RU2687475C1 - Small-emission circular combustion chamber for gas turbines - Google Patents

Small-emission circular combustion chamber for gas turbines Download PDF

Info

Publication number
RU2687475C1
RU2687475C1 RU2018126240A RU2018126240A RU2687475C1 RU 2687475 C1 RU2687475 C1 RU 2687475C1 RU 2018126240 A RU2018126240 A RU 2018126240A RU 2018126240 A RU2018126240 A RU 2018126240A RU 2687475 C1 RU2687475 C1 RU 2687475C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
combustion chamber
thin
combustion
shell
turbine
Prior art date
Application number
RU2018126240A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Рамзиль Салахович Карипов
Виктор Анатольевич Короткий
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
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 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Priority to RU2018126240A priority Critical patent/RU2687475C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2687475C1 publication Critical patent/RU2687475C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • F23R3/16Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
    • 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
    • F23R3/50Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing

Abstract

FIELD: turbines or turbomachines.SUBSTANCE: low-emission annular combustion chamber for gas turbines comprises a cylindrical thin-wall outer housing and a cone-shaped thin-wall inner housing in the form of a flue for exhaust of exhaust flue gases at the outlet of the turbine impeller, which are rigidly connected to each other by welding using a thin-sheet shell. Shell is made in the form of a toroid truncated along the main meridian. External, internal housings and shell are made of heat-resistant metal or alloy. At least eight hollow braces of adjustable length are installed radially between inner and outer casings. Each spacer consists of hollow tube with holes. Holes are staggered along the entire length of the surface and over a width equal to the radial sector of spreader from 30 to 60°. Spacers are fixed on one side by a shaped washer with locating pins, and on the other side with adjusting threaded bushing fixed with lock nut. Invention makes it possible to provide cooling of working medium flow, to reduce temperature of nozzle grid, to maintain repairability of labor-consuming and expensive CS.EFFECT: invention is aimed at improvement of efficiency of combustion chamber, ensuring complete combustion of fuel with simultaneous reduction of temperature of combustion products and reduced emission of NO, CO, CO, elimination of combustion chamber warping and increased durability.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к кольцевым камерам сгорания (КС) газовых микротурбин повышенной эффективности и долговечности.The invention relates to annular combustion chambers (CS) of gas microturbines of increased efficiency and durability.

Из техники известна кольцевая камера сгорания газовой микротурбины Capstone С-200 производства США, представляющая собой противоточную камеру, обеспечивающую преобразование химической энергии газообразного топлива в тепловую энергию рабочего тела, принятая за прототип (http://meteoenergetic.ru/mikroturbiny-capstone). Кольцевые КС наиболее легки, компактны и располагаются между компрессором и рабочим колесом вокруг ротора турбины, (фиг. 1, фиг. 2).From the technique known annular combustion chamber of a gas microturbine Capstone C-200 manufactured in the USA, which is a countercurrent chamber that converts the chemical energy of gaseous fuel into thermal energy of the working fluid, adopted as a prototype (http://meteoenergetic.ru/mikroturbiny-capstone). Ring CS is the most lightweight, compact and located between the compressor and the impeller around the turbine rotor (Fig. 1, Fig. 2).

Недостатки прототипа:The disadvantages of the prototype:

1. Высокая температура продуктов горения сопровождается повышенным уровнем вредных выбросов в дымовых газах NOX, СО, CO2.1. High temperature of combustion products is accompanied by increased levels of harmful emissions in the flue gases NO X , CO, CO 2 .

При высоких температурах снижается прочность и модуль упругости металла, составляющего конструкцию КС, что может приводить к потере устойчивости цилиндрического корпуса КС и деформациям фиг. 2, к прогоранию сопловой решетки (power head) корпуса КС, повреждению лопаток рабочей турбины и к фатальному выходу из строя всей турбины.At high temperatures, the strength and modulus of elasticity of the metal constituting the CS structure decrease, which may lead to the loss of stability of the cylindrical CS shell and deformations of FIG. 2, to the burning of the nozzle (power head) of the CS body, damage to the blades of the working turbine and to the fatal failure of the entire turbine.

2. Взаимное влияние потоков рабочего тела, сформированных в соседних горелках, особенно при включении - отключении, при наборе и сбросе мощности, создают турбулентности с возникновением взаимодействующих потоков рабочего тела и образованием обратного горения через воздушные окна смесительных камер пламенных труб газовых горелок. Хлопки, вызванные разрушающим воздействием быстро движущихся фронтов высокого давления, в особенности при воспламенении локальных скоплений горючего газа и смеси в нишах и проемах, приводят к короблению КС, фиг. 2. Это ведет к нарушению взаимного расположения сочленяемых с ней узлов, а именно: газовых горелок, свечи зажигания, примыканию сопловой головки с седлом дымовой трубы (на фиг. 2 не показано) и т.д., обеспечивающих штатное функционирование микротурбины. Изменение взаимного расположения элементов проточной горячей части приводит к выходу турбины из строя.2. Mutual influence of the working fluid flows formed in the adjacent burners, especially when switching on and off, as power sets and drops, creates turbulence with the occurrence of interacting flows of working fluid and the formation of reverse combustion through the air windows of the mixing chambers of the flame tubes of gas burners. Claps caused by the damaging effects of fast moving high-pressure fronts, especially when ignited local accumulations of combustible gas and mixtures in niches and openings, lead to a distortion of the CS, FIG. 2. This leads to a violation of the mutual arrangement of the articulated joints, namely gas burners, spark plugs, the junction of the nozzle head with the chimney seat (not shown in Fig. 2), etc., ensuring the normal functioning of the microturbine. The change in the relative position of the elements of the flow-through hot part leads to turbine failure.

3. Сквозные эжекционные отверстия в наружном корпусе штатных КС (на фиг. 2 не показаны), выполнены разных диаметров и в разных местах. Однако они не обеспечивают заданных требований по эжекции свежего воздуха во внутреннюю полость камеры сгорания, необходимого для догорания горючих активных компонентов газа, не успевших сгореть из-за недостаточной гомогенности горючей смеси и дефицита воздуха. Кроме того свежий воздух требуется для частичного охлаждения рабочего тела для обеспечения рабочих температурных режимов сопловой решетки и лопаток рабочего колеса турбины. Отверстия малого размера инжектируют воздух в пристеночный слой из-за сдувания его скоростным течением рабочего тела. В то же время в переходных режимах из-за флюктуаций давления внутри камеры продукты горения и пламя проскакивают в обратном направлении, что подтверждается следами копоти (сажи) снаружи корпуса КС в направлении горелок, что может вызвать воспламенение скопившегося газа с созданием ударной волны.3. Through-hole ejection holes in the outer casing of the standard CS (not shown in Fig. 2), made of different diameters and in different places. However, they do not provide the specified requirements for the ejection of fresh air into the internal cavity of the combustion chamber, necessary for the burning of combustible active gas components that did not have time to burn due to the lack of homogeneity of the combustible mixture and the lack of air. In addition, fresh air is required for partial cooling of the working fluid to ensure the operating temperature regimes of the nozzle grille and turbine impeller blades. Small-sized holes inject air into the wall layer due to its blowing off by the high-speed flow of the working fluid. At the same time, in transients due to pressure fluctuations inside the chamber, combustion products and flames slip in the opposite direction, as evidenced by traces of soot (soot) outside the CS body in the direction of the burners, which can cause ignition of the accumulated gas with the creation of a shock wave.

4. Создание областей с обогащенной и обедненной зонами в условиях недостаточной гомогенности горючей смеси и при дефиците воздуха в камере сгорания ведет к неполному сгоранию топлива, снижая эффективность газовой турбины и нарушая экологию окружающей среды.4. Creating areas with enriched and depleted zones in conditions of insufficient homogeneity of the combustible mixture and with insufficient air in the combustion chamber leads to incomplete combustion of fuel, reducing the efficiency of the gas turbine and disrupting the ecology of the environment.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и ресурса камеры сгорания и снижение оксидов азота NOx в дымовых газах посредством увеличения устойчивости к короблению, сохранению геометрических размеров, эжекции свежего воздуха внутрь камеры сгорания с исключением проскока пламени за пределы корпуса КС.An object of the invention is to increase the efficiency and resource of the combustion chamber and the reduction of nitrogen oxides NO x in the flue gases by increasing resistance to warping, preserving the geometric dimensions, ejection of fresh air into the combustion chamber with the exception of flame leakage outside the CS body.

Решение указанной задачи достигается тем, что усовершенствованная камера сгорания дополнительно содержит полые перфорированные жаропрочные распорки цилиндрической формы регулируемой длины, обеспечивающие дополнительную жесткость конструкции камеры сгорания, сохранение геометрических размеров проточной части между внешним цилиндрическим корпусом камеры сгорания и внутренним коническим корпусом, являющимся дымовым коллектором турбины.The solution of this problem is achieved by the fact that the improved combustion chamber additionally contains hollow perforated heat-resistant struts of cylindrical shape of adjustable length, providing additional rigidity to the combustion chamber, preserving the geometric dimensions of the flow passage between the outer cylindrical body of the combustion chamber and the inner conical body, which is the smoke tube of the turbine.

Техническая задача достигается тем, что малоэмиссионная кольцеваяThe technical objective is achieved by the fact that low-emission ring

камера сгорания для газовых турбин, содержащая тонкостенные цилиндрический наружный корпус, конусообразный внутренний корпус в форме раструба для выхлопа отработанных дымовых газов на выходе рабочего колеса турбины, соединяемые между собой посредством тонкостенной, усеченной тороидальной формы обечайки методом сварки, причем перечисленные и дополнительные элементы камеры сгорания выполнены из жаропрочного металла или сплава, а между внутренним и наружным корпусами в кольцевом промежутке дополнительно радиально установлены восемь или более полых распорок регулируемой длины. Каждая распорка состоит из полой трубки с отверстиями, размер диаметра каждого отверстия составляет менее 1,2 мм, обеспечивающие препятствие для проскока огня из камеры сгорания в обратном направлении. Отверстия в трубках расположены в шахматном порядке по всей длине трубки, а по ширине занимают участок, который равен величине радиального сектора распорки в пределах от 30° до 60°, распорки закрепленыCombustion chamber for gas turbines, containing a thin-walled cylindrical outer casing, a cone-shaped inner casing in the form of a socket for exhaust exhaust gases at the exit of the turbine impeller, interconnected by means of a thin-walled, truncated toroidal shell shape by welding, the listed and additional elements of the combustion chamber are made of heat-resistant metal or alloy, and between the inner and outer housings in the annular gap, eight are additionally installed radially or more hollow spacers of adjustable length. Each strut consists of a hollow tube with holes, the size of the diameter of each hole is less than 1.2 mm, providing an obstacle for the passage of fire from the combustion chamber in the opposite direction. The holes in the tubes are arranged in a staggered manner along the entire length of the tube, and the width is occupied by a section that is equal to the size of the radial sector of the struts in the range of 30 ° to 60 °, the struts are fixed

с одной стороны фасонной шайбой с установочными штифтами, а с другой стороны регулировочной резьбовой втулкой, зафиксированной контргайкой.on the one hand a shaped washer with locating pins, and on the other hand an adjusting threaded bushing fixed with a lock nut.

На фиг. 2 (прототип) изображен разрез деформированной КС, на которой коробление корпуса (вмятины) произошло в восьми местах. В этом случае распорки, регулируемые по длине, рекомендуется располагать между поясами инжекционных горелок, в данном примере, в восьми участках корпуса камеры сгорания, в местах расположения вмятин в окружном направлении, образующихся при потере устойчивости.FIG. 2 (prototype) shows a section of a deformed CS, in which the body buckling (dents) occurred in eight places. In this case, spacers, adjustable in length, it is recommended to place between the belts of injection burners, in this example, in eight parts of the body of the combustion chamber, in the locations of dents in the circumferential direction, resulting from loss of stability.

Рациональное расположение полых распорок обеспечивает дополнительную устойчивую жесткость корпуса и локальное охлаждение корпуса камеры сгорания и рабочего тела внутри камеры сгорания за счет подачи свежего воздуха через внутренние полости распорок. Множественная дополнительная подача свежего воздуха через полые перфорированные распорки в попутный поток рабочего тела обеспечивает догорание топлива, снижает температуру продуктов горения и тем самым снижает образование оксидов азота NOx в дымовых газах.The rational arrangement of the hollow spacers provides additional stable body rigidity and local cooling of the body of the combustion chamber and the working fluid inside the combustion chamber by supplying fresh air through the internal cavities of the spacers. Multiple additional supply of fresh air through the hollow perforated struts into the associated flow of the working fluid provides for fuel combustion, reduces the temperature of combustion products and thereby reduces the formation of nitrogen oxides NO x in flue gases.

Описанный конструкторско-технологический подход к совершенствованию кольцевых камер сгорания позволит повысить их эффективность, тепловую мощность, долговечность и надежность, снизить образование и выбросы оксидов азота NOx и углерода СОх в дымовых газах.The described design and technological approach to the improvement of annular combustion chambers will increase their efficiency, thermal power, durability and reliability, reduce the formation and emissions of nitrogen oxides NO x and carbon CO x in flue gases.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.The invention is illustrated graphic material.

На фиг. 3 представлена схема кольцевой камеры сгорания с установленными внутри восемью распоркамиFIG. 3 is a diagram of an annular combustion chamber with eight internally mounted struts.

На фиг. 4 изображена полая перфорированная распорка в разрезе.FIG. 4 shows a hollow perforated cross section in the section.

Малоэмиссионная кольцевая камера сгорания для газовых турбин (см. фиг. 3) содержит цилиндрический тонкостенный наружный корпус 1 из жаропрочного металла или сплава, и конусообразный тонкостенный внутренний корпус 2 в виде конического раструба для выхлопа отработанных дымовых газов на выходе рабочего колеса турбины. Наружная и внутренняя часть корпуса кольцевой камеры сгорания соединяются между собой методом сварки тонколистовой обечайкой 3, представляющей собой форму усеченного по главному меридиану тороида, также изготовленного из жаропрочного металла или сплава. Наружный корпус камеры сгорания имеет сквозные окна 4 эллиптической формы для установки в них под заданным углом выходных оконцовок цилиндрических инжекционных горелок (инжекционные горелки на фиг. 3 условно не показаны), которые формируют направленный поток рабочего тела в проточном направлении. В зависимости от необходимой мощности количество окон 4, соответствующие количеству инжекционных горелок, могут меняться и располагаться в один или несколько рядов. Также в наружном корпусе 1 камеры сгорания предусмотрено круглое отверстие 5 под установку свечи зажигания для воспламенения горючей смеси. От искры зажигания пламя распространяется вдоль кольцевой полости 12 КС к рабочим инжекци-онным горелкам. С увеличением количества окон 4 и установки дополнительных горелок высокого давления для повышения мощности турбины конструкторы вынуждены идти на увеличение диаметра наружного корпуса 1 камеры сгорания. Одновременно с увеличением мощности (за счет увеличения количества горелок) увеличивается и температура в камере сгорания, что ведет к снижению прочности и упругости наружного корпуса 1, который претерпевает одновременно разрежение изнутри за счет работающей турбины и избыточное давление нагнетаемого компрессором турбины воздуха снаружи.The low-emission annular combustion chamber for gas turbines (see Fig. 3) contains a cylindrical thin-walled outer casing 1 of heat-resistant metal or alloy, and a cone-shaped thin-walled inner casing 2 in the form of a conical socket for exhaust exhaust gases at the outlet of the impeller of the turbine. The outer and inner parts of the annular combustion chamber are interconnected by the method of welding with thin-sheet shells 3, which is a form of a toroid, also truncated along the main meridian, also made of a heat-resistant metal or alloy. The outer casing of the combustion chamber has through-holes 4 of elliptical shape for installation in them at a predetermined angle of the outlet tips of cylindrical injection burners (injection burners in Fig. 3 are not shown conventionally), which form a directional flow of the working fluid in the flow direction. Depending on the required power, the number of windows 4, corresponding to the number of injection burners, can vary and be arranged in one or several rows. Also in the outer casing 1 of the combustion chamber there is a round hole 5 for the installation of a spark plug for igniting the combustible mixture. From the ignition spark, the flame propagates along the annular cavity of the 12 KS to the working injection burners. With the increase in the number of windows 4 and the installation of additional high-pressure burners to increase the power of the turbine, designers are forced to increase the diameter of the outer casing 1 of the combustion chamber. Simultaneously with an increase in power (due to an increase in the number of burners), the temperature in the combustion chamber also increases, which leads to a decrease in the strength and elasticity of the outer casing 1, which undergoes simultaneously a negative pressure from the inside due to the operating turbine and the excessive pressure of the air blown by the compressor.

Полые перфорированные распорки 6 (фиг. 3, фиг. 4) регулируемой длины, изготовлены из жаропрочного материала. Каждая распорка выполнена из перфорированной трубки с наружной резьбой и сквозными отверстиями 9, диаметром менее 1,2 мм. Отверстия 9 расположены в шахматном порядке по всей длине поверхности распорки 6, и по ширине, равной радиальному сектору от 30° до 60° распорки. Трубка 6 закреплена фасонной шайбой 7 с установочными штифтами 10, снабжена регулировочной резьбовой втулкой 8 и контргайкой 11. Изменение длины распорки производится вращением втулки 8, содержащей «лыски под ключ» с внешней стороны камеры сгорания.Hollow perforated struts 6 (Fig. 3, Fig. 4) of adjustable length, made of heat-resistant material. Each strut is made of perforated tube with external thread and through holes 9, with a diameter of less than 1.2 mm. Holes 9 are arranged in a checkerboard pattern along the entire length of the surface of the struts 6, and along the width equal to the radial sector from 30 ° to 60 ° of the struts. The tube 6 is fixed shaped washer 7 with the installation pins 10, equipped with an adjusting threaded sleeve 8 and the lock nut 11. Changing the length of the spacer is made by rotating the sleeve 8, containing "flats turnkey" from the outside of the combustion chamber.

Поскольку эжекционные отверстия 9, множественно выполнены в трубчатой распорке 6 в шахматном порядке с диаметром, не превышающем критического размера в 1,2 мм, то они препятствуют проскоку огня в обратном направлении, тем самым, исключая нештатное воспламенение остатков горючей смеси, образовавшейся в нишах над камерой сгорания.Since the ejection holes 9 are multiply made in a tubular strut 6 in a staggered manner with a diameter not exceeding the critical size of 1.2 mm, they prevent the fire from passing in the opposite direction, thereby excluding the abnormal ignition of the residual combustible mixture formed in the niches above combustion chamber.

Нестабильность горения, включение и выключение инжекционных горелок, мгновенный сброс или наброс мощности нарушают стабильность работы турбины, создают хлопки и броски пламени в обратном направлении. Образование термоакустических волн с разрушающими фронтами высокого давления с наружной стороны корпуса КС, вызывают деформацию наружного корпуса вовнутрь, в сторону проточной и более разряженной части камеры сгорания. Коробление цилиндрического корпуса приводит к нарушению геометрических размеров камеры сгорания, выходу инжекционных горелок из сочленения с окнами 4 КС, выходу свечи зажигания из полости камеры сгорания, что исключает возможность повторного зажигания при следующем запуске турбины. Выход инжекционных горелок из сочленения изменяет режим работы турбины, снижает ее эффективность и мощность, вызывает прогар корпуса камеры сгорания с последующим аварийным остановом всей микротурбинной установки.The instability of combustion, the switching on and off of the injection burners, the instantaneous discharge or the increase of power violate the stability of the turbine, create claps and throws the flame in the opposite direction. The formation of thermoacoustic waves with destructive high-pressure fronts from the outside of the CS casing causes deformation of the outer casing inward, in the direction of the flow and more discharged part of the combustion chamber. The distortion of the cylindrical body leads to a violation of the geometric dimensions of the combustion chamber, the exit of injection burners from the junction with the 4CS windows, the output of the spark plug from the cavity of the combustion chamber, which eliminates the possibility of re-ignition the next time the turbine is started. The output of injection burners from the joint changes the mode of operation of the turbine, reduces its efficiency and power, causes burnout of the combustion chamber body with subsequent emergency shutdown of the entire microturbine installation.

Малоэмиссионная кольцевая камера сгорания для газовых турбин работает следующим образом.Low-emission annular combustion chamber for gas turbines operates as follows.

При запуске турбины высокоэнергетическое рабочее тело (продукты горения, активные радикалы) с высокой скоростью вылетают из открытой части горелок тангенциально направленных по касательной к корпусу в месте входа горелок в окна 4 КС (фиг. 3), попадая во внутреннюю кольцевую полость 12 КС, ограниченную наружным 1 и внутренним корпусом 2 кмеры сгорания (фиг. 3). Интегрируясь с другими потоками высокоэнергетических газов, образованных соседними горелками турбины, создают общий поток рабочего тела в проточном направлении. Рабочее тело, многократно отражаясь от направляющих поверхностей 13, 14, попадают в окна сопловой решетки (на фигурах не показано) и далее на рабочие лопатки рабочего колеса турбины, создавая крутящий момент для вращения ротора турбины (на рисунках не показано). Очищенный воздух 15, поступающий под давлением от компрессора и рекуператора турбины (фиг. 3), устремляется к окнам горелок 4 и к открытым торцам полых трубок - распорок 6 фиг. 3, фиг. 4. Нагнетаемый под давлением в полые трубки 6 свежий воздух 15, одновременно охлаждая их. Интегрируясь с эжек-цией, создаваемой разряжением снаружи распорок вблизи отверстий, возникающего от скоростного течения направленного движения продуктов горения при обтекании распорок будет множественно распыляться из эжекционных отверстий трубок в скоростной поток рабочего тела поз.16, входя во взаимодействие со свободными активными радикалами. При этом будет частично охлаждаться и рабочее тело.When starting the turbine, a high-energy working fluid (products of combustion, active radicals) fly out from the open part of the burners tangentially directed tangentially to the body at the point of entry of the burners into windows 4 of the CS (FIG. 3) at high speed, falling into the internal annular cavity 12 of the COP, limited outer 1 and inner casing 2 combustion chambers (Fig. 3). Integrating with other streams of high-energy gases formed by adjacent turbine burners, create a total flow of the working fluid in the flow direction. The working fluid, being repeatedly reflected from the guide surfaces 13, 14, falls into the windows of the nozzle grille (not shown in the figures) and further onto the working blades of the turbine impeller, creating torque for rotating the turbine rotor (not shown in the figures). The purified air 15 supplied under pressure from the compressor and turbine recuperator (Fig. 3) rushes to the windows of the burners 4 and to the open ends of the hollow tubes - struts 6 of Figs. 3, FIG. 4. Pressurized fresh air 15 into the hollow tubes 6, while simultaneously cooling them. Integrating with ejection created by the discharge from the outside of the spacers near the holes resulting from the high-speed flow of the directional movement of the combustion products during the flow around the spacers will be sputtered from the ejection holes of the tubes into the speed flow of the working fluid pos.16, interacting with free active radicals. In this case, the working fluid will be partially cooled.

Физический молекулярный контакт между активными радикалами, мигрирующих в общем потоке, являющимся горючим компонентом и окислителем происходит химическое взаимодействие молекул, находящихся в энергетически и (или) кинетически возбужденном состоянии с образованием продуктов реакции. Очевидно, что молекулы возбуждаются в результате начавшегося процесса, включая дополнительное воздействия температур, давления, скорости движения и взаимодействий в процессе взаимных диффузий. Поскольку эжекционные отверстия 9, множественно выполненные в трубке 6 в шахматном порядке с диаметром, не превышающем критического размера в 1,2 мм, препятствуют проскоку огня в обратном направлении и тем самым, исключают нештатное воспламенение остатков горючей смеси, образовавшейся в нишах над камерой сгорания.Physical molecular contact between the active radicals migrating in the common stream, which is the combustible component and the oxidizing agent, is a chemical interaction of molecules that are energetically and (or) kinetically excited to form reaction products. Obviously, the molecules are excited as a result of the process that has begun, including the additional effects of temperature, pressure, speed of movement and interactions in the process of mutual diffusion. Since the ejection openings 9, which are made multiple in the tube 6 in a staggered manner with a diameter not exceeding the critical size of 1.2 mm, prevent the fire from passing in the opposite direction and thereby eliminate the abnormal ignition of the residual combustible mixture formed in the niches above the combustion chamber.

Изложенные обстоятельства предлагаемого технического решения позволят:The circumstances of the proposed technical solution will allow:

- повысить эксплуатационную надежность и долговечность КС;- to improve the operational reliability and durability of the COP;

- за счет способа множественного распыления свежего воздуха в общий поток рабочего тела снизить температуру горения в КС и снизить образование термических оксидов азота NOx в дымовых газах, повысить устойчивость элементов горячего тракта к деформациям и разрушениям;- due to the method of multiple spraying of fresh air into the total flow of the working fluid, reduce the combustion temperature in the CS and reduce the formation of thermal nitrogen oxides NO x in the flue gases, increase the resistance of the hot section elements to deformation and destruction;

за счет полного сгорания газа снизить выбросы оксидов углерода СО и СО2 в атмосферу, повысить эффективность работы турбины; Отличительными и существенными признаками изобретения являются:due to the complete combustion of gas, to reduce carbon dioxide emissions of CO and CO 2 into the atmosphere, to increase the efficiency of the turbine; Distinctive and significant features of the invention are:

1. Применение специальных полых перфорированных регулируемых по длине цилиндрических распорок, устанавливаемых внутри камеры сгорания между внешней цилиндрической обечайкой и внутренней конической выхлопной трубой, с целью повышения прочности и устойчивости против коробления при воздействии фронтов повышенного давления извне камеры сгорания.1. The use of special hollow perforated adjustable length cylindrical spacers installed inside the combustion chamber between the outer cylindrical shell and the inner conical exhaust pipe, in order to increase strength and resistance against distortion when exposed to high pressure fronts from outside the combustion chamber.

2. Подача свежего воздуха непосредственно в камеру сгорания через отверстия в полых перфорированных распорках с целью обеспечения полного сгорания топлива и снижения эмиссии NOx за счет охлаждения продуктов сгорания дополнительным притоком свежего воздуха. Для исключения проскока огня из камеры сгорания через полую трубку за внешнюю границу КС критические размеры эжекционных отверстий не должны превышать диаметра в 1,2 мм.2. Supply fresh air directly to the combustion chamber through openings in the hollow perforated struts to ensure complete combustion of the fuel and reduce NOx emissions by cooling the combustion products with an additional inflow of fresh air. In order to prevent leakage of fire from the combustion chamber through a hollow tube beyond the outer boundary of the CS, the critical dimensions of the ejection openings should not exceed a diameter of 1.2 mm.

3. Опорные стойки выполнены из трубных заготовок жаропрочных сплавов, что позволяет обеспечить их обтекаемость, не повышая аэродинамического сопротивления потку рабочего тела и сохранить прочность за счет постоянного охлаждения проходящим по ним свежим воздухом.3. The support legs are made of pipe billets of heat-resistant alloys, which allows them to be streamlined without increasing the aerodynamic resistance of the working body flux and retain strength due to constant cooling with fresh air passing through them.

Предлагаемое устройство, включая впервые примененные технические элементы и обеспечиваемый этим устройством способ работы КС с созданием нового физико-химического эффекта полного сгорания горючей смеси, снижения температуры рабочего тела и эмиссии NOx за счет подачи дополнительного свежего воздуха (окислителя) непосредственно в камеру сгорания, применительно к кольцевым камерам сгорания газовых микротурбин, ранее в практике не применялось. Описанный конструкторский режимно-технологи-ческий подход позволит повысить эффективность и надежность камер сгорания, обеспечит полноту сгорания топлива с одновременным снижением температуры продуктов сгорания и снижением эмиссии NOx, СО, СОх, снизит или полностью исключит коробление камер сгорания.The proposed device, including for the first time applied technical elements and the method of CS operation provided by this device with the creation of a new physicochemical effect of complete combustion of the combustible mixture, reduction of the working body temperature and NO x emission by supplying additional fresh air (oxidizer) directly to the combustion chamber, as applicable to annular combustion chambers of gas microturbines, previously not used in practice. The described design mode-technological approach will improve the efficiency and reliability of combustion chambers, ensure complete combustion of fuel while reducing the temperature of combustion products and reducing emissions of NO x , CO, CO x , reduce or completely eliminate the distortion of combustion chambers.

Из вышеизложенного следует, что заявляемое изобретение обладает преимуществами по сравнению с прототипом; совокупность указанных признаков отвечает требованиям новизны; соответствует изобретательскому уровню.From the above it follows that the claimed invention has advantages over the prototype; the combination of these signs meets the requirements of novelty; Corresponds to an inventive step.

Вращение рабочего колеса турбины, в свою очередь создает разряжение в проточной части КС. В камере сгорания одновременно происходят следующие негативные процессы:The rotation of the turbine wheel, in turn, creates a vacuum in the flow part of the CS. The following negative processes occur simultaneously in the combustion chamber:

1. Высокая температура создает термические оксиды азота NOx;1. High temperature creates thermal oxides of nitrogen NO x ;

2. Высокая температура вызывает преждевременное старение окружающих металлов и сплавов, падает прочность, упругость, повышается текучесть, снижается долговременная стойкость обеспечения параметров рабочих режимов;2. High temperature causes premature aging of surrounding metals and alloys, strength, elasticity decreases, fluidity increases, long-term durability of ensuring the parameters of operating conditions decreases;

3. Подключение, отключение горелок, сброс и наброс мощности создает в переходный период, до установления штатного стабильного режима, турбулентные многопараметрические явления, не поддающиеся прогнозированию и расчету. Создаются внештатные режимы с противотоками, кратковременными эффектами обратного пламени, погасания пламени и возникновения вспышек с созданием термоакустических волн с фронтами разрушительного действия, что отрицательно влияет на целостность конструкции КС.3. The connection, disconnection of the burners, discharge and power surge creates during the transition period, before the establishment of a regular stable mode, turbulent multiparameter phenomena that cannot be predicted and calculated. Freelance modes are created with backflows, short-term effects of reverse flame, flame extinction and the occurrence of flares with the creation of thermo-acoustic waves with destructive fronts, which negatively affects the integrity of the CS design.

4. Не полное сгорание топлива, наличие в потоке рабочего тела активных радикалов из-за сложности получения гомогенной горючей смеси и дефицита воздуха приводят к не полному сгоранию газа с образованием сажи и оксидов углерода СОх, что снижает эффективность турбины и загрязняет воздух.4. The incomplete combustion of fuel, the presence of active radicals in the working medium flow, due to the difficulty of obtaining a homogeneous combustible mixture and air deficit, lead to incomplete gas combustion with the formation of carbon black and carbon oxides CO x , which reduces the efficiency of the turbine and pollutes the air.

Усовершенствованная КС позволяет максимально решить указанные негативные процессы:The improved CS allows to solve the indicated negative processes as much as possible:

1. Свежий воздух множественно эжектируемый в поток рабочего тела обеспечит1. Fresh air, multiple ejected into the working fluid stream, will provide

- охлаждение потока рабочего тела, снизится температура сопловой решетки и рабочих лопаток колеса турбины, что повысит ресурс элементов горячего тракта, снизится образование термических оксидов азота NOx;- cooling of the working fluid flow, the temperature of the nozzle grille and turbine impeller blades will decrease, which will increase the life of the hot section elements, reduce the formation of thermal nitrogen oxides NO x ;

- взаимодействие со свободными активными радикалами обеспечит полноту горения газа, повысится эффективность работы турбины, снизятся выбросы оксидов углерода СОх;- interaction with free active radicals will ensure complete combustion of the gas, increase the efficiency of the turbine, reduce emissions of carbon oxides CO x ;

2. Распорные стойки обеспечат защиту корпуса КС от деформации, повысят ресурс камеры сгорания, обеспечат равномерный впрыск свежего воздуха в поток рабочего тела, предотвратит проскок пламени из КС в обратном направлении.2. Spacer racks will protect the CS casing from deformation, increase the combustion chamber life, ensure uniform injection of fresh air into the working fluid flow, and prevent flame penetration from the CS in the opposite direction.

3. Обеспечит ремонтопригодность трудоемких и дорогостоящих КС.3. Provide maintainability of labor-intensive and expensive CS.

Claims (1)

Малоэмиссионная кольцевая камера сгорания для газовых турбин, содержащая цилиндрический тонкостенный наружный корпус и конусообразный тонкостенный внутренний корпус в виде раструба для выхлопа отработанных дымовых газов на выходе рабочего колеса турбины, которые жестко соединены между собой методом сварки при помощи тонколистовой обечайки, выполненной в виде усеченного по главному меридиану тороида, причем наружный, внутренний корпуса и обечайка выполнены из жаропрочного металла или сплава, отличающаяся тем, что между внутренним и наружным корпусами радиально установлены по меньшей мере восемь полых распорок регулируемой длины, которые изготовлены из жаропрочного материала, каждая распорка состоит из полой трубки с эжекционными отверстиями, размер диаметра каждого эжекционного отверстия составляет 1,2 и менее мм, причем эжекционные отверстия расположены в шахматном порядке по всей длине трубки, а по ширине занимают участок, который равен величине радиального сектора распорки в пределах от 30 до 60°, распорки закреплены с одной стороны фасонной шайбой с установочными штифтами, а с другой стороны регулировочной резьбовой втулкой, зафиксированной контргайкой.Low-emission annular combustion chamber for gas turbines, containing a cylindrical thin-walled outer casing and a cone-shaped thin-walled inner casing in the form of a socket for exhaust exhaust gases at the exit of the turbine impeller, which are rigidly interconnected by welding using thin-sheet shell made in the form of a truncated main the toroid meridian, and the outer, inner body and shell are made of heat-resistant metal or alloy, characterized in that between the inner and at least eight hollow spacers of adjustable length, which are made of heat-resistant material, are each radially mounted; each spacer consists of a hollow tube with ejection holes, the diameter of each ejection hole is 1.2 mm or less, and the ejection holes are arranged in a staggered order the entire length of the tube, and the width is occupied by a section that is equal to the size of the radial sector of the struts in the range from 30 to 60 °, the struts are fixed on one side with a shaped washer with installation pins, and on the other hand an adjusting threaded bushing, fixed by a lock nut.
RU2018126240A 2018-07-16 2018-07-16 Small-emission circular combustion chamber for gas turbines RU2687475C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126240A RU2687475C1 (en) 2018-07-16 2018-07-16 Small-emission circular combustion chamber for gas turbines

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126240A RU2687475C1 (en) 2018-07-16 2018-07-16 Small-emission circular combustion chamber for gas turbines

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2687475C1 true RU2687475C1 (en) 2019-05-13

Family

ID=66578692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018126240A RU2687475C1 (en) 2018-07-16 2018-07-16 Small-emission circular combustion chamber for gas turbines

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2687475C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0455487A1 (en) * 1990-05-03 1991-11-06 General Electric Company Gas turbine combustors
RU2098719C1 (en) * 1995-06-13 1997-12-10 Акционерное общество "Авиадвигатель" Power plant gas turbine combustion chamber
EP0628728B1 (en) * 1993-06-10 1998-01-28 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation "Snecma" Jet Engine
RU2315913C2 (en) * 2005-09-26 2008-01-27 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Gas turbine low-emission combustion chamber
RU97479U1 (en) * 2010-05-24 2010-09-10 Открытое акционерное общество "ИНТЕР РАО ЕЭС" LOW EMISSION COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE
RU144902U1 (en) * 2014-02-03 2014-09-10 Общество с ограниченной ответственностью "СИБЭКС" RING COMBUSTION CHAMBER OF A GAS-TURBINE INSTALLATION

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0455487A1 (en) * 1990-05-03 1991-11-06 General Electric Company Gas turbine combustors
EP0628728B1 (en) * 1993-06-10 1998-01-28 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation "Snecma" Jet Engine
RU2098719C1 (en) * 1995-06-13 1997-12-10 Акционерное общество "Авиадвигатель" Power plant gas turbine combustion chamber
RU2315913C2 (en) * 2005-09-26 2008-01-27 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Gas turbine low-emission combustion chamber
RU97479U1 (en) * 2010-05-24 2010-09-10 Открытое акционерное общество "ИНТЕР РАО ЕЭС" LOW EMISSION COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE
RU144902U1 (en) * 2014-02-03 2014-09-10 Общество с ограниченной ответственностью "СИБЭКС" RING COMBUSTION CHAMBER OF A GAS-TURBINE INSTALLATION

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5530131B2 (en) Flame-resistant fuel / air premixer for gas turbine combustors
JP5606776B2 (en) Method and system for thermally protecting a fuel nozzle in a combustion system
JP2950720B2 (en) Gas turbine combustion device and combustion control method therefor
JP5960969B2 (en) Apparatus and method for ignition combustion of a combustor
JP6086391B2 (en) Annular cylindrical combustor with graded and tangential fuel-air nozzles for use in gas turbine engines
KR102437977B1 (en) Nozzle assembly, Combustor and Gas turbine comprising the same
US20170082290A1 (en) Premix fuel nozzle assembly cartridge
JP6110854B2 (en) Tangential annular combustor with premixed fuel air for use in gas turbine engines
KR101774094B1 (en) Can-annular combustor with premixed tangential fuel-air nozzles for use on gas turbine engines
JP4727548B2 (en) Combustor
US20070256418A1 (en) Method and apparatus for assembling a gas turbine engine
RU2320926C2 (en) Main device for injecting liquid fuel for one combustion chamber having preliminary mixing chamber used in gas turbine with low discharge of harmful substances polluting ambient atmosphere
CA2626259C (en) Gas turbine engine mixing duct and method to start the engine
RU2687475C1 (en) Small-emission circular combustion chamber for gas turbines
RU2635958C1 (en) Vortex burner for gas turbine
JP6092007B2 (en) Gas turbine combustor
EP1764553A1 (en) High-stability premix burner for gas turbines
KR20200020446A (en) Combustor, and gas turbine including the same
JP2014524561A (en) Annular and flameless annular combustor for use in gas turbine engines
KR102021129B1 (en) Fuel nozzle, combustor and gas turbine having the same
KR102472389B1 (en) Nozzle assembly, combustor and gas turbine comprising the same
KR102437978B1 (en) Nozzle assembly, combustor and gas turbine comprising the same
KR102437976B1 (en) Nozzle assembly, Combustor and Gas turbine comprising the same
KR102433706B1 (en) Nozzle assembly, Combustor and Gas turbine comprising the same
KR102661146B1 (en) Hollow nozzle and combustor including the hollow nozzle, and gas turbine including the combustor