RU2176052C2 - Turbomachine combustion chamber - Google Patents

Turbomachine combustion chamber Download PDF

Info

Publication number
RU2176052C2
RU2176052C2 RU99127496/06A RU99127496A RU2176052C2 RU 2176052 C2 RU2176052 C2 RU 2176052C2 RU 99127496/06 A RU99127496/06 A RU 99127496/06A RU 99127496 A RU99127496 A RU 99127496A RU 2176052 C2 RU2176052 C2 RU 2176052C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compartment
flow
flame tube
flame
nozzles
Prior art date
Application number
RU99127496/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.В. Токарев
Ю.Е. Кириевский
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
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 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" filed Critical Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority to RU99127496/06A priority Critical patent/RU2176052C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2176052C2 publication Critical patent/RU2176052C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: turbomachines. SUBSTANCE: turbomachine combustion chamber has the first compartment with fuel injector having holes for its supply, and the second compartment separated from the first one. The second compartment has fuel injector and holes for air supply. The first compartment is made of row of flame tubes. Installed in each flame tube is a row of slotted branch pipes. Walls of each branch pipe are of solid type and closed in direction opposite to flow in flame tube. Ends of branch pipes in direction opposite to flow in the second compartment and in direction of flow in flame tube are opened. Output ends of slotted branch pipes directed along flow in flame tube are located upstream of flow from flow section in flame tube. EFFECT: reduced toxicity of exhaust gases. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к камерам сгорания турбомашин, преимущественно наземных энергоустановок, работающих на природном газе с низкой токсичностью выхлопных газов. The invention relates to the combustion chambers of turbomachines, mainly ground-based power plants operating on natural gas with low toxicity of exhaust gases.

Известно устройство для сжигания органических топлив для получения энергии, включающее камеру сгорания и присоединенную к ее выходу реакционную камеру [1]. A device for burning organic fuels for energy, including a combustion chamber and a reaction chamber attached to its output [1], is known.

Недостатком известной конструкции является возможность образования в камере сгорания и реакционной камере локальных зон, близких к стехиометрическому составу. Известно, что уровень выброса окислов азота NOx определяется максимальной температурой в зоне горения, а скорость образования NOx экспоненциально зависит от локальной температуры в зоне горения. В известной конструкции топлива смешиваются с большим количеством воздуха, процесс смесеобразования затягивается и завершается в реакционной камере, при этом пульсации температур больше, а следовательно, больше и выбросы NOx. A disadvantage of the known design is the possibility of the formation in the combustion chamber and the reaction chamber of local zones close to the stoichiometric composition. It is known that the level of emission of nitrogen oxides NOx is determined by the maximum temperature in the combustion zone, and the rate of formation of NOx exponentially depends on the local temperature in the combustion zone. In a known construction, fuels are mixed with a large amount of air, the mixture formation process is delayed and completed in the reaction chamber, with more temperature pulsations and, consequently, more NOx emissions.

Наиболее близкой к заявляемой является камера сгорания турбомашины с небольшой токсичностью выхлопа, содержащая первый отсек с устройством для инжекции топлива при работе на небольшой мощности и с отверстиями для подачи воздуха, а также второй отсек, отделенный от первого и содержащий устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха при работе на полной мощности, при этом первый отсек расположен по противотоку относительно второго отсека [2]. Closest to the claimed is a combustion chamber of a turbomachine with low exhaust toxicity, comprising a first compartment with a device for injecting fuel when operating at low power and with openings for air supply, as well as a second compartment separated from the first and containing a device for injecting fuel and openings for air supply when operating at full power, while the first compartment is located in countercurrent relative to the second compartment [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является неполное использование возможностей процесса кинетического горения природного газа и высокая токсичность выбросов NOx, СО и HC в отработанных газах в процессе работы газовой турбины, преимущественно при осуществлении двухстадийного горения в режиме "богато-бедная" топливовоздушная смесь. Известная конструкция не позволяет осуществлять качественное (патрубковое) смешение основного (чистого) воздуха и продуктов неполного сгорания в первом отсеке, где осуществляется "богатое" горение смеси. В известной конструкции не исключаются также воздействия зоны втекания основного воздуха из второго отсека на зону "богатого" горения в первом отсеке, что также приводит к образованию в первом отсеке локальных зон, близких к стехиометрическому составу топливовоздушных смесей, более высоким температурам и повышенной токсичности выхлопных газов турбины. A disadvantage of the known design adopted as a prototype is the incomplete use of the capabilities of the kinetic combustion of natural gas and the high toxicity of emissions of NOx, CO and HC in the exhaust gases during the operation of a gas turbine, mainly when performing two-stage combustion in the "rich-poor" air-fuel mixture. The known design does not allow for high-quality (pipe) mixing of the main (clean) air and products of incomplete combustion in the first compartment, where the mixture is richly burned. The known design also does not exclude the effects of the zone of inflow of the main air from the second compartment on the “rich” combustion zone in the first compartment, which also leads to the formation in the first compartment of local zones close to the stoichiometric composition of air-fuel mixtures, higher temperatures and increased toxicity of exhaust gases turbines.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении токсичности выхлопных газов турбомашины путем осуществления двухстадийного горения в режиме "богатая-бедная" топливовоздушная смесь за счет уменьшения воздействия зоны втекания основного воздуха на зону "богатого" горения для предотвращения в ней высокотемпературного горения. The technical problem to be solved by the claimed invention is directed, is to reduce the toxicity of exhaust gases of a turbomachine by performing two-stage combustion in a “rich-poor” air-fuel mixture by reducing the effect of the inflow zone of the main air on the zone of “rich” combustion to prevent high-temperature combustion in it .

Сущность технического решения заключается в том, что в камере сгорания турбомашины, содержащей первый отсек с устройством для инжекции топлива и с отверстиями для подачи воздуха, а также второй отсек, отделенный от первого и содержащий устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха, согласно изобретению первый отсек выполнен из ряда жаровых труб, внутри выхода каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков, при этом стенки каждого из патрубков выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока в жаровой трубе, а торцы патрубков в направлении против потока во втором отсеке и в направлении потока в жаровой трубе выполнены открытыми, при этом выходные торцы щелевых патрубков, направленных по потоку в жаровой трубе, расположены выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе. Края замкнутых сторон щелевых патрубков в каждой из жаровых труб расположены эквидистантно относительно внутренней поверхности жаровой трубы. Каждая из жаровых труб снабжена по крайней мере двумя козырьками, расположенными под острым углом к направлению потока, а торцы козырьков направлены навстречу потоку во втором отсеке. The essence of the technical solution lies in the fact that in the combustion chamber of a turbomachine containing a first compartment with a device for injecting fuel and with openings for air supply, as well as a second compartment separated from the first and containing a device for injecting fuel and openings for air supply, according to the invention the first compartment is made of a series of flame tubes, inside the outlet of each of which a series of slotted nozzles is installed, while the walls of each of the nozzles are solid and closed in the opposite direction to the flow in the flame tube b, and the ends of the nozzles in the opposite direction to the flow in the second compartment and in the direction of flow in the flame tube are open, while the output ends of the slotted nozzles directed downstream in the flame tube are located upstream from the passage in the flame tube. The edges of the closed sides of the slotted nozzles in each of the flame tubes are located equidistant relative to the inner surface of the flame tube. Each of the flame tubes is equipped with at least two visors located at an acute angle to the direction of flow, and the ends of the visors are directed towards the flow in the second compartment.

Выполнение первого отсека из ряда жаровых труб, внутри выхода каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков, стенки каждого из патрубков сплошные и замкнутые в направлении потока в жаровой трубе, позволяет создать зону втекания основного воздуха в зону "бедного" горения и исключить его воздействие на зону "богатого" горения для предотвращения в ней высокотемпературного горения. The implementation of the first compartment of a series of flame tubes, inside each of which there is a row of slotted nozzles, the walls of each of the nozzles are solid and closed in the direction of flow in the flame tube, allows you to create a zone of inflow of the main air into the zone of "poor" combustion and exclude its effect on the zone "rich" combustion to prevent high temperature combustion in it.

Выполнение торцев патрубков открытыми в направлении против потока во втором отсеке позволяет использовать динамический напор потока воздуха из компрессора, а также уменьшить потери полного давления и увеличить перепад давлений на стенках жаровой трубы. The execution of the ends of the nozzles open in the opposite direction to the flow in the second compartment allows you to use the dynamic pressure of the air flow from the compressor, as well as reduce the loss of total pressure and increase the pressure drop on the walls of the flame tube.

Выполнение торцев патрубков открытыми в направлении потока в жаровой трубе и расположенными выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе позволяет исключить воздействие зоны втекания основного воздуха на зону "богатого" горения. Это обеспечивается направлением струй воздуха из патрубков по потоку из зоны богатого горения. The execution of the ends of the nozzles open in the direction of flow in the flame tube and located upstream from the bore in the flame tube eliminates the effect of the inflow zone of the main air on the zone of "rich" combustion. This is ensured by the direction of the air jets from the nozzles downstream of the rich combustion zone.

Выполнение краев замкнутых сторон щелевых патрубков в каждой из жаровых труб эквидистантно относительно внутренней поверхности жаровой трубы повышает степень загромождения потока продуктов "богатого" горения патрубками, степень смешения основного воздуха и продуктов горения "богатой" топливом смеси, а также устраняет неустойчивые режимы работы жаровых труб первого отсека на малой мощности. The execution of the edges of the closed sides of the slit nozzles in each of the flame tubes is equidistant relative to the inner surface of the flame tube increases the degree of clutter of the product stream of "rich" combustion pipes, the degree of mixing of the main air and the combustion products of the "fuel-rich" mixture, and also eliminates the unstable modes of operation of the flame tubes of the first compartment at low power.

Выполнение каждой из жаровых труб по крайней мере с двумя козырьками, расположенными под острым углом к направлению потока, а торцев козырьков - направленными навстречу потоку во втором отсеке, позволяет дополнительно использовать динамический напор потока воздуха, сжимаемого компрессором, а также уменьшить потери полного давления и увеличить перепад давлений на стенках жаровой трубы. The execution of each of the flame tubes with at least two visors, located at an acute angle to the direction of flow, and the ends of the visors - directed towards the flow in the second compartment, allows you to additionally use the dynamic pressure head of the air stream compressed by the compressor, as well as reduce the loss of full pressure and increase differential pressure on the walls of the flame tube.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания. In FIG. 1 shows the upper part of the longitudinal section of the combustion chamber.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 поперек жаровой трубы первого отсека. In FIG. 2 is a section AA in FIG. 1 across the flame tube of the first compartment.

Камера сгорания турбомашины содержит первый отсек 1 с устройством 2 для инжекции топлива 3 и с отверстиями 4 для подачи воздуха 5, а также второй отсек 6, отделенный от первого и содержащий устройство 7 для инжекции топлива 3 и отверстия 8 для подачи воздуха 5. Первый отсек 1 выполнен из ряда жаровых труб 9, внутри выхода 10 каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков 11, при этом стенки 12 каждого из патрубков 11 выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока 13 в жаровой трубе 9. Торцы 14 патрубков 11 в направлении против потока 15 во втором отсеке 6 и торцы 16 патрубков 11 в направлении потока 13 в жаровой трубе 9 выполнены открытыми. Выходные торцы 16 щелевых патрубков 11, направленных по потоку 13 в жаровой трубе 9, расположены выше по потоку 13 от проходного сечения ДУ в жаровой трубе 9. Края 17 замкнутых сторон щелевых патрубков 11 в каждой из жаровых труб 9 расположены эквидистантно, т.е. на расстоянии l от внутренней поверхности 18 жаровой трубы 9. Каждая из жаровых труб 9 снабжена по крайней мере двумя козырьками 19 и 20, расположенными под острым углом α к направлению потока 5 воздуха, а торцы 21 и 22 козырьков 19 и 20 направлены навстречу потоку 15 во втором отсеке 6 и потоку 5 воздуха. На фиг. 1 изображены также диффузор 23 с внезапным расширением, свеча зажигания 24, кольцевой газосборник 25, сопловой аппарат 26 газовой турбины, продольная ось 27 жаровой трубы 9, продольная ось 28 камеры сгорания и газовой турбины.The combustion chamber of a turbomachine contains a first compartment 1 with a device 2 for injecting fuel 3 and with openings 4 for supplying air 5, as well as a second compartment 6 separated from the first and containing a device 7 for injecting fuel 3 and openings 8 for supplying air 5. The first compartment 1 is made of a number of flame tubes 9, inside the outlet 10 of each of which a series of slotted nozzles 11 is installed, while the walls 12 of each of the nozzles 11 are solid and closed in the opposite direction to the flow 13 in the flame tube 9. The ends 14 of the nozzles 11 in the opposite direction 15 in Hur compartment 6 and the ends of the pipes 16, 11, 13 in the direction of flow of said flame tube 9 are made open. The output ends 16 of the slotted nozzles 11, directed downstream 13 in the flame tube 9, are located upstream 13 from the through section D U in the flame tube 9. The edges 17 of the closed sides of the slotted nozzles 11 in each of the flame tubes 9 are equidistant, i.e. . at a distance l from the inner surface 18 of the flame tube 9. Each of the flame tubes 9 is provided with at least two visors 19 and 20 located at an acute angle α to the direction of air flow 5, and the ends 21 and 22 of the visors 19 and 20 are directed towards the flow 15 in the second compartment 6 and the air stream 5. In FIG. 1 also shows a diffuser 23 with sudden expansion, a spark plug 24, an annular gas collector 25, a nozzle apparatus 26 of a gas turbine, a longitudinal axis 27 of the flame tube 9, a longitudinal axis 28 of the combustion chamber and the gas turbine.

Камера сгорания работает следующим образом. Воздух в количестве 15...25% поступает через отверстия 4 в отсек 1 жаровой трубы 9. Топливо 3 через устройство 2 для инжекции подается в жаровую трубу 9. Образующаяся в жаровой трубе 9 топливовоздушная смесь при смешении 100% топлива и 15...25% воздуха содержит в избытке топливоприродный газ и является по отношению к стехиометрическому составу смеси "богатой" топливовоздушной смесью. Образующиеся продукты неполного сгорания "богатой" топливовоздушной смеси поступают из жаровой трубы 9 во второй отсек 6. В полость горения второго отсека 6 через отверстия 8 и щелевые патрубки 11 подается воздух в количестве 50...65%, а также топливо через устройство 7 для инжекции. Этот воздух смешивается с топливом 3 и продуктами неполного сгорания "богатой" топливовоздушной смеси, втекающими из жаровой трубы 9 через проходное сечение ДУ, загроможденное щелевыми патрубками 11. Во втором отсеке 6 при смешении образуется топливовоздушная смесь, содержащая в избытке воздух - "бедная смесь", dг = 1,8...2,2, при этом в нем инициируются центры кинетического горения микрочастиц топлива, что способствует лавинной активации горения (ЛАГ-процесс). Эта смесь сгорает в кольцевом газосборнике 25. "Богатым" (dг = 0, 5...0,7) и "бедным" (dг = 1,8...2,2) топливовоздушным смесям характерна низкая температура горения Тг < 1950 К и соответственно низкая токсичность выхлопных газов. Переход от состояния с избытком топлива в состояние с избытком воздуха осуществляется ниже по потоку от щелевых патрубков 11 в полости второго отсека 6, горение продуктов неполного сгорания в жаровой трубе 9 завершается во втором отсеке 6 и газосборнике 25 при dг= 1,8...2,2, а щелевые патрубки 11 препятствуют втеканию основного воздуха в жаровые трубы 9 и образованию в них стехиометрических смесей.The combustion chamber operates as follows. Air in the amount of 15 ... 25% enters through openings 4 in the compartment 1 of the flame tube 9. Fuel 3 through the device 2 for injection is fed into the flame tube 9. The air-fuel mixture formed in the flame tube 9 when 100% fuel and 15 ... are mixed 25% of the air contains fuel-gas in excess and is, in relation to the stoichiometric composition of the mixture, a “rich” air-fuel mixture. The resulting products of incomplete combustion of the “rich” air-fuel mixture enter from the flame tube 9 into the second compartment 6. Into the combustion cavity of the second compartment 6 through the openings 8 and slotted nozzles 11, air is supplied in an amount of 50 ... 65%, as well as fuel through the device 7 for injection. This air is mixed with fuel 3 and products of incomplete combustion of the “rich” air-fuel mixture flowing from the flame tube 9 through the passage section D U , cluttered with slotted nozzles 11. In the second compartment 6, when mixed, the air-fuel mixture containing excess air is “lean mixture” ", d g = 1.8 ... 2.2, while the centers of kinetic combustion of fuel microparticles are initiated in it, which contributes to the avalanche activation of combustion (LAG process). This mixture burns in the annular gas collector 25. “Rich” (d g = 0, 5 ... 0.7) and “poor” (d g = 1.8 ... 2.2) air-fuel mixtures are characterized by a low combustion temperature T g <1950 K and, accordingly, low toxicity of exhaust gases. The transition from the state with excess fuel to the state with excess air is carried out downstream from the slotted nozzles 11 in the cavity of the second compartment 6, the combustion of products of incomplete combustion in the flame tube 9 is completed in the second compartment 6 and gas collector 25 with d g = 1.8 .. .2,2, and slotted nozzles 11 prevent the flow of main air into the flame tubes 9 and the formation of stoichiometric mixtures in them.

Источники информации
1. US патент N 5592811, кл. F 02 С 6/18, 1997.Sources of information
1. US patent N 5592811, CL F 02 C 6/18, 1997.

2. FR патент N 2672667, кл. F 23 R 3/42, 1992 - прототип. 2. FR patent N 2672667, class. F 23 R 3/42, 1992 - prototype.

Claims (3)

1. Камера сгорания турбомашины, содержащая первый отсек с устройством для инжекции топлива и с отверстиями для подачи воздуха, а также второй отсек, отделенный от первого и содержащий устройство для инжекции топлива и отверстия для подачи воздуха, отличающаяся тем, что первый отсек выполнен из ряда жаровых труб, внутри выхода каждой из которых установлен ряд щелевых патрубков, при этом стенки каждого из патрубков выполнены сплошными и замкнутыми в направлении против потока в жаровой трубе, а торцы патрубков в направлении против потока во втором отсеке и в направлении потока в жаровой трубе выполнены открытыми, при этом выходные торцы щелевых патрубков, направленных по потоку в жаровой трубе, расположены выше по потоку от проходного сечения в жаровой трубе. 1. The combustion chamber of a turbomachine, comprising a first compartment with a device for injecting fuel and with holes for supplying air, as well as a second compartment, separated from the first and containing a device for injecting fuel and holes for supplying air, characterized in that the first compartment is made of flame tubes, inside the outlet of each of which a series of slotted nozzles is installed, while the walls of each of the nozzles are solid and closed in the opposite direction to the flow in the flame tube, and the ends of the nozzles in the opposite direction to the flow in the torus compartment and in the direction of flow in the flame tube are made open, while the output ends of the slotted nozzles directed downstream in the flame tube are located upstream from the passage in the flame tube. 2. Камера сгорания турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что края замкнутых сторон щелевых патрубков в каждой из жаровых труб расположены эквидистантно относительно внутренней поверхности жаровой трубы. 2. The combustion chamber of a turbomachine according to claim 1, characterized in that the edges of the closed sides of the slotted nozzles in each of the flame tubes are equidistant relative to the inner surface of the flame tube. 3. Камера сгорания турбомашины по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что каждая из жаровых труб снабжена по крайней мере двумя козырьками, расположенными под острым углом к направлению потока, а торцы козырьков направлены навстречу потоку во втором отсеке. 3. The combustion chamber of a turbomachine according to claims 1 and 2, characterized in that each of the flame tubes is provided with at least two visors located at an acute angle to the direction of flow, and the ends of the visors are directed towards the flow in the second compartment.
RU99127496/06A 1999-12-21 1999-12-21 Turbomachine combustion chamber RU2176052C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99127496/06A RU2176052C2 (en) 1999-12-21 1999-12-21 Turbomachine combustion chamber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99127496/06A RU2176052C2 (en) 1999-12-21 1999-12-21 Turbomachine combustion chamber

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2176052C2 true RU2176052C2 (en) 2001-11-20

Family

ID=20228685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99127496/06A RU2176052C2 (en) 1999-12-21 1999-12-21 Turbomachine combustion chamber

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2176052C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7444820B2 (en) 2004-10-20 2008-11-04 United Technologies Corporation Method and system for rich-lean catalytic combustion

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7444820B2 (en) 2004-10-20 2008-11-04 United Technologies Corporation Method and system for rich-lean catalytic combustion

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4112676A (en) Hybrid combustor with staged injection of pre-mixed fuel
US4893468A (en) Emissions control for gas turbine engine
US4356698A (en) Staged combustor having aerodynamically separated combustion zones
JP4368112B2 (en) Apparatus and method for injecting liquid fuel into an air stream for a combustion chamber
JPH10132278A (en) Gas turbine
JPH0140246B2 (en)
US5303554A (en) Low NOx injector with central air swirling and angled fuel inlets
RU2195575C2 (en) Method of combustion with low noise level (versions)
RU2014152059A (en) METHOD FOR WORKING A GAS TURBINE BURNING DEVICE AND A GAS TURBINE BURNING DEVICE
KR100481431B1 (en) Combustion system using a low nox burner with trifle burning outlet for mixing gas fuel
RU2196247C2 (en) Method of burning fuel by means of injector with two-flow tangential inlet
CN103499097B (en) A kind of combustion chambers burn method for organizing and nozzle that uses medium and low heat value fuel gas
RU2408417C1 (en) Synthesis gas generator
KR102429643B1 (en) System and method for improving combustion stability of gas turbine
RU2111416C1 (en) Power-generating plant gas turbine combustion chamber
RU2176052C2 (en) Turbomachine combustion chamber
RU2347144C1 (en) Annular combustion chamber of gas turbine engine and method of its operation
JPS59183202A (en) Low nox burner
RU2098719C1 (en) Power plant gas turbine combustion chamber
RU2386082C1 (en) Device for preparing air-and-fuel mixture to be supplied to combustion chamber
JP2604933Y2 (en) Gas turbine combustor
RU2137936C1 (en) Method for controlling amount of nitrogen oxides exhausted from gas-turbine engine
RU2138739C1 (en) Gas turbine cannular-type combustion chamber
RU2289065C1 (en) Mixer of fuel components
RU2107227C1 (en) Tubular-annular combustion chamber of gas-turbine power plant

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20041222