RU2511980C2

RU2511980C2 - Fuel combustion method

Info

Publication number: RU2511980C2
Application number: RU2011140324/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Стогней; Владимир Викторович Черниченко; Алла Яковлевна Пищулина
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2014-04-10
Also published as: RU2011140324A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention refers to energetic, chemical and transport machine building and may be used in gas turbine plants combustion chambers. Proposed fuel combustion method involves preliminary separation of air flow into coaxial annular jets, twisting of neighbouring adjacent jets in opposite directions, at that parts of neighbouring twisted in opposite directions jets closest to each other are supplied in radial direction towards each other forming turbulent shifting layer. Fuel is supplied to this layer for further ignition of generated fuel-air mixture. Preliminary right after air flow separation into coaxial annular jets, one part of fuel is supplied to generated rotating coaxial annular jets tangentially, contrary to direction of coaxial annular air jet rotation preferably to direction opposite to its axial movement. The rest part is supplied to generated turbulent shifting layer in direction of combustion zone, preferably in the form of hollow annular jet formed from several continuous single fuel jets. 40-50% of total fuel flow is supplied tangentially, and the rest part of fuel flow is supplied to generated turbulent shifting layer.

EFFECT: enhancement of the method efficiency.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому, химическому и транспортному машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок.The invention relates to power, chemical and transport engineering and can be used in the combustion chambers of gas turbine plants.

Широко известны способы сжигания топлива путем предварительного разделения воздушного потока на кольцевые струи, закрутки этих струй с последующей подачей струй воздуха и топлива в зону горения (Авторское свидетельство СССР №228379, МПК F23C 3/00, 1968).Widely known methods of burning fuel by preliminary separation of the air flow into annular jets, swirling these jets with the subsequent supply of jets of air and fuel into the combustion zone (USSR Author's Certificate No. 228379, IPC F23C 3/00, 1968).

Недостатком таких способов является высокая токсичность продуктов сгорания, обусловленная низкой интенсивностью процесса горения и большой протяженностью зоны горения.The disadvantage of these methods is the high toxicity of the combustion products, due to the low intensity of the combustion process and the large extent of the combustion zone.

Известен способ сжигания топлива путем предварительного деления потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закруткой соседних струй навстречу друг другу, с последующей подачей струй воздуха и топлива в ограниченное затопленное пространство (Авторское свидетельство СССР N 626314, МПК F23R 3/10, 1978).A known method of burning fuel by preliminary dividing the air stream into coaxial annular jets, swirling the adjacent jets towards each other, followed by the supply of jets of air and fuel into a limited flooded space (USSR Author's Certificate N 626314, IPC F23R 3/10, 1978).

Недостатком этого способа сжигания топлива является повышенная токсичность продуктов сгорания, высокая концентрация оксидов азота, особенно при высоких, более 400°С, температурах воздуха. Кроме того, вследствие недостаточной интенсивности процессов горения топлива, особенно жидкого, в некоторых случаях наблюдается неполное сгорание топлива.The disadvantage of this method of burning fuel is the increased toxicity of combustion products, a high concentration of nitrogen oxides, especially at high, more than 400 ° C, air temperatures. In addition, due to the insufficient intensity of the combustion processes of the fuel, especially liquid, in some cases, incomplete combustion of the fuel is observed.

Известен способ сжигания топлива путем предварительного разделения потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутки соседних струй в противоположных направлениях и подачи топлива между закрученными струями, воспламенения топлива, при этом ближайшие одна к другой части соседних, закрученных в противоположном направлении, струй подают в радиальном направлении навстречу одна другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, а подачу топлива осуществляют в этот слой для его предварительного смешения с воздухом и последующего воспламенения топливовоздушной смеси (Патент РФ №2027047, МПК F02C 7/22, F23R 3/34 - прототип).A known method of burning fuel by preliminary separation of the air flow into coaxial annular jets, swirling adjacent jets in opposite directions and supplying fuel between swirling jets, igniting the fuel, while the jets closest to the other part of adjacent swirling in the opposite direction, radially forward one another with the formation of a turbulent shear layer, and the fuel is supplied into this layer for its preliminary mixing with air and subsequent on the ignition of the air-fuel mixture (RF Patent No. 2027047, IPC F02C 7/22, F23R 3/34 - prototype).

Указанный способ реализуется следующим образом.The specified method is implemented as follows.

Поток воздуха предварительно разделяют на коаксиальные кольцевые струи. Затем производят закрутку соседних струй воздуха навстречу друг другу. После закрутки коаксиальных кольцевых струй воздуха ближайшие друг к другу части этих струй направляют радиально навстречу друг другу, а струи топлива подают между этими частями закрученных струй. В зоне встречи этих струй воздуха возникает высокотурбулентный сдвиговый слой, способствующий интенсивному смешению воздуха с подаваемыми в эту же зону струями топлива. Затем образующуюся топливовоздушную смесь и оставшуюся часть воздуха подают в затопленное ограниченное пространство, где происходит высокоинтенсивное малотоксичное сгорание.The air flow is previously divided into coaxial annular jets. Then produce a spin of adjacent air jets towards each other. After twisting the coaxial annular jets of air, the parts of these jets nearest to each other are directed radially towards each other, and the fuel jets are fed between these parts of the swirling jets. A highly turbulent shear layer arises in the zone of encounter of these air jets, which facilitates intensive mixing of air with the fuel jets supplied to the same zone. Then, the resulting air-fuel mixture and the rest of the air are fed into a flooded confined space, where highly intense low-toxic combustion takes place.

Недостатком этого способа сжигания топлива является недостаточно высокая полнота смесеобразования, повышенная токсичность продуктов сгорания, высокая концентрация оксидов азота, особенно при высоких, более 400°С, температурах воздуха. Кроме того, вследствие недостаточной интенсивности процессов горения топлива, особенно жидкого, в некоторых случаях наблюдается неполное сгорание топлива.The disadvantage of this method of burning fuel is not sufficiently high completeness of the mixture formation, increased toxicity of the combustion products, a high concentration of nitrogen oxides, especially at high, more than 400 ° C, air temperatures. In addition, due to the insufficient intensity of the combustion processes of the fuel, especially liquid, in some cases, incomplete combustion of the fuel is observed.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков, повышение интенсивности процесса горения и уменьшение токсичности продуктов сгорания за счет организации более интенсивного предварительного смешения топлива с воздухом.The objective of the proposed invention is to remedy these disadvantages, increase the intensity of the combustion process and reduce the toxicity of combustion products by organizing a more intensive preliminary mixing of fuel with air.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе сжигания топлива, заключающемся в предварительном разделении потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутке соседних смежных струй в противоположных направлениях, причем ближайшие одна к другой части соседних закрученных в противоположном направлении струй подают в радиальном направлении навстречу одну другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, при этом подачу топлива осуществляют в этот слой для последующего воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси, согласно изобретению одну часть расхода топлива предварительно, непосредственно после разделения потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, подают в образовавшиеся вращающиеся коаксиальные кольцевые струи тангенциально, противоположно направлению вращения коаксиальной кольцевой струи воздуха, предпочтительно в сторону, противоположную ее осевому движению, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой по направлению к зоне горения предпочтительно в виде полой кольцевой струи, образованной из нескольких сплошных одиночных струй топлива.The solution to this problem is achieved due to the fact that in the proposed method of burning fuel, which consists in preliminary separation of the air flow into coaxial annular jets, swirling adjacent adjacent jets in opposite directions, with the jets closest to the other part of adjacent jets swirling in the opposite direction towards one another with the formation of a turbulent shear layer, while the fuel is supplied to this layer for subsequent ignition of the images of the existing air-fuel mixture, according to the invention, one part of the fuel consumption is preliminarily, immediately after separation of the air flow into coaxial ring jets, tangentially opposite the direction of rotation of the coaxial ring air stream, preferably in the direction opposite to its axial movement, and the remaining part of the fuel consumption is fed into the formed turbulent shear layer towards the combustion zone, preferably in the form Ola annular jet, formed from several single continuous fuel jets.

В варианте применения способа тангенциально подают 40-50% общего расхода топлива, а оставшуюся часть расхода топлива подают в образованный турбулентный сдвиговый слой.In an application of the method, 40-50% of the total fuel consumption is tangentially supplied, and the remaining part of the fuel consumption is fed into the formed turbulent shear layer.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит ухудшение условий смесеобразования на начальном участке за счет понижения соотношения компонентов топлива по сравнению со стехиометрическим или близким к нему и относительно низкого расхода топлива при достаточно большом расходе воздуха.The lower value of this ratio is chosen on the basis that, with a further decrease in it, the conditions of mixture formation in the initial section deteriorate due to a decrease in the ratio of fuel components in comparison with stoichiometric or close to it and relatively low fuel consumption at a sufficiently high air flow rate.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит ухудшение условий смесеобразования в турбулентном сдвиговом слое за счет ухудшения условий смесеобразования за счет повышения соотношения компонентов топлива по сравнению со стехиометрическим или близким к нему при достаточно большом расходе топлива.The upper value of this ratio was chosen on the basis that with a further increase in it, the conditions of mixture formation in the turbulent shear layer deteriorate due to the deterioration of the conditions of mixture formation due to an increase in the ratio of fuel components in comparison with stoichiometric or close to it at a sufficiently high fuel consumption.

Решение поставленной задачи достигается тем, что подача части расхода в образовавшиеся вращающиеся коаксиальные кольцевые струи тангенциальна, причем в сторону, обратную как движению потока топливовоздушной смеси, так и ее вращению, приводит к более интенсивному перемешиванию дискретных струй топлива во вращающейся кольцевой струе воздуха. При такой подаче перемешивание топлива с воздухом будет происходить во время перемещения массы топливовоздушной смеси по направлению к зоне воспламенения и горения. Подача оставшейся части расхода в образовавшийся сдвиговый слой, характеризующийся очень высокой интенсивностью процессов турбулентного переноса, позволит более интенсивно и, соответственно, качественно смешать топливо и воздух между собой.The solution of this problem is achieved by the fact that the supply of a part of the flow rate to the resulting rotating coaxial annular jets is tangential, and in the direction opposite to both the flow of the air-fuel mixture and its rotation, it leads to more intensive mixing of discrete jets of fuel in a rotating ring air stream. With this supply, the mixing of fuel with air will occur during the movement of the mass of the air-fuel mixture in the direction of the ignition and combustion zone. The supply of the remaining part of the flow rate to the formed shear layer, characterized by a very high intensity of turbulent transfer processes, will allow more intensive and, accordingly, high-quality mixing of fuel and air with each other.

Существенным отличием предлагаемого способа от прототипа является также то, что струи топлива попадают между направленными радиально навстречу друг другу частями закрученных струй воздуха, в котором уже произошло перемешивание части расхода. При этом струи топлива попадают в высокотурбулентный сдвиговый слой воздуха, что способствует интенсивному смешению топлива с воздухом и позволяет значительно сократить протяженность участка, на котором происходит смешение. Для многих устройств, реализующих этот способ, особенно для камер сгорания газотурбинных установок, это весьма существенное преимущество.A significant difference of the proposed method from the prototype is also that the fuel jets fall between the radially directed parts of the swirling air jets, in which mixing of a part of the flow rate has already occurred. In this case, fuel jets fall into a highly turbulent shear layer of air, which contributes to intensive mixing of fuel with air and can significantly reduce the length of the area where the mixing takes place. For many devices implementing this method, especially for combustion chambers of gas turbine plants, this is a very significant advantage.

Существенным отличием заявляемого способа является также то, что в затопленное ограниченное пространство подают образующуюся топливовоздушную смесь и оставшуюся часть воздуха. Известно, что в предварительно подготовленной топливовоздушной смеси процессы горения протекают значительно быстрее с образованием кинетического горения, чем при раздельной подаче воздуха и топлива и получении диффузионного горения.A significant difference of the proposed method is that in the flooded confined space serves the resulting air-fuel mixture and the rest of the air. It is known that in a pre-prepared air-fuel mixture, combustion processes occur much faster with the formation of kinetic combustion than with separate air and fuel supply and diffusion combustion.

Вследствие этого значительно сокращается время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур, что приводит к существенному уменьшению концентрации оксидов азота в них. Кроме того, предварительное смешение топлива с воздухом позволяет исключить сжигание топлива при стехиометрическом соотношении его с воздухом и, тем самым, снизить температуру пламени, что также положительно влияет на уменьшение токсичности продуктов сгорания. При сжигании жидкого топлива в процессе предварительного смешения происходит испарение капель топлива и смешение его паров с воздухом, в результате чего процесс горения протекает более интенсивно, со значительным снижением недожога.As a result, the residence time of the combustion products in the high temperature zone is significantly reduced, which leads to a significant decrease in the concentration of nitrogen oxides in them. In addition, preliminary mixing of fuel with air eliminates the burning of fuel at a stoichiometric ratio of it to air and, thereby, reduces the temperature of the flame, which also positively affects the reduction of toxicity of combustion products. When burning liquid fuel in the process of preliminary mixing, droplets of fuel evaporate and their vapors mix with air, as a result of which the combustion process proceeds more intensively, with a significant reduction in underburning.

Из изложенного следует, что заявляемый способ сжигания топлива существенно отличается от прототипа и соответствует критерию "новизна".From the above it follows that the inventive method of burning fuel is significantly different from the prototype and meets the criterion of "novelty."

При сравнении заявляемого способа сжигания топлива не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, были выявлены признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".When comparing the proposed method of burning fuel not only with the prototype, but also with other technical solutions in the art, signs were identified that distinguish the claimed invention from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences" is met.

На фиг.1 схематично изображено продольное сечение осесимметричного течения воздуха с топливом и показана последовательность процессов, из которых состоит предлагаемый способ сжигания топлива. Направления закрутки на фиг.1 обозначены: ⊙ - от наблюдателя, ⊕ - на наблюдателя.Figure 1 schematically shows a longitudinal section of an axisymmetric flow of air with fuel and shows the sequence of processes that make up the proposed method of burning fuel. The spin directions in figure 1 are indicated: ⊙ - from the observer, ⊕ - to the observer.

Предложенный способ состоит из следующей последовательности процессов и реализуется следующим образом.The proposed method consists of the following sequence of processes and is implemented as follows.

Поток воздуха предварительно разделяют на коаксиальные кольцевые струи (от сечения I-I до сечения II-II). Затем производят закрутку соседних струй воздуха навстречу друг другу (от сечения II-II до сечения III-III) и одновременно с этим от сечения (II-II до сечения III-III) во вращающиеся струи воздуха тангенциально подают часть расхода топлива предпочтительно в сторону, противоположную движению основного потока воздуха. Такая подача обеспечит более интенсивное перемешивание топлива с потоком воздуха.The air stream is previously divided into coaxial annular jets (from section I-I to section II-II). Then the adjacent air jets are swirled towards each other (from section II-II to section III-III) and at the same time from section (II-II to section III-III) part of the fuel flow is tangentially fed to the rotating air jets, preferably to the side, opposite to the movement of the main air stream. Such a supply will provide more intensive mixing of the fuel with the air flow.

После закрутки коаксиальных кольцевых струй воздуха ближайшие друг к другу части этих струй направляют радиально навстречу друг другу, а оставшуюся часть расхода топлива подают между этими частями закрученных струй (от сечения III-III до сечения IV-IV).After twisting the coaxial annular air jets, the parts of these jets nearest to each other are directed radially towards each other, and the remaining part of the fuel consumption is fed between these parts of the swirling jets (from section III-III to section IV-IV).

В зоне встречи этих струй воздуха возникает высокотурбулентный сдвиговый слой, способствующий дальнейшему интенсивному смешению воздуха с подаваемыми в эту же зону струями топлива. Затем образующуюся топливовоздушную смесь и оставшуюся часть воздуха подают в затопленное ограниченное пространство, где происходит высокоинтенсивное малотоксичное сгорание.In the zone of encounter of these air jets, a highly turbulent shear layer arises, which contributes to further intensive mixing of air with the fuel jets supplied to the same zone. Then, the resulting air-fuel mixture and the rest of the air are fed into a flooded confined space, where highly intense low-toxic combustion takes place.

Использование предложенного способа сжигания топлива позволит снизить токсичность продуктов сгорания, в частности концентрацию оксидов азота в 2-5 раз, при одновременном повышении интенсивности процесса горения и уменьшения несгоревших масс топлива.Using the proposed method of burning fuel will reduce the toxicity of combustion products, in particular the concentration of nitrogen oxides by 2-5 times, while increasing the intensity of the combustion process and reducing unburned masses of fuel.

Claims

1. The method of burning fuel, which consists in preliminary separation of the air flow into coaxial annular jets, swirling adjacent adjacent jets in opposite directions, the nearest one to the other parts of adjacent, swirling in the opposite direction, jets are fed radially towards one another with the formation of a turbulent shear layer, while the fuel supply is carried out in this layer for subsequent ignition of the resulting air-fuel mixture, characterized in that one part of the flow and the fuel is preliminarily, immediately after separation of the air flow into coaxial annular jets, fed into the resulting rotating coaxial annular jets tangentially opposite to the direction of rotation of the coaxial annular air jets, preferably in the direction opposite to its axial motion, and the remaining part of the fuel flow is fed into the formed turbulent shear the layer in the direction of the combustion zone, preferably in the form of a hollow annular jet formed of several continuous single st swarm fuel.

2. The method according to claim 1, characterized in that 40-50% of the total fuel consumption is tangentially supplied, and the remainder of the fuel consumption is fed into the formed turbulent shear layer.