls in the walls of the flame tube downstream of the mixer, when the channel exit of one of the nicknames is directed upstream and the channel exit of the other is upstream, and the longitudinal axis of the channels of both air swirls are at an angle to each other, allows to increase the degree of mixing of secondary air with the products of the primary zone of rich combustion due to the additional swirling of vortex flows from the first and second swirlers. This reduces the residence time of the fuel microparticles in areas of elevated temperatures and at the same time increases the residence time of the combustion products in the cavity of the flame tube and reduces the temperature field at the outlet of the combustion chamber.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2. The invention is illustrated in FIG. 1 and 2.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения трубчато-кольцевой камеры сгорания, на фиг. 2 - один из вариантов исполнения камеры сгорания. In FIG. 1 shows the upper part of a longitudinal section of a tube-annular combustion chamber, FIG. 2 - one of the options for the combustion chamber.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины содержит ряд жаровых труб 1, каждая из которых соединена с внешним корпусом 2 и внутренним корпусом 3, и содержит расположенный во внутренней полости 4 ниже по потоку за факелом пламени 5 смеситель 6, соединенный со стенкой 7 жаровой трубы 1. Смеситель 6 состоит по меньшей мере из двух коаксиально расположенных относительно стенки 7 жаровой трубы оболочек 8 и 9, выполненных в виде усеченных конусов со щелевыми каналами 10, сужающимися в направлении торцев 11 и 12 на выходе 13 щелевых каналов 10. The tubular-annular combustion chamber of a gas turbine contains a number of flame tubes 1, each of which is connected to the outer casing 2 and the inner casing 3, and contains a mixer 6 located in the inner cavity 4 downstream of the flame torch 5, connected to the wall 7 of the flame tube 1 The mixer 6 consists of at least two shells 8 and 9 coaxially located relative to the wall 7 of the flame tube, made in the form of truncated cones with slotted channels 10, tapering in the direction of the ends 11 and 12 at the exit 13 of the slotted channels 10.

В щелевых каналах 10 размещены лопатки завихрителя 14, скрепляющие коаксиальные оболочки 8 и 9. Выпуклые стороны 15, 16 оболочек 8 и 9 и их торцы 11, 12 на выходе 13 щелевых каналов 10 направлены по потоку 17, а в стенке 7 жаровой трубы 1 между оболочками 8 и 9 смесителя 6 выполнены отверстия 18. В стенках 19, 20 жаровой трубы 1 ниже по потоку 17 за смесителем 6 установлены по меньшей мере два дополнительных завихрителя 21, 22 воздуха 23. Стенки 19 и 20 жаровой трубы 1 могут соединяться телескопически с жаровой трубой 1, а могут быть выполнены зацело с жаровой трубой 1, а каждая по отдельности соединена с наружным корпусом 2 и внутренним корпусом 3 камеры сгорания. In the slotted channels 10 are placed the blades of the swirler 14, fastening the coaxial shells 8 and 9. The convex sides 15, 16 of the shells 8 and 9 and their ends 11, 12 at the outlet 13 of the slotted channels 10 are directed downstream 17, and in the wall 7 of the flame tube 1 between openings 18 are made by the shells 8 and 9 of the mixer 6. In the walls 19, 20 of the flame tube 1 downstream of 17 at least two additional swirls 21, 22 of air 23 are installed behind the mixer 6. The walls 19 and 20 of the flame pipe 1 can be connected telescopically with the flame pipe 1, and can be made integrally with the flame pipe 1, and each individually connected to the outer casing 2 and the inner casing 3 of the combustion chamber.

Выход 24 канала 25 завихрителя 21 воздуха 23 направлен по потоку 17 (под углом α₁ к нему), выход 26 канала 27 завихрителя 22 направлен против потока 17 (под углом α₂ к нему). Продольные оси 28, 29 каналов 25 и 27 завихрителей 21, 22 воздуха 23 расположены под углом друг к другу. На фиг. 1, 2 показана форсунка 29 подачи сжатого природного газа 30, диффузор 31 с "внезапным" расширением, свеча зажигания 32, сопловой аппарат 33 газовой турбины и продольная ось 34 камеры сгорания и газовой турбины.The output 24 of the channel 25 of the swirl 21 of the air 23 is directed downstream 17 (at an angle α ₁ to it), the output 26 of the channel 27 of the swirl 22 is directed against the flow 17 (at an angle α ₂ to it). The longitudinal axis 28, 29 of the channels 25 and 27 of the swirlers 21, 22 of the air 23 are located at an angle to each other. In FIG. 1, 2 shows a nozzle 29 for supplying compressed natural gas 30, a diffuser 31 with "sudden" expansion, a spark plug 32, a nozzle apparatus 33 of a gas turbine and a longitudinal axis 34 of the combustion chamber and gas turbine.

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

При запуске газовой турбины сжатый природный газ 30 подают в камеру сгорания через форсунки 29, далее смешивают с потоком воздуха 23 во внутренней полости 4 жаровых труб 1. При этом компоненты смеси воспламеняются, образуя факел 5 диффузионного горения обогащенной топливо-воздушной смеси ( α₁ 0,5-0,7). В первичной зоне богатого горения ( α₁ = 0,5-0,7) температура продуктов горения понижается (≈759^oК) в результате устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках 7 жаровых труб 1. При этом другая часть воздушного потока 23 через отверстия 18 в стенках 7 жаровых труб 1 направляется в щелевые каналы 10 смесителя 6 во фронт диффузионного факела 5 первичной зоны богатого горения в месте сужения, образованного торцами 11 и 12 оболочек 8, 9 смесителя 6. Здесь инициируются центры (зоны) кинетического горения микрочастиц топлива, что способствует лавинообразной активации горения (ЛАГ - процесс).When starting a gas turbine, compressed natural gas 30 is supplied to the combustion chamber through nozzles 29, then mixed with the air stream 23 in the inner cavity 4 of the flame tubes 1. The components of the mixture ignite, forming a torch 5 of diffusion combustion of the enriched fuel-air mixture (α ₁ 0 5-0.7). In the primary zone of rich combustion (α ₁ = 0.5-0.7), the temperature of the combustion products decreases (≈759 ^o K) as a result of eliminating the mixing of air on the inner walls 7 of the flame tubes 1. At the same time, the other part of the air stream 23 through the holes 18 in the walls 7 of the flame tubes 1 is directed into the slotted channels 10 of the mixer 6 to the front of the diffusion torch 5 of the primary zone of rich combustion at the narrowing point formed by the ends 11 and 12 of the shells 8, 9 of the mixer 6. Here, the centers (zones) of kinetic combustion of microparticles of fuel are initiated, which promotes avalanche the heat of burning activation (PAH process).

При этом температура смеси резко повышается (до 1980 К). Другая часть воздушного потока 23 через пару завихрителей 21 и 22, закрепленных ниже по потоку от смесителя 6, пронизывает двумя закрученными вихревыми потоками, направляемыми каналами 25 и 27 обоих завихрителей 21, 22, зону кинетического горения компонентов, обеспечивая дополнительную закрутку вихрей под углом β относительно друг друга и способствуя многократному повышению степени смешения продуктов горения, охлаждению смеси и уменьшению времени пребывания микрочастиц топлива в зонах повышенных температур. The temperature of the mixture rises sharply (up to 1980 K). The other part of the air flow 23 through a pair of swirls 21 and 22, mounted downstream of the mixer 6, penetrates with two swirling vortex streams directed by channels 25 and 27 of both swirls 21, 22, the zone of kinetic combustion of the components, providing additional twisting of the vortices at an angle β relative to each other and contributing to a multiple increase in the degree of mixing of combustion products, cooling the mixture and reducing the residence time of microparticles of fuel in areas of elevated temperatures.

При этом увеличивается и время нахождения продуктов горения природного газа, "разбавленного" вторичным воздухом в полости жаровых труб за счет увеличения траектории вихревых потоков до поступления к лопаткам турбины, что выравнивает поле температур на выходе из камеры сгорания. At the same time, the residence time of the combustion products of natural gas “diluted” with secondary air in the cavity of the flame tubes increases due to an increase in the trajectory of the vortex flows before reaching the turbine blades, which equalizes the temperature field at the outlet of the combustion chamber.

Claims

The combustion chamber of a gas turbine containing one or a series of flame tubes, each of which is connected to the outer and inner bodies and contains a mixer located in the inner cavity downstream of the flame, connected to the wall of the flame tube, characterized in that the mixer consists of at least of two shells coaxially located relative to the wall of the flame tube, made in the form of truncated cones with slotted channels narrowing in the direction of the ends at the exit, the convex side of the shells and their ends at One of the slit channels is directed downstream, and holes are made between the shells of the mixer in the wall of the flame tube, at least two additional air swirls are installed in the walls of the flame pipe downstream of the mixer, the channel exit of one of the air swirls is directed downstream, the channel exit the other air swirl is directed against the flow, and the longitudinal axis of the channels of both air swirls are at an angle to one another.