RU2145669C1 - Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture - Google Patents

Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture Download PDF

Info

Publication number
RU2145669C1
RU2145669C1 RU98104201/06A RU98104201A RU2145669C1 RU 2145669 C1 RU2145669 C1 RU 2145669C1 RU 98104201/06 A RU98104201/06 A RU 98104201/06A RU 98104201 A RU98104201 A RU 98104201A RU 2145669 C1 RU2145669 C1 RU 2145669C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
vortex mixer
liquid
combustion
gas turbine
Prior art date
Application number
RU98104201/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98104201A (en
Inventor
А.А. Саркисов
В.А. Митрофанов
О.А. Рудаков
Н.Д. Саливон
Ю.В. Сигалов
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие "Завод имени В.Я.Климова", ВПК "МАПО"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное унитарное предприятие "Завод имени В.Я.Климова", ВПК "МАПО" filed Critical Государственное унитарное предприятие "Завод имени В.Я.Климова", ВПК "МАПО"
Priority to RU98104201/06A priority Critical patent/RU2145669C1/en
Publication of RU98104201A publication Critical patent/RU98104201A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2145669C1 publication Critical patent/RU2145669C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas turbine engines. SUBSTANCE: method of operation of gas turbine engine comes to simultaneous combustion of liquid fuel and natural gas delivered in ratio Gg/(Gg+Glf) = 0,5-0,7, where Gg is gas consumption and Glf is liquid fuel consumption. Fire unit for combustion of liquid and gas fuels has liquid centrifugal nozzle built into cylindrical gas manifold with gas supply holes, air swirler and vortex mixer. Inner surface of vortex mixer, directly after air swirler, is made as confusing tube changing into cylindrical neck. Axes of gas supply holes in gas manifold are orientated to confusing tube generating line. Geometrical characteristic of liquid centrifugal nozzle and its position are designed to provided intersection of atomized fuel cone on initial section of flow with cylindrical neck of vortex mixer. EFFECT: reduced harmful effluents. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках. The invention relates to gas turbine engines and installations for various purposes and can be used in aviation, transport, ship, locomotive and stationary power plants.

Известен способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании жидкого топлива (керосина, дизельного топлива) или газа с одновременным впрыском в первичную зону камеры хорошо распыленной воды для снижения вредных для человека выбросов оксидов азота NOx (см., например, А. Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", М., Мир, 1986, стр. 500).A method of operating a gas turbine engine, based on the feed to the combustor and burning the liquid fuel (kerosene, diesel fuel) or gas with the simultaneous injection into the primary zone of the chamber well atomized water to reduce harmful to human emissions of nitrogen oxides NO x (see., E.g., A. Lefebvre "Processes in the combustion chamber of a gas turbine engine", Moscow, Mir, 1986, p. 500).

Однако, снижение выброса NOx, в этом случае, сопряжено со значительным увеличением выброса другого вредного соединения - окиси углерода CO (см. там же, стр. 499).However, a reduction in NO x emissions, in this case, is associated with a significant increase in emissions of another harmful compound - carbon monoxide CO (see ibid., P. 499).

Кроме того, недостатком такого способа работы двигателя является подготовка и хранение больших количеств дистиллированной воды. In addition, the disadvantage of this method of engine operation is the preparation and storage of large quantities of distilled water.

Известен способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании газа при одновременном подводе в зону горения пара (см., например, Теплоэнергетика, 1992, N 9). A known method of operation of a gas turbine engine, based on the supply to the combustion chamber and combustion of gas while supplying steam to the combustion zone (see, for example, Heat Power Engineering, 1992, No. 9).

Подача в зону горения пара, выбрасываемого затем в атмосферу, резко ограничивает область использования газотурбинных двигателей в "безводных" регионах и всегда требуются большие дополнительные затраты на генерацию пара. The supply of steam to the combustion zone, which is then released into the atmosphere, sharply limits the area of use of gas turbine engines in the “waterless” regions, and large additional costs for generating steam are always required.

Установки, работающие по этому способу, имеют достаточно высокий уровень выброса NOx и CO.Plants operating in this way have a fairly high level of emissions of NO x and CO.

Проблеме снижения выбросов оксида азота уделяется особенно большое внимание. Установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) оксидов азота. Наиболее устойчивым является диоксид азота, в который могут переходить все другие оксиды. Поэтому установленные нормы ПДК даются для суммы всех оксидов азота в пересчете на NO2. Такая суммарная величина всех оксидов и обозначается как NOx.The issue of reducing nitric oxide emissions has received particular attention. The maximum permissible concentration (MPC) of nitrogen oxides is established. The most stable is nitrogen dioxide, into which all other oxides can pass. Therefore, the established MPC norms are given for the sum of all nitrogen oxides in terms of NO 2 . This total value of all oxides is designated as NO x .

Для обозначения уровня эмиссии оксидов азота используются три вида характеристик. Three types of characteristics are used to indicate the level of emission of nitrogen oxides.

весовая концентрация -

Figure 00000002
(г/кг топлива)
смешанная концентрация -
Figure 00000003
(г/нм3)
объемная концентрация -
Figure 00000004
(ppm).weight concentration -
Figure 00000002
(g / kg fuel)
mixed concentration -
Figure 00000003
(g / nm 3 )
volume concentration -
Figure 00000004
(ppm).

Соотношение между этими единицами, соответствующее нормативному требованию 15%-го содержания кислорода в продуктах сгорания, следующее:
1 г/кг топл. = 21,8 мг/нм3 = 11,2 ppm.
The ratio between these units, corresponding to the regulatory requirement of a 15% oxygen content in combustion products, is as follows:
1 g / kg fuel = 21.8 mg / nm 3 = 11.2 ppm.

Известен также, выбранный за прототип, способ работы газотурбинного двигателя (установки), основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании одновременно жидкого топлива (керосина, дизельного топлива) и природного газа. There is also known, selected for the prototype, the method of operation of a gas turbine engine (installation), based on the supply to the combustion chamber and burning at the same time liquid fuel (kerosene, diesel fuel) and natural gas.

Известен и огневой блок, принятый за прототип, реализующий известный способ работы двигателя, содержащий жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель и вихревой смеситель (фронтовое устройство). См., например: 1) С.П. Изотов О.А.Рудаков и др. "Авиационные ГТД в наземных установках", Л., Машиностроение, 1984, стр. 96. 2) Н.А.Шерлыгин, В.Г.Шахвердов "Конструкция и эксплуатация авиационных газотурбинных двигателей", Машиностроение, М., 1969, стр. 109. There is also a known fire unit adopted as a prototype that implements a known method of engine operation, comprising a liquid centrifugal nozzle integrated in a gas cylindrical manifold with gas supply openings, a swirler and a vortex mixer (front-end device). See, for example: 1) S.P. Izotov OA Rudakov et al. "Aircraft gas turbine engines in surface installations", L., Mashinostroenie, 1984, p. 96. 2) N.A.Sherlygin, V.G.Shakhverdov "Design and operation of aircraft gas turbine engines", Engineering, Moscow, 1969, p. 109.

Однако, известный способ работы и устройство для его реализации не обеспечивают установленные предельно допустимые концентрации оксидов азота 25 ppm. However, the known method of operation and the device for its implementation do not provide the established maximum permissible concentration of nitrogen oxides of 25 ppm.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является снижение выбросов NOx без увеличения выбросов CO.The objective of the present invention is to reduce NO x emissions without increasing CO emissions.

Решение указанной задачи достигается тем, что в камеру сгорания газотурбинного двигателя подают одновременно через огневой блок жидкое топливо и природный газ в соотношении

Figure 00000005

где Gг - расход газа;
Gж.т - расход жидкого топлива.The solution to this problem is achieved by the fact that liquid fuel and natural gas are supplied simultaneously to the combustion chamber of a gas turbine engine through a firing unit in the ratio
Figure 00000005

where G g - gas consumption;
G z.t - liquid fuel consumption.

Существенным отличием предлагаемого способа работы газотурбинного двигателя является то, что при указанном соотношении подачи через огневой блок в камеру сгорания и сжигании жидкого топлива и природного газа, выброс NOx является минимальным. При этом нет увеличения выброса CO.A significant difference of the proposed method of operation of a gas turbine engine is that with the specified ratio of the supply through the fire unit to the combustion chamber and the combustion of liquid fuel and natural gas, the emission of NO x is minimal. There is no increase in CO emissions.

Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, приведенные на фиг. 1, где по оси абсцисс приведено соотношение расходов жидкого топлива и природного газа, а по оси ординат - уровни эмиссии NOx и CO. Эксперимент проводился при удовлетворении нормативному требованию 15%-го содержания кислорода в продуктах сгорания, при степени в компрессоре Пк = 10, температуре воздуха за компрессором 609 К. Полнота сгорания ηк = 0,999.This is evidenced by the experimental data shown in FIG. 1, where the abscissa shows the ratio of liquid fuel to natural gas consumption, and the ordinate shows the levels of NO x and CO emissions. The experiment was carried out while satisfying the regulatory requirement of a 15% oxygen content in the combustion products, with a degree in the compressor Pc = 10, air temperature behind the compressor 609 K. Completeness of combustion η к = 0.999.

Обработка экспериментальных данных позволяет представить зависимость уровня эмиссии NOx от соотношения расходов жидкого топлива и природного газа уравнением:
y = 96,45 - 268х + 225,53 x2.
Processing of experimental data allows us to represent the dependence of the level of NO x emissions on the ratio of the consumption of liquid fuel and natural gas by the equation:
y = 96.45 - 268x + 225.53 x 2 .

Из графика видно, что наименьший (и менее 25 ppm) уровень выброса оксидов азота имеет место при Gг/(Gг + Gж.т) = 0,5...0,7. Выброс же окиси углерода не меняется.The graph shows that the lowest (and less than 25 ppm) level of nitrogen oxide emission occurs at G g / (G g + G z.t ) = 0.5 ... 0.7. The emission of carbon monoxide does not change.

В предлагаемом устройстве для реализации способа работы газотурбинного двигателя поставленная задача решается тем, что в огневом блоке, содержащем жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель, внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора, а геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее расположение в огневом блоке рассчитаны таким образом, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя. In the proposed device for implementing the method of operation of a gas turbine engine, the problem is solved in that in a firing unit containing a liquid centrifugal nozzle integrated in a gas cylindrical manifold with gas supply openings, an air swirl and a vortex mixer, the inner surface of the vortex mixer, directly behind the air swirl, made confuser, turning into a cylindrical neck, and the axis of the gas supply holes in the gas manifold are oriented to the confuser generatrix, and The geometric characteristics of the liquid centrifugal nozzle and its location in the firing unit are designed in such a way that the spray of fuel intersects in the upstream section with the cylindrical neck of the vortex mixer.

Пример реализации изобретения представлен на фиг. 2, где дан продольный разрез огневого блока для сжигания смеси топлив в качестве сгорания газотурбинного двигателя. An example implementation of the invention is presented in FIG. 2, where a longitudinal section is given of a firing unit for burning a mixture of fuels as a combustion of a gas turbine engine.

Огневой блок 1 смонтирован в корпусе камеры сгорания 2. The firing unit 1 is mounted in the housing of the combustion chamber 2.

Огневой блок 1 содержит жидкостную центробежную форсунку 3 подачи жидкого топлива, встроенную в газовый цилиндрический коллектор 4 с отверстием 5 подачи природного газа. The firing unit 1 comprises a liquid centrifugal nozzle 3 for supplying liquid fuel integrated in a gas cylindrical manifold 4 with an opening 5 for supplying natural gas.

Для образования смеси топлив и воздуха предусмотрен аэродинамический завихритель воздуха 6 и вихревой смеситель 7, размещенный на входе в жаровую трубу 8. Причем, внутренняя поверхность вихревого смесителя 7, непосредственно за завихрителем воздуха 6, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа 5 в газовом коллекторе 4 ориентированы на образующую конфузора вихревого смесителя 7. To form a mixture of fuels and air, an aerodynamic air swirl 6 and a vortex mixer 7 are provided located at the entrance to the flame tube 8. Moreover, the inner surface of the vortex mixer 7, directly behind the air swirl 6, is made confuser, turning into a cylindrical neck, and the axis of the feed openings gas 5 in the gas manifold 4 are oriented to the generatrix of the confuser of the vortex mixer 7.

Через огневой блок 1 в камеру сгорания 2 подают одновременно природный газ и жидкое топливо в соотношении Gг/(Gг + Gж.т) = 0,5...0,7.Through the firing unit 1, natural gas and liquid fuel are simultaneously supplied to the combustion chamber 2 in the ratio G g / (G g + G z.t ) = 0.5 ... 0.7.

Жидкое топливо подводят через жидкостную центробежную форсунку 3, а природный газ - через коллектор 4 и отверстия 5. Liquid fuel is fed through a liquid centrifugal nozzle 3, and natural gas is supplied through a collector 4 and openings 5.

Воздух, необходимый для сжигания смеси топлива, проходит через аэродинамический завихритель 6 и далее поступает в вихревой смеситель 7, размещенный на входе в жаровую трубу 8. The air required to burn the fuel mixture passes through the aerodynamic swirl 6 and then enters the vortex mixer 7, placed at the entrance to the flame tube 8.

Для улучшения смесеобразования жидкое топливо под расчетным углом факела распыла подают на начальный по потоку участок цилиндрической горловины, а природный газ - на образующую конфузора вихревого смесителя. To improve mixture formation, liquid fuel at a calculated angle of the spray pattern is fed to the section of the cylindrical mouth that is initial in the flow, and natural gas is fed to the vortex mixer confuser generatrix.

Предлагаемый способ работы газотурбинного двигателя и огневой блок для сжигания смеси топлив обеспечивают низкий уровень выброса оксидов азота без увеличения эмиссии окиси углерода. The proposed method of operation of a gas turbine engine and a firing unit for burning a mixture of fuels provide a low level of emission of nitrogen oxides without increasing the emission of carbon monoxide.

Использование предлагаемого изобретения позволит существенно повысить экологическую чистоту выхлопных газов высокотемпературных газотурбинных двигателей. The use of the invention will significantly improve the environmental cleanliness of the exhaust gases of high temperature gas turbine engines.

Claims (2)

1. Способ работы газотурбинного двигателя, основанный на подаче в камеру сгорания и сжигании одновременно жидкого топлива и природного газа, отличающийся тем, что жидкое топливо и природный газ подают в соотношении Gг/(Gг+ Gж.т) = 0,5 - 0,7, где Gг - расход газа, Gж.т - расход жидкого топлива.1. The method of operation of a gas turbine engine based on the supply of liquid fuel and natural gas to the combustion chamber and combustion at the same time, characterized in that liquid fuel and natural gas are supplied in a ratio of G g / (G g + G z.t ) = 0.5 - 0.7, where G g is the gas flow rate, G Wt is the liquid fuel consumption. 2. Огневой блок для сжигания смеси топлив, содержащий жидкостную центробежную форсунку, встроенную в газовый цилиндрический коллектор с отверстиями подачи газа, завихритель воздуха и вихревой смеситель, отличающийся тем, что внутренняя поверхность вихревого смесителя, непосредственно за завихрителем воздуха, выполнена конфузорной, переходящей в цилиндрическую горловину, и оси отверстий подачи газа в газовом коллекторе ориентированы на образующую конфузора, а геометрическая характеристика жидкостной центробежной форсунки и ее положение рассчитаны так, чтобы факел распыла топлива пересекался на начальном по потоку участке с цилиндрической горловиной вихревого смесителя. 2. A firing unit for burning a fuel mixture containing a liquid centrifugal nozzle integrated in a gas cylindrical manifold with gas supply openings, an air swirl and a vortex mixer, characterized in that the inner surface of the vortex mixer, directly behind the air swirl, is made confuser, turning into a cylindrical the neck and the axis of the gas supply openings in the gas manifold are oriented to the confuser generatrix, and the geometric characteristic of the liquid centrifugal nozzle and its position They are designed so that the fuel spray plume intersects in the initial flow section with the cylindrical neck of the vortex mixer.
RU98104201/06A 1998-03-05 1998-03-05 Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture RU2145669C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98104201/06A RU2145669C1 (en) 1998-03-05 1998-03-05 Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98104201/06A RU2145669C1 (en) 1998-03-05 1998-03-05 Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98104201A RU98104201A (en) 2000-01-10
RU2145669C1 true RU2145669C1 (en) 2000-02-20

Family

ID=20203080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98104201/06A RU2145669C1 (en) 1998-03-05 1998-03-05 Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2145669C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5657631A (en) Injector for turbine engines
US6968692B2 (en) Fuel premixing module for gas turbine engine combustor
US5974780A (en) Method for reducing the production of NOX in a gas turbine
US3890088A (en) Apparatus for reducing formation of oxides of nitrogen in combustion processes
US7047748B2 (en) Injection methods to reduce nitrogen oxides emission from gas turbines combustors
US4445339A (en) Wingtip vortex flame stabilizer for gas turbine combustor flame holder
JPH06510361A (en) Low harmful emissions combustion nozzle for gas turbine engines
NO790132L (en) METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING NITROGEN ENGINE EMISSIONS FROM COMBUSTION CHAMBER
JPH06213450A (en) Fuel injection nozzle
US5381659A (en) Engine exhaust reburner system and method
US5309718A (en) Liquid fuel turbocharged power plant and method
US5333458A (en) Liquid fuel power plant
RU2145669C1 (en) Method of operation of gas turbine engine and fire unit for combustion of fuel mixture
US5337567A (en) Liquid fuel power plant and method
US5381660A (en) Engine exhaust reburner system and method
GB2094464A (en) Gas turbine combustor
US5305608A (en) Liquid fuel power plant and method
EP0687350B1 (en) Dual fuel injection nozzle with water injection
RU2386082C1 (en) Device for preparing air-and-fuel mixture to be supplied to combustion chamber
Jones et al. Design and evaluation of combustors for reducing aircraft engine pollution
RU2270402C1 (en) Fuel burner
JP3921510B2 (en) Burned gas exhaust self-circulation burner
US5381663A (en) Liquid fuel power plant
Ohkubo et al. Evaporation characteristics of fuel spray and low emissions in a lean premixed-prevaporization combustor for a 100 kW automotive ceramic gas turbine
SU1688044A2 (en) Burner device

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PD4A Correction of name of patent owner
PD4A Correction of name of patent owner