RU2690598C2 - Swirler, burner and combustion system for gas turbine engine - Google Patents
Swirler, burner and combustion system for gas turbine engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690598C2 RU2690598C2 RU2017134597A RU2017134597A RU2690598C2 RU 2690598 C2 RU2690598 C2 RU 2690598C2 RU 2017134597 A RU2017134597 A RU 2017134597A RU 2017134597 A RU2017134597 A RU 2017134597A RU 2690598 C2 RU2690598 C2 RU 2690598C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gaseous fuel
- injection
- swirler
- blind hole
- air
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/04—Air inlet arrangements
- F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
- F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
- F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/07001—Air swirling vanes incorporating fuel injectors
Abstract
Description
Изобретение относится к завихрителю для использования в системе сгорания газотурбинного двигателя, содержащему множество простирающихся в основном радиально внутрь каналов, циклически разнесенных по окружности в шахматном порядке, причем каждый канал имеет радиально внешний входной конец, радиально внутренний выходной конец, первую и вторую простирающиеся в основном радиально внутрь боковые поверхности, а также поверхность основания и верхнюю поверхность, причем во время эксплуатации завихрителя топливо и воздух движутся по каналам от их входных концов к их выходном концам таким образом, что создают рядом с выходными концами завихряющуюся топливовоздушную смесь, при этом, по меньшей мере, одна поверхность содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска газообразного топлива.The invention relates to a swirler for use in a combustion system of a gas turbine engine, comprising a plurality of channels extending mainly radially inward, cyclically spaced around the circumference in a staggered manner, each channel having a radially outer input end, a radially inner output end, the first and second radially extending inward side surfaces, as well as the surface of the base and the top surface, and during operation of the swirl fuel and air move through the channel m from their input ends to their output ends in such a way that they create near the exit ends of the swirling air-fuel mixture, while at least one surface contains at least one hole for the injection of gaseous fuel.
Кроме того, изобретение относится к горелке для газотурбинного двигателя.In addition, the invention relates to a burner for a gas turbine engine.
Помимо этого, изобретение относится к системе сгорания для газотурбинного двигателя.In addition, the invention relates to a combustion system for a gas turbine engine.
Газотурбинный двигатель содержит канал подачи окружающего воздуха, компрессор, систему сгорания, детандер, т.е. турбину, и канал выхлопных газов.The gas turbine engine contains an ambient air supply channel, a compressor, a combustion system, a detander, i.e. turbine, and exhaust duct.
Желательно снижать загрязняющие выбросы, в частности - выбросы оксида азота (NOx), оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (НУВ), дыма и частиц, из газотурбинных двигателей.It is desirable to reduce pollutant emissions, in particular, emissions of nitric oxide (NO x ), carbon oxide (CO), unburned hydrocarbons (NUV), smoke and particles from gas turbine engines.
Один путь снижения загрязняющих выбросов заключается в том, чтобы снабдить горелку в системе сгорания газотурбинного двигателя завихрителем. Завихритель располагают в канале, по которому сжатый воздух подается в камеру сгорания системы сгорания через горелку. Завихритель соединяют с устройством для подачи газообразного топлива. Завихритель придает подаваемому воздуху тангенциальное направление, поворачивая поток, т.е., обеспечивая завихряющийся поток воздуха в камеру сгорания. В то же самое время, газообразное топливо вводят в воздух по внутренним каналам для газообразного топлива, расположенным в завихрителе. Завихряющуюся смесь воздуха и газообразного топлива подают в камеру сгорания системы сгорания. Завихрение смеси воздуха и газообразного топлива приводит к высокооднородной смеси воздуха и газообразного топлива в виде бедной рабочей смеси. Такие бедные рабочие смеси горят при более низких температурах сгорания, чем богатые рабочие смеси. В частности, сниженные температуры сгорания приводят к сниженным выбросам оксида азота.One way to reduce pollutant emissions is to provide a burner in the combustion system of a gas turbine engine with a swirler. The swirl is placed in the channel through which compressed air is fed into the combustion chamber of the combustion system through the burner. The swirl is connected to the device for supplying gaseous fuel. The swirl gives the tangential direction of the supplied air, turning the flow, i.e., providing a swirling flow of air into the combustion chamber. At the same time, the gaseous fuel is introduced into the air through the internal channels for gaseous fuel located in the swirler. A swirling mixture of air and gaseous fuel is fed into the combustion chamber of the combustion system. The turbulence of the mixture of air and gaseous fuel leads to a highly homogeneous mixture of air and gaseous fuel in the form of a lean working mixture. Such poor working mixtures burn at lower combustion temperatures than rich working mixtures. In particular, reduced combustion temperatures result in reduced emissions of nitric oxide.
В документе EP 1867925 A1 раскрыта горелка, в частности, горелка газовой турбины, содержащая по меньшей мере, один завихритель. Завихритель имеет, по меньшей мере, одно воздуховходное отверстие, по меньшей мере, одно воздухоотводящее отверстие для воздуха, расположенное ниже по течению от воздуховходного отверстия и, по меньшей мере, один канал для воздуха в завихрителе, простирающийся от упомянутого, по меньшей мере, одного воздуховходного отверстия до упомянутого, по меньшей мере, одного выпускного отверстия для воздуха, которые ограничены каналом для воздуха в стенках завихрителя. Стенки воздушных каналов содержат находящие ниже по течению участки стенок, примыкающие к упомянутому, по меньшей мере, одному воздухоотводящему отверстию; и имеется система для впрыска топлива, которая содержит отверстия для впрыска топлива, расположенные, по меньшей мере, в одном канале для воздуха в стенке завихрителя, предназначенные для впрыска топлива в канал для воздуха в завихрителе; при этом, по меньшей мере, находящийся ниже по течению участок стенки одного воздушного канала является рифленым.EP 1867925 A1 discloses a burner, in particular a gas turbine burner, containing at least one swirler. The swirler has at least one air inlet, at least one air outlet, located downstream of the air inlet and at least one air channel in the swirler extending from the at least one an air inlet to said at least one air outlet, which is limited by an air channel in the walls of the swirler. The walls of the air channels contain downstream areas of the walls adjacent to the at least one air outlet; and there is a fuel injection system that contains fuel injection holes located in at least one air channel in the swirler wall, designed to inject fuel into the air channel in the swirler; at the same time, at least the downstream section of the wall of one air channel is corrugated.
В документе US2010/011770 A1 раскрыта предварительная камера для системы сгорания газовой турбины, включающая в себя осевой завихритель, включающий в себя множество поворотных лопаток, которые придают скорость завихрения осевому потоку воздуха через предварительной камеру, и, по меньшей мере, один участок инжекции топлива, позволяющий смешивать топливо с потоком воздуха в предварительной камере. Участок инжекции топлива оканчивается в воронкообразном отверстии. Воронкообразное отверстие увеличивает эффективность смешивания и увеличивает сопротивление возникновению обратных вспышек/стабилизации пламени.Document US2010 / 011770 A1 discloses a pre-chamber for a gas turbine combustion system, including an axial swirler, including a plurality of rotating blades that impart swirl velocity to an axial flow of air through the preliminary chamber, and at least one fuel injection portion, allowing to mix fuel with an air stream in a preliminary chamber. The fuel injection section ends in a funnel-shaped hole. The funnel hole increases mixing efficiency and increases the resistance to backfire / flame stabilization.
В документе US2012/0111015 A1 раскрыта система сгорания, имеющая горелку типа радиального завихрителя, в которой топливовоздушную смесь вовлекают в вихрь посредством завихрителя перед ее сгоранием в главной камере сгорания. Радиальный завихритель содержит кольцевой ряд лопаток, которые образуют между собой каналы для воздуха. Каналы для воздуха располагаются, простираясь, в основном, радиально внутрь для создания вихря. В этих каналах топливо смешивается с воздухом.US2012 / 0111015 A1 discloses a combustion system having a radial swirler burner in which the air-fuel mixture is drawn into the vortex by means of a swirler before it burns in the main combustion chamber. The radial swirler contains an annular row of blades that form channels for air between them. Air channels are positioned, extending mainly radially inwards to create a vortex. In these channels, the fuel is mixed with air.
Задачей изобретения является дальнейшее снижение загрязняющих выбросов, в частности, выбросов оксида азота, связанных с эксплуатацией газотурбинных двигателей.The objective of the invention is to further reduce polluting emissions, in particular, nitrogen oxide emissions associated with the operation of gas turbine engines.
Эта задача решается посредством независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения, которые - либо по отдельности, либо в любой комбинации друг с другом, - можно отнести к некоторому аспекту изобретения.This problem is solved by the independent claims. Advantageous embodiments are disclosed in the dependent claims, which, either individually or in any combination with each other, can be attributed to some aspect of the invention.
Завихритель в соответствии с изобретением, предназначенный для использования в системе сгорания газотурбинного двигателя, содержит множество простирающихся в основном радиально внутрь каналов, циклически разнесенных по окружности в шахматном порядке, причем каждый канал имеет радиально внешний входной конец, радиально внутренний выходной конец, первую и вторую простирающиеся в основном радиально внутрь боковые поверхности, а также поверхность основания и верхнюю поверхность, причем во время эксплуатации завихрителя топливо и воздух движутся по каналам от их входных концов к их выходном концам таким образом, что создают рядом с выходными концами завихряющуюся топливовоздушную смесь, при этом, по меньшей мере, одна поверхность содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска газообразного топлива. При этом упомянутая поверхность, имеющая отверстие для впрыска газообразного топлива, содержит, по меньшей мере, одно глухое отверстие, радиально окружающее отверстие для впрыска газообразного топлива, и при этом отверстие для впрыска газообразного топлива расположено в основании глухого отверстия.The swirler in accordance with the invention, intended for use in the combustion system of a gas turbine engine, contains a plurality of mainly radially inward-extending channels that are cyclically spaced around the circumference in a staggered manner, each channel having a radially outer input end, a radially inner output end, the first and second stretching mostly radially inward side surfaces, as well as the surface of the base and the top surface, and during operation of the swirler fuel and air They move along the channels from their inlet ends to their outlet ends in such a way that a swirling air-fuel mixture is created near the outlet ends, wherein at least one surface contains at least one opening for injecting gaseous fuel. Moreover, said surface having an opening for injecting gaseous fuel comprises at least one blind hole radially surrounding the opening for injecting gaseous fuel, and the opening for injecting gaseous fuel is located at the base of the blind hole.
В соответствии с изобретением, отверстие для впрыска газообразного топлива не располагается, как обычно известные, непосредственно на поверхности канала, а находится в глухом отверстии, поверхность которого ограничивает полость в поверхности канала. За счет этого, в полости, т.е., в глухом отверстии создается область низкой скорости, приводящая к уменьшению количества движения струи газообразного топлива, покидающей отверстие для впрыска газообразного топлива. Тем самым, поперечный поток воздуха, поступающий внутрь полости, будет смешиваться с локальной рециркуляцией в полости, интенсифицируя смешивание воздуха и газообразного топлива. Это интенсифицированное или адаптированное смешивание сопровождается меньшими загрязняющими выбросами. Кроме того, интенсифицированное или адаптированное смешивание приводит к сокращению количества точек перегрева, дополнительно снижая загрязняющие выбросы.In accordance with the invention, the injection hole for gaseous fuel is not located, as is usually known, directly on the channel surface, but is located in a blind hole, the surface of which bounds the cavity in the channel surface. Due to this, in the cavity, i.e., in a blind hole, an area of low speed is created, leading to a decrease in the amount of movement of the jet of gaseous fuel leaving the hole for the injection of gaseous fuel. Thus, the transverse air flow entering the cavity will be mixed with local recirculation in the cavity, intensifying the mixing of air and gaseous fuel. This intensified or adapted mixing is accompanied by less polluting emissions. In addition, intensified or adapted mixing leads to a reduction in the number of overheating points, further reducing pollutant emissions.
В частности, скорость поперечного потока сжатого воздуха, текущего по поверхности канала, содержащей глухое отверстие, уменьшает количество движения потока газообразного топлива, покидающего отверстие для впрыска газообразного топлива, за счет рециркуляции воздуха с низким давлением внутри глухого отверстия. Посредством этого, происходит улучшение аэродинамики смешивания газообразного топлива и воздуха.In particular, the velocity of the transverse stream of compressed air flowing along the surface of the duct containing the blind hole reduces the amount of movement of the gaseous fuel flow leaving the injection port of gaseous fuel due to the low pressure air recirculation inside the blind hole. Through this, there is an improvement in the aerodynamics of mixing gaseous fuel and air.
В отличие от этого, известные завихрители содержат каналы с отверстиями для впрыска газообразного топлива, непосредственно расположенными, например, на боковой поверхности, которая ограничена плоскостью боковой поверхности лопатки завихрителя, не имеющей предлагаемого глухого отверстия.In contrast, the known swirlers contain channels with holes for the injection of gaseous fuel, directly located, for example, on the side surface, which is bounded by the plane of the side surface of the blade of the swirler, which does not have the proposed blind hole.
Это приводит к менее эффективному и/или управляемому смешиванию газообразного топлива и воздуха, потому что потоки газообразного топлива, поступающие из отверстий для впрыска газообразного топлива, движутся к области расширения камер сгорания системы сгорания, не подвергаясь эффективному воздействию смешивания.This results in less efficient and / or controlled mixing of the gaseous fuel and air, because the gaseous fuel flows from the gaseous fuel injection holes move towards the expansion area of the combustion chambers of the combustion system without being subjected to effective mixing.
Предлагаемый завихритель может иметь один или несколько каналов, выполненных в соответствии с изобретением. В частности, все каналы завихрителя можно выполнить соответственными. Поперечное сечение, по меньшей мере, одного канала может быть прямоугольным, квадратным, круглым, эллиптическим или аналогичным.The proposed swirl can have one or more channels made in accordance with the invention. In particular, all the channels of the swirler can be performed accordingly. The cross section of at least one channel may be rectangular, square, round, elliptical or similar.
Поверхность упомянутого, по меньшей мере, одного канала завихрителя в соответствии с изобретением может иметь два или более отверстий для впрыска газообразного топлива. Каждое отверстие для впрыска газообразного топлива сообщается, по меньшей мере, с одним имеющимся в завихрителе внутренним каналом для подачи газа. По меньшей мере, одна поверхность может быть плоской, наклонной, имеющей огранку, криволинейной или аналогичной.The surface of said at least one swirler duct according to the invention may have two or more gaseous fuel injection holes. Each gaseous fuel injection port communicates with at least one internal gas supply channel in the swirler. At least one surface may be flat, sloping, faceted, curved or similar.
Глухое отверстие можно оптимизировать по его характеристикам смешивания. Например, размеры глухого отверстия, такие как его глубина, диаметр или аналогичный параметр, можно адаптировать к конкретному приложению завихрителя, чтобы оптимизировать присущие завихрителю характеристики смешивания.A blind hole can be optimized for its mixing characteristics. For example, the dimensions of a blind hole, such as its depth, diameter, or similar parameter, can be adapted to a particular swirl application to optimize the inherent swirling characteristics of the blending.
Глухое отверстие предпочтительно является прямоугольным, овальным, эллиптическим или круглым. Для повышения характеристик смешивания, присущих отверстию, возможны также другие формы глухого отверстия.The blind hole is preferably rectangular, oval, elliptical or round. To improve the mixing characteristics of the hole, other forms of blind holes are also possible.
По меньшей мере, одна поверхность предпочтительно содержит, по меньшей мере, два отверстия для впрыска газообразного топлива и, по меньшей мере, одно глухое отверстие, причем глухое отверстие радиально окружает оба отверстия для впрыска газообразного топлива, при этом отверстия для впрыска газообразного топлива расположены в основании глухого отверстия. В соответствии с этим, все отверстия для впрыска газообразного топлива могут быть объединены в общее единственное глухое отверстие этой поверхности.At least one surface preferably contains at least two holes for the injection of gaseous fuel and at least one blind hole, with a blind hole radially surrounding both holes for the injection of gaseous fuel, while the holes for injection of gaseous fuel are located in the base of the blind hole. In line with this, all of the gaseous fuel injection holes can be combined into a common single blind hole of this surface.
При этом, по меньшей мере, одна поверхность предпочтительно содержит, по меньшей мере, два отверстия для впрыска газообразного топлива и, по меньшей мере, два глухих отверстия, причем каждое отверстие для впрыска газообразного топлива радиально окружено своим собственным глухим отверстием, и расположено в основании этого глухого отверстия. В соответствии с этим вариантом осуществления, на одной единственной поверхности канала завихрителя расположено более одного глухого отверстия, при этом каждое глухое отверстие окружает, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска газообразного топлива.At the same time, at least one surface preferably contains at least two holes for the injection of gaseous fuel and at least two blind holes, with each hole for the injection of gaseous fuel radially surrounded by its own blind hole, and located at the base this blind hole. In accordance with this embodiment, more than one blind hole is located on a single surface of the swirl channel, with each blind hole surrounding at least one hole for the injection of gaseous fuel.
Поверхность, имеющая упомянутое, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска газообразного топлива и упомянутое, по меньшей мере, одно глухое отверстие предпочтительно является боковой поверхностью. Боковая поверхность может быть ограничена боковой поверхностью лопатки завихрителя.A surface having said at least one opening for injecting gaseous fuel and said at least one blind hole is preferably a side surface. The lateral surface may be limited to the lateral surface of the blade of the swirler.
Поверхность, имеющая упомянутое, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска газообразного топлива и упомянутое, по меньшей мере, одно глухое отверстие предпочтительно является поверхностью основания.A surface having said at least one opening for injecting gaseous fuel and said at least one blind hole is preferably a base surface.
Горелка в соответствии с изобретением, предназначенная для газотурбинного двигателя, содержит, по меньшей мере, один завихритель, соответствуюший любому из предыдущих вариантов осуществления или какой-либо их комбинации. Вышеупомянутые преимущества, связанные с завихрителем, соответственно связаны и с предлагаемой горелкой.The burner in accordance with the invention, designed for a gas turbine engine, contains at least one swirler, corresponding to any of the previous embodiments or any combination thereof. The aforementioned advantages associated with the swirler, respectively associated with the proposed burner.
Система сгорания в соответствии с изобретением, предназначенная для газотурбинного двигателя, содержит, по меньшей мере, одну горелку в соответствии с изобретением. Вышеупомянутые преимущества, связанные с завихрителем, соответственно связаны и с предлагаемой системой сгорания.The combustion system in accordance with the invention, designed for a gas turbine engine, comprises at least one burner in accordance with the invention. The aforementioned advantages associated with the swirler, respectively associated with the proposed combustion system.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Вышеупомянутые атрибуты и другие признаки и преимущества этого изобретения и метод их достижения станут яснее, а само изобретение - понятнее, при обращении к нижеследующему описанию вариантов осуществления изобретения, приводимому в связи с прилагаемыми чертежами, при этом:The above-mentioned attributes and other features and advantages of this invention and the method of their achievement will become clearer, and the invention itself will become clearer when referring to the following description of embodiments of the invention, given in connection with the accompanying drawings, with:
на фиг.1 показана часть турбинного двигателя в сечении;figure 1 shows a part of a turbine engine in cross section;
на фиг.2 показано продольное сечение через систему сгорания турбинного двигателя;figure 2 shows a longitudinal section through the combustion system of a turbine engine;
на фиг.3 показано перспективное изображение предлагаемого завихрителя системы сгорания;figure 3 shows a perspective image of the proposed swirler of the combustion system;
на фиг.4 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно варианту осуществления предлагаемого завихрителя;figure 4 shows a perspective transparent drawing of the details according to the embodiment of the proposed swirler;
на фиг.5 показано сечение завихрителя, показанного на фиг.4,figure 5 shows the cross section of the swirl shown in figure 4,
на фиг.6 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно дополнительному варианту осуществления предлагаемого завихрителя;figure 6 shows a perspective transparent drawing of the details according to an additional variant of the implementation of the proposed swirl;
на фиг.7 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно дополнительному варианту осуществления предлагаемого завихрителя; и7 shows a perspective transparent drawing of the details according to an additional embodiment of the proposed swirler; and
на фиг.8 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно дополнительному варианту осуществления предлагаемого завихрителя.8 is a perspective transparent drawing of the details according to a further embodiment of the inventive swirler.
ОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯSINGLE DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
На фиг.1 представлено схематическое изображение общей компоновки газотурбинного двигателя 10, имеющего вход 12, компрессор 14, систему 16 сгорания, систему 18 турбин, выхлопной канал 20 и двухвальный агрегат 22, 24. Газотурбинный двигатель 10 в целом скомпонован вокруг оси 26 которая для вращающихся компонентов является их осью вращения. Валы 22, 24 могут иметь одни и те же или противоположные направления вращения.1 is a schematic representation of a general arrangement of a
Система 16 сгорания содержит кольцевой ряд фронтовых устройств камеры сгорания, т.е. горелок 36, лишь одна из которых показана. В одном примере, имеются 6 горелок 36, равномерно разнесенных вокруг двигателя 10.The
Система 18 турбин включает в себя турбину 28 высокого давления, соединенную с возможностью привода с компрессором 14 посредством первого вала 22 двухвального агрегата 22, 24. Система 18 турбин также включает в себя турбину 30 низкого давления, соединенную с возможностью привода с нагрузкой (не показана) посредством второго вала 24 двухвального агрегата.The
Термин «осевой» употребляется в отношении оси 26. Термины «выше по течению» и «ниже по течению» употребляются в отношении общего направления потока газа через двигатель 10, видимого на фиг.1, которое проходит в основном слева направо.The term "axial" is used in relation to the
Компрессор 14 содержит осевой ряд спрямляющих лопаток статора и рабочих лопаток ротора, установленных обычным образом. Спрямляющие лопатки статора или компрессора могут быть неподвижными или имеющими изменяемую геометрию для улучшения потока воздуха, попадающего на находящиеся ниже по течению рабочие лопатки ротора или компрессора.The
Каждая турбина 28, 30 содержит осевой ряд спрямляющих лопаток статора и рабочих лопаток ротора, установленных посредством дисков ротора, расположенных и работающих обычным образом. Узел ротора содержит кольцевой ряд рабочих лопаток или рабочие лопатки и диск ротора.Each
При эксплуатации, забор воздуха 32 в двигатель 10 происходит через вход 12 в компрессор 14, где последовательные ступени спрямляющих лопаток и рабочих лопаток сжимают воздух перед подачей сжатого воздуха в систему 16 сгорания. В камере сгорания системы 16 сгорания смесь сжатого воздуха и топлива воспламеняется. Получаемый поток горячего рабочего газа направляется в турбину 28 высокого давления, расширяется и осуществляет привод турбины 28 высокого давления, которая, в свою очередь, осуществляет привод компрессора 14 посредством первого вала 22. После прохождения через турбину 28 высокого давления, поток горячего рабочего газа направляется в турбину 30 низкого давления, которая осуществляет привод нагрузки посредством второго вала 24.During operation, the
Турбину 30 низкого давления можно также назвать силовой турбиной, а второй вал 24 можно также назвать валом отбора мощности. Нагрузкой обычно является электрическая машина для производства электроэнергии или механическая машина, такая, как насос или технологический компрессор. Через турбину 30 низкого давления возможен привод и других известных нагрузок. Топливо может присутствовать в газообразном и/или жидком виде.The
Турбинный двигатель 10, показанный и описанный со ссылками на фиг.1, представляет собой лишь один пример семейства двигателей или турбомашин, в состав которых можно включить предлагаемое техническое решение.The
Такие двигатели могут быть газовыми турбинами или паровыми турбинами и включают в себя одно- двух- и трехвальные двигатели, применяемые в секторах машиностроения, у промышленных потребителей газа и а аэрокосмической промышленности.Such engines can be gas turbines or steam turbines and include single-, two- and three-shaft engines used in the engineering sector, industrial gas consumers and the aerospace industry.
На фиг.2 показано продольное сечение через систему 100 сгорания газотурбинного двигателя. Система 100 сгорания содержит последовательно установленные в направлении потока горелку 131, завихритель 102 и головку 101 горелки, прикрепленную к завихрителю 102, переходный отсек или предварительную камеру 103 сгорания и основную камеру 104 сгорания. Основная камера 104 сгорания имеет диаметр, больший, чем диаметр предварительной камеры 103. Основная камера 104 сгорания соединена с предварительной камерой 103 посредством купола 110, который содержит пластину 111 купола и который расходится в направлении от предварительной камеры 103 к основной камере 104 сгорания. В общем случае, предварительную камеру 103 можно воплотить как продолжение горелки 101, выполненное как единое целое с ней и простирающееся к камере 104 сгорания, или как отдельную между горелкой 101 и камерой 104 сгорания. Горелка и система сгорания в целом симметричен относительно продольной оси S.Figure 2 shows a longitudinal section through the
Для направления в горелку газообразного или жидкого топлива, которое подлежит смешиванию со втекающим воздухом в завихрителе 102, предусмотрен топливный канал 105. Затем топливовоздушная смесь 107 направляется к зону 109 первичного горения, где сжигается с образованием горячих, находящихся под давлением выхлопных газов, поток которых движется в направлении 108, обозначенном стрелками, к турбине газотурбинного двигателя.For directing a gaseous or liquid fuel to the burner, which is to be mixed with the inflowing air in the
Возможный завихритель 102, соответствующий изобретению, подробно показан на фиг.3. Завихритель 102 содержит кольцевой ряд лопаток 112 завихрителя, и в этом примере имеются двенадцать лопаток 112 завихрителя, расположенных на опоре или основании 113 лопаток завихрителя.A
Между соседними спрямляющими лопатками 112 завихрителя сформированы воздушные каналы 114. Воздушные каналы 114 простираются между входным проемом 116 для воздуха и выходным проемом 118 для воздуха. Воздушные каналы 114 ограничены противоположными торцами 120, 122 соседних лопаток 112 завихрителя и поверхностью 124 основания 113 лопаток завихрителя. Торцы 120, 122 и поверхность основания 113 лопаток завихрителя образуют стенки воздушных каналов, ограничивающие воздушные каналы 114. У концевой поверхности лопаток завихрителя, противоположной опоре или основанию, находится дополнительное основание или часть системы сгорания, которая вследствие этого завершает ограничение воздушных каналов 114.
Торцы 120, 122 являются рифлеными на их находящихся ниже по течению участках, образуя смесительные выступы 123 на лопатках 112 завихрителя. Рифления противоположных торцов 120, 122 являются дополняющими друг друга, что приводит к дополнительной турбулентности в протекающей топливовоздушной смеси и к управляемому размещению топлива на выходе воздушного канала. В других примерах, находящаяся ниже по течению или выходная кромка лопаток 112 завихрителя может быть прямой.The ends 120, 122 are grooved in their downstream areas, forming mixing
В торцах 120 расположены отверстия 126a, 126b для впрыска топлива. Кроме того, в опоре 113 завихрителя расположены отверстия 128 для впрыска топлива. Как известно в данной области техники, отверстия 126a, 126b, 128 для впрыска топлива играют роли форсунок предварительного и основного впрыска. Во время работы горелки, воздух течет в воздушные каналы 114 через входные проемы 116 для воздуха. Внутри воздушных каналов 114 топливо впрыскивается в протекающий воздух за счет использования отверстий 126a, 126b, 128 для впрыска топлива. Топливовоздушная смесь затем покидает воздушные каналы 114 через выходные проемы 118 для воздуха и течет через центральный проем 130 ряда лопаток завихрителя в предварительную камеру 103. Из предварительной камеры 103 смесь течет в зону 109 горения основной камеры 104 сгорания, где и сгорает. Как показано на фиг.4 в торцах 120 лопаток 112 завихрителя расположены два первых отверстия для впрыска топлива, и таким образом ограничиваются нижнее и верхнее первые отверстия 126a для впрыска топлива. Альтернативные места нахождения отверстий для впрыска топлива обозначены позицией 126b.At the
На фиг.4 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно варианту осуществления предлагаемого завихрителя 1 для использования в системе сгорания газотурбинного двигателя.Figure 4 shows a perspective transparent drawing of the details according to the embodiment of the proposed
Завихритель 102 содержит множество простирающихся в основном радиально внутрь каналов 114, циклически разнесенных по окружности в шахматном порядке, причем на фиг.4 показан лишь один канал 114. Простирающиеся радиально внутрь воздушные каналы 114 можно также назвать располагающимися под наклоном к радиусу, идущему от оси S завихрителя. Этот завихритель известен как радиальный завихритель, а его воздушные каналы 114 расположены так, что составляющей их направления является радиальное направление.The
Каждый канал 114 имеет радиально внешний входной конец 116 и радиально внутренний выходной конец 118, которые показаны на фиг.3. Каждый канал 114 ограничен поверхностями 3, причем на фиг.4 показана лишь одна поверхность 3. Эта поверхность 3 может быть поперечной или боковой поверхностью 120, 122, поверхностью 124 основания или верхней поверхностью. При использовании завихрителя 1, топливо и воздух проходят по каналам 114 от их входных концов к их выходным концам, создавая рядом с выходными концами завихряющуюся топливовоздушную смесь.Each
Поверхность 3 содержит два отверстия 5 для впрыска газообразного топлива, сообщающиеся с внутренним каналом 4 для подачи газообразного топлива, имеющимся в завихрителе 102. Помимо этого, поверхность 3 содержит глухое отверстие 6 прямоугольной формы, в частности - коробчатой формы, радиально окружающее отверстия 5 для впрыска газообразного топлива. Отверстия 5 для впрыска газообразного топлива расположены в основании 38 глухого отверстия 6. Следовательно, обычное глухое отверстие 6 радиально окружает оба отверстия 5 для впрыска газообразного топлива. Поток газообразного топлива по каналу 4 для подачи газообразного топлива обозначен стрелкой 7.The
На фиг.5 показано сечение завихрителя 102, изображенного на фиг.3. Воздух, текущий по поверхности 3, обозначен стрелкой 8. Спиралевидные линии 9 показывают, как воздух циркулирует в упомянутом глухом отверстии 6, тем самым уменьшая количество движения струи газообразного топлива, выходящей из отверстий 5 для впрыска газообразного топлива. Поступающий перекрестный поток воздуха внутри глухого отверстия 6, будет смешиваться с этими локальными рециркуляциями в глухом отверстии 6, тем самым интенсифицируя смешивание воздуха и газообразного топлива.Figure 5 shows a section of the
Вариант осуществления глухого отверстия 6, показанный на фиг.4 и 5, предусматривает в целом треугольную форму этого глухого отверстия и ее глубину D ниже поверхности 3, ширину W по нормали к направлению потока 8 воздуха и длину L, в целом параллельную направлению потока 8 воздуха. Отверстия 5 для впрыска газообразного топлива имеют диаметр d. В этом варианте осуществления предпочтительными параметрами при по отношению к диаметру d являются: длина L, составляющая, по меньшей мере, 4d; ширина W, составляющая, по меньшей мере, 3d; и глубина D, составляющая, по меньшей мере, 2d. Эти минимальные относительные размеры известны как обеспечивающие преимущества, упоминаемые ниже.An embodiment of the
На фиг.6 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно дополнительному варианту осуществления предлагаемого завихрителя 102. Этот вариант осуществления отличается от варианта осуществления, показанного на фиг.4, только тем, что глухое отверстие 6 является овальным.Figure 6 shows a perspective transparent drawing of the details according to a further embodiment of the proposed
Вариант осуществления глухого отверстия 6, показанный на фиг.6, предусматривает в целом овальную форму с более длинным размером «а», в целом параллельным направлению потока 8 воздуха. Более короткий размер «b» определен в целом по нормали к направлению потока 8 воздуха и более длинному размеру «a». Глухое отверстие 6 имеет некоторую глубину D ниже поверхности 3. Отверстия 5 для впрыска газообразного топлива имеют диаметр d. В этом варианте осуществления предпочтительными параметрами при по отношению к диаметру d являются: более длинный размер «а», составляющий, по меньшей мере, 4d; более короткий размер W, составляющий, по меньшей мере, 3d; и глубина D, составляющая, по меньшей мере, 2d. Эти минимальные относительные размеры известны как обеспечивающие преимущества, упоминаемые ниже.An embodiment of a
на фиг.7 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно дополнительному варианту осуществления предлагаемого завихрителя 102. Этот вариант осуществления отличается от варианта осуществления, показанного на фиг.4 только тем, что глухое отверстие 6 является круглым.FIG. 7 shows a perspective transparent drawing of the details according to a further embodiment of the
Вариант осуществления глухого отверстия 6, предусматривающий ее круглую форму и показанный на фиг.7, обуславливает глубину D ниже поверхности 3 и диаметр L. Отверстия 5 для впрыска газообразного топлива имеют диаметр d. В этом варианте осуществления предпочтительными параметрами по отношению к диаметру d являются диаметр L, составляющий, по меньшей мере, 4d, и глубина D, составляющая, по меньшей мере, 2d. Эти минимальные относительные размеры известны как обеспечивающие преимущества, упоминаемые ниже.An embodiment of a
На фиг.8 показан перспективный прозрачный чертеж подробности согласно дополнительному варианту осуществления предлагаемого завихрителя 102. Этот вариант осуществления отличается от вариантов осуществления, показанных на фиг.4 - фиг.7, тем, что поверхность 3 содержит два отверстия 5 для впрыска газообразного топлива и два глухих отверстия 6, причем каждое отверстие 5 для впрыска газообразного топлива радиально окружено своим собственным глухим отверстием 6 и расположено в основании 38 этого глухого отверстия 6.FIG. 8 shows a perspective transparent drawing of details according to a further embodiment of the proposed
Каждая из двух расточек 6 может быть любой из вышеописанных круглой, прямоугольной или овальной расточек 6. Однако в этом варианте осуществления предпочтительными параметрами по отношению к диаметру d являются диаметр L (или более длинный размер L), составляющий, по меньшей мере, 2d, и глубина D, составляющая, по меньшей мере, 2d. Вдобавок, промежуток X между глухими отверстиями 6 составляет, по меньшей мере, 2d.Each of the two
В описанных вариантах осуществления, отверстия 5 для впрыска газообразного топлива расположены в ряд по отношению к обозначенному стрелкой 8 направлению потока воздуха, текущего по поверхности 3. В альтернативном варианте, отверстия 5 для впрыска газообразного топлива могут быть расположены в направлении, поперечном по отношению к упомянутому направлению потока.In the described embodiments, the gaseous fuel injection holes 5 are arranged in a row with respect to the direction of flow of air flowing along the
Преимущества вариантов осуществления расточек и их нахождения на боковых поверхностях лопаток 112 завихрителя включают в себя снижение количества точек перегрева и сниженные выбросы Nox, что является результатом интенсифицированного смешивания топлива и воздуха и улучшенного размещения топлива. Смешивание топлива и воздуха, которые текут поперек боковой поверхности, улучшается, потому что происходит локальное уменьшение количества движения топлива в глухом отверстии. Поэтому локальное соотношение компонентов топливовоздушной смеси, обеспечиваемое глухими отверстиями, ближе к доле, соответствующей локальному стехиометрическому соотношению смеси, чем в случае других средств впрыска топлива.The advantages of the embodiments of bores and their location on the side surfaces of the
Хотя изобретение пояснено и подробно описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, отметим, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалист в данной области техники сможет вывести из этих вариантов осуществления другие варианты в рамках объема защиты изобретения.Although the invention has been explained and described in detail in connection with preferred embodiments, it is noted that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Those skilled in the art will be able to deduce from these embodiments other options within the scope of the protection of the invention.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP15162154.7A EP3076081A1 (en) | 2015-04-01 | 2015-04-01 | Swirler, burner and combustor for a gas turbine engine |
EP15162154.7 | 2015-04-01 | ||
PCT/EP2016/055802 WO2016156055A1 (en) | 2015-04-01 | 2016-03-17 | Swirler, burner and combustor for a gas turbine engine |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017134597A RU2017134597A (en) | 2019-04-05 |
RU2017134597A3 RU2017134597A3 (en) | 2019-04-05 |
RU2690598C2 true RU2690598C2 (en) | 2019-06-04 |
Family
ID=52780484
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017134597A RU2690598C2 (en) | 2015-04-01 | 2016-03-17 | Swirler, burner and combustion system for gas turbine engine |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20180045414A1 (en) |
EP (2) | EP3076081A1 (en) |
CN (1) | CN107466354A (en) |
RU (1) | RU2690598C2 (en) |
WO (1) | WO2016156055A1 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10837643B2 (en) | 2018-08-06 | 2020-11-17 | General Electric Company | Mixer assembly for a combustor |
GB2593123A (en) | 2019-06-25 | 2021-09-22 | Siemens Ag | Combustor for a gas turbine |
GB2585025A (en) | 2019-06-25 | 2020-12-30 | Siemens Ag | Combustor for a gas turbine |
US11280495B2 (en) * | 2020-03-04 | 2022-03-22 | General Electric Company | Gas turbine combustor fuel injector flow device including vanes |
DE112021002636T5 (en) * | 2020-06-26 | 2023-02-16 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | FUEL INJECTOR, COMBUSTOR WITH FUEL INJECTOR, AND GAS TURBINE WITH COMBUSTOR |
US11761632B2 (en) * | 2021-08-05 | 2023-09-19 | General Electric Company | Combustor swirler with vanes incorporating open area |
CN115388428B (en) * | 2022-07-29 | 2023-06-16 | 北京航空航天大学 | Main combustion stage swirler, combustor nozzle and combustor with improved radial temperature distribution |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1867925A1 (en) * | 2006-06-12 | 2007-12-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner |
RU2511992C2 (en) * | 2012-06-27 | 2014-04-10 | Николай Борисович Болотин | Injector unit of gas-turbine engine combustion chamber |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2337102A (en) * | 1998-05-09 | 1999-11-10 | Europ Gas Turbines Ltd | Gas-turbine engine combustor |
EP1918638A1 (en) * | 2006-10-25 | 2008-05-07 | Siemens AG | Burner, in particular for a gas turbine |
EP1921376A1 (en) * | 2006-11-08 | 2008-05-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Fuel injection system |
EP1995521A1 (en) * | 2007-05-24 | 2008-11-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Swirler vane |
US20100011770A1 (en) * | 2008-07-21 | 2010-01-21 | Ronald James Chila | Gas Turbine Premixer with Cratered Fuel Injection Sites |
RU2548521C2 (en) * | 2009-05-05 | 2015-04-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Swirler, combustion chamber and gas turbine with improved mixing |
US8572981B2 (en) * | 2010-11-08 | 2013-11-05 | General Electric Company | Self-oscillating fuel injection jets |
EP2629008A1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-08-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Inclined fuel injection of fuel into a swirler slot |
-
2015
- 2015-04-01 EP EP15162154.7A patent/EP3076081A1/en not_active Withdrawn
-
2016
- 2016-03-17 CN CN201680020973.9A patent/CN107466354A/en active Pending
- 2016-03-17 WO PCT/EP2016/055802 patent/WO2016156055A1/en active Application Filing
- 2016-03-17 US US15/559,557 patent/US20180045414A1/en not_active Abandoned
- 2016-03-17 RU RU2017134597A patent/RU2690598C2/en not_active IP Right Cessation
- 2016-03-17 EP EP16710218.5A patent/EP3278029A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1867925A1 (en) * | 2006-06-12 | 2007-12-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner |
RU2511992C2 (en) * | 2012-06-27 | 2014-04-10 | Николай Борисович Болотин | Injector unit of gas-turbine engine combustion chamber |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017134597A (en) | 2019-04-05 |
RU2017134597A3 (en) | 2019-04-05 |
EP3076081A1 (en) | 2016-10-05 |
EP3278029A1 (en) | 2018-02-07 |
US20180045414A1 (en) | 2018-02-15 |
WO2016156055A1 (en) | 2016-10-06 |
CN107466354A (en) | 2017-12-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2690598C2 (en) | Swirler, burner and combustion system for gas turbine engine | |
RU2643908C2 (en) | System of preliminary mixing fuel and air (variants) and mixing method | |
US10415479B2 (en) | Fuel/air mixing system for fuel nozzle | |
JP4658471B2 (en) | Method and apparatus for reducing combustor emissions in a gas turbine engine | |
KR101324142B1 (en) | A multi-stage axial combustion system | |
US8590311B2 (en) | Pocketed air and fuel mixing tube | |
US7685823B2 (en) | Airflow distribution to a low emissions combustor | |
US9360221B2 (en) | Gas turbine burner | |
US20120017595A1 (en) | Swirler, combustion chamber, and gas turbine with improved swirl | |
JP2014132214A (en) | Fuel injector for supplying fuel to combustor | |
JP5172468B2 (en) | Combustion device and control method of combustion device | |
RU2715129C1 (en) | Swirler, combustion chamber unit and gas turbine with improved fuel/air mixing | |
KR101774094B1 (en) | Can-annular combustor with premixed tangential fuel-air nozzles for use on gas turbine engines | |
EP3102877B1 (en) | Combustor | |
EP3425281B1 (en) | Pilot nozzle with inline premixing | |
RU2626887C2 (en) | Tangential annular combustor with premixed fuel and air for use on gas turbine engines | |
EP3169938B1 (en) | Axially staged gas turbine combustor with interstage premixer | |
EP2340398B1 (en) | Alternately swirling mains in lean premixed gas turbine combustors | |
JP5460846B2 (en) | Combustion device and control method of combustion device | |
MX2008005404A (en) | Improved airflow distribution to a low emission combustor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200318 |