RU2157954C2

RU2157954C2 - Air-assisted fuel burner

Info

Publication number: RU2157954C2
Application number: RU95115619A
Authority: RU
Inventors: Л.Ф. Епейкин; Ю.И. Цыбизов; А.М. Постников; В.Н. Лавров; И.С. Денисов; В.П. Савченко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д.Кузнецова"
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: combustion chambers of gas- turbine engines. SUBSTANCE: burner has double-tier vortex generator each of whose tiers mounts external and internal nozzles with holes in the latter, fuel injector installed along their axes and provided with at least one lip on its end, opposing end being made in internal contracting nozzle to organize sudden contraction of channel; set of holes is provided in nozzle wall upstream of channel. EFFECT: reduced toxicity of combustion products; improved operating reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей. The invention relates to combustion chambers of gas turbine engines.

Известны камеры сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), в которых для уменьшения вредных веществ в продуктах сгорания содержатся две зоны смешения топлива с воздухом. Одна из них традиционная, т.е. с расположенной по оси воздушного завихрителя форсункой, служит для создания в КС дежурного пламени. Другая - с предварительной подачей топлива в поток воздуха для получения однородной смеси до поступления ее в зону горения КС. (П.М.Канило. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода. Киев: Наукова думка, 1982, с. 94). Воспламенение такой смеси происходит от пламени дежурной зоны, а горение - с малым выделением вредных веществ (особенно оксидов азота - NO_x).Known combustion chambers (CS) of gas turbine engines (GTE), in which, to reduce harmful substances in the combustion products, there are two zones for mixing fuel with air. One of them is traditional, i.e. with the nozzle located along the axis of the air swirl, serves to create a standby flame in the CS. Another - with a preliminary supply of fuel into the air stream to obtain a homogeneous mixture before it enters the combustion zone of the compressor station. (P.M.Kanilo. The toxicity of gas turbine engines and prospects for the use of hydrogen. Kiev: Naukova Dumka, 1982, p. 94). Ignition of such a mixture comes from the flame of the duty zone, and combustion - with a small emission of harmful substances (especially nitrogen oxides - NO _x ).

Недостатком такого устройства является ненадежная работа, связанная с самовоспламенением смеси до ее поступления в зону горения КС (из-за большого времени пребывания и наличия мест с малыми скоростями потока), что приводит к перегреву и выгоранию фронтового устройства. The disadvantage of this device is the unreliable operation associated with self-ignition of the mixture before it enters the combustion zone of the compressor station (due to the long residence time and the presence of places with low flow rates), which leads to overheating and burnout of the front device.

Известно фронтовое устройство КС (пат. Франции N 2235274), содержащее топливовоздушные горелки, каждая из которых содержит двухъярусный лопаточный завихритель c сужающими насадками на каждом завихрителе. Топливо для лучшего его перемешивания с воздухом и получения однородной (гомогенной) смеси подается перед завихрителями. Преимущества и недостатки такого устройства такие же, как в вышеописанном устройстве. Known front-end device KS (US Pat. France N 2235274), containing fuel-air burners, each of which contains a two-tiered blade swirl with narrowing nozzles on each swirl. Fuel for its best mixing with air and to obtain a homogeneous (homogeneous) mixture is supplied before the swirls. The advantages and disadvantages of such a device are the same as in the above device.

Известно устройство головки КС (пат. США N 3570240 - прототип), в которой установлены горелки с двухъярусными завихрителями и насадками на них, причем внутренний - имеет конфузорную часть с внезапным расширением и поясом отверстий за ним, а торец насадка выполнен с дном. Топливная форсунка расположена по оси внутреннего завихрителя. A device of the COP head is known (U.S. Pat. No. 3,570,240 - prototype), in which burners with two-tier swirls and nozzles are installed, the inner one having a confuser part with a sudden expansion and a belt of holes behind it, and the end face of the nozzle is made with a bottom. The fuel nozzle is located along the axis of the internal swirl.

Предварительно подготовленная топливовоздушная смесь из внутреннего насадка через отверстия в его стенке поступает в поток за наружным завихрителем и далее в зону горения КС. The pre-prepared air-fuel mixture from the internal nozzle through the holes in its wall enters the stream behind the external swirler and then into the combustion zone of the compressor.

Такое устройство позволяет получить однородную (гомогенную) смесь топлива с воздухом. Для получения малого выделения вредных веществ эта смесь должна иметь избыток воздуха (α ≥ 2) для получения низкого уровня температуры пламени. Однако такая смесь обладает узким диапазоном устойчивого горения (при отсутствии рядом дежурного пламени), что ухудшает эксплуатационную надежность. Such a device allows to obtain a homogeneous (homogeneous) mixture of fuel with air. To obtain a low emission of harmful substances, this mixture must have an excess of air (α ≥ 2) to obtain a low level of flame temperature. However, such a mixture has a narrow range of stable combustion (in the absence of a nearby standby flame), which impairs operational reliability.

Дополнительно уменьшается надежность в таком устройстве из-за возможного самовоспламенения смеси во внутреннем насадке, что приводит к его перегреву и разрушению. In addition, reliability in such a device decreases due to possible self-ignition of the mixture in the internal nozzle, which leads to its overheating and destruction.

Целью изобретения является снижение токсичности продуктов: сгорания и повышение надежности работы. The aim of the invention is to reduce the toxicity of products: combustion and increase the reliability.

Эта цель достигается выполнением во внутреннем конфузорном насадке внезапного сужения и пояса отверстий перед ним, а на торце форсунки - выступов, не менее одного. This goal is achieved by performing in the internal confuser nozzle a sudden narrowing and a belt of holes in front of it, and at the end of the nozzle - protrusions, at least one.

Сущность изобретения поясняется примерами конструктивного выполнения, приведенными на фиг. 1, 2, 3. The invention is illustrated by examples of structural embodiment shown in FIG. 1, 2, 3.

На фиг. 1 изображен продольный разрез топливовоздушной горелки;
на фиг. 2 - вид по стрелке A на горелку;
на фиг. 3 - разрез по B-B.In FIG. 1 shows a longitudinal section of a fuel air burner;
in FIG. 2 is a view along arrow A of the burner;
in FIG. 3 - section on BB.

Горелка содержит корпус 1, в котором по оси размещена топливная форсунка 2. На корпусе 1 размещен двухъярусный внутренний 3 и наружный 4 завихрители соответственно с сужающимися насадками 5, 6, которые заканчиваются соплами 7, 8. На внутреннем насадке 5 выполнен пояс отверстий 9, за которым выполнено внезапное сужение образующее уступ 10. На торце форсунки 1 выполнены выступы 11 (не менее одного), которые расположены относительно торца форсунки на расстоянии "h". Работает топливовоздушная горелка следующим образом. The burner comprises a housing 1, in which a fuel nozzle 2 is placed along the axis 2. On the housing 1 there is a two-tier inner 3 and outer 4 swirls, respectively, with tapering nozzles 5, 6, which end with nozzles 7, 8. A belt of holes 9 is made on the inner nozzle 5, for which made a sudden narrowing forming a ledge 10. At the end of the nozzle 1 there are made protrusions 11 (at least one), which are located relative to the end of the nozzle at a distance of "h". The air-fuel burner operates as follows.

Воздух одновременно поступает в завихрители 3, 4 при этом часть воздуха, проходящего через внутренний завихритель 3, поступает через отверстия 9 в канал образованный насадками 5, 6 и далее выходит вместе с воздухом, прошедшим через завихритель 4, через сопло 8, а остальной воздух выходит через сопло 7. Топливо из форсунки 2 выходит в виде конуса, при этом часть его отражается от выступов 11, изменяет направление движения на осевое и выходит вместе с воздухом через сопло 7 в зону горения КС. (Высота выступа "h" выбирается из условия попадания на него конуса распыла топлива). Остальное топливо конуса вместе с воздухом, встречая уступ 10, уносится через отверстия 9 в канал образованный насадками 5, 6 и далее через сопло 8 поступает в зону горения КС. Air simultaneously enters the swirls 3, 4, while part of the air passing through the internal swirl 3 passes through the openings 9 into the channel formed by nozzles 5, 6 and then goes out with the air passing through the swirl 4 through the nozzle 8, and the rest of the air comes out through the nozzle 7. Fuel from the nozzle 2 exits in the form of a cone, while part of it is reflected from the protrusions 11, changes the direction of movement to the axial and leaves the air with the air through the nozzle 7 in the combustion zone of the compressor station. (The height of the protrusion "h" is selected from the condition that the spray cone hits it). The remaining fuel of the cone, together with air, encountering a ledge 10, is carried out through openings 9 into the channel formed by nozzles 5, 6 and then through the nozzle 8 enters the combustion zone of the compressor station.

Состав смеси, выходящей через сопло 7, определяется расходом воздуха, проходящего через завихритель 3 (без учета ушедшего через отверстия 9) и сектором конуса распила, занятого выступами 11, и подбирается из условия получения состава смеси с небольшим избытком воздуха (α ≈ 1...1,2). Состав смеси, выходящей через сопло 8, определяется расходом воздуха, проходящего через него, и топлива с воздухом, поступающим через отверстия 9, и подбирается из условия получения смеси с большим избытком воздуха (α ≈ 2,0). Более "богатая" топливом смесь, выходящая из сопла 7, поджигается посторонним источником (свечой и т.п.), образуя устойчиво горящую дежурную зону, а смесь, выходящая из сопла 8, поджигается и в последующем поддерживается от дежурной зоны, образуя две отдельно существующие зоны горения. The composition of the mixture exiting through the nozzle 7 is determined by the flow rate of air passing through the swirler 3 (excluding leaving through the openings 9) and the sector of the cut cone occupied by the protrusions 11, and is selected from the conditions for obtaining the composition of the mixture with a small excess of air (α ≈ 1 .. .1,2). The composition of the mixture exiting through the nozzle 8 is determined by the flow rate of air passing through it and fuel with air entering through the openings 9 and is selected from the conditions for obtaining a mixture with a large excess of air (α ≈ 2.0). The more fuel-rich mixture exiting nozzle 7 is ignited by an external source (a candle, etc.), forming a steadily burning on-duty zone, and the mixture exiting nozzle 8 is ignited and subsequently maintained from the on-duty zone, forming two separately existing combustion zones.

Более "бедная" смесь, выходящая из сопла 8, сгорает при более низкой температуре пламени (из-за большого избытка воздуха), тем самым предотвращает образование вредных (особенно NO_x) веществ.The poorer mixture leaving the nozzle 8 burns out at a lower flame temperature (due to a large excess of air), thereby preventing the formation of harmful (especially NO _x ) substances.

Таким образом, применение предложенного устройства топливовоздушной горелки позволит повысить надежность работы и снизить токсичность продуктов сгорания. Thus, the use of the proposed device air-fuel burner will improve reliability and reduce the toxicity of combustion products.

Claims

A fuel-air burner containing a two-tier swirl with external and internal nozzles mounted on them with holes in the latter, a fuel nozzle mounted on an axis, characterized in that at least one protrusion is made on the nozzle end, and a counter ledge is formed in the internal confuser nozzle, forming sudden narrowing of the channel, in front of which a belt of holes is made in the nozzle wall.