RU2451878C1 - Method for preliminary preparation and combustion of "lean" air-fuel mixture in low-emission burner - Google Patents
Method for preliminary preparation and combustion of "lean" air-fuel mixture in low-emission burner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2451878C1 RU2451878C1 RU2011104316/06A RU2011104316A RU2451878C1 RU 2451878 C1 RU2451878 C1 RU 2451878C1 RU 2011104316/06 A RU2011104316/06 A RU 2011104316/06A RU 2011104316 A RU2011104316 A RU 2011104316A RU 2451878 C1 RU2451878 C1 RU 2451878C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- air
- flow
- central
- main
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы смешения различных жидкостей и газов, в том числе процессы смесеобразования различных топлив с воздухом и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС), в частности к созданию малоэмиссионных камер сгорания (МКС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) на базе малоэмиссионных горелок (МГ) с предварительной подготовкой и сжиганием «бедных» смесей жидких или газообразных топлив и воздуха.The invention relates to the field of engineering, energy, transport and to other areas where there are processes of mixing various liquids and gases, including the processes of mixture formation of various fuels with air and combustion of a “poor” air-fuel mixture (FA), in particular to the creation of low-emission chambers combustion (ISS) of aircraft gas turbine engines (GTE) and stationary gas turbine units (GTU) based on low-emission burners (MG) with preliminary preparation and burning of “poor” mixtures of liquid or gaseous top rain and air.
Термины и понятия, применяемые ниже в тексте к пневматическому распыливанию жидкостей и смешению жидкостей и газов, заимствованы из работы [1] (Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. 254 с.), а понятия, касающиеся процессов горения в камерах сгорания (КС) ГТД, использованы из работы [2] (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. 566 с.).The terms and concepts used below in the text to pneumatic spraying liquids and mixing liquids and gases are borrowed from [1] (Pazhi DG, Galustov BC Fundamentals of spraying liquids. - Moscow: Chemistry, 1984. 254 p.) , and the concepts relating to the combustion processes in the combustion chambers (CS) of a gas turbine engine are used from [2] (Lefebvre A. Processes in a gas turbine combustion chamber: Translated from English - Moscow: Mir, 1986, 566 pp.).
Известно [2], что наиболее важными параметрами, от которых зависит эмиссия окислов азота (NOx) при горении ТВС в камере сгорания (КС) ГТД или ГТУ, являются температура пламени и время пребывания продуктов сгорания (ПС) в зоне высоких температур. Эти параметры, в свою очередь, зависят от концентрации топлива в воздухе, т.е. от коэффициента избытка воздуха в зоне горения, и времени образования реакционной ТВС и ее качества (концентрационной однородности по объему зоны горения) соответственно.It is known [2] that the most important parameters on which the emission of nitrogen oxides (NO x ) depends on the combustion of fuel assemblies in the combustion chamber (CS) of a gas turbine engine or gas turbine are the flame temperature and the residence time of the combustion products (PS) in the high temperature zone. These parameters, in turn, depend on the concentration of fuel in the air, i.e. on the coefficient of excess air in the combustion zone, and the time of formation of the reaction fuel assembly and its quality (concentration uniformity over the volume of the combustion zone), respectively.
При диффузионном смешении топлива и воздуха образуются смеси с весьма узкими концентрационными пределами воспламенения. «Бедный» (нижний) и «богатый» (верхний) концентрационные пределы распространения пламени зависят от типа топлива и соответствуют минимальной температуре пламени рассматриваемого топлива. ТВС промежуточного стехиометрического состава горит при максимальной температуре, способствующей образованию вредных окислов азота. Горение ТВС (т.е. распространение пламени) уже вблизи «бедного» и «богатого» пределов является неустойчивым. Чтобы значительно уменьшить эмиссию окислов азота, ТВС должна иметь состав с концентрацией существенно ниже «бедного» концентрационного предела. Однако «бедная» ТВС такого концентрационного состава не способна гореть без стабилизирующего («дежурного») пламени. В зарубежной литературе стабилизирующее пламя называют пилотным. «Обеднение» ТВС сопровождается ростом ее концентрационной неоднородности из-за уменьшения значения объемного отношения топлива к воздуху и возникновением локальных «обогащенных» и «переобедненных» зон, в которых соответственно из-за высокой температуры горения «обогащенной» смеси возрастает эмиссия окислов азота и происходит «замораживание» окиси углерода из-за низкой температуры горения «переобедненной» смеси. При существенном «обеднении» ТВС получить качественную смесь жидкого топлива и воздуха намного трудней, чем качественную смесь газообразного топлива и воздуха, так как при одинаковом давлении объем, занимаемый жидкостью, в сотни раз меньше объема, занимаемого газом. Кроме того, дробление капель жидкости происходит тогда, когда аэродинамические силы воздуха превышают силы поверхностного натяжения жидкости.During diffusion mixing of fuel and air, mixtures with very narrow concentration limits of ignition are formed. The “poor” (lower) and “rich” (upper) concentration limits of flame propagation depend on the type of fuel and correspond to the minimum flame temperature of the fuel in question. A fuel assembly of intermediate stoichiometric composition burns at a maximum temperature, which contributes to the formation of harmful nitrogen oxides. Combustion of fuel assemblies (i.e. flame propagation) is already unstable near the “poor” and “rich” limits. To significantly reduce the emission of nitrogen oxides, fuel assemblies should have a composition with a concentration significantly below the “poor” concentration limit. However, the “poor” fuel assembly of such a concentration composition is not able to burn without a stabilizing (“standby”) flame. In foreign literature, a stabilizing flame is called a pilot flame. The “depletion” of fuel assemblies is accompanied by an increase in its concentration inhomogeneity due to a decrease in the volumetric ratio of fuel to air and the appearance of local “enriched” and “depleted” zones, in which, due to the high combustion temperature of the “enriched” mixture, nitrogen oxide emission increases and occurs "Freezing" of carbon monoxide due to the low combustion temperature of the "depleted" mixture. With a significant “depletion” of fuel assemblies, obtaining a high-quality mixture of liquid fuel and air is much more difficult than a high-quality mixture of gaseous fuel and air, since at the same pressure the volume occupied by the liquid is hundreds of times smaller than the volume occupied by the gas. In addition, the splitting of liquid droplets occurs when the aerodynamic forces of the air exceed the surface tension of the liquid.
Чтобы уменьшить эмиссию окислов азота, стремятся также сократить время пребывания ПС в зоне высоких температур при сохранении полноты окисления топлива. Взаимная диффузия топлива и воздуха, результатом действия которой является образование реакционноспособной ТВС, - медленный процесс, занимающий значительное пространство зоны горения ТВС. Поэтому процесс подготовки «бедной» ТВС, лимитирующийся диффузией, стремятся вынести за пределы зоны горения и осуществить предварительно.To reduce the emission of nitrogen oxides, they also strive to reduce the residence time of PS in the high temperature zone while maintaining the completeness of oxidation of the fuel. Mutual diffusion of fuel and air, the result of which is the formation of reactive fuel assemblies, is a slow process, which occupies a significant space of the fuel assembly combustion zone. Therefore, the process of preparing the “poor” fuel assemblies, limited by diffusion, is sought to be moved outside the combustion zone and carried out previously.
Не менее важной проблемой является организация устойчивого горения «бедной» ТВС, концентрация топлива в которой ниже «бедного» концентрационного предела распространения пламени, а также устранение проскока пламени в область предварительной подготовки смеси.An equally important problem is the organization of stable combustion of the “poor” fuel assembly, the fuel concentration in which is below the “poor” concentration limit of flame propagation, as well as the elimination of the leakage of flame into the area of preliminary mixture preparation.
При создании горелок упомянутые выше проблемы и некоторые другие необходимо решать одновременно. Однако в известных способах эти проблемы в горелках решаются либо частично, либо недостаточно эффективно. В то же время попытки их решения приводят к большому разнообразию способов предварительной подготовки и сжигания «бедной» ТВС и устройств, в которых реализуются эти способы.When creating burners, the problems mentioned above and some others need to be addressed simultaneously. However, in the known methods, these problems in the burners are solved either partially or insufficiently effectively. At the same time, attempts to solve them lead to a wide variety of methods for preliminary preparation and burning of the “poor” fuel assemblies and devices in which these methods are implemented.
Известны способы предварительного смешения топлива и воздуха в горелке или горелочном устройстве. При этом струи топлива подают в спутный [3] (Патент Японии №2004053048, 2002, F23R 3/18) и [4] (Патент РФ №2099639, Бюл. №35, 1997, F23R 3/28) или в сносящий воздушный поток [5] (Патент Японии №3174638, 2002, F23R 3/30). В соответствии с другими способами струи топлива подают в предварительно закрученный с помощью лопаточного завихрителя соосный кольцевой поток воздуха, охватывающий устройство подачи топлива [6] (Патент РФ №2094705, Бюл. №30, 1997, F23R 3/16), [7] (Патент РФ №2137042, Бюл. №25, 1999, F23R 3/16), [8] (Патент РФ №2241177, Бюл. №33, 2004, F23R 3/16) и [9] (Патент РФ №2227247, 2001, F23R 3/00). Применяют и два аксиальных закрученных в разные стороны потока воздуха с помощью лопаточных завихрителей, находящихся в одной плоскости [10] (Патент Японии №2003194337, 2008, F23R 3/14) или смещенных относительно друг друга по потоку [11] (Патент РФ №2267710, Бюл. №1, 2006, F23R 3/20) и [12] (Патент Германии №4228816, 1998, F23R 3/14). Либо струи топлива и воздуха предварительно закручивают в разные стороны с помощью соответствующих лопаточных завихрителей, а затем смешивают [13] (Патент РФ №2083926, Бюл. №19, 1997, F23R 3/16). Полученную таким способом в первой ступени ТВС дополнительно последовательно смешивают с предварительно закрученным в противоположную сторону с помощью радиального лопаточного завихрителя кольцевым воздушным потоком во второй ступени, затем с предварительно закрученным в противоположную сторону с помощью радиального лопаточного завихрителя кольцевым воздушным потоком в третьей ступени [14] (Патент Германии №2442895, 1973, F23R 3/14). Предлагается также способ [15] (Патент Великобритании №2179435, 1986 г., F23R 3/28), в соответствии с которым топливо подают в предварительно закрученный с помощью лопаточного завихрителя коаксиальный воздушный поток, полученную смесь для улучшения ее качества дополнительно закручивают с помощью лопаточного завихрителя.Known methods for pre-mixing fuel and air in a burner or burner device. In this case, the fuel jets are fed into the satellite [3] (Japan Patent No. 2004 053048, 2002, F23R 3/18) and [4] (RF Patent No. 2099639, Bull. No. 35, 1997,
К достоинству этих способов смешения следует отнести тот факт, что применение лопаточных завихрителей позволяет улучшить качество «бедной» ТВС за счет удлинения пути смешения при движении топлива и воздуха в процессе их смешения по винтовой линии и интенсификации турбулентного обмена в условиях ускоренного движения потока. Движение потока по винтовой линии позволяет, кроме того, уменьшить длину горелки и ее массу.The advantage of these mixing methods is the fact that the use of scapular swirlers can improve the quality of the “poor” fuel assemblies by lengthening the mixing path during the movement of fuel and air during their mixing along the helix and the intensification of turbulent exchange under conditions of accelerated flow. The movement of the flow along the helix allows, in addition, to reduce the length of the burner and its mass.
Общим недостатком всех этих рассмотренных способов смешения с применением лопаточных завихрителей, как показывают экспериментальные исследования их газодинамических характеристик [16] (Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982. 200 с.), является значительный рост потерь давления, вызванных увеличенной поверхностью трения лопаток, удлинением пути смешения и ускорением потока при неудовлетворительном качестве ТВС.A common drawback of all these considered methods of mixing using scapular swirlers, as shown by experimental studies of their gas-dynamic characteristics [16] (Shchukin VK, Khalatov AA Heat transfer, mass transfer and hydrodynamics of swirling flows in axisymmetric channels. - M.: Mechanical Engineering , 1982. 200 p.), There is a significant increase in pressure loss caused by the increased friction surface of the blades, lengthening of the mixing path and acceleration of flow with poor quality fuel assemblies.
Недостатки этих струйных способов смешения топлива и воздуха в горелках с точки зрения повышения качества «бедной» ТВС устраняются в способах [17] (Патент Японии №2000266316, 1999, F23D 11/40), [18] (Патент Японии №3922115 В2, 2008, F23R 3/42), [19] (Патент США №5214912, 1993, F23R 3/40) и [20] (Патент РФ №2252065, Бюл. №14, 2005, B01F 3/04, 5/06) путем применения проницаемых элементов (ПЭ). В соответствии с этими способами предварительно подготовленная «бедная» ТВС дополнительно пропускается через ПЭ, который обеспечивает получение более качественной ТВС за счет разветвленной системы микроканалов и максимально (до размеров толщины его материала) сокращает путь смешения топлива и воздуха. Турбулентный поток ТВС в микроканалах ПЭ движется с небольшими скоростями, но достаточными для интенсивного перемешивания топлива и воздуха. Поэтому потери давления при смешении топлива и воздуха в горелке с применением ПЭ меньше, чем в горелке с применением лопаточного завихрителя, где турбулентный поток ТВС движется с большими скоростями. Кроме того, ПЭ, в отличие от лопаточного завихрителя, обладает еще одним положительным свойством: за счет своей пористой структуры он демпфирует пульсации давления, не позволяя им распространиться из области горения смеси вверх по потоку.The disadvantages of these jet methods of mixing fuel and air in burners from the point of view of improving the quality of the “poor” fuel assemblies are eliminated in the methods [17] (Japanese Patent No. 2000266316, 1999, F23D 11/40), [18] (Japanese Patent No. 3922115 B2, 2008 , F23R 3/42), [19] (US Patent No. 5,214,912, 1993,
Стабилизацию горения «бедной» ТВС в двухконтурных горелках, т.е. непрерывную подачу свежей ТВС в зону горения, обеспечивают с помощью аксиально-лопаточного завихрителя путем организации вихревой зоны с возвратным течением «бедной» ТВС, скорость которого меньше скорости распространения пламени, а ее надежное воспламенение и устойчивое горение - с помощью «дежурного» факела [21] (Патент РФ №2087805, Бюл. №23, 1997, F23R 3/16), [22] (Патент РФ №2107869, Бюл. №9, 1998, F23R 3/00), [23] (Патент РФ №2143642, Бюл. №36, 1998, F23R 3/34) и [24] (Патент РФ №2170391, Бюл. №19, 2001, F23R 3/14). Однако такой способ стабилизации горения «бедной» ТВС в горелке, как показывают экспериментальные исследования аксиально-лопаточных завихрителей [16], сопровождается значительным ростом потерь давления в свободном вихре за пределами горелки.Stabilization of the combustion of the “poor” fuel assemblies in double-circuit burners, i.e. continuous supply of fresh fuel assemblies to the combustion zone is ensured by using an axial-blade swirl by organizing a vortex zone with the return flow of the “poor” fuel assemblies, the speed of which is less than the flame propagation velocity, and its reliable ignition and stable combustion using the “standby” torch [21 ] (RF Patent No. 2087805, Bull. No. 23, 1997, F23R 3/16), [22] (RF Patent No. 2107869, Bull. No. 9, 1998,
Потери давления при стабилизации горения «бедной» ТВС в двухконтурной горелке с «дежурным» факелом можно существенно уменьшить, если для организации циркуляционной зоны с возвратным течением «бедной» ТВС вместо аксиально-лопаточного завихрителя применить полый конический стабилизатор с окнами, выполненными вдоль образующих конуса. Такой способ стабилизации горения «бедной» ТВС предложен в патенте Японии [3].Pressure losses during stabilization of the combustion of a “poor” fuel assembly in a double-circuit burner with a “standby” torch can be significantly reduced if, instead of an axial-blade swirler, a hollow conical stabilizer with windows along the cone generators is used to organize a circulation zone with a return flow of a “poor” fuel assembly. This method of stabilizing the combustion of a “poor” fuel assembly is proposed in a Japanese patent [3].
Для предотвращения проскока пламени в область предварительной подготовки «бедной» ТВС поток этой смеси ускоряют в специальном сужающем устройстве, которое обеспечивает движение потока ТВС с местной скоростью, превышающей скорость распространения пламени [4], [7], [13], [21] и [25] (Патент США №5285631, 1994, F02C 3/14). Такое сужающее устройство, установленное на выходе из горелки, удлиняет горелку и увеличивает ее массу, что является недостатком.To prevent flame penetration into the preliminary preparation area of the “poor” fuel assembly, the flow of this mixture is accelerated in a special narrowing device, which ensures the movement of the fuel assembly stream at a local speed exceeding the flame propagation velocity [4], [7], [13], [21] and [25] (US Patent No. 5285631, 1994,
Этот недостаток устраняется в способах с применением лопаточных завихрителей, установленных в конце пути смешения «бедной» ТВС [5], [20]. Ускорение потока ТВС в них не только способствует улучшению качества смеси, но и предотвращает проскок пламени без установки дополнительного сужающего устройства.This disadvantage is eliminated in the methods using scapular swirlers installed at the end of the mixing path of the “poor” fuel assembly [5], [20]. Accelerating the flow of fuel assemblies in them not only improves the quality of the mixture, but also prevents the breakthrough of the flame without installing an additional narrowing device.
Следует отметить, что применение ПЭ [17]-[20] устраняет проскок пламени в область предварительной подготовки «бедной» ТВС благодаря гашению пламени в микроканалах без ускорения потока смеси при меньших потерях полного давления.It should be noted that the use of PE [17] - [20] eliminates the breakthrough of the flame into the preliminary preparation area of the “poor” fuel assemblies due to the quenching of the flame in microchannels without accelerating the flow of the mixture with less loss of total pressure.
Наиболее близким к предлагаемому способу предварительной подготовки и сжигания «бедной» ТВС в двухконтурной малоэмиссионной горелке является способ, изложенный в патенте [20]. О преимуществах и недостатках этого способа упоминалось выше. Кроме того, следует отметить, что в одноконтурной горелке предусмотрен способ поддержания стабильного циркуляционного движения потока ТВС и ее устойчивого горения с концентрацией топлива в смеси не ниже «бедного» концентрационного предела. Если ТВС «беднее» этого предела, то в ней не обеспечивается устойчивое горение такой ТВС, что является недостатком способа.Closest to the proposed method for preliminary preparation and burning of the "poor" fuel assemblies in a dual-circuit low-emission burner is the method described in the patent [20]. The advantages and disadvantages of this method were mentioned above. In addition, it should be noted that a single-circuit burner provides a method for maintaining stable circulation movement of a fuel assembly stream and its stable combustion with a fuel concentration in the mixture not lower than the “poor” concentration limit. If fuel assemblies are “poorer” than this limit, then stable burning of such fuel assemblies is not provided in it, which is a disadvantage of the method.
Задачами изобретения, направленными на снижение эмиссии окислов азота в КС ГТД или ГТУ с помощью МГ, являются:The objectives of the invention, aimed at reducing the emission of nitrogen oxides in the COP GTE or GTU using MG, are:
- снижение потерь давления при подготовке «бедной» ТВС повышенной однородности;- reduction of pressure losses in the preparation of “poor” fuel assemblies of increased uniformity;
- обеспечение устойчивости горения «бедной» ТВС с концентрацией топлива в ней ниже «бедного» концентрационного предела;- ensuring the combustion stability of the “poor” fuel assemblies with a fuel concentration below the “poor” concentration limit;
- снижение эмиссии окислов азота;- reduction in the emission of nitrogen oxides;
- повышение надежности и ресурса работы горелки и другие.- improving the reliability and service life of the burner and others.
Выполнение поставленных задач обеспечивается с помощью следующих технических решений.The implementation of the tasks is ensured by the following technical solutions.
Способ предварительной подготовки и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси в малоэмиссионной горелке, включающей открытую с обоих концов внешнюю втулку, которая содержит подводящий топливный патрубок, кольцевой топливный ресивер и выполненную в конце магистрали подачи топлива дозирующую перфорацию, проницаемый элемент с заданными значениями пористости и дисперсности, выполненный из металла, и аксиально-лопаточный завихритель с центральным телом турбинного типа, расположенный за проницаемым элементом, в соответствии с которым топливо и воздух предварительно смешивают путем подачи топлива в сносящий поток воздуха под избыточным давлением через дозирующую перфорацию с целью сокращения пути смешения и повышения однородности смеси, далее поток образовавшейся «бедной» топливовоздушной смеси пропускают через проницаемый элемент, где происходит основное смешение компонентов с образованием однородной топливовоздушной смеси, затем поток ускоряют и закручивают с целью образованием циркуляционной зоны за малоэмиссионной горелкой путем пропускания потока «бедной» смеси через аксиально-лопаточный завихритель, при этом топливо разделяют на основное и вспомогательное, в качестве центрального тела используют центральную втулку, разделяющую малоэмиссионную горелку на два соосных контура: внешний и внутренний, причем внешний контур охватывает внутренний контур, центральная втулка выполнена в виде стакана так, что она на входе открыта, а на выходе закрыта, центральная втулка соединяется с внешней втулкой с помощью полых радиальных лопаток, каждая втулка (внешняя и центральная) содержит кольцевой топливный ресивер, обе втулки и радиальные лопатки содержат, кроме того, дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива, полости внешнего и центрального топливных ресиверов и полости радиальных лопаток образуют единую топливную полость, весь воздух подают только во внешний контур под давлением, основное топливо предварительно смешивают с воздухом путем подачи основного топлива в сносящий поток воздуха под избыточным давлением через дозирующую перфорацию, выполненную во втулках и лопатках, за аксиально-лопаточным завихрителем устанавливают соосно с ним полый конический стабилизатор, представляющий собой круговой усеченный конус, вершина которого направлена против потока, передний конец стабилизатора закрыт, а его задний конец открыт, за стабилизатором, как за плохообтекаемым телом, формируют дополнительную циркуляционную зону существенно меньших размеров, чем основная циркуляционная зона, путем подачи потока «бедной» топливовоздушной смеси на этот стабилизатор, вспомогательное топливо подают по центральной втулке, далее его распределяют в виде системы одиночных струй и одновременно ускоряют путем его пропускания через дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи этого топлива, а затем подают под избыточным давлением в дополнительную циркуляционную зону стабилизатора, где происходит смешение этого топлива с находящейся в ней «бедной» топливовоздушной смесью.A method of preliminary preparation and burning of a “lean” air-fuel mixture in a low-emission burner, including an external sleeve open at both ends, which contains a fuel supply pipe, an annular fuel receiver and metering perforation made at the end of the fuel supply line, a permeable element with predetermined porosity and dispersion values, made of metal, and an axial-blade swirl with a turbine-type central body located behind the permeable element, in accordance with which air and air are pre-mixed by supplying fuel to a blowing air stream under excessive pressure through a metering perforation in order to reduce the mixing path and increase the homogeneity of the mixture, then the flow of the resulting “poor” air-fuel mixture is passed through a permeable element, where the main mixture of the components occurs to form a homogeneous air-fuel mixtures, then the flow is accelerated and twisted in order to form a circulation zone behind the low-emission burner by passing the flow of "poor" the mixture through an axial-blade swirl, while the fuel is divided into main and auxiliary, as a central body, a central bushing is used that separates the low-emission burner into two coaxial circuits: an external and an internal one, with the external circuit covering the internal circuit, the central sleeve is made in the form of a glass that it is open at the inlet and closed at the outlet, the central bushing is connected to the outer bushing using hollow radial blades, each bushing (external and central) contains an annular fuel the receiver, both bushings and the radial vanes contain, in addition, metering perforations made at the end of the main fuel supply line, the cavities of the external and central fuel receivers and the radial vanes cavity form a single fuel cavity, all air is supplied only to the external circuit under pressure, the main the fuel is pre-mixed with air by supplying the main fuel to a blowing air stream under excessive pressure through a metering perforation made in bushings and blades, for axial shovels with a full-time swirl set a hollow conical stabilizer coaxially with it, which is a circular truncated cone, the apex of which is directed against the flow, the front end of the stabilizer is closed, and its rear end is open, behind the stabilizer, as behind a poorly streamlined body, an additional circulation zone is formed that is much smaller than the main circulation zone, by supplying a flow of “lean” air-fuel mixture to this stabilizer, auxiliary fuel is fed through the central sleeve, then its distribution They are injected in the form of a system of single jets and simultaneously accelerated by passing it through a metering perforation made at the end of the fuel supply line, and then fed under excess pressure to the additional circulation zone of the stabilizer, where this fuel is mixed with the “poor” air-fuel mixture .
Предпочтительно, что расход вспомогательного топлива регулируют на всех возможных режимах работы малоэмиссионной горелки независимо от расхода основного топлива, поддерживая в дополнительной циркуляционной зоне за стабилизатором состав топливовоздушной смеси, близкий к стехиометрическому.It is preferable that the auxiliary fuel consumption is controlled at all possible operating modes of the low-emission burner, regardless of the main fuel consumption, maintaining in the additional circulation zone behind the stabilizer a composition of the air-fuel mixture close to stoichiometric.
Предпочтительно, что максимальную действительную скорость движения «бедной» топливовоздушной смеси на входе в проницаемый элемент обеспечивают не больше 40-60 м/с за счет соответствующего выбора размера площади поверхности проницаемого элемента.It is preferable that the maximum actual speed of movement of the “lean” air-fuel mixture at the entrance to the permeable element is provided no more than 40-60 m / s due to the appropriate choice of the surface area of the permeable element.
Предпочтительно, что за полым коническим стабилизатором устанавливают соосно с ним и на некотором осевом расстоянии от него полый конус с вершиной, направленной против потока так, что между внутренней поверхностью стабилизатора и внешней поверхностью полого конуса образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель, соединенная с проточной частью горелки с помощью системы отверстий, выполненных в коническом стабилизаторе равномерно по окружности, конус содержит дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи вспомогательного топлива, причем основание конуса смещено против потока относительно основания конического стабилизатора так, что часть внутренней конической поверхности стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми, «бедную» топливовоздушную смесь перепускают через отверстия, далее подают ее по сужающейся к выходу конической кольцевой щели, а затем в виде пристеночной струи подают вдоль открытой внутренней конической поверхности стабилизатора под действием перепада давлений, возникающего между проточной частью внешнего контура горелки и дополнительной циркуляционной зоной при обтекании конического стабилизатора «бедной» топливовоздушной смесью.Preferably, behind the hollow conical stabilizer, a hollow cone is installed coaxially with it and at a certain axial distance from it with the apex directed against the flow so that between the inner surface of the stabilizer and the outer surface of the hollow cone a tapered annular gap tapering towards the outlet is connected to the flow part burners using a system of holes made in a conical stabilizer uniformly around the circumference, the cone contains a metering perforation made at the end of the auxiliary feed line of fossil fuels, the base of the cone being shifted against the flow relative to the base of the conical stabilizer so that the part of the internal conical surface of the stabilizer adjacent to its base and its rear end remain open, the “poor” air-fuel mixture is passed through the holes, then it is fed along the exit tapering a conical annular gap, and then in the form of a wall jet is fed along the open inner conical surface of the stabilizer under the action of a pressure differential arising between the proto part of the external contour of the burner and an additional circulation zone when the “lean” air-fuel mixture flows around the conical stabilizer.
Предпочтительно, что основание полого конуса смещено в осевом направлении против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние, соответствующее расстоянию не более 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели, определяемой в перпендикулярном к оси конуса сечении, проходящем через основание полого конуса.It is preferable that the base of the hollow cone is displaced axially against the flow relative to the base of the conical stabilizer by a distance corresponding to a distance of not more than 15-20 gauges of the minimum width of the annular gap defined in the section perpendicular to the axis of the cone passing through the base of the hollow cone.
Предпочтительно, что в потоке воздуха перед проницаемым элементом между внешней и центральной втулками устанавливают полую кольцевую обечайку, соединенную с ними с помощью полых радиальных лопаток, количество лопаток, соединяющих обечайку с центральной втулкой, ограничено возможностью их размещения на центральной втулке, количество лопаток, соединяющих обечайку с внешней втулкой, может быть больше, чем количество таких пилонов, соединяющих обечайку с центральной втулкой, внутренняя полость обечайки, внутренние полости радиальных лопаток и полости центрального и внешнего топливных ресиверов образуют единую топливную полость, обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную, причем отношение расходов воздуха, идущих через периферийную и центральную проточную части внешнего контура, примерно равно отношению их периметров, обе втулки, лопатки и обечайка имеют дозирующую перфорацию, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива, основное топливо и воздух предварительно смешивают путем подачи основного топлива под избыточны давлением в сносящий поток воздуха через дозирующую перфорацию втулок, лопаток и обечайки.It is preferable that in the air flow in front of the permeable element between the outer and central bushings, a hollow annular shell is mounted, connected with them using hollow radial blades, the number of blades connecting the shell with the central bush is limited by the possibility of their placement on the central bush, the number of blades connecting the shell with an external sleeve, there may be more than the number of such pylons connecting the shell with the central sleeve, the internal cavity of the shell, the internal cavity of the radial lobes attacks and cavities of the central and external fuel receivers form a single fuel cavity, the shell divides the flow part of the external circuit into the peripheral and central, and the ratio of the air flow through the peripheral and central flow parts of the external circuit is approximately equal to the ratio of their perimeters, both bushings, blades and the shell has a metering perforation made at the end of the main fuel supply line, the main fuel and air are pre-mixed by supplying the main fuel under excess yes leniem in entraining air stream through the metering perforations bushings, blades and shroud.
Предпочтительно, что контур обечайки и контур радиальных лопаток в соответствующих перпендикулярных сечениях выполняют в форме аэродинамически совершенного симметричного профиля.Preferably, the contour of the shell and the contour of the radial blades in the corresponding perpendicular sections are in the form of an aerodynamically perfect symmetrical profile.
Предпочтительно, что струи основного топлива подают под спутными углами к сносящему воздушному потоку.Preferably, the main fuel jets are fed at satellite angles to the blowing air stream.
Предпочтительно, что спутные углы выполняют в диапазоне 30°-60°, а относительный шаг между отверстиями для подачи основного топлива должен быть не меньше 2,5-3,0.Preferably, the tangential angles are in the range of 30 ° -60 °, and the relative pitch between the holes for supplying the main fuel should be at least 2.5-3.0.
Предпочтительно, что в качестве проницаемого элемента используют или систему усеченных соосных круговых конусов, соединенных между собой по соответствующим окружностям так, что в продольной осевой секущей плоскости горелки проницаемый элемент образует радиальную гофру, площадь поверхности проницаемого элемента для заданной геометрии малоэмиссионной горелки изменяют путем изменения шага гофрирования при выбранных длине образующих конусов и углах между образующими или за счет изменения длин образующих конусов и углов между образующими при выбранном шаге гофрирования, или систему радиальных пластин, установленных между внутренней и наружной втулками под некоторым углом друг к другу и соединенных между собой по радиальным торцам пластин так, что развертка проницаемого элемента в окружной секущей поверхности образует гофру, площадь поверхности проницаемого элемента для заданной геометрии малоэмиссионной горелки изменяют путем изменения шага гофрирования при выбранных ширине пластины и угле между ними или за счет изменения ширины пластины и угла между ними при выбранном шаге гофрирования.It is preferable that either a system of truncated coaxial circular cones interconnected along respective circles be used as a permeable element so that in the longitudinal axial secant plane of the burner the permeable element forms a radial corrugation, the surface area of the permeable element for a given low emission burner geometry is changed by changing the corrugation pitch with the selected length of the generating cones and the angles between the generators or by changing the lengths of the generating cones and the angles between the generatrix by them at the selected corrugation step, or a system of radial plates mounted between the inner and outer bushings at an angle to each other and connected to each other along the radial ends of the plates so that the scan of the permeable element in the circumferential secant surface forms a corrugation, the surface area of the permeable element for a given the geometry of the low-emission burner is changed by changing the corrugation pitch for the selected plate width and the angle between them or by changing the plate width and the angle between them when corrugated step.
Предпочтительно, что диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяют пропорционально изменению глубины канала, в котором движется воздух, если значение отношения глубины канала к диаметру этого отверстия меньше 20, в противном случае диаметр отверстий для подачи основного топлива сохраняют одним и тем же независимо от изменения глубины канала.It is preferable that the diameters of the holes for supplying the main fuel vary in proportion to the change in the depth of the channel in which the air moves, if the ratio of the depth of the channel to the diameter of this hole is less than 20, otherwise the diameter of the holes for supplying the main fuel is kept the same regardless of the change in depth channel.
Предпочтительно, что в качестве основного и вспомогательного топлива используют жидкое топливо.Preferably, liquid fuel is used as the main and auxiliary fuel.
Предпочтительно, что в качестве основного и вспомогательного топлива используют газообразное топливо.Preferably, gaseous fuel is used as the primary and auxiliary fuel.
Предпочтительно, что в качестве основного топлива используют жидкое топливо, а в качестве вспомогательного топлива - газообразное топливо.Preferably, liquid fuel is used as the main fuel, and gaseous fuel is used as the auxiliary fuel.
Предпочтительно, что в качестве основного топлива используют газообразное топливо, а в качестве вспомогательного топлива - жидкое топливо.Preferably, gaseous fuel is used as the main fuel, and liquid fuel is used as the auxiliary fuel.
Способ поясняется следующими фигурами.The method is illustrated by the following figures.
Фиг.1. Схема радиального гофрирования поверхности ПЭ.Figure 1. Scheme of radial corrugation of the surface of PE.
Фиг.2. Схема окружного гофрирования поверхности ПЭ.Figure 2. Scheme of circumferential corrugation of the surface of PE.
Фиг.3. Развертка поверхности ПЭ по сечению А - А, указанному на изображении фиг.2.Figure 3. Scan of the surface of PE along the cross section A - A, indicated in the image of figure 2.
Фиг.4. Продольный разрез МГ первого типа по сечению А-А, указанному на изображении фиг.5.Figure 4. A longitudinal section of the MG of the first type along section AA, indicated in the image of FIG.
Фиг.5. Вид спереди на МГ первого типа по стрелке А, указанной на изображении фиг.4.Figure 5. The front view of the MG of the first type along arrow A indicated in the image of Fig. 4.
Фиг.6. Вид на дозирующую перфорацию 20 в полом конусе 16 по стрелке Б, показанной на изображении фиг.4.6. View of the
Фиг.7. Вид на перепускные отверстия 17 в коническом стабилизаторе 15 по стрелке Б, показанной на изображении фиг.4.7. View of the bypass holes 17 in the
Фиг.8. Симметричный профиль полой лопатки входного лопаточного аппарата в сечении Б-Б, указанном на изображении фиг.4.Fig. 8. The symmetric profile of the hollow blade of the inlet scapula in section BB shown in the image of Fig. 4.
Фиг.9. Развертка аксиально-лопаточного завихрителя турбинного типа в сечении В-В, указанном на изображении фиг.4.Fig.9. The scan of the axial-blade turbine type swirl in section BB, shown in the image of figure 4.
Фиг.10. Продольный разрез МГ второго типа по сечению А-А, указанному на изображении фиг.11.Figure 10. A longitudinal section of the MG of the second type along section AA, indicated in the image of FIG. 11.
Фиг.11. Вид спереди на МГ второго типа по стрелке А, указанной на изображении фиг.10.11. The front view of the MG of the second type along arrow A indicated in the image of FIG. 10.
Фиг.12. Симметричный профиль полой обечайки в сечении Г- Г, указанном на изображении фиг.11.Fig. 12. The symmetric profile of the hollow shell in the section G-D indicated in the image of Fig.11.
Фиг.13. Продольный разрез МГ третьего типа по сечению А - А, указанному на изображении фиг.14.Fig.13. A longitudinal section of the MG of the third type along the section A - A indicated in the image of Fig. 14.
Фиг.14. Вид спереди на МГ третьего типа по стрелке А, указанной на изображении фиг.13.Fig.14. The front view of the MG of the third type along arrow A indicated in the image of Fig. 13.
Приведем обоснования технических решений, приведенных выше.Here are the rationales for the technical solutions given above.
1. Как уже отмечалось выше, способ в прототипе позволяет обеспечить предварительную подготовку качественной «бедной» ТВС повышенной однородности с концентрацией топлива не ниже «бедного» концентрационного предела, стабилизацию и устойчивое горение этой смеси. Повышенная однородность «бедной» ТВС достигается за счет двухступенчатого смешения топлива и воздуха: струйного смешения топлива и воздуха в первой ступени и дополнительного смешения этих компонентов в разветвленной системе микроканалов ПЭ во второй ступени. Устойчивость горения в одноконтурной МГ из прототипа обеспечивается тем, что при таком составе ТВС происходит ее надежное воспламенение и распространение пламени. Стабилизация горения ТВС, то есть непрерывная подача свежей ТВС в зону горения, достигается благодаря созданной с помощью аксиально-лопаточного завихрителя циркуляционной (вихревой) зоне с возвратным течением смеси, скорость которого меньше скорости распространения пламени.1. As already noted above, the method in the prototype allows for the preliminary preparation of high-quality “poor” fuel assemblies of increased uniformity with a fuel concentration not lower than the “poor” concentration limit, stabilization and stable combustion of this mixture. The increased homogeneity of the “poor” fuel assemblies is achieved through a two-stage mixture of fuel and air: jet mixing of fuel and air in the first stage and additional mixing of these components in an extensive system of PE microchannels in the second stage. The stability of combustion in a single-circuit MG from the prototype is ensured by the fact that with this composition of the fuel assembly, its reliable ignition and flame propagation occurs. The stabilization of fuel assembly combustion, i.e., the continuous supply of fresh fuel assemblies to the combustion zone, is achieved due to the circulation (vortex) zone created with the axial-blade swirl with a return flow of the mixture, the speed of which is less than the flame propagation velocity.
В предлагаемом способе по сравнению с прототипом диапазон устойчивого горения расширен на смеси с концентрацией топлива в них существенно ниже «бедного» концентрационного предела за счет создания в МГ «дежурного» факела путем введения двух контуров: внешнего и внутреннего. Внутренний контур образуется за счет замены центрального тела аксиально-лопаточного завихрителя на центральную втулку, закрытую на выходе.In the proposed method, in comparison with the prototype, the range of sustainable combustion is expanded to a mixture with a fuel concentration in them substantially lower than the “poor” concentration limit due to the creation of a “standby” torch in the MG by introducing two circuits: external and internal. The inner contour is formed by replacing the central body of the axial-blade swirl with a central sleeve closed at the outlet.
Топливо разделяют на основное и вспомогательное. Весь воздух и основное топливо подают только во внешний контур, а вспомогательное топливо подают только во внутренний контур для создания «дежурного» факела.Fuel is divided into primary and secondary. All air and main fuel are supplied only to the external circuit, and auxiliary fuel is supplied only to the internal circuit to create a “standby” torch.
Во внешнем контуре предлагаемый способ так же, как и способ прототипа, позволяет обеспечить предварительную подготовку качественной «бедной» ТВС повышенной однородности за счет двухступенчатого смешения основного топлива и воздуха, однако ее состав не ограничен «бедным» концентрационным пределом распространения пламени, а гораздо «беднее», и образование основной циркуляционной зоны с помощью аксиально-лопаточного завихрителя.In the external circuit, the proposed method, as well as the prototype method, allows for preliminary preparation of high-quality “poor” fuel assemblies of increased uniformity due to two-stage mixing of the main fuel and air, however its composition is not limited by the “poor” concentration limit of flame propagation, but is much “poorer” ", And the formation of the main circulation zone using an axial-blade swirl.
Если организовать «дежурный» факел на базе основной циркуляционной зоны, то размер эмиссии окислов азота будет соответствовать размеру этой зоны. Заметим, что в «дежурном» факеле происходит высокотемпературное горение реакционноспособной ТВС, образованной за счет «обогащения» «бедной» ТВС вспомогательным топливом в циркуляционной зоне. Размер эмиссии окислов азота и расход вспомогательного топлива можно существенно уменьшить за счет объема циркуляционной зоны. С этой целью за аксиально-лопаточным завихрителем устанавливают соосно с ним полый круговой конический стабилизатор, вершина которого направлена против потока. За стабилизатором, как за плохообтекаемым телом [26] (Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1964. 466 с.), путем подачи потока «бедной» ТВС на этот стабилизатор формируют дополнительную циркуляционную зону, где и локализуется «дежурный» факел. Так как диаметр основания конического стабилизатора DCT значительно меньше внутреннего диаметра внешней втулки МГ DГ, то и размер дополнительной циркуляционной зоны существенно меньше размера основной циркуляционной зоны [26].If we organize a “standby” torch based on the main circulation zone, then the size of the emission of nitrogen oxides will correspond to the size of this zone. Note that in the “standby” flare, high-temperature combustion of reactive fuel assemblies is formed due to the “enrichment” of the “poor” fuel assemblies with auxiliary fuel in the circulation zone. The size of the emission of nitrogen oxides and the consumption of auxiliary fuel can be significantly reduced due to the volume of the circulation zone. For this purpose, a hollow circular conical stabilizer is installed behind the axial-blade swirl, coaxially with it, the apex of which is directed against the flow. Behind the stabilizer, as a poorly streamlined body [26] (Raushenbakh B.V. et al. Physical foundations of the working process in the combustion chambers of jet engines. - M.: Mashinostroenie, 1964. 466 pp.), By supplying a flow of "poor FAs to this stabilizer form an additional circulation zone, where the “standby” torch is localized. Since the diameter of the base of the conical stabilizer D CT is much smaller than the inner diameter of the outer sleeve MG D G , the size of the additional circulation zone is much smaller than the size of the main circulation zone [26].
Внутренний контур в соответствии предлагаемым способом позволяет обеспечить подачу вспомогательного топлива в дополнительную циркуляционную зону в виде системы струй с целью сокращения пути смешения и повышения однородности смеси, стабильное и устойчивое горение вновь образованной реакционноспособной ТВС с пониженной по сравнению с прототипом эмиссией окислов азота. Воспламенение этой ТВС обеспечивают от внешнего источника.The internal circuit in accordance with the proposed method allows to supply auxiliary fuel to the additional circulation zone in the form of a system of jets in order to reduce the mixing path and increase the homogeneity of the mixture, stable and stable combustion of the newly formed reactive fuel assemblies with lower emission of nitrogen oxides compared to the prototype. Ignition of this fuel assembly is provided from an external source.
Проскок пламени в данном случае устраняется в микроканалах ПЭ и дополнительно за счет ускорения потока «бедной» ТВС в аксиально-лопаточном завихрителе, который в данном случае, прежде всего, обеспечивает создание циркуляционной зоны.In this case, the flamethrough is eliminated in the PE microchannels and additionally due to the acceleration of the flow of the “poor” fuel assemblies in the axial-blade swirl, which in this case, first of all, ensures the creation of a circulation zone.
2. Энергоустановка может функционировать в широком диапазоне режимов работы. При переходе энергоустановки с номинального режима работы на режим малого газа состав ТВС существенно «обедняется». Однако МГ должна обеспечивать устойчивость горения ТВС любого состава. Поэтому предлагается независимо от расхода основного топлива регулировать расход вспомогательного топлива, поддерживая в дополнительной циркуляционной зоне реакционноспособный состав ТВС на любых режимах работы энергоустановки. Чтобы иметь запас устойчивого горения на переходных режимах при вынужденных изменениях в составе ТВС, более целесообразно состав ТВС в дополнительной циркуляционной зоне поддерживать близким к стехиометрическому.2. The power plant can operate in a wide range of operating modes. When the power plant switches from the nominal operating mode to the low-gas mode, the composition of the fuel assembly is substantially “depleted”. However, the MG must ensure the stability of combustion of fuel assemblies of any composition. Therefore, it is proposed to regulate the auxiliary fuel consumption irrespective of the main fuel consumption, supporting the reactive composition of the fuel assemblies in any operating conditions of the power plant in the additional circulation zone. In order to have a supply of stable combustion during transient conditions with forced changes in the composition of fuel assemblies, it is more expedient to maintain the composition of fuel assemblies in the additional circulation zone close to stoichiometric.
3. Дополнительное смешение предварительно подготовленной ТВС в микроканалах ПЭ сопровождается потерями давления. Чем выше скорость потока смеси, тем больше потери давления. Рассмотрим вначале особенности смешения жидкого топлива и воздуха с помощью ПЭ.3. Additional mixing of pre-prepared fuel assemblies in the PE microchannels is accompanied by pressure losses. The higher the flow rate of the mixture, the greater the pressure loss. Let us first consider the features of mixing liquid fuel and air using PE.
Известно, что плотность жидкости в сотни раз больше плотности газа, а вязкость жидкости в десятки раз больше вязкости газа при той же температуре. С увеличением температуры вязкость жидкости падает, а вязкость газа растет, компенсируя разницу этих вязкостей при исходной температуре.It is known that the density of a liquid is hundreds of times higher than the density of a gas, and the viscosity of a liquid is tens of times higher than the viscosity of a gas at the same temperature. With increasing temperature, the viscosity of the liquid decreases, and the viscosity of the gas increases, compensating for the difference in these viscosities at the initial temperature.
Качественное смешение жидкого топлива и воздуха достигается в результате дробления жидкого топлива воздухом на капли как можно меньшего размера. Тогда капли топлива быстро испаряются и зона горения ТВС сокращается.Qualitative mixing of liquid fuel and air is achieved by crushing liquid fuel with air into droplets as small as possible. Then the fuel droplets quickly evaporate and the combustion zone of the fuel assembly is reduced.
Применение ПЭ позволяет не только значительно уменьшить исходные капли жидкого топлива, но и калибровать их по размеру за счет регулярной структуры микропор ПЭ. Степень измельчения исходной капли будет зависеть от размера пор и частиц, образующих ПЭ, пористости материала ПЭ, плотности воздуха и значения отношения расхода воздуха к расходу жидкого топлива на режиме дробления капель жидкого топлива.The use of PE allows not only to significantly reduce the initial droplets of liquid fuel, but also to calibrate them by size due to the regular structure of micropores of PE. The degree of grinding of the initial droplet will depend on the size of the pores and particles forming PE, the porosity of the PE material, air density and the ratio of air flow to liquid fuel consumption in the mode of crushing liquid fuel droplets.
Экспериментальные исследования режимов дробления капель жидкости газовым потоком показали [27] (Кутыш Д.И. Кандидатская диссертация. Москва. МАИ, 2004. 215 с.), что на режиме дробления капель жидкости с применением ПЭ максимальная действительная скорость смеси ~85-87 м/с достигается при значении отношения расхода газа к расходу жидкости, равном 3. С увеличением этого отношения потребная скорость движения смеси, необходимая для дробления капель жидкости, уменьшается. Так при значении этого отношения, равном ~12, потребная скорость движения смеси равна ~70 м/с.Experimental studies of the regimes of crushing liquid droplets by a gas stream showed [27] (Kutysh DI Candidate dissertation. Moscow. MAI, 2004. 215 pp.) That in the regime of crushing liquid droplets using PE, the maximum actual velocity of the mixture is ~ 85-87 m / s is achieved when the ratio of gas flow to liquid flow is equal to 3. With an increase in this ratio, the required speed of the mixture, necessary for crushing drops of liquid, decreases. So, with the value of this ratio equal to ~ 12, the required speed of the mixture is ~ 70 m / s.
В условиях КС ГТД значение отношения расхода воздуха к расходу жидкого топлива даже для стехиометрической ТВС составляет около 15-17. Если сжигать «бедную» ТВС, значение этого отношения существенно растет в соответствии со значением коэффициента избытка воздуха. Следовательно, потребная скорость движения ТВС существенно падает, что снижает потери давления в ПЭ. Однако с ростом площади поверхности ПЭ, обусловленной снижением потребной скорости движения в нем ТВС, растет пространство, занимаемое ПЭ, и вес горелки.Under the conditions of a gas turbine engine, the ratio of air to liquid fuel consumption, even for stoichiometric fuel assemblies, is about 15-17. If you burn the “poor” fuel assemblies, the value of this ratio increases significantly in accordance with the value of the coefficient of excess air. Consequently, the required speed of the fuel assembly movement drops significantly, which reduces the pressure loss in the PE. However, with the increase in the surface area of PE, due to a decrease in the required speed of movement of fuel assemblies in it, the space occupied by PE and the weight of the burner increase.
Оптимальную скоростью движения ТВС на входе в ПЭ, достаточную для дробления жидкого топлива и не вызывающую существенных потерь давления, на основании известных экспериментальных данных [27] можно принять в диапазоне 40-60 м/с.Based on the known experimental data [27], the optimal speed of fuel assemblies at the PE inlet, sufficient for crushing liquid fuel and not causing significant pressure losses, can be assumed in the range of 40-60 m / s.
Плотность и вязкость газообразного топлива не так значительно отличается от плотности и вязкости воздуха, как плотность и вязкость жидкого топлива. Причем с увеличением температуры их вязкости одновременно растут, не изменяя условий смешения этих компонентов. Поэтому качественно смешать газообразное топливо и воздух гораздо легче, чем жидкое топливо и воздух.The density and viscosity of gaseous fuels does not differ so much from the density and viscosity of air as the density and viscosity of liquid fuels. Moreover, with increasing temperature, their viscosities simultaneously increase without changing the mixing conditions of these components. Therefore, it is much easier to mix gaseous fuel and air with quality than liquid fuel and air.
При небольших дозвуковых скоростях законы, описывающие движение жидкости, остаются справедливыми для изучения движений газа. Следовательно оптимальная скорость движения ТВС на входе в ПЭ, обоснованная для случая смешения жидкого топлива и воздуха, остается справедливой и для смешения газообразного топлива и воздуха.At low subsonic speeds, laws describing the motion of a fluid remain valid for studying gas motions. Therefore, the optimal speed of the fuel assembly at the entrance to the PE, justified for the case of mixing liquid fuel and air, remains valid for mixing gaseous fuel and air.
4. Ресурс работы КС определяют ее наиболее теплонапряженные элементы, к которым относится МГ. Предварительные экспериментальные исследования характеристик МГ, в которой реализуется предлагаемый способ, показали, что происходит недопустимый нагрев выходной кромки конического стабилизатора, обусловленный лучистыми потоками тепла от «дежурного» факела. При обтекании внешней поверхности конического стабилизатора потоком «бедной» ТВС происходит его частичное охлаждение. Однако оно не достаточно для того, чтобы температура материала конического стабилизатора была ниже допустимой. Подобный нагрев выходной кромки конического стабилизатора снижает ресурс МГ и КС в целом. Избежать недопустимого нагрева выходной кромки стабилизатора можно за счет заградительного охлаждения этой кромки еще и с внутренней стороны стабилизатора. Для обеспечения надежности и ресурса работы конического стабилизатора и горелки в целом пристеночную охлаждающую струю предлагается организовать с помощью полого конуса с вершиной против потока, установленного за коническим стабилизатором соосно с ним и на некотором осевом расстоянии от него так, что образуется сужающаяся к выходу коническая кольцевая щель. Основание полого конуса смещено против потока относительно основания конического стабилизатора. Смещение необходимо, чтобы возникла пристеночная заградительная струя относительно холодной «бедной» ТВС.4. The resource of the COP determine its most heat-stressed elements, which include MG. Preliminary experimental studies of the characteristics of the MG, in which the proposed method is implemented, showed that an unacceptable heating of the output edge of the conical stabilizer occurs due to radiant heat fluxes from the “standby” torch. When a poor fuel assembly flows around the outer surface of a conical stabilizer, it partially cools. However, it is not sufficient for the temperature of the material of the conical stabilizer to be lower than the permissible value. Such heating of the output edge of the conical stabilizer reduces the life of the MG and CS as a whole. Avoid unacceptable heating of the output edge of the stabilizer can be due to protective cooling of this edge also from the inside of the stabilizer. To ensure the reliability and service life of the conical stabilizer and the burner as a whole, a wall cooling jet is proposed to be arranged using a hollow cone with an apex against the flow, installed behind the conical stabilizer coaxially with it and at a certain axial distance from it so that a conical ring gap tapering towards the exit is formed . The base of the hollow cone is offset against the flow relative to the base of the conical stabilizer. The displacement is necessary so that a parietal obstruction jet arises relative to the cold “poor” fuel assembly.
Пристеночную струю получают путем подачи «бедной» ТВС из проточной части МГ через перепускные отверстия, выполненные равномерно по окружности в стабилизаторе, далее по конической кольцевой щели под действием перепада давлений, возникающего между проточной частью МГ и внутренней полостью стабилизатора при обтекании его «бедной» ТВС. Коническая кольцевая щель должна быть сужающейся к выходу, чтобы максимальная скорость пристеночной струи устанавливалась в выходном сечении щели.The parietal jet is obtained by supplying a “poor” fuel assembly from the MG flow passage through the bypass holes made uniformly around the circumference in the stabilizer, then along the conical annular gap under the influence of the pressure drop that arises between the MG flow passage and the stabilizer’s internal cavity when it flows around its “poor” fuel assembly . The conical annular gap must be tapering towards the exit, so that the maximum velocity of the wall jet is established in the exit section of the gap.
5. Известно из экспериментальных данных по исследованию плоских струй в сносящем потоке [28] (Кутыш И.И. Численные методы решений экологических задач. М.: «Информ-Знание», 2002. 362 с.), что дальнобойность такой струи зависит от угла ее истечения. Чем меньше угол истечения струи, тем больше ее дальнобойность и тем устойчивей струя. Пристеночная струя обладает максимальной дальнобойностью и устойчивостью. Из приведенных экспериментальных данных следует, что организованное движение потока «бедной» ТВС вдоль внутренней поверхности стабилизатора сохраняется на длине порядка 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели.5. It is known from experimental data on the study of plane jets in a carrying flow [28] (Kutysh II Numerical methods for solving environmental problems. M: Inform-Knowledge, 2002. 362 pp.) That the range of such a jet depends on angle of its expiration. The smaller the angle of the jet, the greater its range and the more stable the jet. The parietal stream has maximum range and stability. It follows from the experimental data that the organized movement of the flow of “poor” fuel assemblies along the inner surface of the stabilizer is maintained at a length of the order of 15–20 calibres of the minimum width of the annular gap.
Если смещение оснований конического стабилизатора и полого конуса будет слишком большим, то пристеночная струя «бедной» ТВС, движущаяся вдоль внутренней конической поверхности стабилизатора, будет размываться раньше, чем она достигнет его основания, что может привести к перегреву выходного торца стабилизатора. Если смещение оснований конического стабилизатора и полого конуса будет слишком малым, то воздействию высоких температур будет подвергаться не только торец стабилизатора, но и торец полого конуса.If the displacement of the bases of the conical stabilizer and the hollow cone is too large, the near-wall jet of the “poor” fuel assembly moving along the internal conical surface of the stabilizer will erode before it reaches its base, which can lead to overheating of the output end of the stabilizer. If the displacement of the bases of the conical stabilizer and the hollow cone is too small, then not only the end of the stabilizer, but also the end of the hollow cone will be exposed to high temperatures.
Для получения устойчивой пристеночной струи и предотвращения перегрева выходного торца конического стабилизатора, как показывают полученные экспериментальные данные, основание полого конуса должно быть смещено в осевом направлении против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние, соответствующее расстоянию не более 15-20 калибров минимальной ширины кольцевой щели, определяемой в перпендикулярном к оси конуса сечении, проходящем через основание полого конуса, или на меньшее расстояние, чтобы гарантировать устойчивость пристеночной струи.To obtain a stable near-wall jet and to prevent overheating of the output end of the conical stabilizer, as the experimental data show, the base of the hollow cone should be displaced axially against the flow relative to the base of the conical stabilizer by a distance corresponding to a distance of not more than 15-20 calibres of the minimum width of the annular gap, defined in the section perpendicular to the axis of the cone, passing through the base of the hollow cone, or at a shorter distance to guarantee stability wall jet.
6. Если центральная втулка имеет небольшой диаметр, то при проектировании МГ с предварительной подготовкой «бедной» ТВС возникают трудности в размещении на этой втулке полых лопаток, через дозирующую перфорацию которых подают основное топливо в сносящий поток воздуха. Эту проблему можно решить путем размещения перед ПЭ полой кольцевой обечайки, также имеющей дозирующую перфорацию для распределения основного топлива на отдельные струи. Обечайка делит проточную часть внешнего контура МГ на периферийную и центральную. Причем отношение расходов воздуха, идущих через периферийную и центральную проточную части внешнего контура, примерно равно отношению их периметров. Так как дозирующая перфорация размещается на поверхности проточной части МГ, то в качестве параметра, по которому распределяется расход воздуха, целесообразно принять периметр проточной части.6. If the central sleeve has a small diameter, then when designing the MG with preliminary preparation of the “poor” FA, it becomes difficult to place hollow blades on this sleeve, through the metering perforation of which the main fuel is fed into the blowing air stream. This problem can be solved by placing a hollow annular shell in front of the PE, which also has a metering perforation for distributing the main fuel into separate jets. The shell divides the flow part of the outer contour of the MG into peripheral and central. Moreover, the ratio of air flow through the peripheral and central flow parts of the external circuit is approximately equal to the ratio of their perimeters. Since dosing perforation is located on the surface of the MG flowing part, it is advisable to take the perimeter of the flowing part as a parameter by which the air flow is distributed.
Обечайка позволяет подать топливо из внешнего ресивера в центральный ресивер с помощью полых лопаток, число которых в периферийной проточной части и в центральной проточной части МГ можно выбрать произвольно независимо друг от друга. То есть число лопаток в центральной проточной части можно взять меньше, чтобы они могли разместиться на поверхности центральной втулки, а в периферийной проточной части число лопаток может быть существенно больше.The shell allows you to supply fuel from an external receiver to the central receiver using hollow blades, the number of which in the peripheral flow part and in the central flow part of the MG can be selected arbitrarily independently of each other. That is, the number of blades in the central flow part can be taken less so that they can be placed on the surface of the central sleeve, and in the peripheral flow part the number of blades can be significantly larger.
7. Профильные потери давления, обусловленные возникновением пограничного слоя на поверхности обечайки и лопаток [29] (Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. - М.: Физматгиз, 1962. 512 с.), можно уменьшить, если контуры обечайки и лопаток выполнить в виде аэродинамически совершенного симметричного профиля, обладающего минимальными профильными потерями. Такой симметричный профиль можно построить в соответствии с методикой, приведенной в работе [30] (Саламатин Н.Е. Известия вузов «Авиационная техника», №1. 1969.).7. Profile pressure loss due to the occurrence of a boundary layer on the surface of the shell and blades [29] (Stepanov G.Yu. Hydrodynamics of the lattices of turbomachines. - M .: Fizmatgiz, 1962. 512 s.), It is possible to reduce if the contours of the shell and blades are performed in the form of an aerodynamically perfect symmetrical profile with minimal profile losses. Such a symmetrical profile can be constructed in accordance with the methodology given in [30] (Salamatin NE, Izvestiya Vuzov Aviation Engineering, No. 1, 1969.).
8. Экспериментальные исследования закономерностей однорядных систем струй в сносящем воздушном потоке свидетельствуют, что потери давления на смешение струй и сносящего потока при выдуве струй под спутными (острыми) углами к сносящему потоку меньше, чем при выдуве струй под прямым углом или под встречными углами [28]. Причем чем меньше угол, тем меньше потери смешения. Руководствуясь этими экспериментальными данными, принято выдувать струи основного топлива под спутными углами к сносящему воздушному потоку.8. Experimental studies of the laws of single-row systems of jets in a blowing air stream indicate that the pressure loss on mixing jets and a blowing stream when blowing jets at satellite (sharp) angles to the blowing stream is less than when blowing jets at right angles or at opposite angles [28 ]. Moreover, the smaller the angle, the lower the loss of mixing. Guided by these experimental data, it is customary to blow the jets of the main fuel at tangled angles to the blowing air stream.
9. Выполнить отверстия под очень острыми углами к подстилающей поверхности на практике связано со значительными проблемами. В то же время экспериментальные данные показывают [28], что начиная с острого угла в 60° потери давления на смешение значительно уменьшаются по сравнению с потерями давления на смешение при выдуве струй под прямым или встречными углами. Выполнять отверстия под углом меньше чем 30° нецелесообразно с точки зрения потерь давления на смешение. На основании известных экспериментальных данных [28] и приведенных доводов рекомендован диапазон углов 30°-60°, под которыми целесообразно выполнять отверстия в МГ для подачи основного топлива.9. To make holes at very sharp angles to the underlying surface in practice is associated with significant problems. At the same time, experimental data show [28] that, starting from an acute angle of 60 °, the mixing pressure loss is significantly reduced compared to the mixing pressure loss when blowing jets at right or opposite angles. To make holes at an angle of less than 30 ° is impractical from the point of view of mixing pressure loss. Based on the known experimental data [28] and the above arguments, a range of angles of 30 ° –60 ° is recommended, under which it is advisable to make holes in the MG to supply the main fuel.
Кроме того, выполненные авторами теоретические расчеты на основании уравнений сохранения энергии, импульсов и расходов основного топлива и воздуха, показали, что давление в потоке после смешения компонентов при выдуве струй топлива под углами 30°-60° даже немного возрастает, так как энергия, вносимая топливом при подаче его в сносящий поток воздуха под некоторым избыточным давлением, превышает потери энергии потока воздуха от смешения его с топливом.In addition, the theoretical calculations performed by the authors on the basis of the equations of conservation of energy, momenta and consumption of the main fuel and air showed that the pressure in the stream after mixing the components when blowing fuel jets at angles of 30 ° -60 ° even increases slightly, since the energy introduced fuel when feeding it into a blowing air stream under some excess pressure exceeds the energy loss of the air stream from mixing it with fuel.
Чтобы не происходило предварительное слияние однорядной системы струй топлива в сплошную пелену с одновременным увеличением ее глубины проникновения в сносящий поток и дальнобойности, относительный шаг между отверстиями должен быть больше 2,5-3,0. Струи однорядной системы с таким относительным шагом, как показывают экспериментальные данные [28], ведут себя как одиночные и быстрее смешиваются со сносящим потоком, чем сплошная пелена.In order not to pre-merge a single-row system of fuel jets into a continuous shroud with a simultaneous increase in its penetration depth into the drift flow and range, the relative step between the holes should be more than 2.5-3.0. The jets of a single-row system with such a relative pitch, as shown by experimental data [28], behave as single ones and mix faster with a drift flow than a continuous shroud.
10. Чтобы можно было установить необходимую для дробления жидкого топлива скорость потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ, единственным параметром, которым можно управлять при заданной геометрии МГ, является площадь поверхности ПЭ. На фиг.1-фиг.3 приведены возможные схемы, в соответствии с которыми могут быть изготовлены ПЭ, где10. In order to be able to establish the flow rate of the “poor” fuel assemblies necessary for crushing liquid fuel at the PE inlet, the only parameter that can be controlled with a given MG geometry is the surface area of the PE. Figure 1-figure 3 shows the possible schemes in accordance with which can be made PE, where
li - длина i-й образующей кругового конуса;l i - the length of the i-th generatrix of the circular cone;
αi - угол между i-ми образующими конусов;α i is the angle between the i-th generators of the cones;
bi - ширина i-й проницаемой пластины;b i is the width of the i-th permeable plate;
φi - угол между i-ми проницаемыми пластинами;φ i is the angle between the i-permeable plates;
s - шаг гофрирования.s is the corrugation pitch.
На фиг.1 приведена схема радиального гофрирования поверхности ПЭ, а на фиг.2 - схема окружного гофрирования поверхности ПЭ.Figure 1 shows a diagram of the radial corrugation of the surface of the PE, and figure 2 is a diagram of the circumferential corrugation of the surface of the PE.
В соответствии со схемой (фиг.1) управлять площадью поверхности ПЭ и скоростью потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ можно следующим образом. Изменяя шаг гофрирования (число гофр на заданном радиусе) при заданных длине образующих круговых конусов и угле между ними или изменяя длину образующих круговых конусов и углы между ними при заданном шаге гофрирования.In accordance with the scheme (figure 1) to control the surface area of the PE and the flow rate of the "poor" fuel assemblies at the entrance to the PE can be as follows. By changing the corrugation step (the number of corrugations at a given radius) for a given length of the generatrix of the circular cones and the angle between them, or by changing the length of the generatrix of the circular cones and the angles between them at a given step of the corrugation.
В соответствии со схемой (фиг.2 и фиг.3) управлять площадью поверхности ПЭ и скоростью потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ можно следующим образом. Изменяя шаг гофрирования (число гофр на заданной длине участка) при выбранных ширине пластины и угле между ними или изменяя ширины пластин и углы между ними при выбранном шаге гофрирования.In accordance with the scheme (figure 2 and figure 3) to control the surface area of the PE and the flow rate of the "poor" FA at the entrance to the PE can be as follows. By changing the corrugation step (the number of corrugations at a given length of the section) at the selected plate width and the angle between them, or by changing the width of the plates and the angles between them at the selected corrugation step.
11. Число лопаток во входном лопаточном аппарате МГ может быть выбрано достаточно большим. При этом относительная глубина межлопаточного канала , где Н - действительная глубина канала, d - диаметр отверстия для подачи топлива, по радиусу МГ может изменяться в несколько раз.11. The number of blades in the inlet vanes of the MG can be selected sufficiently large. In this case, the relative depth of the interscapular canal where H is the actual depth of the channel, d is the diameter of the hole for supplying fuel, along the radius of the MG can vary several times.
Влияние относительных размеров канала на характеристики систем струй топлива обычно оценивают величинами изменения глубины проникновения струи и их дальнобойности и величиной ускорения сносящего потока воздуха, вызванного загромождением канала струями топлива.The influence of the relative dimensions of the channel on the characteristics of the systems of fuel jets is usually estimated by the magnitude of the change in the depth of penetration of the jet and their range and the magnitude of the acceleration of the blowing air flow caused by clutter of the channel with fuel jets.
В работе [31] (Кутыш И.И., Кутыш Д.И. К вопросу предварительной подготовки топливовоздушной смеси при конверсии углеводородного топлива для малоэмиссионной ГТУ // Конверсия в машиностроении. 2003, №6. С.55-67.) было установлено, что в каналах с относительной глубиной происходит радикальная перестройка течения в области взаимодействия систем струй топлива и сносящего воздушного потока, заключающаяся в том, что значительно уменьшаются глубина проникновения струй и их дальнобойность и также существенно ускоряется сносящий поток. Причем положение глубины проникновения струй смещается вверх по потоку, а положение максимальной относительной скорости потока - вниз по потоку.In [31] (Kutysh II, Kutysh DI On the issue of preliminary preparation of the air-fuel mixture during the conversion of hydrocarbon fuel for low-emission gas turbines // Conversion in mechanical engineering. 2003, No. 6. P.55-67.) It was established in channels with relative depth there is a radical restructuring of the flow in the field of interaction between the systems of fuel jets and the blowing air stream, which consists in the fact that the depth of penetration of the jets and their range are significantly reduced and the drift flow is also significantly accelerated. Moreover, the position of the depth of penetration of the jets is shifted upstream, and the position of the maximum relative velocity of the stream is downstream.
В каналах с практически сохраняются не только значения этих параметров струй, но и положения их максимальных значений вдоль траектории струи. Поэтому для всех значений гидродинамического параметра начиная со значения системы струй можно считать полуограниченными, так как изменение глубины проникновения струи и ускорение сносящего потока составляют ~2% или меньше.In channels with practically not only the values of these parameters of the jets are preserved, but also the positions of their maximum values along the path of the jet. Therefore, for all values of the hydrodynamic parameter, starting from the value jet systems can be considered semi-limited, since the change in the depth of penetration of the jet and the acceleration of the drift flow are ~ 2% or less.
Установим закон изменения диаметра отверстия для подачи топлива при изменении глубины канала для случая, когда We establish the law of changing the diameter of the fuel supply hole when changing the channel depth for the case when
При выдуве струй топлива из противоположных стенок канала, чтобы не происходило взаимодействие струй между собой при любой глубине канала, а только со сносящим потоком воздуха, принимаемWhen blowing jets of fuel from opposite walls of the channel so that the jets do not interact with each other at any depth of the channel, but only with a blowing air stream, we take
где ymax - глубина проникновения струи топлива в сносящий поток, т.е. расстояние, соответствующее максимально удаленной точке траектории струи от подстилающей поверхности;where y max is the depth of penetration of the fuel jet into the drift stream, i.e. the distance corresponding to the most remote point of the jet path from the underlying surface;
C2 - постоянная величина, которая для любой глубины канала должна быть С2<0,5.C 2 is a constant value, which for any channel depth should be C 2 <0.5.
Так как истечение струй происходит из общего ресивера при одном и том же давлении, то значение гидродинамического параметра и относительная глубина проникновения струи любого диаметра есть величина постоянная, то естьSince the outflow of the jets comes from a common receiver at the same pressure, the value of the hydrodynamic parameter and the relative depth of penetration of the jet of any diameter is a constant value, i.e.
где qV - гидродинамический параметр;where q V is the hydrodynamic parameter;
ρV и ρW - плотность струи топлива и воздуха соответственно;ρ V and ρ W are the density of the jet of fuel and air, respectively;
V и W - скорость струи топлива и воздуха соответственно.V and W are the speed of the jet of fuel and air, respectively.
Значение постоянной С1 определим из условий истечения струи на периферии проточной части:The value of the constant C 1 is determined from the conditions of the expiration of the jet at the periphery of the flow part:
где индекс «П» относится к параметрам на периферии проточной части горелки.where the index "P" refers to the parameters on the periphery of the flow part of the burner.
Тогда из (1) с учетом соотношений (2) и (3) следует закон изменения диаметра отверстия для подачи топлива по относительной глубине каналаThen from (1), taking into account relations (2) and (3), the law of changing the diameter of the hole for supplying fuel along the relative depth of the channel
или or
который формулируется так: диаметры отверстий для подачи основного топлива изменяются пропорционально изменению глубины канала, в котором движется воздух.which is formulated as follows: the diameters of the holes for supplying the main fuel vary in proportion to the change in the depth of the channel in which the air moves.
12. С помощью четырех последних технических решений показаны возможные комбинации использования жидкого и газообразного топлив в МГ при подготовке «бедной» ТВС и ее устойчивое горение в МКС ГТД и стационарных ГТУ.12. Using the last four technical solutions, the possible combinations of the use of liquid and gaseous fuels in the MG during the preparation of the “poor” FAs and its stable combustion in the ISS GTE and stationary gas turbines are shown.
МГ различных типов, в которых реализуется предложенный способ предварительной подготовки и сжигания «бедной» ТВС, приведены на рисунках (фиг.4-фиг.14).MG of various types, in which the proposed method for preliminary preparation and burning of the “poor” fuel assemblies is implemented, are shown in the figures (Fig. 4-Fig. 14).
МГ первого типа, приведенная на фиг.4-фиг.9, содержит подводящий топливный патрубок 21, открытую с обоих концов внешнюю втулку 11 (не обязательно цилиндрическую), включающую внешний топливный ресивер 2 и дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1, открытую на входе и закрытую на выходе центральную втулку 12, установленную соосно с внешней втулкой и включающую центральный топливный ресивер 3 и дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1, полые радиальные лопатки 14, соединяющие внешнюю и центральную втулки и их ресиверы, ПЭ 10, установленный между внешней и центральной втулками за входным лопаточным аппаратом, аксиально-лопаточный завихритель 13, установленный между внешней и центральной втулками за ПЭ, полый круговой конический стабилизатор 15, установленный за аксиально-лопаточным завихрителем соосно с ним вершиной против потока, полый круговой конус 16, включающий дозирующую перфорацию 20, выполненную в конце магистрали подачи вспомогательного топлива 7, и установленный на некотором осевом расстоянии от конического стабилизатора вершиной против потока так, что между внутренней поверхностью конического стабилизатора и внешней поверхностью конуса образуется сужающаяся к выходу кольцевая коническая щель 19. Основание полого конуса 16 смещено против потока относительно основания конического стабилизатора на расстояние L так, что часть внутренней поверхности конического стабилизатора, примыкающая к его основанию, и его задний торец остаются открытыми. Расстояние L соответствует расстоянию, которое не превышает 15-20 калибров ширины щели, измеренной в перпендикулярном к оси сечении, проходящем через основание полого конуса.The MG of the first type, shown in Fig.4-Fig.9, contains a
На виде А (фиг.5) показан входной лопаточный аппарат, а также пример расположения радиальных лопаток 14 в нем и пример выполнения дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1 во втулках 11 и 12 соответственно и в лопатках 14. На местном разрезе вида А (фиг.5) показано, что полость полых лопаток 14 и полости внешнего и центрального топливных ресиверов 2 и 3 соответственно образуют единую топливную полость.In view A (Fig. 5), an input blade apparatus is shown, as well as an example of the arrangement of
На виде Б (фиг.6) показан пример выполнения дозирующей перфорации 20 в полом конусе 16, а на виде Б (фиг.7) - пример выполнения перепускных отверстий 17 в коническом стабилизаторе 15.On the form B (Fig.6) shows an example of the implementation of the
В сечении Б-Б (фиг.8) показан симметричный профиль полой лопатки, выполненный в соответствии с методикой работы [30]. Там же показаны отверстия дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1, выполненные под острым углом α к подстилающей поверхности. Угол α находится в диапазоне 30°≤α≤60°.Section BB (Fig. 8) shows a symmetrical profile of a hollow blade made in accordance with the methodology of [30]. Also shown are the openings of the
В сечении В-В (фиг.9) показана развертка аксиально-лопаточного завихрителя турбинного типа.In section BB (Fig. 9), a scan of an axial-blade turbine type swirl is shown.
ПЭ 10 может быть выполнен с радиальным гофрирование его поверхности в соответствии со схемой, приведенной на фиг.1, или с окружным гофрированием его поверхности в соответствии со схемой, приведенной на фиг.2. и фиг.3.
МГ второго типа, изображенная на фиг.10-фиг.12, отличается от МГ первого типа, изображенной на фиг.4-фиг.9, следующим.The MG of the second type shown in FIG. 10-FIG. 12 differs from the MG of the first type shown in FIG. 4-FIG. 9 as follows.
Перед ПЭ в потоке воздуха установлена полая кольцевая обечайка 22, содержащая дозирующую перфорацию 4, выполненную в конце магистрали подачи основного топлива 1 (фиг.12).Before PE in the air flow, a hollow
На виде А (фиг.11) показана обечайка 22 и ее соединение с польми лопатками 14, а на местном разрезе показан пример расположения отверстий дозирующей перфорации 4 на обечайке и на полых лопатках 14. Полость обечайки, полости лопаток и полости топливных ресиверов (внешнего и центрального) образуют единую топливную полость. Обечайка делит проточную часть внешнего контура на периферийную и центральную части. Причем она делит расход воздуха между периферийной и центральной проточными частями пропорционально периметру, занимаемому этими проточными частями. По существу, это означает, что количество отверстий перфорации пропорционально расходу воздуха.In a view A (Fig. 11), a
В сечении Г-Г (фиг.12) показан симметричный профиль полой обечайки, выполненный в соответствии с методикой работы [30]. Там же показаны отверстия дозирующей перфорации 4 для подачи основного топлива 1, выполненные под острым углом α к подстилающей поверхности. Угол α находится также в диапазоне 30°≤α≤60°.In section G-D (Fig. 12), a symmetrical profile of a hollow shell is shown, made in accordance with the methodology of [30]. Also shown are the openings of the
В данном примере выполнения МГ второго типа (фиг.10-фиг.12) взято минимальное количество радиальных полых лопаток, поэтому обечайка выполнена полой и имеет дозирующую перфорацию.In this example, the execution of the MG of the second type (Fig.10-Fig.12) taken the minimum number of radial hollow blades, so the shell is hollow and has a metering perforation.
МГ третьего типа, приведенная на фиг.13 и фиг.14, отличается от МГ второго типа, приведенной на фиг.10-фиг.12, только количеством радиальных полых лопаток во входном лопаточном аппарате. Причем количество полых лопаток, расположенных в периферийной проточной части внешнего контура МГ, в два раза больше радиальных полых лопаток, расположенных в центральной проточной части внешнего контура устройства. Однако количество лопаток в периферийной проточной части внешнего контура МГ может быть любым, никак не связанным с количеством лопаток, расположенных в центральной проточной части, где их количество ограничено возможностью расположения на центральной втулке.The MG of the third type shown in FIG. 13 and FIG. 14 differs from the MG of the second type shown in FIG. 10-FIG. 12 only in the number of radial hollow blades in the inlet vanes. Moreover, the number of hollow blades located in the peripheral flow part of the outer contour of the MG is twice as large as the radial hollow blades located in the central flow part of the outer contour of the device. However, the number of blades in the peripheral flow part of the outer contour of the MG can be any, not connected in any way with the number of blades located in the central flow part, where their number is limited by the possibility of location on the central sleeve.
При большом количестве полых лопаток входного лопаточного аппарата, расположенных в периферийной проточной части внешнего контура МГ, обечайку можно выполнить сплошной. В этом случае полые лопатки периферийной проточной части и центральной проточной части внешнего контура должны располагаться на одном радиусе, сообщаться между собой и иметь единую топливную полость. При этом диаметр отверстия перфорации по радиусу полой лопатки следует изменять по закону, приведенному в пункте 11, в том случае, если относительная глубина межлопаточного канала With a large number of hollow blades of the inlet scapula located in the peripheral flow part of the outer contour of the MG, the shell can be solid. In this case, the hollow blades of the peripheral flow part and the central flow part of the external circuit should be located on the same radius, communicate with each other and have a single fuel cavity. At the same time, the diameter of the perforation hole along the radius of the hollow blade should be changed according to the law described in
Реализация предложенного способа в МГ различных типов (фиг.4-фиг.14) осуществляется следующим образом.Implementation of the proposed method in the MG of various types (Fig.4-Fig.14) is as follows.
Воздух под давлением поступает во внешний контур МГ. Основное топливо 1 по подводящему патрубку 21 поступает вначале во внешний топливный ресивер 2, далее через полые лопатки 14 подается либо в центральный топливный ресивер 3 (см. фиг.4 и фиг.5), либо в кольцевую обечайку 22 и в центральный топливный ресивер 3, если МГ содержит кольцевую обечайку 22 (фиг.10, фиг.11 и фиг.13, фиг.14). Основное топливо 1 поступает в сносящий поток воздуха под избыточным давление в виде струй через дозирующую перфорацию 4, выполненную во внешней и центральной втулках 11 и 12 соответственно, в кольцевой обечайке 22 и в лопатках 14, под спутными углами к сносящему потоку воздуха 6. В результате струйного смешения основного топлива 1 с воздухом 6 в первой ступени МГ образуется «бедная» ТВС 5, не обладающая достаточной концентрационной однородностью. Поэтому основное топливо и воздух дополнительно смешивают во второй ступени путем пропускания «бедной» ТВС 5 через ПЭ 10, где происходит образование качественной (однородной) ТВС.Air under pressure enters the external circuit MG. The
Затем формируют основную циркуляционную зону 8 путем пропускания «бедной» ТВС 5 через аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа 13 и дополнительную циркуляционную зону 9 существенно меньших размеров путем подачи «бедной» ТВС 5 на конический стабилизатор 15 так же, как за плохообтекаемым телом.Then, the
Часть «бедной» ТВС 5 проходит через перепускные отверстия 17 и коническую кольцевую щель 19, где она движется с ускорением под действием перепада давлений, возникающего между проточной частью внешнего контура МГ и дополнительной циркуляционной зоной при обтекании конического стабилизатора «бедной» топливовоздушной смесью. Далее эта часть «бедной» ТВС движется в виде пристеночной струи 18 вдоль внутренней поверхности конического стабилизатора 15, защищая ее от воздействия лучистых потоков «дежурного» факела.Part of the “poor”
Вспомогательное топливо 7 подают по топливной магистрали, расположенной в центральной втулке 12, далее его одновременно ускоряют и распределяют в виде системы струй путем пропускания через дозирующую перфорацию 20, выполненную в конце магистрали подачи вспомогательного топлива 7, а затем подают под избыточны давлением в дополнительную циркуляционную зону 9, где оно смешивается с «бедной» ТВС 5, обогащая ее до состава, близкого к стехиометрическому, за счет регулирования подачи вспомогательного топлива 7.
Воспламенение ТВС, находящейся в дополнительной циркуляционной зоне 9, осуществляют от внешнего источника.Ignition of fuel assemblies located in the additional circulation zone 9 is carried out from an external source.
Можно отметить следующие преимущества предложенного способа, реализованного в МГ различных типов (фиг.4-фиг.14), по сравнению со способом прототипа:You can note the following advantages of the proposed method implemented in the MG of various types (Fig.4-Fig.14), compared with the prototype method:
- надежное воспламенение «бедной» ТВС, состав которой ниже «бедного» концентрационного предела распространения пламени;- reliable ignition of the “poor” fuel assembly, the composition of which is below the “poor” concentration limit of flame propagation;
- пониженная эмиссия окислов азота;- reduced emission of nitrogen oxides;
- пониженный расход вспомогательного топлива;- reduced auxiliary fuel consumption;
- пониженные потери давления;- reduced pressure loss;
- повышенный ресурс работы МГ и др.- increased service life of MG, etc.
Эти преимущества достигаются благодаря применению «дежурного» факела, организации дополнительной циркуляционной зоны существенно меньших размеров, чем размеры основной циркуляционной зоны, подачи основного топлива под спутными углами к сносящему воздушному потоку и поддержанию на номинальном режиме работы МГ небольшой скорости потока «бедной» ТВС на входе в ПЭ, но достаточной для дробления капель жидкого топлива, введению двойного заградительного охлаждения поверхности конического стабилизатора и других технических решений, указанных выше.These advantages are achieved through the use of the “on-duty” torch, the organization of an additional circulation zone substantially smaller than the dimensions of the main circulation zone, the supply of primary fuel at satellite angles to the blowing air stream, and maintaining at a nominal MG operating mode a low flow rate of the “poor” fuel assembly at the inlet in PE, but sufficient for crushing droplets of liquid fuel, the introduction of dual barrier cooling of the surface of a conical stabilizer and other technical solutions, a decree nnyh above.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011104316/06A RU2451878C1 (en) | 2011-02-07 | 2011-02-07 | Method for preliminary preparation and combustion of "lean" air-fuel mixture in low-emission burner |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011104316/06A RU2451878C1 (en) | 2011-02-07 | 2011-02-07 | Method for preliminary preparation and combustion of "lean" air-fuel mixture in low-emission burner |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2451878C1 true RU2451878C1 (en) | 2012-05-27 |
Family
ID=46231725
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011104316/06A RU2451878C1 (en) | 2011-02-07 | 2011-02-07 | Method for preliminary preparation and combustion of "lean" air-fuel mixture in low-emission burner |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2451878C1 (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102297427A (en) * | 2011-06-30 | 2011-12-28 | 河南省科学院能源研究所有限公司 | Combustor special for biomass fluidized-bed gasification combustion machine |
RU2548525C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-04-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Method to burn preliminary prepared lean air-fuel mixture in double-circuit low-emission burner with diffusion stabilising flare used |
RU2564746C2 (en) * | 2014-02-12 | 2015-10-10 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Method to burn pre-treated lean fuel-air mix in double-circuit low-emission burner with adjustment of pilot fuel flow |
RU2564474C2 (en) * | 2014-02-12 | 2015-10-10 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Lean-premixed air-and-fuel mixture combustion in double loop low emission burner with increased stability of pilot fuel combustion |
CN109187039A (en) * | 2018-07-09 | 2019-01-11 | 北京航空航天大学 | A kind of injection uniformity detection of blade jet-type swirl device |
CN111288491A (en) * | 2020-03-20 | 2020-06-16 | 中国科学院工程热物理研究所 | Combustion chamber structure |
RU198622U1 (en) * | 2019-11-25 | 2020-07-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Кальдера" | GAS BURNER WITH FORCED AIR SUPPLY |
RU2750176C1 (en) * | 2020-12-14 | 2021-06-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Countercurrent burner pre-mixing module |
RU2775105C1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-06-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Vortex nozzle and burner pre-mixing module |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3946552A (en) * | 1973-09-10 | 1976-03-30 | General Electric Company | Fuel injection apparatus |
RU2099639C1 (en) * | 1996-06-21 | 1997-12-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ЭСТ" | Burner |
RU2252065C1 (en) * | 2004-03-22 | 2005-05-20 | Кутыш Иван Иванович | Method of two-stage mixing of a liquid and a gas with heightened homogeneity |
RU2386082C1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Device for preparing air-and-fuel mixture to be supplied to combustion chamber |
RU98538U1 (en) * | 2010-05-24 | 2010-10-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации Минпромторг России | CONTINUOUS COMBUSTION CAMERA |
-
2011
- 2011-02-07 RU RU2011104316/06A patent/RU2451878C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3946552A (en) * | 1973-09-10 | 1976-03-30 | General Electric Company | Fuel injection apparatus |
RU2099639C1 (en) * | 1996-06-21 | 1997-12-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ЭСТ" | Burner |
RU2252065C1 (en) * | 2004-03-22 | 2005-05-20 | Кутыш Иван Иванович | Method of two-stage mixing of a liquid and a gas with heightened homogeneity |
RU2386082C1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Device for preparing air-and-fuel mixture to be supplied to combustion chamber |
RU98538U1 (en) * | 2010-05-24 | 2010-10-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации Минпромторг России | CONTINUOUS COMBUSTION CAMERA |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102297427A (en) * | 2011-06-30 | 2011-12-28 | 河南省科学院能源研究所有限公司 | Combustor special for biomass fluidized-bed gasification combustion machine |
RU2548525C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-04-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Method to burn preliminary prepared lean air-fuel mixture in double-circuit low-emission burner with diffusion stabilising flare used |
RU2564746C2 (en) * | 2014-02-12 | 2015-10-10 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Method to burn pre-treated lean fuel-air mix in double-circuit low-emission burner with adjustment of pilot fuel flow |
RU2564474C2 (en) * | 2014-02-12 | 2015-10-10 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Lean-premixed air-and-fuel mixture combustion in double loop low emission burner with increased stability of pilot fuel combustion |
CN109187039A (en) * | 2018-07-09 | 2019-01-11 | 北京航空航天大学 | A kind of injection uniformity detection of blade jet-type swirl device |
RU198622U1 (en) * | 2019-11-25 | 2020-07-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Кальдера" | GAS BURNER WITH FORCED AIR SUPPLY |
CN111288491A (en) * | 2020-03-20 | 2020-06-16 | 中国科学院工程热物理研究所 | Combustion chamber structure |
CN111288491B (en) * | 2020-03-20 | 2021-07-16 | 中国科学院工程热物理研究所 | Combustion chamber structure |
RU2750176C1 (en) * | 2020-12-14 | 2021-06-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Countercurrent burner pre-mixing module |
RU2775105C1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-06-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Vortex nozzle and burner pre-mixing module |
RU218632U1 (en) * | 2023-03-03 | 2023-06-02 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Low-emission combustion chamber of a gas turbine engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2451878C1 (en) | Method for preliminary preparation and combustion of "lean" air-fuel mixture in low-emission burner | |
RU2569137C2 (en) | Intermediate heating burner device and mode of operation of gas-turbine unit with consecutive combustion | |
US5251447A (en) | Air fuel mixer for gas turbine combustor | |
JP6159136B2 (en) | System and method having a multi-tube fuel nozzle with differential flow | |
US8443607B2 (en) | Coaxial fuel and air premixer for a gas turbine combustor | |
JP5638613B2 (en) | Inlet premixer for combustion equipment | |
JP5594951B2 (en) | Burner operation method | |
RU2611551C2 (en) | Firebox (versions) and method of fuel distribution in furnace | |
EP2436979A1 (en) | Burner for a gas turbine | |
US20060035183A1 (en) | Mixer | |
US20120227407A1 (en) | Burner for a turbine | |
US20220290862A1 (en) | Fuel mixer | |
CN115451432B (en) | Micro-mixing nozzle assembly and system for fuel in combustion chamber of gas turbine | |
EP2340398B1 (en) | Alternately swirling mains in lean premixed gas turbine combustors | |
EP2825823B1 (en) | Gas turbine combustion system and method of flame stabilization in such a system | |
CN116221780B (en) | Blending mechanism and combustion device | |
RU2548525C1 (en) | Method to burn preliminary prepared lean air-fuel mixture in double-circuit low-emission burner with diffusion stabilising flare used | |
RU2564746C2 (en) | Method to burn pre-treated lean fuel-air mix in double-circuit low-emission burner with adjustment of pilot fuel flow | |
RU2761713C1 (en) | Method for burning a preliminarily prepared "lean" fuel-air mixture of liquid and (or) gaseous fuel and air in a three-circuit low-emission burner (variants) | |
RU2099639C1 (en) | Burner | |
RU2633982C1 (en) | Flame tube of gas turbine engine combustion chamber | |
JP2016084961A (en) | Combustor and gas turbine | |
RU150943U1 (en) | FRONT DEVICE OF RING COMBUSTION CAMERA OF SMALL-SIZED GAS-TURBINE ENGINE | |
RU2775105C1 (en) | Vortex nozzle and burner pre-mixing module | |
RU2564474C2 (en) | Lean-premixed air-and-fuel mixture combustion in double loop low emission burner with increased stability of pilot fuel combustion |