EA039073B1 - Double-tier burner - Google Patents
Double-tier burner Download PDFInfo
- Publication number
- EA039073B1 EA039073B1 EA202092181A EA202092181A EA039073B1 EA 039073 B1 EA039073 B1 EA 039073B1 EA 202092181 A EA202092181 A EA 202092181A EA 202092181 A EA202092181 A EA 202092181A EA 039073 B1 EA039073 B1 EA 039073B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- burner
- tier
- fuel
- combustion
- zones
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
- F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
- F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к горелкам газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к двухъярусным горелкам, выполненным с возможностью стабилизации дискретнозонного горения с малым количеством токсичных веществ.The invention relates to burners of gas turbine plants (GTU) and gas turbine engines (GTE), in particular to two-tier burners made with the possibility of stabilizing discrete-zone combustion with a small amount of toxic substances.
Основными проблемами при создании горелочного устройства низкоэмиссионных камер сгорания являются достижение высококачественного распыла и эффективного смешения топлива с воздушным потоком, а также организация горения в области бедных смесей. В связи со сложностью процессов, протекающих в реальных устройствах, и отсутствием для их описания подходящих математических моделей эта проблема до сих пор не решена.The main problems in creating a burner device for low-emission combustion chambers are the achievement of high-quality atomization and efficient mixing of fuel with an air flow, as well as the organization of combustion in the area of lean mixtures. Due to the complexity of the processes occurring in real devices, and the absence of suitable mathematical models for their description, this problem has not yet been solved.
Одним из путей снижения вредных выбросов окислов азота камерами сгорания ГТУ и ГТД является применение камер, в которых горение происходит в двух зонах. Зоны могут быть последовательными и параллельными, тогда их называют ярусными. Они уменьшают длину камеры сгорания, но увеличивают размеры в радиальном направлении. Существуют основные (бедная) и вспомогательные зоны. На разных режимах устройства работают разные зоны. Управлением работы зон можно регулировать выход токсичных выбросов. Этим обеспечивается снижение окислов азота на напряженных режимах и режимах малого газа.One of the ways to reduce the harmful emissions of nitrogen oxides from the combustion chambers of GTU and GTE is the use of chambers in which combustion occurs in two zones. Zones can be sequential and parallel, then they are called tiered. They shorten the length of the combustion chamber but increase the radial dimensions. There are main (poor) and auxiliary zones. Different zones work in different modes of the device. By controlling the operation of zones, you can regulate the output of toxic emissions. This ensures the reduction of nitrogen oxides in stressed and idle modes.
Известно горелочное устройство камеры сгорания, содержащее вспомогательную центральную горелку и основную внешнюю горелку в виде завихрителя воздуха с полыми лопатками и щелями в выходных кромках для раздачи топлива (патент RU 2170391 С1, МПК F23R 3/14, опубликовано 10.07.2001).Known is a combustion chamber burner containing an auxiliary central burner and a main external burner in the form of an air swirler with hollow blades and slots in the trailing edges for dispensing fuel (patent RU 2170391 C1, IPC F23R 3/14, published 10.07.2001).
Недостатком известного устройства является недостаточная однородность топливовоздушной смеси и снижение качества сжигания топлива, соответственно большое количество токсичных веществ.The disadvantage of the known device is the lack of uniformity of the fuel-air mixture and a decrease in the quality of fuel combustion, respectively, a large amount of toxic substances.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является двухъярусная горелка с рециркуляцией газов, содержащая корпус, форсунку, соосно установленную трубу в корпусе, один конец которого закрыт коническим обтекателем топливо-воздушного завихрителя. На трубе концентрично установлен завихритель, имеющий лопатки (патент KZ U 3369, МПК F23D 14/24, опубликовано 16.11.2018, бюл. № 43).The closest to the invention in technical essence is a two-tier burner with gas recirculation, comprising a housing, a nozzle, and a coaxially mounted pipe in the housing, one end of which is closed by a conical fairing of a fuel-air swirler. A swirler with blades is concentrically installed on the pipe (patent KZ U 3369, IPC F23D 14/24, published on November 16, 2018, bull. No. 43).
Данная полезная модель позволяет улучшить качество сжигания топлива и позволяет работать на двух видах топлива одновременно, однако имеет ряд таких недостатков как усложнение регулируемости процесса горения и неравномерное температурное поле.This useful model improves the quality of fuel combustion and allows working on two types of fuel at the same time, however, it has a number of such disadvantages as the complication of the controllability of the combustion process and an uneven temperature field.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективной, экономически выгодной и промышленно применимой, легко регулируемой двухъярусной горелки с низкими показателями токсичных веществ в выхлопных газах.The objective of the present invention is to provide an efficient, cost-effective and industrially applicable, easily adjustable double-deck burner with low toxic substances in the exhaust gases.
Технический результат - увеличение интенсификации, диапазона устойчивого и эффективного горения, понижение образования оксидов азота. При работе двухъярусной горелки возможность регулирования рециркуляцией газов, а также обеспечение высокой полноты сгорания за счет второго яруса.The technical result is an increase in intensification, a range of stable and efficient combustion, a decrease in the formation of nitrogen oxides. When operating a two-tier burner, it is possible to regulate the recirculation of gases, as well as to ensure a high completeness of combustion due to the second tier.
Для достижения технического результата двухъярусная горелка камеры сгорания, содержащей корпус, входные и выходные завихрители из лопаток, трубки для подачи топива и распыления, камеру смешения, согласно изобретению отличается тем, что профилированные лопатки внешнего яруса выполнены полыми и относительно оси закрепления подвижными, с возможностью измененения угла установки, а внутренний ярус выполнен подвижным по оси горелки, и в обтекаемом конусе выполнены щели для поступления рециркуляционных газов до выходного лопаточного регистра, также входной завихритель по высоте разделен на три части, причем в верхней и нижней части лопатки спрофилированы и углы закрутки согласованы с углами установки и закрутки на выходных лопатках ярусов.To achieve the technical result, a two-tier burner of a combustion chamber containing a housing, inlet and outlet swirlers from blades, pipes for feeding fuel and spraying, a mixing chamber, according to the invention, is characterized in that the profiled blades of the outer tier are hollow and moveable relative to the axis of attachment, with the possibility of changing angle of installation, and the inner tier is made movable along the axis of the burner, and slots are made in the streamlined cone for the flow of recirculation gases to the outlet vane register, the inlet swirler is also divided in height into three parts, moreover, in the upper and lower parts of the blades are profiled and the swirl angles are coordinated with angles of installation and twist on the outlet blades of the tiers.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан поперечный вид двухъярусной горелки и на фиг. 2 показан регулируемая лопатка, гдеThe invention is illustrated by drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a double-deck burner and FIG. 2 shows an adjustable vane, where
- корпус;- frame;
- подвижная топливная трубка;- movable fuel tube;
- отверстие для жидкого топлива;- hole for liquid fuel;
- лопаточный входной завихритель;- blade inlet swirler;
- камера для газа;- gas chamber;
- отверстие;- hole;
- конический обтекатель;- conical fairing;
- поворотный лопаточный аппарат;- rotary scapula;
- сопло;- nozzle;
- кольцевой канал;- annular channel;
- отверстие;- hole;
- опора или задвижка;- support or valve;
- закрылка;- flap;
- трубка подачи газа;- gas supply tube;
- подача газообразного топлива по оси в каждой лопатке;- supply of gaseous fuel axially in each blade;
- прорези.- slots.
Двухъярусная горелка состоит из внутреннего и наружного ярусов, содержащая корпус 1 в виде ци- 1 039073 линдра, топливную трубку для жидкого 2 и газообразного 14 топлива, отверстие 3 и 11, входной завихритель 4 для поступления воздуха в горелку, камера для газа 5, конический обтекатель 7, закрылку 13, сопло 9, лопатки 8 второго (внешнего) яруса, которые выполнены полыми и подвижными относительно трубы 6 (фиг. 1) или 15 (фиг. 2), имеющей прорези 16.A two-tier burner consists of an inner and an outer tier, containing a housing 1 in the form of a cylinder 1 039073, a fuel pipe for liquid 2 and gaseous 14 fuel, holes 3 and 11, an inlet swirler 4 for air entering the burner, a chamber for gas 5, conical fairing 7, flap 13, nozzle 9, blades 8 of the second (outer) tier, which are hollow and movable relative to pipe 6 (Fig. 1) or 15 (Fig. 2) having slots 16.
Двухъярусная горелка работает следующим образом: в поток закрученного воздуха, поступающего из входного лопаточного завихрителя 4, подается через отверстие 3 и 11 жидкое, а через отверстие 6 по оси 15 (фиг. 2) газообразное топливо. Образующаяся топливовоздушная смесь проходит по кольцевым каналам 10 и тремя потоками выбрасывается в зону горения, причем два потока дополнительно подкручиваются в кольцевых лопаточных аппаратах 8, что способствует интенсификации процесса горения.The two-tier burner operates as follows: liquid fuel is supplied to the swirling air flow coming from the inlet vane swirler 4 through holes 3 and 11, and gaseous fuel is supplied through hole 6 along axis 15 (Fig. 2). The resulting air-fuel mixture passes through the annular channels 10 and is thrown into the combustion zone in three streams, and two streams are additionally twisted in the annular blades 8, which contributes to the intensification of the combustion process.
Горелка предназначена для работы как на одном виде топлива, так и для совместного сжигания жидкого и газообразного топлива. При этом возможны следующие режимы работы: горелка одновременно сжигает газообразное и жидкое топливо. В таком случае топлива подаются через отверстие 3, 11, 6, либо при вдвинутом в крайнее левое положение коническим обтекателе 7 - через отверстие 6 и 11. При этом в первом случае и газообразное, и жидкое топлива перемешиваются в пределах горелки, и к выходу из горелки образуются многофазная горючая смесь усредненного состава. Во втором случае в горелке формируются потоки горючей смеси, сгорающие в виде самостоятельных факелов, причем наружный факел дополнительно подогревается недоиспаренное жидкое топливо. В результате длина зоны горения по центральной полости камеры сгорания укорачивается. Совместная подача газообразного и жидкого топлива в горелку особенно эффективна, когда в качестве основного жидкого топлива используются ухудшенные сорта. Использование газообразного топлива в совокупности с жидким целесообразно и для увеличения надежности разжога камеры горения, особенно при холодных запусках двигателей. При использовании низкосортного жидкого топлива с пониженным значением теплоты сгорания подача высококолорийного газа в горелку одновременно обеспечивает рост конечной температуры газа, способствует и сокращению выхода окислов азота и других токсичных компонентов из факельных зон.The burner is designed to operate both on one type of fuel and for co-firing liquid and gaseous fuels. In this case, the following operating modes are possible: the burner simultaneously burns gaseous and liquid fuel. In this case, the fuels are supplied through holes 3, 11, 6, or, with the conical fairing 7 pushed into the extreme left position, through holes 6 and 11. In the first case, both gaseous and liquid fuels are mixed within the burner and to the outlet from The burner produces a multiphase combustible mixture of an average composition. In the second case, flows of a combustible mixture are formed in the burner, which burn in the form of independent torches, and the external torch is additionally heated by under-vaporized liquid fuel. As a result, the length of the combustion zone along the central cavity of the combustion chamber is shortened. The combined supply of gaseous and liquid fuels to the burner is especially effective when degraded grades are used as the main liquid fuel. The use of gaseous fuel in conjunction with liquid fuel is also advisable to increase the reliability of ignition of the combustion chamber, especially during cold engine starts. When using a low-grade liquid fuel with a reduced value of the calorific value, the supply of a high-calorific value gas to the burner simultaneously ensures an increase in the final gas temperature, and helps to reduce the release of nitrogen oxides and other toxic components from the flare zones.
Регулировка путем сдвига центрального конуса лопаточного аппарата 8, внутреннего яруса, обеспечивает равномерное распределение воздуха и горючей смеси по сечению горелки, повышение коэффициента избытка воздуха, идущего по каналу 10, примыкающему к обтекателю 7, так как в противном случае (при отсутствии регулировки) основная масса воздуха под действием центробежных сил поступает в два других канала 10. А регулировка процесса горения путем изменения угла установки лопаточного аппарата 8 оказывает положительные воздействия на характеристики горелки. Газ через трубку 14 поступает в полость 5 камеру подачи газа, через отверстие 6 газ поступает в осевые трубки 15 полой лопатки 8. В полой лопатке (фиг. 2) через прорези 16 в передней кромке поступает воздух, и в лопатке подготавливается топливовоздушная смесь газа с воздухом, причем α=0,2-0,4. Для дополнительного снижения NOx при сжигании ухудшенных жидких топлив используется рециркуляция горячих продуктов сгорания через закрылки 13 до лопаток 8.Adjustment by shifting the central cone of the blade 8, the inner tier, ensures uniform distribution of air and the combustible mixture over the burner cross section, an increase in the excess air ratio flowing through channel 10 adjacent to the fairing 7, since otherwise (in the absence of adjustment) the bulk air under the action of centrifugal forces enters the other two channels 10. And the regulation of the combustion process by changing the angle of installation of the blade 8 has a positive effect on the characteristics of the burner. Gas enters through the tube 14 into the cavity 5 of the gas supply chamber, through the hole 6 the gas enters the axial tubes 15 of the hollow blade 8. In the hollow blade (Fig. 2), air enters through the slots 16 in the leading edge, and a fuel-air mixture of gas is prepared in the blade. air, with α = 0.2-0.4. To further reduce NO x when burning degraded liquid fuels, hot combustion products are recirculated through flaps 13 to vanes 8.
Таким образом, заявляемое многоярусное исполнение горелки с возможностью осевого перемещения ее внутреннего контура позволяет регулировать параметры факела и улучшать суммарные теплогидравлические и эксплуатационные показатели камеры сгорания. При этом пусковые и частичные режимы работы камеры сгорания характеризуются укороченным факелом, а основные и форсированные, помимо прочего, и более равномерной структурой пламени, что предопределяет выравнивание температур в огневой плоскости. Последнее способствует снижению выбросов окислов азота и других токсичных компонентов с уходящими из камеры газами. В целом расширяется и диапазон устойчивой работы камеры сгорания, а за счет более полного заполнения факелом сечения жаровой трубы и сокращения общей длины факела становится правомерным сокращение длины камеры сгорания (уменьшение ее веса) и повышение показателей теплонапряженности конструкции.Thus, the claimed multi-level burner design with the possibility of axial movement of its inner contour allows you to adjust the parameters of the flame and improve the total thermohydraulic and operational parameters of the combustion chamber. At the same time, the starting and partial modes of operation of the combustion chamber are characterized by a shortened torch, and the main and forced modes, among other things, are characterized by a more uniform flame structure, which predetermines the equalization of temperatures in the firing plane. The latter helps to reduce emissions of nitrogen oxides and other toxic components with gases leaving the chamber. In general, the range of stable operation of the combustion chamber is also expanding, and due to a more complete filling of the flame tube section with a torch and a reduction in the total length of the torch, it becomes legitimate to reduce the length of the combustion chamber (decrease its weight) and increase the heat intensity of the structure.
По предварительным оценкам предлагаемая двухъярусная схема организации процесса горения позволяет уменьшить индекс эмиссии NOx для ГТУ на 20%.According to preliminary estimates, the proposed two-tiered combustion process organization allows to reduce the NOx emission index for gas turbines by 20%.
Вместе с тем, предлагаемое устройство позволяет решить следующий ряд требований: высокая полнота сгорания на всех режимах работы, максимальная неоднородность температурного поля на выходе из камеры сгорания ниже 25%, надежный розжиг и устойчивая работа (без срывов пламени и вибрационного горения) при большом изменении суммарного коэффициента избытка воздуха.At the same time, the proposed device makes it possible to solve the following number of requirements: high combustion efficiency in all operating modes, maximum non-uniformity of the temperature field at the exit from the combustion chamber below 25%, reliable ignition and stable operation (without flame outbursts and vibration combustion) with a large change in the total excess air ratio.
Предлагаемая двухъярусная горелка позволяет получить, по сравнению с существующими устройствами, лучшее предварительное смешение топлива с воздухом, более устойчивое горение в связи с использованием микрофакельного сжигания, по отношению к самовоспламенению топлива.The proposed two-tier burner allows to obtain, in comparison with existing devices, better preliminary mixing of fuel with air, more stable combustion due to the use of microflame combustion, in relation to spontaneous ignition of the fuel.
Разработанное изобретение более устойчиво к проскокам и срывам пламени, вибрационному горению, позволяет получить высокую полноту сгорания, значительное снижение эмиссии оксидов азота в камерах сгорания ГТУ.The developed invention is more resistant to breakthroughs and breakdowns of the flame, vibration combustion, allows to obtain a high combustion efficiency, a significant reduction in the emission of nitrogen oxides in the combustion chambers of the GTU.
Приведенный пример представлен для иллюстрации заявляемого изобретения в наиболее наглядном виде и не исчерпывает всех возможных вариантов его применения.The given example is presented to illustrate the claimed invention in the most illustrative form and does not exhaust all possible options for its application.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA202092181A EA039073B1 (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Double-tier burner |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA202092181A EA039073B1 (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Double-tier burner |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA202092181A1 EA202092181A1 (en) | 2021-11-25 |
EA039073B1 true EA039073B1 (en) | 2021-11-30 |
Family
ID=78750226
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA202092181A EA039073B1 (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Double-tier burner |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA039073B1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4600377A (en) * | 1985-05-29 | 1986-07-15 | Cedarapids, Inc. | Refractoriless liquid fuel burner |
US6199367B1 (en) * | 1996-04-26 | 2001-03-13 | General Electric Company | Air modulated carburetor with axially moveable fuel injector tip and swirler assembly responsive to fuel pressure |
EP1394471A1 (en) * | 2002-09-02 | 2004-03-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner |
UA68446C2 (en) * | 2002-02-18 | 2004-08-16 | Res And Production Complex Of | Combustion chamber of gas turbine of power unit |
EP1224423B1 (en) * | 1999-10-29 | 2004-09-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner |
RU2716951C1 (en) * | 2016-04-22 | 2020-03-17 | Сименс Акциенгезелльшафт | Swirler for mixing fuel with air in combustion engine |
-
2020
- 2020-09-07 EA EA202092181A patent/EA039073B1/en unknown
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4600377A (en) * | 1985-05-29 | 1986-07-15 | Cedarapids, Inc. | Refractoriless liquid fuel burner |
US6199367B1 (en) * | 1996-04-26 | 2001-03-13 | General Electric Company | Air modulated carburetor with axially moveable fuel injector tip and swirler assembly responsive to fuel pressure |
EP1224423B1 (en) * | 1999-10-29 | 2004-09-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner |
UA68446C2 (en) * | 2002-02-18 | 2004-08-16 | Res And Production Complex Of | Combustion chamber of gas turbine of power unit |
EP1394471A1 (en) * | 2002-09-02 | 2004-03-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner |
RU2716951C1 (en) * | 2016-04-22 | 2020-03-17 | Сименс Акциенгезелльшафт | Swirler for mixing fuel with air in combustion engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA202092181A1 (en) | 2021-11-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2381018C (en) | Variable premix-lean burn combustor | |
CN101709884B (en) | Premixing and pre-evaporating combustion chamber | |
US4271674A (en) | Premix combustor assembly | |
US3973390A (en) | Combustor employing serially staged pilot combustion, fuel vaporization, and primary combustion zones | |
CN107543201B (en) | One kind is oil-poor directly to spray and mixes low pollution combustor | |
CN101799174B (en) | Main combustible stage tangential oil supply premix and pre-evaporation combustion chamber | |
CN111316041B (en) | Gas turbine combustor assembly with trapped vortex feature | |
CN101435585B (en) | Gas turbine combined type fuel evaporating and atomizing combustion apparatus | |
CN102200291B (en) | Pneumatic primary level graded low-pollution combustion chamber | |
CN106090907B (en) | A kind of strong swirl flame diffusion burner of premix | |
CA2194911C (en) | Low-emission combustion chamber for gas turbine engines | |
US20030167771A1 (en) | Gas turbine combustor | |
RU2439435C1 (en) | Gte combustion chamber front device fuel-air module | |
CN110131750A (en) | A kind of gas turbine low discharging burning chamber of using gas fuel | |
CN105737203A (en) | Swirler and pre-mixing combustor adopting same | |
CN107143880A (en) | A kind of direct injector head of oil-poor multiple spot for low-pollution burning chamber of gas turbine | |
CN108592083A (en) | Using the combustion chamber and its control method of variable cross-section air inlet and multi-stage fuel supply | |
CN107143881A (en) | A kind of direct injection nozzle structure of multiple spot for low-pollution burning chamber of gas turbine | |
CN107559882B (en) | A kind of axially staged low pollution combustor | |
RU2456510C1 (en) | Continuous-action combustion chamber | |
CN115839506B (en) | Hydrogen-rich fuel low-emission layered swirl combustion chamber | |
US4179881A (en) | Premix combustor assembly | |
EA039073B1 (en) | Double-tier burner | |
RU2347144C1 (en) | Annular combustion chamber of gas turbine engine and method of its operation | |
RU2744963C1 (en) | Combustion chamber of gas-turbine plant with external flame tubes and low-emission burner device |