RU2036383C1

RU2036383C1 - Burner device

Info

Publication number: RU2036383C1
Application number: RU92002161A
Authority: RU
Inventors: Р.С. Кашапов; Д.А. Максимов; Р.Ф. Ахметов; А.А. Редькин; Р.М. Исламов; Ф.Г. Тухбатуллин
Original assignee: Кашапов Рафаэль Салихзянович
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1995-05-27

Abstract

FIELD: gas turbine plants. SUBSTANCE: burner device has fuel feed tube, fuel header and mixer. To reduce emission of nitric oxides and enhance reliability of operation, mixer is made in form of axial blade swirler consisting of bent blades mounted at varying alternating angular pitch forming wide inter-blade passages for supply of fuel-and-air mixture and narrow inter-blade passages for feeding the cooling air. Fuel header is tubular; header tubes are mounted before blade swirler along axis of wide inter-blade passages. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено, например, в камерах сгорания газотурбинных установок и в нагревательных печах. The invention relates to mechanical engineering and can be applied, for example, in the combustion chambers of gas turbine plants and in heating furnaces.

Известны диффузионные горелочные устройства [1] содержащие топливоподводящую трубку, топливную форсунку типа "грибок", размещенную по центру лопаточного завихрителя. Known diffusion burner devices [1] containing a fuel supply tube, a fuel nozzle of the "fungus" type, located in the center of the blade swirl.

Недостатком этих горелочных устройств является высокий уровень эмиссии окислов азота даже при работе на бедных смесях, поскольку смешение топлива и воздуха происходит за счет турбулентной диффузии в объеме камеры сгорания и всегда существуют локальные горячие области с околостехиометрическим составом смеси. The disadvantage of these burner devices is the high level of nitrogen oxide emission even when working on lean mixtures, since the mixture of fuel and air occurs due to turbulent diffusion in the volume of the combustion chamber and local hot regions with a near stoichiometric composition of the mixture always exist.

Известны горелочные устройства с полным предварительным смешением [2] содержащие топливоподводящую трубку, смеситель и завихритель. Known burner devices with full preliminary mixing [2] containing a fuel supply pipe, mixer and swirl.

Недостатком этих устройств является низкая надежность при работе на пониженных расходах топлива и воздуха, а также при высоких давлениях и температурах воздуха. На таких режимах скорость распространения пламени приближается к скорости течения топливовоздушной смеси, и может произойти проскок пламени в смеситель, приводящий к разрушению элементов смесителя и завихрителя. The disadvantage of these devices is their low reliability when operating at reduced fuel and air consumption, as well as at high pressures and air temperatures. In such modes, the flame propagation velocity approaches the flow rate of the air-fuel mixture, and a flame may slip into the mixer, leading to the destruction of the elements of the mixer and swirl.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство камеры сгорания ГТД [3] содержащее топливоподводящую трубку, кольцевой топливный коллектор, смеситель и форсунку, установленную в центре горелочного устройства. The closest technical solution, selected as a prototype, is a gas turbine combustion chamber burner device [3] containing a fuel supply pipe, an annular fuel manifold, a mixer and a nozzle mounted in the center of the burner device.

Недостатком этой конструкции является достаточно высокий уровень эмиссии окислов азота, так как часть топлива смешивается с воздухом в объеме камеры сгорания за счет турбулентной диффузии и всегда существуют локальные области с околостехиометрическими составами смеси, а также низкая надежность вследствие того, что при снижении нагрузки и работе при высоких давлениях и температурах воздуха возможен проскок пламени в смеситель, приводящий к его разрушению. The disadvantage of this design is the relatively high level of emission of nitrogen oxides, since part of the fuel is mixed with air in the volume of the combustion chamber due to turbulent diffusion, and there are always local areas with near stoichiometric compositions of the mixture, as well as low reliability due to the fact that when the load is reduced and operation during at high pressures and air temperatures, a flame can slip into the mixer, leading to its destruction.

Таким образом, можно заключить, что известные горелочные устройства не обладают необходимым экологическим совершенством в сочетании с надежностью работы. Диффузионные горелочные устройства [1] надежны, но отличаются высокими уровнями эмиссии окислов азота, горелочные устройства с полным предварительным смешением [2] неработоспособны на пониженных нагрузках, при высоких давлениях и температурах воздуха из-за опасности проскока пламени в смеситель, в результате чего не существует примеров удачного применения этого типа горелочных устройств в камерах сгорания промышленных газотурбинных установок. Thus, we can conclude that the known burner devices do not possess the necessary environmental excellence in combination with reliable operation. Diffusion burner devices [1] are reliable, but are characterized by high levels of nitrogen oxide emissions, burners with full preliminary mixing [2] are inoperative at reduced loads, at high pressures and air temperatures due to the danger of flame penetration into the mixer, as a result of which there is no examples of successful use of this type of burner in the combustion chambers of industrial gas turbine plants.

Горелочные устройства с частичным предварительным смешением типа [3] по своим экологическим и эксплуатационным характеристикам занимают промежуточное положение, сочетая в равной степени преимущества и недостатки первых двух видов горелочных устройств. Partial preliminary mixing burners of the type [3] occupy an intermediate position in terms of their environmental and operational characteristics, combining equally the advantages and disadvantages of the first two types of burner devices.

Целью изобретения является снижение эмиссии окислов азота и повышение надежности работы горелочного устройства. The aim of the invention is to reduce the emission of nitrogen oxides and increase the reliability of the burner device.

Цель достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем топливоподводящую трубку, топливный коллектор и смеситель, смеситель выполнен в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы для подачи охлаждающего воздуха, топливный коллектор выполнен трубчатым, при этом трубки топливного коллектора установлены перед лопаточным завихрителем по оси широких межлопаточных каналов. The goal is achieved in that in the burner device containing the fuel supply pipe, the fuel manifold and the mixer, the mixer is made in the form of an axial blade swirler, consisting of curved blades mounted with a variable alternating angular pitch, forming wide interscapular channels for supplying the air-fuel mixture and narrow interscapular channels for supplying cooling air, the fuel manifold is made tubular, while the fuel manifold tubes are installed in front of the blade swirl along the axis wide interscapular canals.

В заявляемом горелочном устройстве происходит снижение эмиссии окислов азота за счет предварительного смешения топлива с воздухом в широких межлопаточных каналах аксиального лопаточного завихрителя с одновременным охлаждением лопаток завихрителя воздухом, проходящим через узкие межлопаточные каналы, что в известных в настоящее время конструкциях горелочных устройств не производилось. In the inventive burner device, there is a decrease in the emission of nitrogen oxides due to preliminary mixing of fuel with air in the wide interscapular channels of the axial blade swirl with simultaneous cooling of the blades of the swirl with air passing through narrow interscapular channels, which was not performed in the currently known designs of burner devices.

Выполнение горелочного устройства заявляемой конструкции позволяет осуществить процесс сжигания обедненной топливовоздушной смеси в камере сгорания без локальных областей с околостехиометрическим составом, в которых скорость окисления азота наиболее высока, и одновременно обеспечивает сохранность завихрителя при проскоках пламени, что повышает надежность работы горелочного устройства в сравнении с известными в настоящее время техническими решениями с частичным или полным предварительным смешением топлива. The implementation of the burner device of the claimed design allows the process of burning a lean air-fuel mixture in the combustion chamber without local areas with a near stoichiometric composition, in which the rate of nitrogen oxidation is highest, and at the same time ensures the safety of the swirler during breakthroughs of the flame, which increases the reliability of the burner in comparison with those known in currently technical solutions with partial or complete preliminary mixing of fuel.

Таким образом, заявляемое горелочное устройство предназначено для сжигания газообразного, парообразного и аэрозольного топлива с избытком окислителя и в процессе работы позволяет получить новые, неизвестные ранее свойства. Thus, the inventive burner device is designed to burn gaseous, vaporous and aerosol fuels with an excess of oxidizing agent and in the process it allows to obtain new, previously unknown properties.

На фиг. 1 изображено предлагаемое горелочное устройство; на фиг. 2 то же, вид сбоку. In FIG. 1 shows the proposed burner device; in FIG. 2 same side view.

Горелочное устройство содержит топливоподводящую трубку 1, на которой установлены трубки топливного коллектора 2, расположенные перед аксиальным лопаточным завихрителем 3, изогнутые лопатки 4 которого имеют прямой удлиненный входной участок в радиальной плоскости и размещены в лопаточном завихрителе 3 с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы 5 для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы 6 для подачи охлаждающего воздуха, при этом трубки топливного коллектора 2 расположены равномерно в плоскости, перпендикулярной оси топливоподводящей трубки 1, и в них выполнены отверстия для подачи топлива, размещенные по оси широких межлопаточных каналов 5. The burner device includes a fuel supply pipe 1, on which fuel manifold tubes 2 are installed, located in front of the axial blade swirl 3, the curved blades 4 of which have a straight elongated inlet portion in the radial plane and are placed in the blade swirl 3 with a variable alternating angular pitch, forming wide interscapular channels 5 for supplying the air-fuel mixture and narrow interscapular channels 6 for supplying cooling air, while the tubes of the fuel manifold 2 are located equal numerically in a plane perpendicular to the axis of the fuel supply tube 1, and holes for supplying fuel are made in them, placed along the axis of the wide interscapular channels 5.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. The operation of the burner is as follows.

Топливо поступает в топливоподводящую трубку 1, охлаждает обращенные к пламени поверхности топливоподводящей трубки 1 и аксиального лопаточного завихрителя 3 и через отверстия в трубках топливного коллектора 2 впрыскивается в широкие межлопаточные каналы 5, образованные изогнутыми лопатками 4, установленными с переменным чередующимся угловым шагом. Воздух поступает в широкие 5 и узкие 6 межлопаточные каналы. В широких межлопаточных каналах 5 осуществляется смешение топлива с воздухом. Длина прямого удлиненного входного участка межлопаточного канала выбирается из условия полного смешения топлива с воздухом (исходя из опыта создания эжекционных горелочных устройств, эта длина должна составлять 8-12 гидравлических диаметров канала). The fuel enters the fuel supply pipe 1, cools the surfaces of the fuel supply pipe 1 and the axial blade swirl 3 facing the flame, and is injected through the openings in the pipes of the fuel manifold 2 into wide interscapular channels 5 formed by curved blades 4 mounted with alternating angular pitch. Air enters the wide 5 and narrow 6 interscapular canals. In the wide interscapular channels 5, the fuel is mixed with air. The length of the direct elongated inlet section of the interscapular channel is selected from the condition of complete mixing of fuel with air (based on the experience of creating ejection burner devices, this length should be 8-12 hydraulic diameters of the channel).

Воздух, проходящий в узких межлопаточных каналах 6, охлаждает лопатки, что предотвращает их разрушение в случае проскока пламени. Поджигание топливовоздушной смеси осуществляется посторонним источником воспламенения, например электроискровой свечой. Стабилизация пламени осуществляется за счет зоны рециркуляции, создаваемой лопаточным завихрителем 3. The air passing in the narrow interscapular channels 6 cools the blades, which prevents their destruction in the event of a breakthrough of the flame. The ignition of the air-fuel mixture is carried out by an external ignition source, for example, an electric spark plug. The stabilization of the flame is carried out due to the recirculation zone created by the scapular swirler 3.

Горелочное устройство работает на обедненной предварительно перемешанной топливовоздушной смеси, в результате чего уровень эмиссии окислов азота очень незначителен. Происходящий при сильном уменьшении нагрузки проскок пламени не приводит к разрушению горелочного устройства благодаря применению в заявляемом устройстве охлаждаемых воздухом лопаток завихрителя 3. The burner device operates on a lean pre-mixed air-fuel mixture, as a result of which the level of emission of nitrogen oxides is very insignificant. Flashing through when the load is greatly reduced does not lead to the destruction of the burner device due to the use of swirl blades 3 in the inventive device.

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве благодаря выполнению новых отличительных конструктивных признаков, а именно выполнению смесителя в виде аксиального лопаточного завихрителя, состоящего из изогнутых лопаток, установленных с переменным чередующимся угловым шагом, образующим широкие межлопаточные каналы для подвода топливовоздушной смеси и узкие межлопаточные каналы для подачи охлаждающего воздуха, а также выполнению топливного коллектора трубчатым, причем трубки топливного коллектора установлены перед лопаточным завихрителем по оси широких межлопаточных каналов, обеспечивается снижение эмиссии окислов азота и повышается надежность работы горелочного устройства. Thus, in the inventive burner device due to the implementation of new distinctive design features, namely, the implementation of the mixer in the form of an axial blade swirler, consisting of curved blades mounted with a variable alternating angular pitch, forming wide interscapular channels for supplying the air-fuel mixture and narrow interscapular channels for supplying cooling air, as well as the implementation of the fuel manifold tubular, and the fuel manifold tubes are installed in front of the blade avihritelem interblade channels of the wide axis is provided by reduction of nitrogen oxides emissions and increases the reliability of the burner.

Claims

BURNER DEVICE comprising a fuel supply pipe, a fuel manifold and a mixer, characterized in that the mixer is made in the form of an axial blade swirl with curved blades mounted with alternating alternating angular pitch, forming interscapular channels for supplying air and air-fuel mixture, the width of the latter being larger than the channels for supplying air and the fuel manifold is made of tubes installed in front of the swirl along the axis of the air-fuel mixture channels.