RU2626887C2 - Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines - Google Patents

Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines Download PDF

Info

Publication number
RU2626887C2
RU2626887C2 RU2014110629A RU2014110629A RU2626887C2 RU 2626887 C2 RU2626887 C2 RU 2626887C2 RU 2014110629 A RU2014110629 A RU 2014110629A RU 2014110629 A RU2014110629 A RU 2014110629A RU 2626887 C2 RU2626887 C2 RU 2626887C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
air
combustion chamber
combustion
nozzles
Prior art date
Application number
RU2014110629A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014110629A (en
Inventor
Маджед ТОКАН
Брент Аллан ГРЕГОРИ
Джонатан Дэвид РЕГЕЛЬ
Райан Садао ЯМАН
Original Assignee
Маджед ТОКАН
Брент Аллан ГРЕГОРИ
Джонатан Дэвид РЕГЕЛЬ
Райан Садао ЯМАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Маджед ТОКАН, Брент Аллан ГРЕГОРИ, Джонатан Дэвид РЕГЕЛЬ, Райан Садао ЯМАН filed Critical Маджед ТОКАН
Publication of RU2014110629A publication Critical patent/RU2014110629A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2626887C2 publication Critical patent/RU2626887C2/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04Air inlet arrangements
    • F23R3/06Arrangement of apertures along the flame tube
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04Air inlet arrangements
    • F23R3/10Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/58Cyclone or vortex type combustion chambers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/10Stators
    • F05D2240/12Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/128Nozzles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/30Arrangement of components
    • F05D2250/31Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03041Effusion cooled combustion chamber walls or domes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03045Convection cooled combustion chamber walls provided with turbolators or means for creating turbulences to increase cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/46Combustion chambers comprising an annular arrangement of several essentially tubular flame tubes within a common annular casing or within individual casings
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y02T50/678Aviation using fuels of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

FIELD: machine engineering.
SUBSTANCE: method of mixing substances entering the combustion reaction of a gas turbine engine includes the following steps - providing a combustion chamber comprising an outer shell, an inner shell and a perforated front wall, the fuel injectors. The premixed fuel-air mixture is injected in the combustion chamber volume. Reactive substance, injected by fuel and air nozzles, are combusted within mentioned area and create a flow field through the combustion chamber, which rotates around the axis line of the engine. Injected air is coming from the compressor through the perforated front wall. The injection of the mixture is operated through a first series of nozzles disposed adjacent the front wall and having a higher fuel/air ratio than the second set of nozzles with the injection of the mixture downstream of the fuel nozzles, thereby providing the desired mixing and stepped fuel-effect, which in turn, creates optimal conditions for the combustion and reduces NOx and CO emissions from the combustion chamber under partial load and/or full load. Display the hot combustion products from the combustion chamber through the annular opening.
EFFECT: improving the combustion efficiency and reduced emissions of combustion products toxicity.
6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к устройствам в газотурбинных двигателях, которые предназначены для содержания и сжигания топливовоздушной смеси. Такие устройства содержат следующие элементы, но не ограничены ими: топливовоздушные форсунки, облицовки и корпуса камеры сгорания, а также участки перехода потока, используемые в воздушных суднах военного и коммерческого назначения, системах генерирования энергии и других областях, связанных с газовыми турбинами.The present invention relates to devices in gas turbine engines, which are intended for the content and combustion of the air-fuel mixture. Such devices include, but are not limited to: air-fuel nozzles, lining and bodies of the combustion chamber, as well as sections of the flow passage used in aircraft of military and commercial purposes, energy generation systems and other areas associated with gas turbines.

Уровень техникиState of the art

Газотурбинные двигатели содержат механизмы, позволяющие извлечь работу газообразных продуктов сгорания, истекающих при очень высоких температурах, давлениях и скоростях. Извлеченная работа может быть использована для приведения в действие генератора с целью выработки энергии, для приведения в действие компрессорных устройств или для обеспечения необходимой тяги воздушного судна. Обычный газотурбинный двигатель состоит из многоступенчатого компрессора, в котором атмосферный воздух сжимают до высоких давлений. Сжатый воздух затем смешивают в определенном соотношении топливо/воздух в камере сгорания, в которой происходит увеличение температуры смеси. Газообразные продукты сгорания с высокой температурой и давлением затем расширяются через турбину для извлечения работы таким образом, чтобы обеспечить необходимую тягу или привести в действие генератор в зависимости от области применения. Турбина содержит по меньшей мере одну ступень, причем каждая ступень состоит из ряда лопастей и ряда лопаток. Лопасти распределены по окружности вращающейся ступицы, причем высота каждой лопасти соответствует пути потока горячего газа. Каждая ступень невращающихся лопаток расположена по окружности, которая также проходит перпендикулярно пути течения горячего газа. Изобретение относится к камере сгорания газотурбинных двигателей и компонентам подачи топлива и воздуха в указанное устройство.Gas turbine engines contain mechanisms to extract the work of gaseous products of combustion expiring at very high temperatures, pressures and speeds. The recovered work can be used to drive the generator to generate energy, to drive compressor devices, or to provide the necessary traction for the aircraft. A conventional gas turbine engine consists of a multi-stage compressor in which atmospheric air is compressed to high pressures. Compressed air is then mixed in a certain ratio of fuel / air in the combustion chamber, in which the temperature of the mixture increases. The gaseous products of combustion with high temperature and pressure are then expanded through the turbine to extract work in such a way as to provide the necessary traction or actuate the generator, depending on the application. The turbine contains at least one stage, and each stage consists of a series of blades and a number of blades. The blades are distributed around the circumference of the rotating hub, and the height of each blade corresponds to the path of the flow of hot gas. Each stage of non-rotating blades is located on a circle, which also runs perpendicular to the path of the flow of hot gas. The invention relates to a combustion chamber of gas turbine engines and components for supplying fuel and air to said device.

Существуют различные типы камер сгорания газотурбинного двигателя: в форме силоса, трубчатая, кольцевая и комбинация последних двух типов, образующая трубчато-кольцевую камеру сгорания. Сквозь указанный компонент сжатая топливовоздушная смесь проходит через топливовоздушные завихрители и вступает в реакцию горения, создавая поток горячего газа, вызывая падение плотности указанной смеси и ее ускорение ниже по потоку. Камера сгорания трубчатого типа обычно содержит отдельные, распределенные по окружности жаровые трубы, вмещающие пламя каждой форсунки по отдельности. Поток из каждой жаровой трубы затем направляют через патрубок и объединяют в кольцевом участке перехода, перед подачей потока к первой ступени сопловых направляющих лопаток. В полости сгорания кольцевого типа топливовоздушные форсунки обычно распределены по окружности и позволяют ввести смесь в единственную кольцевую камеру, в которой происходит сгорание. Поток просто выходит через расположенный ниже по потоку конец кольцевого пространства к первой ступени турбины, при этом нет необходимости в наличии участка перехода. Ключевое отличие камеры сгорания последнего типа, трубчато-кольцевой камеры сгорания, состоит в наличии отдельных жаровых труб, окруженных кольцевым корпусом, содержащим подаваемый в каждую жаровую трубу воздух. Каждый из указанных типов камер имеет свои достоинства и недостатки, в зависимости от условий их применения.There are various types of combustion chambers of a gas turbine engine: in the form of a silo, tubular, annular and a combination of the latter two types forming a tubular-annular combustion chamber. Through the specified component, the compressed air-fuel mixture passes through the air-fuel swirls and enters the combustion reaction, creating a flow of hot gas, causing a decrease in the density of the specified mixture and its acceleration downstream. The tube-type combustion chamber usually contains separate, distributed around the circumference of the flame tube, accommodating the flame of each nozzle separately. The flow from each flame tube is then directed through the nozzle and combined in the annular section of the transition, before applying the flow to the first stage of the nozzle guide vanes. In a ring-type combustion cavity, air-fuel nozzles are usually distributed around the circumference and allow the mixture to be introduced into a single annular chamber in which combustion takes place. The stream simply exits through the downstream end of the annular space to the first stage of the turbine, without the need for a transition section. The key difference between the combustion chamber of the latter type, the tubular-annular combustion chamber, is the presence of separate flame tubes surrounded by an annular casing containing air supplied to each flame tube. Each of these types of cameras has its own advantages and disadvantages, depending on the conditions of their use.

В камерах сгорания газовых турбин обычным для топливовоздушных форсунок является ввод завихрения в смесь, осуществляемый по нескольким причинам. Во-первых, это улучшает смешивание и, следовательно, сгорание, во-вторых, дополнительное завихрение стабилизирует пламя, что предотвращает затухание пламени и позволяет использовать более бедные топливовоздушные смеси для уменьшения количества выбросов. Существуют различные конфигурации топливовоздушных форсунок, например, с одним или множеством кольцевых входов с закручивающими лопатками на каждом.In gas turbine combustion chambers, it is common for air-fuel nozzles to introduce turbulence into the mixture for several reasons. Firstly, it improves mixing and, consequently, combustion, and secondly, an additional swirl stabilizes the flame, which prevents flame attenuation and allows the use of poorer air-fuel mixtures to reduce emissions. There are various configurations of fuel-air nozzles, for example, with one or many annular inlets with twisting blades on each.

Что касается других компонентов газовой турбины, то для предотвращения расплавления материалов камеры сгорания необходимо осуществлять охлаждение. Традиционным способом охлаждения камеры сгорания является эффузионное охлаждение, реализуемое путем заключения облицовки камеры сгорания во вспомогательную смещенную облицовку, причем между указанными двумя облицовками, выходящий из компрессора воздух проходит насквозь и входит в проток для горячего воздуха через отверстия разбавления и охлаждающие каналы.As for the other components of the gas turbine, cooling is necessary to prevent the melting of the materials of the combustion chamber. The traditional method of cooling the combustion chamber is effusion cooling, implemented by enclosing the lining of the combustion chamber in an auxiliary offset lining, and between the two lining, the air leaving the compressor passes through and enters the duct for hot air through the dilution holes and cooling channels.

Посредством такой технологии отбирают тепло у компонента, а также создают тонкий пограничный слой охлаждающего воздуха между облицовкой и газообразными продуктами сгорания, предотвращая передачу тепла облицовке. Отверстия разбавления выполняют две функции в зависимости от их осевого расположения на облицовке: отверстие разбавления, расположенное ближе к топливовоздушным форсункам, способствует смешиванию газов для улучшения сгорания, а также обеспечивает подачу свежего воздуха для сгорания, во-вторых, отверстие, размещенное ближе к турбине, охлаждает поток горячего газа, и может быть приспособлено для регулирования температурного профиля на выходе из камеры сгорания.Using this technology, heat is removed from the component and a thin boundary layer of cooling air is created between the lining and the gaseous products of combustion, preventing heat transfer to the lining. The dilution holes perform two functions depending on their axial location on the cladding: the dilution hole, located closer to the air-fuel nozzles, helps to mix gases to improve combustion, and also provides fresh air for combustion, and secondly, the hole located closer to the turbine, cools the flow of hot gas, and can be adapted to control the temperature profile at the outlet of the combustion chamber.

Понятно, что для улучшения сгорания и снижения количества выбросов можно реализовать в конструкциях камер сгорания газотурбинных двигателей множество способов и технологий. Несмотря на то, что наблюдается тенденция к уменьшению образования количества загрязняющих веществ газовыми турбинами по сравнению с другими способами генерирования энергии, все еще существуют возможности для улучшения этих характеристик. В некоторых странах происходит ужесточение государственного регулирования выбросов, и для соответствия новым требованиям технологию необходимо усовершенствовать.It is clear that in order to improve combustion and reduce emissions, many methods and technologies can be implemented in the designs of the combustion chambers of gas turbine engines. Despite the fact that there is a tendency to reduce the formation of pollutants by gas turbines in comparison with other methods of generating energy, there are still opportunities to improve these characteristics. In some countries, government regulation of emissions is tightening, and technology must be improved to meet new requirements.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Настоящее изобретение обеспечивает новую и усовершенствованную конструкцию камеры сгорания, способной работать в обычном режиме с минимальным количеством выбросов загрязняющих веществ, являющихся результатом сгорания топливовоздушной смеси. Изобретение содержит обычную кольцевую камеру сгорания с форсунками для предварительно смешанной топливовоздушной смеси и/или отверстиями разбавления, которые вводят в камеру сгорания выходящий из компрессора воздух и сжатое топливо в различных местоположениях в продольном и окружном направлениях. Отличительным признаком изобретения является такое размещение топливных и воздушных входов, которое создает условия для улучшенного смешивания веществ, вступающих в реакцию горения, и продуктов горения. Ступенчатость форсунок для предварительно смешанных топлива и воздуха для обеспечения наличия большего количества топлива выше по потоку от другого набора форсунок, расположенных ниже по потоку, улучшает смешивание вступающих в реакцию горения веществ и создает определенную концентрацию кислорода в области сгорания, что позволяет значительно сократить образование NOx. Кроме того, введение выходящего из компрессора воздуха ниже по потоку от области сгорания позволяет сжигать/использовать любое количество СО, образовавшегося во время сгорания, перед подачей газа в первую ступень турбины. По существу камера сгорания согласно изобретению позволяет снизить уровень выбросов газовой турбиной, сокращая тем самым необходимость в устройствах контроля выбросов, а также позволяет минимизировать воздействие на окружающую среду таких устройств. В дополнение к указанному усовершенствованию, тангенциальное воспламенение топлива и топливовоздушные форсунки направляют свое пламя на соседнюю горелку, в значительной степени улучшая процесс зажигания в камере сгорания, причем результирующий поток, выходящий из камеры сгорания имеет существенный окружной компонент скорости, который уменьшает требуемый размер первой ступени сопловых направляющих лопаток.The present invention provides a new and improved design of a combustion chamber capable of operating normally with a minimum amount of pollutant emissions resulting from the combustion of an air-fuel mixture. The invention comprises a conventional annular combustion chamber with nozzles for a pre-mixed air-fuel mixture and / or dilution holes that introduce air and compressed fuel leaving the compressor into the combustion chamber at various locations in the longitudinal and circumferential directions. A distinctive feature of the invention is the placement of fuel and air inlets, which creates conditions for improved mixing of substances that enter into the combustion reaction, and combustion products. The step pattern of the nozzles for pre-mixed fuel and air to provide more fuel upstream from another set of nozzles located downstream improves the mixing of the combustion substances and creates a certain concentration of oxygen in the combustion area, which can significantly reduce the formation of NO x . In addition, the introduction of air leaving the compressor downstream of the combustion area allows you to burn / use any amount of CO generated during combustion, before the gas is supplied to the first stage of the turbine. Essentially, the combustion chamber according to the invention reduces the emissions of a gas turbine, thereby reducing the need for emission control devices, and also minimizes the environmental impact of such devices. In addition to the indicated improvement, the tangential ignition of the fuel and the air-fuel nozzles direct their flame to the adjacent burner, significantly improving the ignition process in the combustion chamber, the resulting stream leaving the combustion chamber having a significant peripheral velocity component, which reduces the required size of the first nozzle stage guide vanes.

Краткое описание чертежей На чертежах:Brief description of drawings In the drawings:

фиг. 1 представляет собой двухмерный эскиз, на котором показаны форсунки, прикрепленные к наружной облицовке камеры сгорания и имеющие окружное и радиальное направление в камере сгорания (возможное продольное направление форсунки не показано);FIG. 1 is a two-dimensional sketch showing nozzles attached to the outer lining of the combustion chamber and having a circumferential and radial direction in the combustion chamber (a possible longitudinal direction of the nozzle is not shown);

фиг. 2 представляет собой вид сбоку в изометрии примера кольцевой камеры сгорания с предложенным ступенчатым впрыском топлива и воздуха;FIG. 2 is an isometric side view of an example of an annular combustion chamber with a proposed stepwise injection of fuel and air;

фиг. 3 представляет собой вид сбоку в изометрии в разрезе, плоскость которого задана осевой линией и радиусом двигателя;FIG. 3 is a sectional side elevation in isometry, the plane of which is defined by the center line and radius of the engine;

фиг .4A представляет собой вид сбоку в изометрии в направлении хвостовой части, на котором показана передняя стенка и перфорированная передняя стенка, которые может содержать настоящее изобретение;Fig. 4A is an isometric side view in the direction of the tail portion, which shows a front wall and a perforated front wall, which may contain the present invention;

фиг. 4B представляет собой увеличенный вид фиг. 4A;FIG. 4B is an enlarged view of FIG. 4A;

фиг. 5A представляет собой вид спереди в изометрии примера осуществления камеры сгорания в направлении от хвостовой части вперед, на котором показаны выходные и входные форсунки;FIG. 5A is a front isometric view of an embodiment of a combustion chamber in a direction from a tail portion forward, showing outlet and inlet nozzles;

фиг. 5B представляет собой увеличенный вид фиг. 5A; иFIG. 5B is an enlarged view of FIG. 5A; and

фиг. 6 представляет собой двухмерную схему, на которой показано поперечное сечение форсунки типовой конструкции топливовоздушной форсунки.FIG. 6 is a two-dimensional diagram showing a cross-section of a nozzle of a typical air-fuel nozzle design.

Предпочтительные варианты осуществления изобретенияPreferred Embodiments

Фиг. 1 иллюстрирует принципиальное устройство кольцевой камеры сгорания с тангенциально направленными топливовоздушными форсунками. Камера сгорания состоит из наружной оболочки (или облицовки) 1, внутренней оболочки (или облицовки) 2, каждая из которых может иметь постоянный или переменный радиус в продольном направлении, и наружной стенки 6, соединяющей внутреннюю и наружную облицовки 1, 2. Как видно на указанной фигуре, пример конструкции изобретения содержит форсунки 3 предварительно смешанного топлива и воздуха, направленные преимущественно в окружном направлении, причем между линией 8, касательной к наружной облицовке, и осевыми линиями 9 форсунок 3 образован угол 10, но в дополнение к указанному направлению может также содержать радиальный или продольный компонент. Указанные различные форсунки 3 могут находиться в общей плоскости, заданной продольным направлением и точкой на осевой линии двигателя, и могут быть равномерно распределены по окружности или иметь другую схему распределения в этом направлении. Указанные форсунки вводят предварительно смешанную топливовоздушную смесь 4 в объем камеры сгорания, образованный указанными внутренней и наружной оболочкой 1, 2 и передней стенкой 6. Вступающие в реакцию вещества, впрыскиваемые топливными и воздушными форсунками 3, сгорают внутри указанной области и создают поле 5 течения через камеру сгорания, которое вращается вокруг осевой линии двигателя. Указанные форсунки, сквозь которые проходит топливо, воздух или предварительно смешанные топливо и воздух, имеют типовую конструкцию, показанную на фиг. 6. Круговая область 12, соосная с форсункой, заключает в себе область, которая может удерживать осевой завихритель и/или пусковые топливные/воздушные форсунки. Концентрический кольцевой канал 11 для потока может придать воздуху или предварительно смешанной топливовоздушной смеси завихрение в диапазоне от малого до нулевого. Минимальное завихрение, в случае если таковое вообще предусмотрено, сообщают потоку через указанный кольцевой канал для достижения существенной тангенциальной скорости потока, входящего в камеру сгорания. Такая конфигурация позволяет потоку сохранять максимальное значение окружной компоненты скорости на выходе камеры сгорания, что снижает требуемую длину лопаток первой ступени турбины.FIG. 1 illustrates the principal arrangement of an annular combustion chamber with tangentially directed air-fuel nozzles. The combustion chamber consists of an outer shell (or lining) 1, an inner shell (or lining) 2, each of which may have a constant or variable radius in the longitudinal direction, and an outer wall 6 connecting the inner and outer lining 1, 2. As can be seen on to the indicated figure, an example of the construction of the invention comprises nozzles 3 of pre-mixed fuel and air directed mainly in the circumferential direction, and an angle of 10 is formed between the line 8 tangent to the outer lining and the center lines 9 of the nozzles 3, n o in addition to the specified direction may also contain a radial or longitudinal component. These various nozzles 3 may be in a common plane defined by a longitudinal direction and a point on the axial line of the engine, and may be evenly distributed around the circumference or have a different distribution pattern in this direction. These nozzles inject a pre-mixed air-fuel mixture 4 into the volume of the combustion chamber formed by the indicated inner and outer shell 1, 2 and the front wall 6. The reacting substances injected by the fuel and air nozzles 3 are burned inside the specified region and create a flow field 5 through the chamber combustion, which rotates around the centerline of the engine. Said nozzles through which fuel, air or pre-mixed fuel and air pass have the typical construction shown in FIG. 6. The circular region 12, coaxial with the nozzle, encloses a region that can hold the axial swirler and / or starting fuel / air nozzles. The concentric annular flow channel 11 can give air or pre-mixed air-fuel mixture swirl in the range from small to zero. A minimum swirl, if one is provided at all, is communicated to the stream through the annular channel to achieve a substantial tangential velocity of the stream entering the combustion chamber. This configuration allows the flow to maintain the maximum value of the peripheral velocity component at the outlet of the combustion chamber, which reduces the required length of the blades of the first stage of the turbine.

На фиг. 2 показан пример конструкции изобретения, в котором топливные форсунки 3 размещены выше по потоку (слева) от второго набора топливовоздушных форсунок, которые находятся в общей плоскости и распределены по окружности. Может быть предусмотрено наличие одной и более топливных форсунок 3, вплоть до их неограниченного количества. Выходящий из компрессора воздух может быть также введен в объем камеры сгорания через перфорированную переднюю стенку 6, как показано на фиг. 3, 4A и 4B. Впрыскивание меси через первый ряд форсунок, расположенных вблизи передней стенки, которые могут иметь более высокое соотношение топливо/воздух, чем второй набор форсунок, вместе с впрыскиванием смеси ниже по потоку от топливных форсунок 3 обеспечивает требуемое смешивание и ступенчатый топливовоздушный эффект, что, в свою очередь, создает оптимальные условия сгорания и позволяет сократить выбросы NOx и CO из камеры сгорания в условиях частичной загрузки и/или полной загрузки. Горячие продукты сгорания затем покидают камеру сгорания через кольцевое отверстие 7, как показано на фиг. 5A и 5 В, где они входят на первую ступень газовой турбины.In FIG. 2 shows an example construction of the invention in which fuel nozzles 3 are arranged upstream (to the left) of a second set of fuel air nozzles that are in a common plane and distributed around a circle. One or more fuel injectors 3 may be provided, up to an unlimited number thereof. The air leaving the compressor can also be introduced into the volume of the combustion chamber through the perforated front wall 6, as shown in FIG. 3, 4A and 4B. The injection of the mixture through the first row of nozzles located near the front wall, which may have a higher fuel / air ratio than the second set of nozzles, together with the injection of the mixture downstream of the fuel nozzles 3, provides the required mixing and stepwise air-fuel effect, which, in its in turn, it creates optimal combustion conditions and reduces the emissions of NO x and CO from the combustion chamber under conditions of partial loading and / or full loading. The hot combustion products then leave the combustion chamber through the annular opening 7, as shown in FIG. 5A and 5V, where they enter the first stage of the gas turbine.

Настоящее изобретение раскрыто выше со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления. Однако специалисту области техники понятно, что могут быть выполнены различные изменения и модификации раскрытого варианта изобретения без отклонения от сущности и объема правовой охраны настоящего изобретения. Различные изменения и модификации варианта осуществления, выбранного в данном документе с целью иллюстрации сущности изобретения, очевидны специалисту области техники. Если такие модификации и вариации не выходят за рамки сущности изобретения, они должны быть включены в объем правовой охраны изобретения.The present invention is disclosed above with reference to a preferred embodiment. However, one skilled in the art will appreciate that various changes and modifications of the disclosed embodiment of the invention can be made without departing from the spirit and scope of the legal protection of the present invention. Various changes and modifications to the embodiment selected herein to illustrate the invention are apparent to those skilled in the art. If such modifications and variations do not go beyond the essence of the invention, they should be included in the scope of legal protection of the invention.

Изобретение полностью раскрыто в ясных и понятных терминах таким образом, чтобы специалист области техники мог понять и реализовать на практике указанное изобретение. Формула настоящего изобретение приведена ниже.The invention is fully disclosed in clear and understandable terms so that a person skilled in the art can understand and put into practice this invention. The claims of the present invention are given below.

Claims (8)

Способ смешивания вступающих в реакцию горения веществ для газотурбинного двигателя, включающий в себя следующие шаги:A method of mixing combustion substances for a gas turbine engine, comprising the following steps: обеспечивают камеру сгорания, содержащую:provide a combustion chamber containing: наружную оболочку (1), внутреннюю оболочку (2) и перфорированную переднюю стенку (6), которая соединяет наружную оболочку (1) и внутреннюю оболочку (2), образующие объем камеры сгорания, и кольцевое пространство (7);the outer shell (1), the inner shell (2) and the perforated front wall (6), which connects the outer shell (1) and the inner shell (2), forming the volume of the combustion chamber, and the annular space (7); топливные форсунки (3), размещенные выше по потоку от второго набора топливовоздушных форсунок, которые находятся в общей плоскости и распределены по окружности;fuel nozzles (3) located upstream of the second set of fuel air nozzles, which are in a common plane and distributed around the circumference; вводят предварительно смешанную топливовоздушную смесь в объем камеры сгорания, причем вступающие в реакцию вещества, впрыскиваемые топливными и воздушными форсунками (3), сгорают внутри указанной области и создают поле (5) течения через камеру сгорания, которое вращается вокруг осевой линии двигателя;introducing a pre-mixed air-fuel mixture into the volume of the combustion chamber, the reacting substances injected by the fuel and air nozzles (3) are burned inside the specified area and create a flow field (5) through the combustion chamber, which rotates around the center line of the engine; впрыскивают выходящий из компрессора воздух через перфорированную переднюю стенку (6);the air leaving the compressor is injected through the perforated front wall (6); выполняют впрыскивание смеси через первый ряд форсунок, расположенных вблизи передней стенки и имеющих более высокое соотношение топливо/воздух, чем второй набор форсунок, вместе с впрыскиванием смеси ниже по потоку от топливных форсунок (3), тем самым обеспечивая требуемое смешивание и ступенчатый топливовоздушный эффект, что, в свою очередь, создает оптимальные условия сгорания и позволяет сократить выбросы NOx и СО из камеры сгорания в условиях частичной загрузки и/или полной загрузки; и затемthe mixture is injected through the first row of nozzles located near the front wall and having a higher fuel / air ratio than the second set of nozzles, together with the injection of the mixture downstream of the fuel nozzles (3), thereby providing the required mixing and a stepwise air-fuel effect, which, in turn, creates optimal combustion conditions and reduces the emissions of NOx and CO from the combustion chamber under conditions of partial loading and / or full loading; and then выводят горячие продукты сгорания из камеры сгорания через кольцевое отверстие (7).hot products of combustion are removed from the combustion chamber through an annular opening (7).
RU2014110629A 2011-08-22 2011-08-22 Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines RU2626887C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2011/048595 WO2013028164A2 (en) 2011-08-22 2011-08-22 Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014110629A RU2014110629A (en) 2015-09-27
RU2626887C2 true RU2626887C2 (en) 2017-08-02

Family

ID=47747017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014110629A RU2626887C2 (en) 2011-08-22 2011-08-22 Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP2748533A4 (en)
JP (1) JP6110854B2 (en)
KR (1) KR101774630B1 (en)
CN (1) CN103930723A (en)
RU (1) RU2626887C2 (en)
WO (1) WO2013028164A2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101832026B1 (en) * 2011-08-22 2018-02-23 마제드 토칸 Tangential and flameless annular combustor for use on gas turbine engines
CN104180398A (en) * 2014-08-24 2014-12-03 武汉英康汇通电气有限公司 Annular combustor
CN104949154B (en) * 2015-03-11 2017-10-31 龚雨晋 Realize the device of constant volume burning and the dynamical system including the device
US11378277B2 (en) 2018-04-06 2022-07-05 General Electric Company Gas turbine engine and combustor having air inlets and pilot burner
CN108826357A (en) * 2018-07-27 2018-11-16 清华大学 The toroidal combustion chamber of engine
CN110081429B (en) * 2019-05-31 2024-04-12 南方电网电力科技股份有限公司 Sludge and garbage mixing incineration method and device
US11035298B1 (en) * 2020-03-16 2021-06-15 Heleng Inc. Turbine engine system
US11448175B1 (en) * 2021-06-03 2022-09-20 General Electric Company Fuel nozzle
KR102583222B1 (en) 2022-01-06 2023-09-25 두산에너빌리티 주식회사 Nozzle for combustor, combustor, and gas turbine including the same

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU279258A1 (en) * Казахский научно исследовательский институт энергетики COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE INSTALLATION OPERATING ON MINING AIR
US4891936A (en) * 1987-12-28 1990-01-09 Sundstrand Corporation Turbine combustor with tangential fuel injection and bender jets
SU1575010A1 (en) * 1988-05-17 1990-06-30 Производственное объединение "Невский завод" им.В.И.Ленина Composition chamber of gas-turbine unit
US20040144098A1 (en) * 2000-02-24 2004-07-29 Willis Jeffrey W. Multi-stage multi-plane combustion method for a gas turbine engine
US20090133854A1 (en) * 2007-11-27 2009-05-28 Bruce Carlyle Johnson Flameless thermal oxidation apparatus and methods
US20110020118A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Honeywell International Inc. Turbine nozzle assembly including radially-compliant spring member for gas turbine engine

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3433015A (en) * 1965-06-23 1969-03-18 Nasa Gas turbine combustion apparatus
US4216652A (en) * 1978-06-08 1980-08-12 General Motors Corporation Integrated, replaceable combustor swirler and fuel injector
US5113647A (en) * 1989-12-22 1992-05-19 Sundstrand Corporation Gas turbine annular combustor
US5177955A (en) * 1991-02-07 1993-01-12 Sundstrand Corp. Dual zone single manifold fuel injection system
US5669218A (en) * 1995-05-31 1997-09-23 Dresser-Rand Company Premix fuel nozzle
US6397603B1 (en) * 2000-05-05 2002-06-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Conbustor having a ceramic matrix composite liner
US6655146B2 (en) * 2001-07-31 2003-12-02 General Electric Company Hybrid film cooled combustor liner
US6751961B2 (en) * 2002-05-14 2004-06-22 United Technologies Corporation Bulkhead panel for use in a combustion chamber of a gas turbine engine
US7052231B2 (en) * 2003-04-28 2006-05-30 General Electric Company Methods and apparatus for injecting fluids in gas turbine engines
US20070107437A1 (en) * 2005-11-15 2007-05-17 Evulet Andrei T Low emission combustion and method of operation
US7665307B2 (en) * 2005-12-22 2010-02-23 United Technologies Corporation Dual wall combustor liner
US8015814B2 (en) * 2006-10-24 2011-09-13 Caterpillar Inc. Turbine engine having folded annular jet combustor
FR2917487B1 (en) * 2007-06-14 2009-10-02 Snecma Sa TURBOMACHINE COMBUSTION CHAMBER WITH HELICOIDAL CIRCULATION OF THE AIR
US20100192582A1 (en) * 2009-02-04 2010-08-05 Robert Bland Combustor nozzle
US8234872B2 (en) * 2009-05-01 2012-08-07 General Electric Company Turbine air flow conditioner
US8904799B2 (en) * 2009-05-25 2014-12-09 Majed Toqan Tangential combustor with vaneless turbine for use on gas turbine engines

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU279258A1 (en) * Казахский научно исследовательский институт энергетики COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE INSTALLATION OPERATING ON MINING AIR
US4891936A (en) * 1987-12-28 1990-01-09 Sundstrand Corporation Turbine combustor with tangential fuel injection and bender jets
SU1575010A1 (en) * 1988-05-17 1990-06-30 Производственное объединение "Невский завод" им.В.И.Ленина Composition chamber of gas-turbine unit
US20040144098A1 (en) * 2000-02-24 2004-07-29 Willis Jeffrey W. Multi-stage multi-plane combustion method for a gas turbine engine
US20090133854A1 (en) * 2007-11-27 2009-05-28 Bruce Carlyle Johnson Flameless thermal oxidation apparatus and methods
US20110020118A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Honeywell International Inc. Turbine nozzle assembly including radially-compliant spring member for gas turbine engine

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014524562A (en) 2014-09-22
CN103930723A (en) 2014-07-16
JP6110854B2 (en) 2017-04-05
WO2013028164A8 (en) 2014-04-10
WO2013028164A3 (en) 2014-03-20
WO2013028164A2 (en) 2013-02-28
EP2748533A2 (en) 2014-07-02
KR101774630B1 (en) 2017-09-19
KR20140090141A (en) 2014-07-16
EP2748533A4 (en) 2015-03-04
RU2014110629A (en) 2015-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2626887C2 (en) Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines
US8904799B2 (en) Tangential combustor with vaneless turbine for use on gas turbine engines
US7878000B2 (en) Pilot fuel injector for mixer assembly of a high pressure gas turbine engine
US7762073B2 (en) Pilot mixer for mixer assembly of a gas turbine engine combustor having a primary fuel injector and a plurality of secondary fuel injection ports
US8783008B2 (en) Gas turbine reheat combustor including a fuel injector for delivering fuel into a gas mixture together with cooling air previously used for convectively cooling the reheat combustor
RU2611217C2 (en) Tubular-ring combustion chamber with staged and tangential fuel-air nozzles for use in gas turbine engines
JP4997018B2 (en) Pilot mixer for a gas turbine engine combustor mixer assembly having a primary fuel injector and a plurality of secondary fuel injection ports
US9052114B1 (en) Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines
US10072846B2 (en) Trapped vortex cavity staging in a combustor
US20070028595A1 (en) High pressure gas turbine engine having reduced emissions
JP6086371B2 (en) Combustion reactant mixing method in annular cylindrical combustor for gas turbine engine
US9181812B1 (en) Can-annular combustor with premixed tangential fuel-air nozzles for use on gas turbine engines
US9091446B1 (en) Tangential and flameless annular combustor for use on gas turbine engines
RU2618785C2 (en) Tangential and flameless annular combustion chamber for gas turbine engines
US8739511B1 (en) Can-annular combustor with staged and tangential fuel-air nozzles for use on gas turbine engines