RU2264584C2

RU2264584C2 - Fuel-air burner for gas-turbine engine combustion chamber

Info

Publication number: RU2264584C2
Application number: RU2003128640/06A
Authority: RU
Inventors: щиков М.С. Хр (RU); М.С. Хрящиков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-11-20
Also published as: RU2003128640A

Abstract

FIELD: gas-turbine engines.

SUBSTANCE: proposed fuel-air burner has fuel injector in the form of body with fuel feed and spray holes as well as axial- and tangential-flow air swirlers, air flow regulator disposed between rear side of injector body and inlet end of axial-flow swirler that forms slit duct together with its inlet end. Axial- and tangential-flow air swirlers are made in the form of open-end channels accommodating blades and each is provided with converging-diverging nozzle having internal and external channel walls. External channel wall of converging part of axial-flow swirler nozzle has curvature inverse relative to internal channel wall of tangential-flow swirler nozzle. Diverging part of axial-flow swirler is made in the form of cone whose vertex is disposed upstream of nozzle critical section. Angle between burner axis and generating line of cone is 30 to 90 deg. Critical section of axial-flow swirler converging-diverging nozzle is disposed upstream of point of intersection between external channel wall and fuel spray cone generating line.

EFFECT: reduced emission of pollutants in exhaust gases, improved starting characteristics and fuel economic efficiency, enhanced reliability of combustion chamber.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к конструкциям основных камер сгорания.The invention relates to gas turbine engines, in particular to the designs of the main combustion chambers.

Известна горелка камеры сгорания газовой турбины, содержащая форсунку для распыливания топлива в сжатом воздухе, первичный и вторичный проходные каналы, разделенные первой деталью, концентричной оси горелки и имеющей цилиндрическую или коническую сужающуюся распылительную гильзу, причем наружный вторичный проходной канал снаружи радиально ограничен расположенной концентрично второй кольцевой деталью со сходяще-расходящейся внутренней поверхностью, образующей участок с суженным проходным сечением, и к ней в направлении против потока примыкает распылительная гильза. Поверхность сужающе-расширяющейся кольцевой детали выполнена пересекающей образующую конуса топлива форсунки выше по потоку от места изменения ее кривизны (DE, заявка №19627760, F 23 D 11/24, 1996 г.).A known burner of a combustion chamber of a gas turbine, comprising a nozzle for spraying fuel in compressed air, a primary and secondary passage channels separated by a first component, the concentric axis of the burner and having a cylindrical or conical tapering spray sleeve, the outer secondary passage channel being radially bounded externally from a concentric second annular ring a part with a converging-diverging inner surface, forming a section with a narrowed bore, and towards it in the opposite direction to the flow adjacent to the spray sleeve. The surface of the tapering-expanding annular part is made crossing the generatrix of the fuel cone of the nozzle upstream from the place of change of its curvature (DE, application No. 19627760, F 23 D 11/24, 1996).

Недостатком известной конструкции является возможность возникновения неустойчивой зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки, вблизи стенки жаровой трубы, ухудшение топливной экономичности при работе на бедных топливом смесях, снижение диапазона устойчивой работы, а также повышенное нагарообразование. Это объясняется отсутствием выходной распыливающей кромки канала, отрывом потока воздуха и нарушением установившегося течения в непосредственно контактирующем с каналом воздухе. Также недостатком является выполнение сужающе-расширяющейся кольцевой детали с распылительной гильзой, пересекающей образующую конуса распыленного топлива форсунки выше по потоку от места изменения критического сечения канала, что способствует повышенному нагарообразованию.A disadvantage of the known design is the possibility of an unstable zone of recirculation of hot gases around the nozzle, near the wall of the flame tube, the deterioration of fuel economy when working on fuel-poor mixtures, reducing the range of stable operation, as well as increased carbon formation. This is explained by the absence of an outlet spraying edge of the channel, separation of the air flow, and disruption of the steady flow in the air directly in contact with the channel. Another disadvantage is the implementation of a tapering-expanding annular part with a spray sleeve that intersects the generatrix of the atomized fuel cone of the nozzle upstream of the change in the critical section of the channel, which contributes to increased carbon formation.

Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыливания топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом (RU, патент №2134839, F 23 D 11/00, 1997 г.).Closest to the claimed one is a fuel-air burner of a combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel nozzle in the form of a housing with fuel supply and atomization holes, an axial and tangential air swirl in the form of channels with open ends and vanes inside, an air flow stabilizer located between the back of the nozzle body and the input end of the axial swirler, forming a slotted channel with its input end, and each swirl is equipped with a confuser-diffuser nozzle (RU, patent No. 2134839, F 23 D 11/00, 1997).

Недостатком известной горелки, принятой за прототип, является неполное использование возможностей улучшения топливной экономичности горелки, увеличения диапазона устойчивой работы, снижения нагарообразования и повышения надежности запуска двигателя. Указанные недостатки объясняются недостаточной оптимизацией соотношений проходных сечений конфузорно-диффузорных сопел осевого и тангенциального завихрителей, геометрических параметров и взаимного расположения выходных распыливающих сопел, которые не обеспечивают одинаковую однородность топливовоздушной смеси в зоне рециркуляции во всем диапазоне работы камеры сгорания.A disadvantage of the known burner adopted as a prototype is the incomplete use of opportunities to improve the fuel economy of the burner, increase the range of stable operation, reduce carbon formation and increase the reliability of engine start. These drawbacks are explained by insufficient optimization of the ratios of the flow cross sections of the confuser-diffuser nozzles of the axial and tangential swirls, the geometric parameters and the relative position of the output spray nozzles, which do not provide the same uniformity of the air-fuel mixture in the recirculation zone over the entire range of the combustion chamber.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении эмиссии вредных веществ в выхлопных газах, в улучшении пусковых характеристик и топливной экономичности двигателя, в повышении надежности камеры сгорания за счет улучшения однородности топливовоздушной смеси и уменьшения объема высокотемпературных зон рециркуляции путем интенсификации взаимодействия между воздушным потоком за осевым завихрителем и топливом, распыленным форсункой, более полного использования энергии воздушного потока.The technical problem to which the invention is directed is to reduce the emission of harmful substances in exhaust gases, to improve starting characteristics and fuel efficiency of the engine, to increase the reliability of the combustion chamber by improving the uniformity of the air-fuel mixture and reducing the volume of high-temperature recirculation zones by intensifying the interaction between the air flow behind the axial swirler and the fuel atomized by the nozzle, to more fully use the energy of the air flow .

Сущность технического решения заключается в том, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем осевой и тангенциальный завихрители снабжены каждый конфузорно-диффузорным соплом с внутренними и внешними трактовыми стенками, согласно изобретению внешняя трактовая стенка конфузорной части сопла осевого завихрителя выполнена с обратной кривизной относительно внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя, при этом диффузорная часть сопла осевого завихрителя выполнена в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла, а угол от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°, причем критическое сечение конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя расположено выше по потоку от места пересечения внешней трактовой стенки с образующей распыливаемого конуса топлива.The essence of the technical solution lies in the fact that in the air-fuel burner of the combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel nozzle in the form of a housing with fuel supply and atomization holes, an axial and tangential air swirl in the form of channels with open ends and vanes inside, an air flow stabilizer located between the back of the nozzle body and the inlet end of the axial swirler, forming a slotted channel with its inlet end, and the axial and tangential swirls are provided with each embarrassment diffuser nozzle with internal and external path walls, according to the invention, the external path wall of the confuser part of the nozzle of the axial swirler is made with inverse curvature relative to the inner path wall of the nozzle of the tangential swirler, while the diffuser part of the nozzle of the axial swirler is made in the form of a cone, the apex of which is located above the flow from the critical section of the nozzle, and the angle from the axis of the burner to the generatrix of the cone is 30-90 °, and the critical section of the confuser-diffuser nozzle axial swirler located upstream of the intersection of the outer wall with Traktovaya forming atomized fuel cone.

Выполнение внешней трактовой стенки конфузорной части сопла осевого завихрителя с обратной кривизной относительно внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя формирует плавный с минимальными потерями поворот и перпендикулярное направление воздушного потока на образующую топливного конуса, что обеспечивает максимальное использование энергии закрученного потока воздуха на распыливание топлива, устраняет возникновение переобогащенной зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки при работе камеры сгорания на пониженных режимах, повышает мелкость дробления топлива, увеличивает степень перемешивания топливовоздушной смеси, уменьшает объем высокотемпературной зоны рециркуляции в первичной зоне камеры сгорания за счет повышения интенсивности воздействия воздушного потока за осевым завихрителем на топливный конус, распыливаемый форсункой.The execution of the external path wall of the confuser part of the nozzle of the axial swirler with the opposite curvature relative to the inner path wall of the nozzle of the tangential swirl generates a smooth and with minimal loss of rotation and perpendicular direction of the air flow to the generatrix of the fuel cone, which ensures maximum use of the energy of the swirling air flow for atomization of fuel, eliminates the occurrence of re-enriched hot gas recirculation zones around the nozzle during operation of the combustion chamber on reduced modes, increases the fineness of fuel crushing, increases the degree of mixing of the air-fuel mixture, reduces the volume of the high-temperature recirculation zone in the primary zone of the combustion chamber by increasing the intensity of the air flow behind the axial swirler on the fuel cone sprayed by the nozzle.

Выполнение диффузорной части сопла осевого завихрителя в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла, а угол от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°, укорачивает длину высокотемпературной зоны рециркуляции в полости горения жаровой трубы за счет принудительного расширения потока топливовоздушной смеси в расширяющемся канале, определяемом углом образующей конуса. Это объясняется тем, что увеличивается доля энергии воздушного потока за осевым завихрителем, затрачиваемая на распыливание топлива, и уменьшается доля энергии воздушного потока, затрачиваемая на образование зоны рециркуляции.The implementation of the diffuser part of the nozzle of the axial swirler in the shape of a cone, the apex of which is located upstream from the critical section of the nozzle, and the angle from the axis of the burner to the generatrix of the cone is 30-90 °, shortens the length of the high-temperature recirculation zone in the combustion chamber of the flame tube due to forced expansion of the flow air-fuel mixture in an expanding channel, determined by the angle of the generatrix of the cone. This is explained by the fact that the proportion of the energy of the air flow behind the axial swirler spent on atomizing the fuel increases, and the proportion of the energy of the air flow spent on the formation of the recirculation zone decreases.

При α<30° ухудшаются пусковые характеристики камеры сгорания вследствие чрезмерного уменьшения диаметрального размера потока топливовоздушной смеси.At α <30 °, the starting characteristics of the combustion chamber deteriorate due to an excessive decrease in the diametrical size of the air-fuel mixture flow.

При α>90° ухудшаются качество распыливания топлива и эмиссионные характеристики вследствие значительного изменения кривизны внутренней трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя и ухудшения взаимодействия между потоками за тангенциальным и осевым завихрителями.At α> 90 °, the quality of fuel atomization and emission characteristics deteriorate due to a significant change in the curvature of the inner path wall of the nozzle of the tangential swirler and the deterioration of the interaction between the flows behind the tangential and axial swirlers.

Расположение критического сечения конфузорно-диффузорного сопла осевого завихрителя выше по потоку от места пересечения внешней трактовой стенки с образующей распыливаемого конуса топлива исключает попадание капель топлива на внешнюю трактовую стенку конфузорной части сопла осевого завихрителя, чем обеспечивает отсутствие проскоков пламени к форсунке на переменных режимах.The location of the critical section of the confuser-diffuser nozzle of the axial swirler upstream from the intersection of the external path wall with the generatrix of the sprayed fuel cone eliminates the ingress of fuel droplets on the external path wall of the confuser part of the nozzle of the axial swirler, which ensures the absence of flame penetrations to the nozzle in variable modes.

На фиг.1 изображен продольный разрез вдоль оси горелки с углом α=30°.Figure 1 shows a longitudinal section along the axis of the burner with an angle α = 30 °.

На фиг.2 изображен продольный разрез вдоль оси горелки с углом α=90°.Figure 2 shows a longitudinal section along the axis of the burner with an angle α = 90 °.

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с каналами 2 подачи и распыла топлива 3, осевой завихритель воздуха 4 и тангенциальный завихритель воздуха 5 в виде каналов 6, 7 с открытыми торцами 8, 9 и лопатками 10, 11 внутри. Стабилизатор 12 потока 13 воздуха, размещенный между тыльной стороной 14 корпуса 1 форсунки и входным торцом 8 осевого завихрителя 4, образует щелевой канал 15 с его входным торцом 8. Осевой завихритель 4 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 16 с внешней трактовой стенкой 17, а тангенциальный завихритель 5 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 18 с внутренней 19 и внешней 20 трактовыми стенками. Внешняя трактовая стенка 17 конфузорной части 21 сопла 16 осевого завихрителя 4 выполнена с обратной кривизной относительно внутренней 19 трактовой стенки сопла тангенциального завихрителя, а внешняя трактовая стенка 17 диффузорной части 22 выполнена в форме конуса, вершина которого расположена выше по потоку от критического сечения сопла 16, при этом угол α от оси горелки до образующей конуса составляет 30-90°. Критическое сечение сопла 17-23 конфузорно-диффузорного сопла 16 осевого завихрителя 4 расположено выше по потоку от места пересечения образующей 24 распыливаемого конуса топлива 3 с внешней трактовой стенкой 17. Кроме того, на фиг.1 изображено: поз.25 - фронтовая стенка жаровой трубы, поз.26 - полость горения жаровой трубы, поз.27 - распыливающий пакет форсунки.The fuel-air burner of the combustion chamber of a gas turbine engine contains a fuel nozzle in the form of a housing 1 with channels 2 for supplying and spraying fuel 3, an axial air swirler 4 and a tangential air swirl 5 in the form of channels 6, 7 with open ends 8, 9 and blades 10, 11 inside. The stabilizer 12 of the air stream 13, located between the rear side 14 of the nozzle body 1 and the inlet end 8 of the axial swirler 4, forms a slotted channel 15 with its inlet end 8. The axial swirler 4 is equipped with a diffuser-nozzle 16 with an external path wall 17, and a tangential swirl 5 is equipped with a diffuser nozzle 18 with an inner 19 and an outer 20 path walls. The outer path wall 17 of the confuser part 21 of the nozzle 16 of the axial swirler 4 is made with inverse curvature relative to the inner 19 of the path wall of the nozzle of the tangential swirl, and the outer path wall 17 of the diffuser part 22 is made in the form of a cone, the apex of which is located upstream from the critical section of the nozzle 16, the angle α from the axis of the burner to the generatrix of the cone is 30-90 °. The critical section of the nozzle 17-23 of the confuser-diffuser nozzle 16 of the axial swirler 4 is located upstream from the intersection of the generatrix 24 of the sprayed fuel cone 3 with the external path wall 17. In addition, figure 1 shows: pos.25 - front wall of the flame tube , pos.26 - combustion chamber of the flame tube, pos.27 - spray nozzle package.

Работает топливовоздушная горелка следующим образом. Топливо 3 через каналы 2 подается к распылительному пакету 27 форсунки 1, и далее - в полость горения 26 жаровой трубы. Одновременно сжатый компрессором поток 13 воздуха, обтекая внешний контур стабилизатора 12, поступает через щелевой канал 15 в осевой завихритель 4. Поток 13 воздуха, поступающий в канал 6 осевого завихрителя 4, закручивается и, направляясь внешней трактовой стенкой 17 в конфузорной части 21 сопла 16 осевого завихрителя 4, распыливает аэрозоль топлива 3. В диффузорной части 22 сопла 16 осевого завихрителя 4, образованной внешней трактовой стенкой 17, распыленная аэрозоль топлива предварительно перемешивается в закрученном потоке 13 осевого завихрителя 4 и далее до требуемой концентрации в диффузорной части сопла 18 тангенциального завихрителя, формируя в полости горения 26 вблизи фронтовой стенки 25 жаровой трубы устойчивую, однородную по составу топливовоздушной смеси зону рециркуляции, и тем самым снижает эмиссию вредных веществ в выхлопных газах, улучшает пусковые характеристики и топливную экономичность двигателя, повышает надежность камеры сгорания.The air-fuel burner operates as follows. Fuel 3 through channels 2 is fed to the spray package 27 of the nozzle 1, and then into the combustion cavity 26 of the flame tube. At the same time, the air stream 13 compressed by the compressor, flowing around the external contour of the stabilizer 12, enters through the slotted channel 15 into the axial swirler 4. The air stream 13 entering the channel 6 of the axial swirler 4 is twisted and guided by the external path wall 17 in the confuser part 21 of the axial nozzle 16 swirl 4, atomizes the fuel aerosol 3. In the diffuser part 22 of the nozzle 16 of the axial swirl 4 formed by the outer path wall 17, the sprayed fuel aerosol is pre-mixed in the swirling flow 13 of the axial swirl 4 and further to the required concentration in the diffuser part of the nozzle 18 of the tangential swirl, forming in the combustion cavity 26 near the front wall 25 of the flame tube a stable recirculation zone uniform in the composition of the air-fuel mixture, and thereby reduce the emission of harmful substances in exhaust gases, and improve starting characteristics and fuel efficiency of the engine, increases the reliability of the combustion chamber.

Claims

A fuel-air burner of a combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel nozzle in the form of a housing with fuel supply and atomization openings, an axial and tangential air swirl in the form of channels with open ends and vanes inside, an air flow stabilizer located between the back of the nozzle body and the inlet end of the axial swirl forming a slotted channel with its inlet end, and the axial and tangential swirls are equipped with each confuser-diffuser nozzle with internal and external tract walls, characterized in that the outer path wall of the confuser part of the nozzle of the axial swirler is made with inverse curvature relative to the inner path wall of the nozzle of the tangential swirler, while the diffuser part of the axial swirler is made in the form of a cone, the apex of which is located upstream from the critical section of the nozzle, and the angle from the axis of the burner to the generatrix of the cone is 30-90 °, and the critical section of the confuser-diffuser nozzle of the axial swirler is located upstream from the section of the external path wall with the generatrix of the sawed fuel cone.