[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2802115C1 - Gas turbine combustion chamber - Google Patents

Gas turbine combustion chamber Download PDF

Info

Publication number
RU2802115C1
RU2802115C1 RU2022132716A RU2022132716A RU2802115C1 RU 2802115 C1 RU2802115 C1 RU 2802115C1 RU 2022132716 A RU2022132716 A RU 2022132716A RU 2022132716 A RU2022132716 A RU 2022132716A RU 2802115 C1 RU2802115 C1 RU 2802115C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pylons
front device
air
additional front
fuel
Prior art date
Application number
RU2022132716A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Давыдович Свердлов
Алексей Николаевич Дубовицкий
Александр Анатольевич Пузич
Татьяна Леонидовна Долгополова
Марина Георгиевна Христева
Александр Владимирович Владимиров
Original Assignee
Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" filed Critical Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Application granted granted Critical
Publication of RU2802115C1 publication Critical patent/RU2802115C1/en

Links

Abstract

FIELD: gas turbine plants.
SUBSTANCE: invention can be used in the combustion chambers of aircraft gas turbine engines. The combustion chamber of the gas turbine plant contains a flame tube with a front device, an additional front device installed on the wall of the flame tube. The additional front device consists of a body with outer and inner walls, with a mixing chamber installed between them and interconnected pylons. The pylons are wedge-shaped in cross section and with a flat wall, installed evenly around the circumference with gaps between them. The outer wall of the housing contains a fuel cavity communicated with the fuel supply channels. The mixing chamber is connected at the inlet with channels for supplying air through the gaps between the pylons, and at the outlet it is in communication with the channel for supplying the air-fuel mixture to the flame tube. The mixing chamber is equipped with a fairing installed on the outer wall of the body of the additional front device. The wedge-shaped pylons face the mixing chamber with their flat wall; a calibrated hole for fuel supply is made in the flat wall of each pylon. The pylons are provided with a channel communicated on one side with the fuel cavity, and on the other side with the mixing chamber through a calibrated hole.
EFFECT: increased efficiency and reliability of the combustion chamber of a gas turbine plant in the conditions of its operation at high temperatures and air pressure at the inlet to the combustion chamber, expansion of the range of low-emission operation of the gas turbine combustion chamber.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) и может быть использовано в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей.The invention relates to gas turbine plants (GTP) and can be used in the combustion chambers of aircraft gas turbine engines.

Одной из важнейших задач при разработке камеры сгорания является снижение уровня эмиссии вредных веществ, загрязняющих атмосферу. Основное внимание уделяется снижению в продуктах сгорания концентрации оксидов азота (NOx) и монооксида углерода (СО). Высокая эмиссия этих веществ характерна для диффузионных камер сгорания любой тепловой машины, работающей на природном углеводородном топливе. При создании малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) основной проблемой является достижение эффективного предварительного смешения топлива с воздухом и организация подачи в камеру обедненных гомогенизированных топливовоздушных смесей (ТВС) с достижением устойчивого горения при минимальном, но достаточным для эффективного сгорания времени пребывания продуктов сгорания в зонах с высокими температурами. В условиях высокотемпературных ГТУ для расширения диапазона низкоэмиссионной работы без использования специальных методов регулирования на дроссельных режимах, приводящих к снижению КПД ГТУ на этих режимах, а также для снижения эмиссии на наиболее теплонапряженных режимах работы применяют двухзонные схемы сжигания бедных заранее перемешанных смесей. Причем, дополнительные зоны сжигания топлива в МЭКС располагают ниже по потоку от основных зон, ближе к концу жаровой трубы.One of the most important tasks in the development of the combustion chamber is to reduce the level of emissions of harmful substances that pollute the atmosphere. The focus is on reducing the concentration of nitrogen oxides (NO x ) and carbon monoxide (CO) in the combustion products. High emission of these substances is typical for diffusion combustion chambers of any thermal engine running on natural hydrocarbon fuel. When creating a low-emission combustion chamber (MECS), the main problem is to achieve efficient pre-mixing of fuel with air and organize the supply of lean homogenized fuel-air mixtures (FA) into the chamber with the achievement of stable combustion at a minimum, but sufficient for efficient combustion of the residence time of combustion products in areas with high temperatures. Under conditions of high-temperature gas turbines, in order to expand the range of low-emission operation without the use of special control methods in throttle modes, leading to a decrease in the efficiency of gas turbines in these modes, as well as to reduce emissions in the most heat-intensive operation modes, two-zone combustion schemes of lean premixed mixtures are used. Moreover, additional fuel combustion zones in the MEKS are located downstream of the main zones, closer to the end of the flame tube.

Известна малоэмиссионная камера сгорания с двухзонной схемой организации низкоэмиссионного сжигания топлив которая содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из внешней и внутренней стенок, с установленной между ними смесительной камерой (Rolls-Royce Industrial Trent: combustion and other technologies / C. Barkey, S. Richards, N. Harrop, P. Kotsiopriftis, R. Mastroberardino, D. Squires, T. Scarinci // Proceedings of International Sumposium of Air Breathing Engines. - 1999. - Paper №ISABE 997285). Дополнительное фронтовое устройство состоит из каналов подачи воздуха и каналов подачи топлива в смесительную камеру, а также из системы каналов для подачи струй ТВС из смесительной камеры под углом к стенкам жаровой трубы для их последующего сжигания во второй зоне горения МЭКС. При этом система смешения струй воздуха и топлива представляет собой кольцевой расширяющийся канал для подачи потока воздуха и кольцевой канал подачи струй топлива перпендикулярно потоку воздуха через ряд отверстий, расположенных вдоль воздушного канала. На выходе из смесительной камеры поток ТВС делится с помощью отдельных трубок на ряд более мелких потоков, которые подают струи ТВС под углом к стенкам жаровой трубы для их сжигания в дополнительной зоне горения.A low-emission combustion chamber with a two-zone scheme for organizing low-emission fuel combustion is known, which contains a flame tube with a front device, an additional front device mounted on the wall of the flame tube, consisting of external and internal walls, with a mixing chamber installed between them (Rolls-Royce Industrial Trent: combustion and other technologies / C. Barkey, S. Richards, N. Harrop, P. Kotsiopriftis, R. Mastroberardino, D. Squires, T. Scarinci // Proceedings of International Sumposium of Air Breathing Engines, 1999, Paper No. ISABE 997285 ). The additional front device consists of channels for supplying air and channels for supplying fuel to the mixing chamber, as well as a system of channels for supplying jets of fuel assemblies from the mixing chamber at an angle to the walls of the flame tube for their subsequent combustion in the second MEKS combustion zone. In this case, the system for mixing air and fuel jets is an annular expanding channel for supplying an air flow and an annular channel for supplying fuel jets perpendicular to the air flow through a number of holes located along the air channel. At the exit from the mixing chamber, the FA flow is divided by means of separate tubes into a number of smaller flows, which feed the FA jets at an angle to the walls of the flame tube for their combustion in the additional combustion zone.

Недостатком известной двухзонной МЭКС является сложность конструкции и длина каналов подачи ТВС от смесительной камеры в жаровую трубу, что приводит к нарастанию пограничных слоев, к отрыву потока от стенок и периодически приводит к воспламенению ТВС или проскоку пламени из жаровой трубы в смесительную камеру, что сопровождается их перегревом или прогаром.A disadvantage of the well-known two-zone MEX is the complexity of the design and the length of the channels for supplying fuel assemblies from the mixing chamber to the flame tube, which leads to an increase in boundary layers, to separation of the flow from the walls and periodically leads to ignition of the fuel assemblies or flashback of the flame from the flame tube into the mixing chamber, which is accompanied by their overheating or burnout.

Известна малоэмисионная камера сгорания с двумя зонами кинетического горения которая содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы (RU 2753202, 2020). Камера сгорания состоит из модульных элементов, расположенных по окружности концентрично ротору двигателя снаружи по отношению к последним ступеням его компрессора. Внутри каждого модульного элемента установлено: фронтовое устройство с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой с регулируемым топливоподводом и внешней основной горелкой предварительного смешения с радиальным лопаточным завихрителем воздуха и с двумя - главной и корректирующей - независимыми регулируемыми системами топливоподвода, выпускные каналы которых размещены в межлопаточных полостях указанного лопаточного завихрителя воздуха, а также примыкающая к фронтовому устройству жаровая труба с пламенным участком и газоотводным участком.A low-emission combustion chamber with two zones of kinetic combustion is known, which contains a flame tube with a front device, an additional front device mounted on the wall of the flame tube (RU 2753202, 2020). The combustion chamber consists of modular elements arranged in a circle concentric to the engine rotor outside with respect to the last stages of its compressor. Inside each modular element is installed: a front device with concentrically located internal diffusion pilot burner with an adjustable fuel supply and an external main pre-mixing burner with a radial bladed air swirler and with two - main and corrective - independent adjustable fuel supply systems, the outlet channels of which are located in the interblade cavities of the specified bladed air swirler, as well as a flame tube adjacent to the front device with a flame section and a gas outlet section.

Интенсивная закрутка потока ТВС в дополнительном фронтовом устройстве, а также увеличение его площади сечения на выходе, приводят к формированию зоны обратных токов (ЗОТ) с повышенным временем пребывания и воспламенением ТВС в этой зоне, формирование которой начинается сразу за завихрителем внутри дополнительного фронтового устройства, а не в потоке продуктов сгорания первичной зоны, что ухудшает качество смешения ТВС до начала процесса горения и увеличивает эмиссионные характеристики.Intensive swirling of the fuel assembly flow in the additional front device, as well as an increase in its cross-sectional area at the outlet, lead to the formation of a reverse current zone (RFC) with an increased residence time and ignition of the fuel assembly in this zone, the formation of which begins immediately after the swirler inside the additional front device, and not in the flow of combustion products of the primary zone, which degrades the quality of mixing fuel assemblies before the start of the combustion process and increases the emission characteristics.

Интенсивная закрутка потока ТВС и расширение площади выходного канала дополнительных фронтовых устройств приводят также к уменьшению глубины проникновения потока ТВС в сносящий поток продуктов сгорания основной зоны и к распределению высоких температур продуктов сгорания дополнительной зоны вблизи стенок жаровой трубы, что вызывает перегрев стенок за дополнительными фронтовыми устройствами и ухудшает поля температур перед турбиной, т.к. максимум температуры продуктов сгорания формируется вблизи стенок жаровой трубы, а не в центре потока.Intensive swirling of the FA flow and expansion of the area of the outlet channel of additional front devices also lead to a decrease in the depth of penetration of the FA flow into the main zone combustion products flow and to the distribution of high temperatures of the combustion products of the additional zone near the walls of the flame tube, which causes overheating of the walls behind the additional front devices and worsens the temperature fields in front of the turbine, because the maximum temperature of the combustion products is formed near the walls of the flame tube, and not in the center of the flow.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является многотопливная камера сгорания газотурбинной установки, которая содержит жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами, выполненными клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установленными равномерно по окружности с зазорами между ними, причем внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива, а смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу (US 9400113, 2016). Каналы подачи топлива в дополнительное фронтовое устройство расположены на поверхности корпуса в сечениях между пилонами и подают струи топлива перпендикулярно потокам воздуха, сформированным между пилонами дополнительного фронтового устройства. ТВС формируется в смесительной камере при взаимодействии струй топлива и воздуха. Для транспортировки ТВС к жаровой трубе служит канал подачи ТВС, закрепленный на внутренней стенке дополнительного фронтового устройства. Качество смешения и равномерность полей концентраций топлива во многом определяется глубиной проникновения струй топлива, истекающих со стенок корпуса в потоки воздуха. При увеличении режимов работы ГТУ увеличивается и расход топлива в дополнительном фронтовом устройстве и глубина проникновения струй топлива в потоки воздуха. Оптимальным для смешения является глубина проникновения струй топлива на половину высоты пилонов дополнительного фронтового устройство.The closest analogue, selected as a prototype, is a multi-fuel combustion chamber of a gas turbine plant, which contains a flame tube with a front device, an additional front device mounted on the wall of the flame tube, consisting of a housing with outer and inner walls, with a mixing chamber installed between them and interconnected by pylons made wedge-shaped in cross section and with a flat wall, installed evenly around the circumference with gaps between them, and the outer wall of the housing contains a fuel cavity in communication with the fuel supply channels, and the mixing chamber is in communication with the air supply channels through gaps between the pylons, and at the outlet it communicates with the channel for supplying the air-fuel mixture to the flame tube (US 9400113, 2016). The channels for supplying fuel to the additional front device are located on the surface of the body in sections between the pylons and supply fuel jets perpendicular to the air flows formed between the pylons of the additional front device. The fuel assembly is formed in the mixing chamber by the interaction of fuel and air jets. For transporting fuel assemblies to the flame tube, the fuel assemblies supply channel is used, which is fixed on the inner wall of the additional front device. The quality of mixing and the uniformity of the fuel concentration fields are largely determined by the depth of penetration of fuel jets flowing from the walls of the housing into air flows. With an increase in the operating modes of the gas turbine, the fuel consumption in the additional front device and the depth of penetration of the fuel jets into the air flows also increase. Optimal for mixing is the depth of penetration of fuel jets to half the height of the pylons of the additional front device.

В известной камере сгорания возникает резкий поворот направления течения струй ТВС из радиального в осевое на 90 градусов, что приводит к отрыву потока ТВС от стенок и формированию ЗОТ, которая может вызвать воспламенение ТВС внутри дополнительного фронтового устройства и его прогар. При этом подача струй топлива в потоки воздуха из смесительной камеры при наличии двух подсистем подачи топлива не обеспечивает высокого качества смешения на всех режимах и создает неравномерные радиальные и окружные поля концентраций топлива, что приводит к росту эмиссионных характеристик.In the well-known combustion chamber, there is a sharp turn in the direction of the flow of fuel assemblies from radial to axial by 90 degrees, which leads to separation of the fuel assemblies flow from the walls and the formation of a CAP, which can cause fuel assemblies to ignite inside the additional front device and burn out. At the same time, the supply of fuel jets into air flows from the mixing chamber in the presence of two fuel supply subsystems does not provide a high quality of mixing in all modes and creates uneven radial and circumferential fields of fuel concentrations, which leads to an increase in emission characteristics.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в снижении концентрации оксидов азота и монооксида углерода в продуктах сгорания.The technical problem solved by the claimed invention is to reduce the concentration of nitrogen oxides and carbon monoxide in the combustion products.

Технический результат, обеспечивающийся предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности и надежности камеры сгорания газотурбинной установки в условиях ее работы при высоких температурах и давлении воздуха на входе в камеру сгорания, а также в расширении диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания ГТУ.The technical result provided by the invention is to increase the efficiency and reliability of the combustion chamber of a gas turbine plant under conditions of its operation at high temperatures and air pressure at the inlet to the combustion chamber, as well as to expand the range of low-emission operation of the gas turbine combustion chamber.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в камере сгорания газотурбинной установки содержащей жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами, выполненными клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установленными равномерно по окружности с зазорами между ними, причем внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива, смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу, согласно предложенному техническому решению смесительная камера снабжена обтекателем, установленным на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства, пилоны клиновидной формы обращены плоской стенкой к смесительной камере, в плоской стенке каждого пилона выполнено калиброванное отверстие для подачи топлива, пилоны снабжены каналами, сообщенными с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны -со смесительной камерой через калиброванное отверстие.The claimed technical result is achieved due to the fact that in the combustion chamber of a gas turbine plant containing a flame tube with a front device, an additional front device mounted on the wall of the flame tube, consisting of a housing with outer and inner walls, with a mixing chamber installed between them and interconnected pylons made wedge-shaped in cross-section and with a flat wall, installed evenly around the circumference with gaps between them, and the outer wall of the housing contains a fuel cavity communicated with the fuel supply channels, the mixing chamber is connected at the inlet with the air supply channels through the gaps between the pylons, and at the outlet it communicates with the channel for supplying the air-fuel mixture to the flame tube, according to the proposed technical solution, the mixing chamber is equipped with a fairing installed on the outer wall of the body of the additional front device, the wedge-shaped pylons face the mixing chamber with a flat wall, a calibrated hole is made in the flat wall of each pylon for fuel supply, the pylons are equipped with channels communicated on one side with the fuel cavity, and on the other side with the mixing chamber through a calibrated hole.

Существенность отличительных признаков заявляемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающие изобретение, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата.The significance of the distinctive features of the claimed technical solution is confirmed by the fact that only the totality of all design features describing the invention is sufficient to solve the specified technical problem and achieve the claimed technical result.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно:Significant features may develop and continue, namely:

Ширина плоской стенки В пилонов может быть определена из условияThe width of the flat wall B of the pylons can be determined from the condition

В=10-4p-1,8 e29600/RTв , B \u003d 10 -4 p -1.8 e 29600 / RTv ,

а суммарная площадь всех зазоров F3 для прохода воздуха между пилонами может быть определена из выражения:and the total area of all gaps F 3 for the passage of air between the pylons can be determined from the expression:

при этом расстояние между пилонами δ выбирается из условия:in this case, the distance between the pylons δ is selected from the condition:

δ=(0,15-0,25) В,δ=(0.15-0.25) V,

где:Where:

В - ширина пилона дополнительного фронтового устройства, м;B - width of the pylon of the additional front device, m;

ТВ - температура воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, К;T B - air temperature at the inlet to the additional front device, K;

R - газовая постоянная для воздуха, Дж/кг К;R - gas constant for air, J/kg K;

р - давление воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, Па;p is the air pressure at the inlet to the additional front device, Pa;

е - число Эйлера;e is the Euler number;

Gв2 - суммарный расход воздуха через зазоры между пилонами дополнительного фронтового устройства, кг/с;G в2 - total air flow through the gaps between the pylons of the additional front device, kg / s;

NДФУ - число выбранных зазоров между пилонами дополнительного фронтового устройства;N DFU - the number of selected gaps between the pylons of the additional front device;

ρв - плотность воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, кг/м3;ρ in - air density at the entrance to the additional front device, kg/m 3 ;

MB - число маха в узком сечении между пилонами дополнительного фронтового устройства;M B - Mach number in a narrow section between the pylons of the additional front device;

а - скорость звука в потоке воздуха между пилонами дополнительного фронтового устройства, м/с;a is the speed of sound in the air flow between the pylons of the additional front device, m/s;

F3 - суммарная площадь всех зазоров для прохода воздуха между пилонами в дополнительном фронтовом устройстве, м2;F 3 - the total area of all gaps for the passage of air between the pylons in the additional front device, m 2 ;

δ - минимальное расстояние между пилонами дополнительного фронтового устройства, м.δ - minimum distance between the pylons of the additional front device, m.

Минимальный диаметр D канала подачи топливовоздушной смеси на выходе может быть определен из выражения:The minimum diameter D of the channel for supplying the air-fuel mixture at the outlet can be determined from the expression:

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции камеры сгорания газотурбинной установки и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-3, где:The present invention will be explained by the following detailed description of the design of the combustion chamber of a gas turbine plant and its operation with reference to the illustrations presented in Figs. 1-3 where:

на фиг. 1 изображен продольный разрез камеры сгорания ГТУ с дополнительным фронтовым устройством и жаровой трубой;in fig. 1 shows a longitudinal section of the gas turbine combustion chamber with an additional front device and a flame tube;

на фиг. 2 - общий вид дополнительного фронтового устройства;in fig. 2 - general view of the additional front device;

на фиг. 3 - разрез А-А дополнительного фронтового устройства на фиг. 2.in fig. 3 is a section A-A of the additional front device in FIG. 2.

Камера сгорания газотурбинной установки содержит жаровую трубу 1 с фронтовым устройством 2, дополнительное фронтовое устройство 3, установленное на стенке жаровой трубы 1 (фиг. 1). Дополнительное фронтовое устройство 3 состоит из корпуса с внешней 4 и внутренней 5 стенками, с установленной между ними смесительной камерой 6 и связанными между собой пилонами 7 (фиг. 2). Внешняя стенка 4 корпуса дополнительного фронтового устройства 3 содержит топливную полость 8, сообщенную с каналами 9 подвода топлива. Пилоны 7 выполнены клиновидной формы в поперечном сечении с плоской стенкой 10 и установлены равномерно по окружности с зазорами 11 между ними (фиг. 3). Ширина плоской стенки В пилонов 7 может быть определена из условия:The combustion chamber of a gas turbine plant contains a flame tube 1 with a front device 2, an additional front device 3 mounted on the wall of the flame tube 1 (Fig. 1). Additional front device 3 consists of a body with outer 4 and inner 5 walls, with a mixing chamber 6 installed between them and interconnected pylons 7 (Fig. 2). The outer wall 4 of the body of the additional front device 3 contains the fuel cavity 8, communicated with the channels 9 for supplying fuel. The pylons 7 are wedge-shaped in cross section with a flat wall 10 and are installed evenly around the circumference with gaps 11 between them (Fig. 3). The width of the flat wall B of the pylons 7 can be determined from the condition:

В=10-4р -1,8 е29600/RTв B \u003d 10 -4 p -1.8 e 29600 / RTv

а суммарная площадь всех зазоров 11 F3 для прохода воздуха между пилонами 7 определяется из выражения:and the total area of all gaps 11 F 3 for the passage of air between the pylons 7 is determined from the expression:

при этом расстояние между пилонами 7 δ выбирается из условия:in this case, the distance between the pylons 7 δ is selected from the condition:

δ=(0,15-0,25) В.δ=(0.15-0.25) V.

Пилоны 7 клиновидной формы обращены плоской стенкой 10 к смесительной камере 6. В плоской стенке 10 каждого пилона 7 выполнено калиброванное отверстие 12 для подачи топлива. Пилоны 7 снабжены каналом 9 подвода топлива, сообщенным с одной стороны с топливной полостью 8, а с другой стороны - со смесительной камерой 6 через калиброванное отверстие 12. Смесительная камера 6 сообщена на входе с каналами 13 подвода воздуха через зазоры 11 между пилонами 7, а на выходе сообщена с каналом 14 подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу 1. Минимальный диаметр D канала подачи топливовоздушной смеси на выходе определяется из выражения:Wedge-shaped pylons 7 face the mixing chamber 6 with their flat wall 10. A calibrated hole 12 for fuel supply is made in the flat wall 10 of each pylon 7. The pylons 7 are provided with a fuel supply channel 9 connected on one side with the fuel cavity 8, and on the other side with the mixing chamber 6 through a calibrated hole 12. at the outlet it is connected with the channel 14 for supplying the air-fuel mixture to the flame tube 1. The minimum diameter D of the channel for supplying the air-fuel mixture at the outlet is determined from the expression:

Смесительная камера 6 снабжена обтекателем 15, установленным на внешней стенке 4 корпуса дополнительного фронтового устройства 3. Камера сгорания газотурбинной установки содержит коллектор 16 подачи топлива в основное фронтовое устройство 2 и коллектор 17 подачи топлива в дополнительное фронтовое устройство 3, а также имеет основную зону горения 18 и дополнительную зону горения 19.The mixing chamber 6 is equipped with a fairing 15 installed on the outer wall 4 of the body of the additional front device 3. The combustion chamber of the gas turbine plant contains a manifold 16 for supplying fuel to the main front device 2 and a manifold 17 for supplying fuel to the additional front device 3, and also has a main combustion zone 18 and additional combustion zone 19.

Камера сгорания газотурбинной установки работает следующим образом. На минимальном низкоэмиссионном режиме N=50% основное топливо подается через коллектор 16 подачи топлива в фронтовое устройство 2. Процесс горения реализуется только в основной зоне горения 18, поддерживая температуру продуктов сгорания в основной зоне в диапазоне 1500-1700К. Через дополнительное фронтовое устройство 3 проходит только дополнительный расход воздуха, который попадая в жаровую трубу 1, снижает температуру газа на ее выходе и на входе в турбину.The combustion chamber of a gas turbine plant operates as follows. At the minimum low-emission mode N=50%, the main fuel is supplied through the fuel supply manifold 16 to the front device 2. The combustion process is implemented only in the main combustion zone 18, maintaining the temperature of the combustion products in the main zone in the range of 1500-1700K. Only additional air flow passes through the additional front device 3, which, entering the flame tube 1, reduces the gas temperature at its outlet and at the turbine inlet.

При наборе мощности (при N≥50%) дополнительное топливо через топливную полость 8 и каналы 9 подвода топлива начинает подаваться в дополнительное фронтовое устройство 3 при поддержании постоянства расхода топлива в фронтовом устройстве 2 и температуры в основной зоне горения 18. Топливо через топливную полость 8 попадает в каналы 9 подвода топлива, расположенные в пилонах 7, далее через калиброванные отверстия 12 в ЗОТ, формируемые при обтекании пилонов 7 струями воздуха, образованными между пилонами 7 при втекании воздуха на вход в дополнительное фронтовое устройство 3. Струи воздуха, образованные при прохождении воздуха в зазорах 11, шириной 5 между пилонами 7, образуют при обтекании пилонов 7 ЗОТ с высокими турбулентными характеристиками. При взаимодействии струй топлива, подаваемых с плоских стенок 10 пилонов 7 в ЗОТ с потоками воздуха, протекающими в этих зонах, образуется богатая гомогенизированная ТВС. Эта богатая ТВС эжектируется из ЗОТ в струи воздуха, обтекающие пилоны 7, смешивается с воздухом в этих струях, при этом концентрация топлива в ТВС снижается ниже стехиометрической, что создает на выходе из смесительной камеры 6 бедную гомогенизированную ТВС. Эта бедная гомогенизированная ТВС с помощью канала 14 подачи топливовоздушной смеси направляется в жаровую трубу 1 и после смешения с высокотемпературными продуктами сгорания основной зоны горения 18 воспламеняется от них и сгорает, создавая дополнительную зону горения 19.When power is set (at N≥50%), additional fuel through the fuel cavity 8 and fuel supply channels 9 begins to be supplied to the additional front device 3 while maintaining a constant fuel consumption in the front device 2 and the temperature in the main combustion zone 18. Fuel through the fuel cavity 8 enters the channels 9 for supplying fuel located in the pylons 7, then through the calibrated holes 12 in the SOT, formed during the flow around the pylons 7 with air jets formed between the pylons 7 when air flows into the inlet to the additional front device 3. Air jets formed during the passage of air in the gaps 11, 5 wide between the pylons 7, they form, when flowing around the pylons 7, a ZOT with high turbulent characteristics. The interaction of fuel jets supplied from the flat walls 10 of the pylons 7 in the ZOT with air flows flowing in these zones, a rich homogenized fuel assembly is formed. This rich fuel assembly is ejected from the FA into the air jets flowing around the pylons 7, mixes with the air in these jets, and the fuel concentration in the fuel assembly decreases below the stoichiometric level, which creates a lean homogenized fuel assembly at the outlet of the mixing chamber 6. This poor homogenized FA is sent to the flame tube 1 with the help of the channel 14 for supplying the air-fuel mixture and, after mixing with the high-temperature combustion products of the main combustion zone 18, ignites from them and burns out, creating an additional combustion zone 19.

Поддержание низких значений концентрации NOx и СО на низких дроссельных режимах N=50% реализуется за счет оптимальных и относительно низких температурных режимов горения (1500-1700 К) бедных гомогенизированных ТВС в основной зоне горения 18 камеры сгорания, обеспечивающих и условия быстрого воспламенения бедной ТВС дополнительной зоны горения 19. На режимах работы ГТУ N≥50% низкие эмиссионные характеристики обеспечиваются при организации горения в основной 18 и в дополнительной 19 зонах за счет высокого времени пребывания продуктов сгорания в дополнительной высокотемпературной зоне горения 19. При этом низкие уровни выбросов NOx и СО в дополнительной зоне горения 19 реализуются за счет хорошего качества смешения топлива и воздуха в дополнительном фронтовом устройстве 3 и формирования гомогенной бедной ТВС на выходе из дополнительного фронтового устройства 3. Низкие выбросы NOx и СО в дополнительной зоне горения 19 обеспечиваются за счет минимизации времени пребывания продуктов сгорания в этой зоне, реализуемой при отсутствии закрутки потока в дополнительном фронтовом устройстве 3, которая может приводить к образованию ЗОТ с большими временами пребывания в струе на выходе из дополнительного фронтового устройства 3. Кроме того, снижение выбросов NOx и СО в дополнительной зоне горения 19 связано с расположением этой зоны в конце жаровой трубы 1.Maintaining low concentrations of NO x and CO at low throttle modes N=50% is implemented due to the optimal and relatively low temperature regimes of combustion (1500-1700 K) of poor homogenized fuel assemblies in the main combustion zone 18 of the combustion chamber, which also provide conditions for rapid ignition of poor fuel assemblies additional combustion zone 19. At GTP operating modes N≥50%, low emission characteristics are ensured when organizing combustion in the main 18 and additional 19 zones due to the high residence time of combustion products in the additional high-temperature combustion zone 19. At the same time, low levels of NO x and CO in the additional combustion zone 19 are implemented due to the good quality of mixing of fuel and air in the additional front device 3 and the formation of a homogeneous lean fuel assembly at the outlet of the additional front device 3. Low emissions of NOx and CO in the additional combustion zone 19 are ensured by minimizing the residence time combustion products in this zone, which is implemented in the absence of flow swirling in the additional front device 3, which can lead to the formation of a HFZ with long residence times in the jet at the outlet of the additional front device 3. In addition, the reduction of NO x and CO emissions in the additional combustion zone 19 is associated with the location of this zone at the end of the flame tube 1.

Расширение диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания достигается за счет перевода сжигания части топлива из основной зоны и ЗОТ, обладающей большим временем пребывания продуктов сгорания в этой зоне и приводящим к высокой скорости нарастания выбросов NOx и СО при росте температуры газа в этой зоне, в поток газа дополнительной зоны горения, характеризуемой малым временем пребывания и низкой скоростью нарастания концентрации NOx и СО при росте температуры продуктов сгорания.Expansion of the range of low-emission operation of the combustion chamber is achieved by transferring the combustion of a part of the fuel from the main zone and the THB, which has a long residence time of combustion products in this zone and leads to a high rate of increase in NO x and CO emissions with an increase in gas temperature in this zone, into the gas flow an additional combustion zone characterized by a short residence time and a low rate of increase in the concentration of NO x and CO with an increase in the temperature of the combustion products.

Таким образом, наличие обтекателя в смесительной камере, установленного на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства, калиброванного отверстия в плоской стенке каждого пилона и канала, сообщенного с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны - со смесительной камерой через калиброванное отверстие обеспечивает снижение концентрации оксидов азота и монооксида углерода в продуктах сгорания и тем самым повышает эффективность и надежность камеры сгорания газотурбинной установки в условиях ее работы при высоких температурах и давлении воздуха на входе в камеру сгорания, а также обеспечивает расширение диапазона низкоэмиссионной работы камеры сгорания ГТУ.Thus, the presence of a fairing in the mixing chamber, installed on the outer wall of the body of the additional front device, a calibrated hole in the flat wall of each pylon and a channel connected on one side with the fuel cavity, and on the other hand with the mixing chamber through a calibrated hole, reduces the concentration nitrogen oxides and carbon monoxide in the combustion products and thereby increases the efficiency and reliability of the combustion chamber of a gas turbine plant under conditions of its operation at high temperatures and air pressure at the inlet to the combustion chamber, and also provides an extension of the range of low-emission operation of the gas turbine combustion chamber.

Claims (22)

1. Камера сгорания газотурбинной установки, содержащая жаровую трубу с фронтовым устройством, дополнительное фронтовое устройство, установленное на стенке жаровой трубы, состоящее из корпуса с внешней и внутренней стенками, с установленной между ними смесительной камерой и связанными между собой пилонами, выполненными клиновидной формы в поперечном сечении и с плоской стенкой, установленными равномерно по окружности с зазорами между ними, причем внешняя стенка корпуса содержит топливную полость, сообщенную с каналами подвода топлива, смесительная камера сообщена на входе с каналами подвода воздуха через зазоры между пилонами, а на выходе сообщена с каналом подачи топливовоздушной смеси в жаровую трубу, отличающая тем, что смесительная камера снабжена обтекателем, установленным на внешней стенке корпуса дополнительного фронтового устройства, пилоны клиновидной формы обращены плоской стенкой к смесительной камере, в плоской стенке каждого пилона выполнено калиброванное отверстие для подачи топлива, пилоны снабжены каналом, сообщенным с одной стороны с топливной полостью, а с другой стороны - со смесительной камерой через калиброванное отверстие.1. The combustion chamber of a gas turbine plant, containing a flame tube with a front device, an additional front device mounted on the wall of the flame tube, consisting of a housing with outer and inner walls, with a mixing chamber installed between them and interconnected pylons made of a wedge-shaped shape in transverse section and with a flat wall, installed evenly along the circumference with gaps between them, and the outer wall of the housing contains a fuel cavity in communication with the fuel supply channels, the mixing chamber is connected at the inlet with the air supply channels through the gaps between the pylons, and at the outlet it is connected with the supply channel air-fuel mixture into the flame tube, characterized in that the mixing chamber is equipped with a fairing installed on the outer wall of the body of the additional front device, the wedge-shaped pylons face the mixing chamber with a flat wall, a calibrated hole for fuel supply is made in the flat wall of each pylon, the pylons are equipped with a channel, communicated on one side with the fuel cavity, and on the other side with the mixing chamber through a calibrated hole. 2. Камера сгорания газотурбинной установки по п. 1, отличающаяся тем, что что ширина плоской стенки В пилонов определяется из условия:2. The combustion chamber of a gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the width of the flat wall B of the pylons is determined from the condition: B=10-4р-1,8е 29600/RТв , B \u003d 10 -4 p -1.8 e 29600 / RTV , а суммарная площадь всех зазоров F3 для прохода воздуха между пилонами определяется из выражения:and the total area of all gaps F 3 for the passage of air between the pylons is determined from the expression: при этом расстояние между пилонами δ выбирается из условия:in this case, the distance between the pylons δ is selected from the condition: δ=(0,15-0,25) В,δ=(0.15-0.25) V, где:Where: В - ширина пилона дополнительного фронтового устройства, м;B - width of the pylon of the additional front device, m; Тв - температура воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, K;T in - air temperature at the inlet to the additional front device, K; R - газовая постоянная для воздуха, Дж/кг K;R - gas constant for air, J/kg K; р - давление воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, Па;p is the air pressure at the inlet to the additional front device, Pa; е - число Эйлера;e is the Euler number; Gв2 - суммарный расход воздуха через зазоры между пилонами дополнительного фронтового устройства, кг/с;G в2 - total air flow through the gaps between the pylons of the additional front device, kg / s; NДФУ - число выбранных зазоров между пилонами дополнительного фронтового устройства;N DFU - the number of selected gaps between the pylons of the additional front device; ρв - плотность воздуха на входе в дополнительное фронтовое устройство, кг/м3;ρ in - air density at the entrance to the additional front device, kg/m 3 ; МВ - число маха в узком сечении между пилонами дополнительного фронтового устройства;M B - Mach number in a narrow section between the pylons of the additional front device; а - скорость звука в потоке воздуха между пилонами дополнительного фронтового устройства, м/с;a is the speed of sound in the air flow between the pylons of the additional front device, m/s; F3 - суммарная площадь всех зазоров для прохода воздуха между пилонами в дополнительном фронтовом устройстве, м2;F 3 - the total area of all gaps for the passage of air between the pylons in the additional front device, m 2 ; δ - минимальное расстояние между пилонами дополнительного фронтового устройства, м.δ - minimum distance between the pylons of the additional front device, m. 3. Камера сгорания газотурбинной установки по п. 1, отличающаяся тем, что минимальный диаметр D канала подачи топливовоздушной смеси на выходе определяется из выражения:3. The combustion chamber of a gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the minimum diameter D of the air-fuel mixture supply channel at the outlet is determined from the expression:
RU2022132716A 2022-12-14 Gas turbine combustion chamber RU2802115C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2802115C1 true RU2802115C1 (en) 2023-08-22

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8656721B2 (en) * 2009-03-13 2014-02-25 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Gas turbine combustor including separate fuel injectors for plural zones
US8991192B2 (en) * 2009-09-24 2015-03-31 Siemens Energy, Inc. Fuel nozzle assembly for use as structural support for a duct structure in a combustor of a gas turbine engine
RU2613764C2 (en) * 2012-03-15 2017-03-21 Дженерал Электрик Компани System for working fluid supply into combustion chamber (variants)
US9638423B2 (en) * 2014-06-12 2017-05-02 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Multifuel gas turbine combustor with fuel mixing chamber and supplemental burner
RU2753202C1 (en) * 2020-10-09 2021-08-12 Открытое акционерное общество "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ") Method for burning fuel in a low-emission combustion chamber

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8656721B2 (en) * 2009-03-13 2014-02-25 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Gas turbine combustor including separate fuel injectors for plural zones
US8991192B2 (en) * 2009-09-24 2015-03-31 Siemens Energy, Inc. Fuel nozzle assembly for use as structural support for a duct structure in a combustor of a gas turbine engine
RU2613764C2 (en) * 2012-03-15 2017-03-21 Дженерал Электрик Компани System for working fluid supply into combustion chamber (variants)
US9638423B2 (en) * 2014-06-12 2017-05-02 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Multifuel gas turbine combustor with fuel mixing chamber and supplemental burner
RU2753202C1 (en) * 2020-10-09 2021-08-12 Открытое акционерное общество "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ") Method for burning fuel in a low-emission combustion chamber

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6826913B2 (en) Airflow modulation technique for low emissions combustors
EP3679300B1 (en) Gas turbine combustor assembly with a trapped vortex feature and method of operating a gas turbine combustor
US8117845B2 (en) Systems to facilitate reducing flashback/flame holding in combustion systems
US6868676B1 (en) Turbine containing system and an injector therefor
US4356698A (en) Staged combustor having aerodynamically separated combustion zones
CA2523495C (en) Trapped vortex combustor
US7966820B2 (en) Method and apparatus for combusting fuel within a gas turbine engine
US20090056336A1 (en) Gas turbine premixer with radially staged flow passages and method for mixing air and gas in a gas turbine
US20140090396A1 (en) Combustor with radially staged premixed pilot for improved
EP1371906A2 (en) Gas turbine engine combustor can with trapped vortex cavity
EA008575B1 (en) Combustor (variants) and method of operating thereof
US8596074B2 (en) Gas turbine combustor
KR20140082659A (en) Can-annular combustor with premixed tangential fuel-air nozzles for use on gas turbine engines
JP3878980B2 (en) Fuel injection device for combustion device
JP5462449B2 (en) Combustor burner and combustion apparatus equipped with the burner
RU2802115C1 (en) Gas turbine combustion chamber
RU2665009C1 (en) Double circuit burner
KR102522143B1 (en) Fuel supply system for combustor
RU2757248C1 (en) Front device of the annular combustion chamber of a gas turbine installation and the method for its operation
JP2500349B2 (en) Low NOx burner for high temperature combustion gas generation
RU2137042C1 (en) Burner