RU217752U1

RU217752U1 - Device for ignition of the combustion chamber of a gas turbine engine

Info

Publication number: RU217752U1
Application number: RU2022131079U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Максимов; Максим Николаевич Баштанников; Сергей Олегович Круглов; Николай Сергеевич Данилович; Сергей Николаевич Мягков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Теплофизика"; Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Ухта"
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-04-17

Abstract

Полезная модель относится к области газотурбинных двигателей, в частности к системам зажигания газотурбинного двигателя, работающего на газообразном топливе или на нескольких видах топлива, одно из которых газообразное. Устройство розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит искровую свечу зажигания, расположенную внутри камеры сгорания в центральной трубе горелочного устройства, образующей полость, открытый конец которой сообщается с зоной рециркуляции перед горелочным устройством, причем на открытом конце полости установлена как минимум одна перегородка с отверстием, проходная площадь которого ограничивает тепломассообмен между полостью и зоной рециркуляции камеры сгорания, создавая, таким образом, оптимальную для розжига концентрацию топливовоздушной смеси и снижая нагрев свечи зажигания, а центральная труба герметично установлена внутри другой полости, по которой в горелочном устройстве проходит топливо, обеспечивая охлаждение свечи зажигания. Предложенное устройство розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя позволяет повысить эффективность розжига камеры сгорания за счет формирования в зоне рециркуляции перед горелочным устройством богатой топливовоздушной смеси и формирования в локальном объеме перед свечой зажигания топливовоздушной смеси с оптимальной для розжига концентрацией, получаемой вследствие пониженного массообмена полости с зоной рециркуляции перед горелочным устройством, а также за счет применения искровой свечи зажигания с высокой энергией разряда.

The utility model relates to the field of gas turbine engines, in particular to the ignition systems of a gas turbine engine operating on gaseous fuel or on several types of fuel, one of which is gaseous. The device for ignition of the combustion chamber of a gas turbine engine contains a spark plug located inside the combustion chamber in the central tube of the burner device, forming a cavity, the open end of which communicates with the recirculation zone in front of the burner device, and at least one partition with a hole is installed at the open end of the cavity, the passage area which limits the heat and mass transfer between the cavity and the recirculation zone of the combustion chamber, thus creating an optimal concentration of the air-fuel mixture for ignition and reducing the heating of the spark plug, and the central pipe is hermetically installed inside another cavity through which fuel passes in the burner, providing cooling of the spark plug. The proposed device for igniting the combustion chamber of a gas turbine engine makes it possible to increase the efficiency of ignition of the combustion chamber by forming a rich air-fuel mixture in the recirculation zone in front of the burner and forming in the local volume in front of the spark plug an air-fuel mixture with an optimal concentration for ignition, resulting from a reduced mass exchange of the cavity with the recirculation zone in front of the burner. burner device, as well as through the use of a spark plug with a high discharge energy.

Description

Полезная модель относится к области газотурбинных двигателей, в частности к системам зажигания газотурбинного двигателя, работающего на газообразном топливе или на нескольких видах топлива, одно из которых газообразное.The utility model relates to the field of gas turbine engines, in particular to the ignition systems of a gas turbine engine operating on gaseous fuel or on several types of fuel, one of which is gaseous.

Известна свеча зажигания, предназначенная для использования в системах зажигания газотурбинных двигателей, работающих преимущественно на сжатом природном газе (RU 2 130 222, МПК H01T 13/16, опубл. 10.05.1999г.). Свеча содержит корпус, расположенный в нем центральный электрод, кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости. Кожух снабжен впускными и выпускными отверстиями, а также выходным отверстием на торце и экраном. Экран скреплен с торцом со стороны центрального электрода, а его стенки, образующие внутреннюю полость, выполнены незамкнутыми в направлении течения рабочего тела. Выполнение внутренней полости экрана сообщающейся отверстиями с охлаждающей полостью кожуха и полостью горения дает возможность ступенчато направлять поток воздуха из охлаждающей полости кожуха через полость экрана для создания воздушной завесы над торцом экрана и свечой, обращенной к зоне горения, и формировать устойчивый местный вихрь зоны обратных токов точно над выходным отверстием для плазмы на торце кожуха. Такая конструкция повышает эффективность охлаждения свечи и улучшает ее пусковые характеристики.A spark plug is known for use in ignition systems of gas turbine engines operating primarily on compressed natural gas (RU 2 130 222, IPC H01T 13/16, publ. 10.05.1999). The candle contains a body, a central electrode located in it, a casing covering the body with the formation of a cooling cavity. The casing is equipped with inlet and outlet holes, as well as an outlet at the end and a screen. The screen is fastened to the end face from the side of the central electrode, and its walls, forming the internal cavity, are made open in the direction of the flow of the working fluid. The execution of the inner cavity of the screen communicating with the holes with the cooling cavity of the casing and the combustion cavity makes it possible to stepwise direct the air flow from the cooling cavity of the casing through the cavity of the screen to create an air curtain over the end face of the screen and a candle facing the combustion zone, and to form a stable local vortex of the reverse current zone exactly above the plasma outlet at the end of the casing. This design improves the cooling efficiency of the plug and improves its starting characteristics.

Недостатком большинства систем зажигания и данного технического решения в частности, является расположение свечи на стенке жаровой трубы камеры сгорания перпендикулярно или под некоторым углом к потоку топливовоздушной смеси в камере сгорания. При таком расположении торец разрядника свечи находится на периферии зоны обратных токов, где концентрация топливовоздушной смеси не оптимальна и нестабильна, и существенно изменяется даже при не значительном изменении расхода воздуха или топлива, что в свою очередь делает нестабильным розжиг топливовоздушной смеси. Еще одним недостатком систем зажигания с таким расположением свечи зажигания является необходимость организации дополнительного охлаждения свечи. Это, во-первых, существенно усложняет конструкцию свечи, во-вторых, воздух после охлаждения попадает на торец свечи, что также осложняет розжиг топливовоздушной смеси.The disadvantage of most ignition systems and this technical solution in particular is the location of the candle on the wall of the flame tube of the combustion chamber perpendicular or at some angle to the flow of the air-fuel mixture in the combustion chamber. With this arrangement, the end of the spark gap is located on the periphery of the reverse current zone, where the concentration of the air-fuel mixture is not optimal and unstable, and changes significantly even with a slight change in air or fuel consumption, which in turn makes the ignition of the air-fuel mixture unstable. Another disadvantage of ignition systems with such an arrangement of the spark plug is the need for additional cooling of the spark plug. This, firstly, significantly complicates the design of the candle, and secondly, after cooling, air enters the end of the candle, which also complicates the ignition of the air-fuel mixture.

Также известна система розжига (US 2012/0279195, МПК F02C7/266, опубл. 03.05. 2011г.), в составе которой используется искровая свеча зажигания. Перед запуском свеча выдвинута внутрь камеры сгорания при помощи пружины и после запуска убирается из горячей зоны камеры сгорания при помощи поршня. Перемещение свечи внутрь камеры сгорания необходимо для достижения свечой области камеры сгорания, где концентрация топливовоздушной смеси оптимальна для её розжига, но в тоже время после розжига температура рабочего тела в этой области становится очень высокой, и поэтому необходимо удалить свечу из зоны высоких температур для обеспечения её долговечности (отсутствия пробоя между электродами внутри свечи зажигания) и обеспечения её герметичности при больших давлениях, создаваемых в современных камерах сгорания газотурбинных двигателей. An ignition system is also known (US 2012/0279195, IPC F02C7/266, published May 3, 2011), which uses a spark plug. Before starting, the spark plug is pushed into the combustion chamber by means of a spring, and after starting it is removed from the hot zone of the combustion chamber by means of a piston. Moving the spark plug inside the combustion chamber is necessary for the spark plug to reach the area of the combustion chamber where the concentration of the air-fuel mixture is optimal for its ignition, but at the same time, after ignition, the temperature of the working fluid in this area becomes very high, and therefore it is necessary to remove the spark plug from the high temperature zone to ensure it durability (no breakdown between the electrodes inside the spark plug) and ensuring its tightness at high pressures created in modern gas turbine combustion chambers.

Главный недостаток данного технического решения заключается в недостаточной надежности элементов системы розжига, обусловленной наличием подвижных частей конструкции. Второй недостаток - значительные габаритные размеры конструкции.The main disadvantage of this technical solution lies in the insufficient reliability of the elements of the ignition system, due to the presence of moving parts of the structure. The second drawback is the significant overall dimensions of the structure.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является воспламенитель камеры сгорания (RU 2 245 447, МПК F02C 7/26 (2000.01), опубл. 27.01.2005 г.) Устройство предназначено для воспламенения основных камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Воспламенитель содержит цилиндрический корпус с отверстием для подвода воздуха и внутренней полостью с перегородкой и тремя камерами. В первой камере расположена искровая свеча зажигания, запитываемая от источника электрической энергии, во второй - топливная форсунка, а третья сообщена с двумя первыми и с радиальным выходным патрубком. Отверстие для подвода воздуха выполнено в стенке корпуса между соплом форсунки и перегородкой. В перегородке выполнено отверстие, сообщающее первую камеру со второй, объем второй камеры более чем в два раза превышает объем первой камеры, а отношение объема третьей камеры к сумме объемов двух первых камер меньше двух и больше 1/2. Кроме того, в стенке корпуса во второй камере выполнены дополнительные отверстия для подвода окислителя. В стенке корпуса третьей камеры вокруг радиального патрубка выполнены расположенные на одной окружности отверстия с разным диаметром через одно, причем отношение суммарных площадей одних отверстий к другим составляет от 2 до 2,5, а отношение проходной площади радиального выходного патрубка к суммарной площади данных отверстий составляет от 8 до 9.The closest technical solution chosen as a prototype is the combustion chamber igniter (RU 2 245 447, IPC F02C 7/26 (2000.01), publ. 01/27/2005) The device is designed to ignite the main combustion chambers of aircraft gas turbine engines. The igniter contains a cylindrical body with an air supply hole and an internal cavity with a baffle and three chambers. In the first chamber there is a spark plug powered from a source of electrical energy, in the second chamber there is a fuel injector, and the third chamber is in communication with the first two and with a radial outlet pipe. The air supply hole is made in the casing wall between the injector nozzle and the baffle. The partition has a hole connecting the first chamber with the second one, the volume of the second chamber is more than twice the volume of the first chamber, and the ratio of the volume of the third chamber to the sum of the volumes of the first two chambers is less than two and more than 1/2. In addition, additional holes for supplying the oxidizer are made in the housing wall in the second chamber. In the wall of the body of the third chamber around the radial branch pipe, there are holes located on the same circumference with different diameters through one, and the ratio of the total areas of some holes to others is from 2 to 2.5, and the ratio of the flow area of the radial outlet pipe to the total area of these holes is from 8 to 9.

Недостаток данного технического решения заключается в наличии, наряду с основными форсунками камеры сгорания, дополнительной топливной форсунки в воспламенителе, что предполагает дополнительную топливную линию с элементами управления расходом топлива через нее. Также существует вероятность прогара радиального выходного патрубка.The disadvantage of this technical solution lies in the presence, along with the main injectors of the combustion chamber, an additional fuel injector in the igniter, which implies an additional fuel line with fuel flow controls through it. There is also a possibility of burnout of the radial outlet pipe.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя за счёт формирования горелочным устройством, в зоне рециркуляции перед горелочным устройством, богатой топливовоздушной смеси и создания в локальном объёме непосредственно перед свечой зажигания топливовоздушной смеси с оптимальной для розжига концентрацией.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of ignition of the combustion chamber of a gas turbine engine due to the formation by the burner, in the recirculation zone in front of the burner, of a rich air-fuel mixture and the creation of a fuel-air mixture in the local volume directly in front of the spark plug with an optimal concentration for ignition.

Технический результат полезной модели достигается устройством розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащим искровую свечу зажигания, запитываемую от источника электрической энергии, расположенную внутри камеры сгорания в горелочном устройстве, в котором в отличие от прототипа искровая свеча зажигания размещена в центральной трубе горелочного устройства, образующей полость, открытый конец которой сообщается с зоной рециркуляции перед горелочным устройством, причем на открытом конце полости выполнена как минимум одна перегородка с отверстием, проходная площадь которого ограничивает тепломассообмен между данной полостью и зоной рециркуляции камеры сгорания, создавая таким образом оптимальную для розжига концентрацию топливовоздушной смеси и снижая нагрев свечи зажигания, а центральная труба герметично установлена внутри другой полости, по которой в горелочном устройстве проходит топливо, обеспечивая охлаждение свечи зажигания.The technical result of the utility model is achieved by a device for igniting the combustion chamber of a gas turbine engine, containing a spark plug powered from a source of electrical energy, located inside the combustion chamber in the burner, in which, unlike the prototype, the spark plug is placed in the central tube of the burner, forming a cavity, the open end of which communicates with the recirculation zone in front of the burner, and at the open end of the cavity there is at least one partition with a hole, the passage area of which limits the heat and mass transfer between this cavity and the recirculation zone of the combustion chamber, thus creating an optimal concentration of the air-fuel mixture for ignition and reducing heating spark plugs, and the central pipe is sealed inside another cavity, through which fuel flows in the burner device, providing cooling of the spark plug.

Достижение технического результата обеспечивается использованием горелочного устройства, создающего зону рециркуляции с богатой топливо воздушной смесью, использованием искровой свечи зажигания, обладающей высокой энергией разряда, размещенной в полости горелочного устройства с низким тепломассообменом данной полости с зоной рециркуляции перед горелочным устройством. Низкий тепломассообмен обеспечивается сравнительно небольшой проходной площадью отверстия перегородки между полостью и зоной рециркуляции перед горелочным устройством, образованной плохообтекаемым торцом горелочного устройства. Проходная площадь отверстия перегородки позволяет регулировать тепломассообмен между локальным объемом перед свечой зажигания и зоной рециркуляции перед горелочным устройством, что позволяет постепенно увеличивать концентрацию топлива перед свечой зажигания, создавая горюче способную топливовоздушную смесь, а также значительно снизить скорость течения топливовоздушной смеси на торце свечи зажигания, что существенно облегчает ее воспламенение. Также перегородка значительно снижает нагрев свечи зажигания от излучения и конвекции продуктов сгорания из зоны горения. Полость внутри цилиндрической трубы, где расположена свеча зажигания, охлаждается топливом, проходящим через горелочное устройство, таким образом свеча зажигания достаточно охлаждается и не требует дополнительного охлаждения.The achievement of the technical result is achieved by using a burner device that creates a recirculation zone with a fuel-rich air mixture, using a spark plug with a high discharge energy, located in the cavity of the burner device with low heat and mass transfer of this cavity with the recirculation zone in front of the burner device. Low heat and mass transfer is ensured by a relatively small passage area of the opening of the partition between the cavity and the recirculation zone in front of the burner, formed by the poorly streamlined end of the burner. The passage area of the partition hole allows you to control the heat and mass transfer between the local volume in front of the spark plug and the recirculation zone in front of the burner, which allows you to gradually increase the concentration of fuel in front of the spark plug, creating a combustible air-fuel mixture, and also significantly reduce the flow rate of the air-fuel mixture at the end of the spark plug, which greatly facilitates its ignition. Also, the baffle significantly reduces the heating of the spark plug from radiation and convection of combustion products from the combustion zone. The cavity inside the cylindrical tube, where the spark plug is located, is cooled by the fuel passing through the burner, so that the spark plug is sufficiently cooled and does not require additional cooling.

Сущность полезной модели поясняется принципиальной схемой устройства розжига, которая содержит искровую свечу зажигания 1, размещенную в полости 2 горелочного устройства 3, ограниченной центральной трубой 4, которая герметично отделяет полость подачи топлива 5 от полости 2, в которой расположена свеча зажигания. Открытый конец полости 2 сообщается с зоной рециркуляции 6 камеры сгорания. На открытом конце полости установлена как минимум одна перегородка 7 с отверстием, проходная площадь которого обеспечивает низкий тепломассообмен и поэтапный розжиг топливовоздушной смеси. Топливо, проходящее по полости 5, охлаждает стенку центральной трубы 4, предотвращая перегрев свечи зажигания. На боковой стенке горелочного устройства выполнена система отверстий 8 для подачи топливного газа в камеру сгорания.The essence of the utility model is illustrated by a schematic diagram of the ignition device, which contains a spark plug 1, placed in the cavity 2 of the burner device 3, limited by the central pipe 4, which hermetically separates the fuel supply cavity 5 from the cavity 2, in which the spark plug is located. The open end of the cavity 2 communicates with the recirculation zone 6 of the combustion chamber. At the open end of the cavity, at least one partition 7 with a hole is installed, the passage area of which ensures low heat and mass transfer and phased ignition of the air-fuel mixture. The fuel passing through the cavity 5 cools the wall of the central tube 4, preventing the spark plug from overheating. On the side wall of the burner device, a system of holes 8 is made for supplying fuel gas to the combustion chamber.

Работа устройства розжига осуществляется следующим образом. The operation of the ignition device is carried out as follows.

При запуске газотурбинного двигателя, в начальный момент подачи топлива в зону рециркуляции 6 перед горелочным устройством и включения искровой свечи зажигания 1 в локальном объеме полости 2 перед свечой зажигания находится чистый воздух. Топливо, попадая из полости 5 через отверстия 8 в зону рециркуляции 6 перед горелочным устройством, начинает перемешиваться с воздухом, находящимся в полости 2 перед свечой зажигания. Наличие перегородки 7 позволяет сделать процесс массообмена постепенным, снизив скорость потока. Концентрация топлива в полости 2 перед свечой зажигания увеличивается плавно, и при достижении концентрации топлива достаточной для воспламенения происходит розжиг топливовоздушной смеси от искровых разрядов свечи зажигания 1. Розжиг происходит сначала в локальном объеме полости 2 перед свечой, далее пламя перебрасывается в зону рециркуляции 6перед горелочным устройством. Система отверстий 8, выполненных на боковой поверхности горелочного устройства 3, формирует богатую топливовоздушную смесь в зоне рециркуляции перед ним, которая способствует образованию оптимальной топливовоздушной смеси в локальном объеме полости 2 перед свечой зажигания и препятствует выгоранию металла торца горелочного устройства, благодаря недостатку окислителя в топливовоздушной смеси.When the gas turbine engine is started, at the initial moment of fuel supply to the recirculation zone 6 in front of the burner and the spark plug 1 is turned on, clean air is in the local volume of the cavity 2 in front of the spark plug. Fuel, getting from the cavity 5 through the holes 8 into the recirculation zone 6 in front of the burner, begins to mix with the air in the cavity 2 in front of the spark plug. The presence of partition 7 allows you to make the process of mass transfer gradual, reducing the flow rate. The fuel concentration in cavity 2 in front of the spark plug increases smoothly, and when the fuel concentration is sufficient for ignition, the air-fuel mixture is ignited from spark discharges of spark plug 1. Ignition occurs first in the local volume of cavity 2 in front of the spark plug, then the flame is transferred to the recirculation zone 6 in front of the burner . The system of holes 8, made on the side surface of the burner device 3, forms a rich air-fuel mixture in the recirculation zone in front of it, which contributes to the formation of an optimal air-fuel mixture in the local volume of the cavity 2 in front of the spark plug and prevents the burner end metal from burning out due to the lack of oxidizer in the air-fuel mixture .

Топливо, подаваемое в камеру сгорания и проходящее через горелочное устройство, попутно охлаждает через центральную трубу 4 полость со свечой зажигания, поэтому организация дополнительного охлаждения свечи зажигания не требуется.The fuel supplied to the combustion chamber and passing through the burner device simultaneously cools the cavity with the spark plug through the central pipe 4, so the organization of additional cooling of the spark plug is not required.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность розжига камеры сгорания за счёт формирования богатой топливовоздушной смеси в зоне рециркуляции перед горелочным устройством, создания локального небольшого объёма перед искровой свечой зажигания, обладающей высокой энергией разряда, заполненного, благодаря пониженному массобменому с зоной рециркуляции перед горелочным устройством, топливовоздушной смесью с оптимальной для воспламенения концентрацией.Thus, the proposed utility model makes it possible to increase the efficiency of ignition of the combustion chamber due to the formation of a rich air-fuel mixture in the recirculation zone in front of the burner, the creation of a local small volume in front of the spark plug, which has a high discharge energy, filled due to reduced mass exchange with the recirculation zone in front of the burner , an air-fuel mixture with an optimum concentration for ignition.

Claims

A device for ignition of the combustion chamber of a gas turbine engine, containing a spark plug powered from a source of electrical energy, located inside the combustion chamber in the burner device, characterized in that the spark plug is placed in the central tube of the burner device, forming a cavity, the open end of which communicates with the recirculation zone in front of the burner, and at the open end of the cavity there is at least one baffle with a hole, the passage area of which limits the heat and mass transfer between this cavity and the recirculation zone of the combustion chamber, thus creating an optimal concentration of the air-fuel mixture for ignition and reducing the heating of the spark plug, and the central pipe is airtight installed inside another cavity through which fuel flows in the burner, providing cooling to the spark plug.