RU2428627C1

RU2428627C1 - Burner device

Info

Publication number: RU2428627C1
Application number: RU2010120859/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Михайлович Яковлев (RU); Николай Михайлович Яковлев; Владимир Васильевич Трещев (RU); Владимир Васильевич Трещев; Тимур Томасович Алиев (RU); Тимур Томасович Алиев; Валерий Николаевич Воронин (RU); Валерий Николаевич Воронин; Дмитрий Владимирович Скиба (RU); Дмитрий Владимирович Скиба; Дмитрий Александрович Максимов (RU); Дмитрий Александрович Максимов; Рафаэль Салихзянович Кашапов (RU); Рафаэль Салихзянович Кашапов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Волгоград"; Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Ухта"; Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Теплофизика"
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2011-09-10

Abstract

FIELD: power industry. ^ SUBSTANCE: burner device includes the main cylindrical casing, cylindrical sleeve with main fuel supply line, which form the main annular channel for air passage, axial vane swirler, gas holes for fuel supply to the main annular channel and additional cylindrical casing coaxial with the main cylindrical casing and forming together with it the additional annular channel at the inlet of which mixer of fuel-air mixture is located. ^ EFFECT: environmental characteristics are improved, the range of stable operation of burner device is enlarged and flame tube wall temperature is decreased. ^ 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.The invention relates to the field of engine building and can be used in the combustion chambers of gas turbine engines.

Известно горелочное устройство (US 2001052229, МКИ F23R 3/14, опубл. 20.12.2001), разработанное специалистами фирмы General Electric. Горелочное устройство состоит из цилиндрического кожуха, цилиндрической втулки с магистралью подвода топлива, образующих кольцевой канал для прохода воздуха, аксиального лопаточного завихрителя и системы отверстий для подачи топлива в кольцевой канал, размещенных на лопаточном завихрителе, а также струевыпрямителя на входе в горелочное устройство. Основной недостаток этого горелочного устройства заключается в необходимости ограничивать процесс смешения малыми временами смешения, поскольку большие времена смешения приводят к возбуждению самоподдерживающихся колебаний давления. Кроме того, в данном горелочном устройстве струя закрученной топливовоздушной смеси, воспламенившейся в объеме камеры сгорания, за счет центробежных сил имеет большой угол раскрытия и тем самым большую радиальную составляющую скорости. Большая радиальная составляющая скорости высокотемпературной закрученной струи приводит к высоким коэффициентам теплоотдачи при торможении данной струи на стенках жаровой трубы.Known burner device (US 2001052229, MKI F23R 3/14, publ. 12/20/2001), developed by specialists of the company General Electric. The burner device consists of a cylindrical casing, a cylindrical sleeve with a fuel supply line forming an annular channel for air passage, an axial blade swirl and a system of holes for supplying fuel to the annular channel located on the blade swirl, as well as a straightener at the entrance to the burner device. The main disadvantage of this burner device is the need to limit the mixing process to short mixing times, since large mixing times lead to the excitation of self-sustaining pressure fluctuations. In addition, in this burner device, the jet of a swirling air-fuel mixture ignited in the volume of the combustion chamber, due to centrifugal forces, has a large opening angle and thereby a large radial velocity component. The large radial component of the velocity of the high-temperature swirling jet leads to high heat transfer coefficients when this jet is braked on the walls of the flame tube.

Известна камера сгорания (US 6691515, МКИ⁵ F23D 14/82, опубл. 17.02.2004), в которой подача топлива разделена на подачу в центральное горелочное устройство и в несколько дополнительных каналов предварительного смешения, обеспечивающих высокий уровень смешения. За счет разницы в точках подвода предварительно перемешанной смеси из центрального горелочного устройства и из дополнительных каналов смешения создаются условия для подавления самоподдерживающихся колебаний давления вследствие различных времен запаздывания.A known combustion chamber (US 6691515, MKI ⁵ F23D 14/82, published February 17, 2004), in which the fuel supply is divided into the supply to the central burner device and to several additional preliminary mixing channels, providing a high level of mixing. Due to the difference in the points of supply of the premixed mixture from the central burner device and from additional mixing channels, conditions are created for suppressing self-sustaining pressure fluctuations due to different retardation times.

Недостатком известной камеры является то, что из-за различного времени пребывания в зоне горения топливовоздушной смеси из центрального горелочного устройства и смеси из дополнительных каналов повышается уровень выбросов угарного газа.A disadvantage of the known chamber is that due to the different residence times in the combustion zone of the air-fuel mixture from the central burner device and the mixture from additional channels, the level of carbon monoxide emissions increases.

Известно горелочное устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее цилиндрический кожух и цилиндрическую втулку с расположенной внутри магистралью подвода топлива, которые образуют кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, установленный между цилиндрическим кожухом и цилиндрической втулкой, систему отверстий и пилонов, а также газовые сопла, установленные за аксиальным лопаточным завихрителем (патент РФ №2137042, МПК F23D 14/20, опубл. 10.09.1999).Known burner device, selected as a prototype, containing a cylindrical casing and a cylindrical sleeve with a fuel supply line located inside, which form an annular channel for air passage, an axial blade swirl mounted between the cylindrical casing and the cylindrical sleeve, a system of holes and pylons, as well as gas nozzles installed behind the axial blade swirl (RF patent No. 2137042, IPC F23D 14/20, publ. 09/10/1999).

Недостаток прототипа заключается в невозможности обеспечения полного смешения топлива с воздухом при одновременном обеспечении широкого диапазона устойчивой работы горелочного устройства.The disadvantage of the prototype is the inability to ensure complete mixing of fuel with air while ensuring a wide range of stable operation of the burner device.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства, снижение температуры стенки жаровой трубы, а также улучшение экологических характеристик устройства.The task to which the invention is directed is to increase the range of stable operation of the burner device, reduce the temperature of the heat pipe wall, and also improve the environmental characteristics of the device.

Поставленная задача решается тем, что горелочное устройство содержит основной цилиндрический кожух, цилиндрическую втулку с магистралью подвода топлива, образующие основной кольцевой канал для прохода воздуха, аксиальный лопаточный завихритель, газовые отверстия для подачи топлива в основной кольцевой канал. В отличие от прототипа устройство содержит дополнительный цилиндрический кожух, соосный с основным цилиндрическим кожухом и образующий с ним дополнительный кольцевой канал, на входе которого расположен смеситель топливовоздушной смеси.The problem is solved in that the burner device contains a main cylindrical casing, a cylindrical bushing with a fuel supply line, forming a main annular channel for air passage, an axial blade swirl, gas holes for supplying fuel to the main annular channel. Unlike the prototype, the device contains an additional cylindrical casing, coaxial with the main cylindrical casing and forming an additional annular channel with it, at the input of which there is an air-fuel mixture mixer.

Согласно изобретению смеситель топливовоздушной смеси выполнен в виде отверстий для подачи воздуха, расположенных на дополнительном цилиндрическом кожухе, и отверстий для подачи топлива, расположенных на втулке, установленной между основным и дополнительным цилиндрическими кожухами.According to the invention, the air-fuel mixture mixer is made in the form of air supply openings located on an additional cylindrical casing, and fuel supply openings located on a sleeve mounted between the main and additional cylindrical casings.

Согласно изобретению горелочное устройство содержит дополнительный топливный клапан для регулирования подачи топлива между газовыми отверстиями для подачи топлива в основной кольцевой канал и смесителем топливовоздушной смеси, расположенным на входе в дополнительный кольцевой канал.According to the invention, the burner device comprises an additional fuel valve for regulating the fuel supply between the gas holes for supplying fuel to the main annular channel and the air-fuel mixture mixer located at the inlet of the additional annular channel.

В дополнительном кольцевом канале происходит смешение топлива с воздухом, и на его выходе, расположенном в объеме камеры сгорания, вытекает хорошо перемешанная топливовоздушная смесь без закрутки потока. Подача в зону горения хорошо перемешанной топливовоздушной смеси без закрутки потока позволяет подавить образование периодически образующихся вихревых упорядоченных структур в периферийной области горелочного устройства и тем самым позволяет подавить самоподдерживающиеся пульсации давления. Это предотвращает возникновение динамической неустойчивости горения (J.U.Schluter Static Control of Combustion Oscillations by Coaxial Flows: A Large-Eddy Simulations Investigations, Journal of Propulsion and Power, 20 (3); 460-467, 2004).In the additional annular channel, the fuel mixes with air, and at its outlet, located in the volume of the combustion chamber, a well-mixed air-fuel mixture flows without swirling the flow. The supply to the combustion zone of a well-mixed air-fuel mixture without swirling the flow makes it possible to suppress the formation of periodically generated ordered vortex structures in the peripheral region of the burner device and thereby suppresses self-sustaining pressure pulsations. This prevents dynamic combustion instability (J.U. Schluter Static Control of Combustion Oscillations by Coaxial Flows: A Large-Eddy Simulations Investigations, Journal of Propulsion and Power, 20 (3); 460-467, 2004).

В устройстве по патенту US 6691515 известно применение нескольких каналов подачи предварительно подготовленной топливовоздушной смеси, и также созданы условия для подавления самоподдерживающихся колебаний давления. Однако в известном техническом решении дополнительные каналы, выполненные в виде отдельных узлов, соединенных с жаровой трубой, расположены значительно ниже по потоку от среза горелочного устройства. В результате, время пребывания в зоне горения топливовоздушной смеси, поступающей из основного канала, и смеси, поступающей из дополнительных каналов, различно, что приводит к росту выбросов угарного газа.In the device according to the patent US 6691515 it is known the use of several channels for supplying a pre-prepared air-fuel mixture, and conditions are also created for suppressing self-sustaining pressure fluctuations. However, in the known technical solution, additional channels, made in the form of separate nodes connected to the flame tube, are located significantly downstream from the cut of the burner device. As a result, the residence time in the combustion zone of the air-fuel mixture coming from the main channel and the mixture coming from additional channels is different, which leads to an increase in carbon monoxide emissions.

В заявляемом же изобретении время пребывания в зоне горения потоков топливовоздушной смеси из основного и дополнительного каналов одинаково, что устраняет указанный недостаток известного решения и улучшает экологические характеристики горелочного устройства. Кроме того, расположение смесителя на большом удалении от среза горелочного устройства позволяет обеспечить хорошее смешение топливовоздушной смеси в дополнительном кольцевом канале, что позволяет снизить эмиссию оксидов азота.In the claimed invention, the time spent in the combustion zone of the flows of the air-fuel mixture from the main and additional channels is the same, which eliminates the indicated drawback of the known solution and improves the environmental characteristics of the burner device. In addition, the location of the mixer at a great distance from the cutoff of the burner device allows for good mixing of the air-fuel mixture in an additional annular channel, which reduces the emission of nitrogen oxides.

Распределенная подача топлива между двумя контурами предварительного смешения с помощью топливного клапана позволяет обеспечить устойчивость горения на пониженных режимах без применения диффузионной подачи топлива и также снизить эмиссию оксидов азота на режимах пониженной нагрузки при соблюдении ограничений на эмиссию оксида углерода (СО).The distributed fuel supply between the two preliminary mixing circuits by means of a fuel valve makes it possible to ensure combustion stability in reduced conditions without using diffusion fuel supply and also to reduce the emission of nitrogen oxides in reduced load modes, subject to the restrictions on the emission of carbon monoxide (CO).

Кроме того, смешение потока без закрутки, поступающего из дополнительного канала, с закрученным потоком плохо перемешанной топливовоздушной смеси, поступающим из основного канала в камеру сгорания, приводит к уменьшению угла раскрытия струй в камере сгорания и тем самым к уменьшению коэффициента теплоотдачи к стенкам жаровой трубы. Уменьшение коэффициента теплоотдачи приводит к уменьшению температуры стенок жаровой трубы.In addition, mixing the flow without swirl coming from the additional channel with the swirling flow of a poorly mixed air-fuel mixture coming from the main channel into the combustion chamber leads to a decrease in the opening angle of the jets in the combustion chamber and thereby to a reduction in the heat transfer coefficient to the walls of the flame tube. A decrease in the heat transfer coefficient leads to a decrease in the temperature of the walls of the flame tube.

Из уровня техники не известно и не очевидно, что в результате предложенных отличительных признаков достигается увеличение диапазона устойчивой работы горелочного устройства, улучшение экологических характеристик устройства.From the prior art it is not known and not obvious that as a result of the proposed distinguishing features, an increase in the range of stable operation of the burner device, an improvement in the environmental characteristics of the device are achieved.

Существо изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема горелочного устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a burner device.

Горелочное устройство содержит основной цилиндрический кожух 1, цилиндрическую втулку 2, образующие основной кольцевой канал 3 для прохода воздуха, магистраль 4 подвода топлива, газовые отверстия 5 для подачи топлива в основной кольцевой канал 3, аксиальный лопаточный завихритель 6, дополнительный цилиндрический кожух 7, соосный с основным цилиндрическим кожухом 1 и образующий с ним дополнительный кольцевой канал 8, на входе которого расположен смеситель 9 топливовоздушной смеси. Смеситель 9 образован воздушными отверстиями 10 и отверстиями 11 для подачи топлива, расположенными на газораспределителе 12. Позицией 13 обозначен топливный клапан для регулирования подачи топлива между газовыми отверстиями 5 и смесителем 9, введенный для улучшения пусковых характеристик горелочного устройства, и позволяет на запуске увеличить концентрацию топлива, поступающего в дополнительный кольцевой канал 8. В процессе перехода на рабочие режимы с помощью данного клапана обеспечивается оптимальная концентрация топлива в основном и дополнительном каналах.The burner device comprises a main cylindrical casing 1, a cylindrical sleeve 2, forming a main annular channel 3 for air passage, a fuel supply line 4, gas openings 5 for supplying fuel to the main annular channel 3, an axial blade swirler 6, an additional cylindrical casing 7, coaxial with the main cylindrical casing 1 and forming an additional annular channel 8 with it, at the inlet of which there is a mixer 9 of the air-fuel mixture. The mixer 9 is formed by air holes 10 and holes 11 for supplying fuel located on the gas distributor 12. Position 13 denotes a fuel valve for regulating the fuel supply between the gas holes 5 and the mixer 9, introduced to improve the starting characteristics of the burner device, and allows to increase the fuel concentration at start-up entering the additional annular channel 8. In the process of switching to operating modes with the help of this valve, the optimum fuel concentration is mainly ensured and Accessory channels.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Воздух поступает в основной кольцевой канал 3 горелочного устройства, закручивается, проходя через аксиальный лопаточный завихритель 6, и далее попадает в первичную зону смешения. Газ, проходя по магистрали 4 подвода топлива и охлаждая цилиндрическую втулку 2, через газовые отверстия 5 также подается в зону смешения в основном кольцевом канале 3. Дополнительный поток воздуха поступает в смеситель 9 топливовоздушной смеси, из которого поступает в дополнительный кольцевой канал 8, в котором также происходит смешение топлива с воздухом. В связи с тем, что смеситель 9 расположен на большом удалении от среза горелочного устройства, топливовоздушная смесь хорошо смешивается. Смесь из основного 3 и дополнительного канала 8 горелочного устройства поступает в камеру сгорания. Топливовоздушная смесь из основного кольцевого канала 3 имеет закрутку, что приводит к образованию на выходе из горелочного устройства центральной рециркуляционной зоны, в которой обеспечивается стабилизация горения топливовоздушной смеси, а устойчивость стабилизации горения обеспечивается малым временем смешения топливовоздушной смеси в основном канале 3. Дополнительный поток топливовоздушной смеси из дополнительного канала 8 не имеет закрутки, за счет чего при встрече его с основным потоком, выходящим из канала 3, происходит разрушение крупномасштабных вихревых структур, образованных основным потоком. Это предотвращает возникновение динамической неустойчивости горения и замедляет раскрытие основного потока, что, в свою очередь, уменьшает коэффициент теплоотдачи со стороны продуктов сгорания на стенку жаровой трубы (не показана).The operation of the burner is as follows. Air enters the main annular channel 3 of the burner device, swirls through an axial blade swirler 6, and then enters the primary mixing zone. Gas passing through the fuel supply line 4 and cooling the cylindrical sleeve 2, through gas openings 5 is also supplied to the mixing zone in the main annular channel 3. An additional air stream enters the mixer 9 of the air-fuel mixture, from which it enters an additional annular channel 8, in which mixing of fuel with air also occurs. Due to the fact that the mixer 9 is located at a great distance from the cut of the burner device, the air-fuel mixture mixes well. The mixture from the main 3 and additional channel 8 of the burner device enters the combustion chamber. The air-fuel mixture from the main annular channel 3 has a swirl, which leads to the formation of a central recirculation zone at the outlet of the burner device, in which the combustion of the air-fuel mixture is stabilized, and the stability of the combustion stabilization is ensured by the short mixing time of the air-fuel mixture in the main channel 3. An additional stream of the air-fuel mixture from the additional channel 8 does not have a twist, due to which, when it meets the main stream leaving channel 3, destruction occurs large-scale vortex structures formed by the main flow. This prevents the occurrence of dynamic combustion instability and slows down the opening of the main stream, which, in turn, reduces the heat transfer coefficient from the combustion products to the wall of the flame tube (not shown).

Таким образом, в заявляемом горелочном устройстве благодаря выполнению новых конструктивных элементов обеспечивается улучшение экологических характеристик, увеличивается диапазон устойчивой работы горелочного устройства и снижается температура стенки жаровой трубы.Thus, in the inventive burner device due to the implementation of new structural elements provides improved environmental performance, increases the range of stable operation of the burner device and reduces the temperature of the wall of the flame tube.

Claims

1. A burner device comprising a main cylindrical casing, a cylindrical sleeve with a fuel supply line, forming a main annular channel for air passage, an axial blade swirl, gas openings for supplying fuel to the main annular channel, characterized in that it contains an additional cylindrical casing, coaxial with the main cylindrical casing and forming an additional annular channel with it, at the entrance of which there is a mixer of the air-fuel mixture.

2. The burner device according to claim 1, characterized in that the air-fuel mixture mixer is made in the form of air supply openings located on an additional cylindrical casing, and fuel supply openings located on a sleeve mounted between the main and additional cylindrical casings.

3. The burner device according to claim 1, characterized in that it contains an additional fuel valve for regulating the fuel supply between the gas holes for supplying fuel to the main annular channel and the air-fuel mixture mixer located at the entrance to the additional annular channel