RU2406934C1 - Air-and-fuel burner of combustion chamber of gas turbine engine - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: air-and-fuel burner of combustion chamber of gas turbine engine includes fuel-spray nozzle made in the form of body with fuel supply and spray holes, air flow stabiliser, axial and tangential air swirlers equipped with confuser-diffuser nozzles with inner and outer path walls. Annular cavity is located between walls of axial swirler nozzle and outer path wall of the nozzle of tangential swirler. Perforation is made on diffuser part of the nozzle of axial swirler.

EFFECT: improving reliability of combustion chamber and increasing fuel economy of gas turbine engine at decreasing soot emission in exhaust gases, decrease of smoking and avoiding soot deposition on the burner surface owing to depletion of air-and-fuel mixture in local areas of the burner.

1 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям газотурбинного двигателя, в частности основных камер сгорания.The invention relates to structures of a gas turbine engine, in particular the main combustion chambers.

Известна горелка камеры сгорания газовой турбины, содержащая форсунку для распыливания топлива в сжатом воздухе, первичный и вторичный проходные каналы, разделенные первой деталью, концентричной оси горелки и имеющей цилиндрическую и коническую сужающуюся распылительную гильзу, причем наружный вторичный проходной канал снаружи радиально ограничен расположенной концентрично второй кольцевой деталью со сходящейся-расходящейся внутренней поверхностью, образующей участок с суженным проходным сечением, и к ней в направлении против потока примыкает распылительная гильза. Поверхность сужающейся-расширяющейся кольцевой детали выполнена пересекающей образующую конуса топлива форсунки выше по потоку от места изменения ее кривизны (DE, заявка №19627760, F23D 11/24, 1996 г.).A known burner of a combustion chamber of a gas turbine comprising a nozzle for spraying fuel in compressed air, a primary and secondary passage channels separated by a first component, the concentric axis of the burner and having a cylindrical and conical tapering spray sleeve, the outer secondary passage channel being radially bounded externally from a concentric second annular ring a part with a converging-diverging inner surface, forming a section with a narrowed bore, and to it in the direction against sweat adjacent to the spray sleeve. The surface of the tapering-expanding annular part is made crossing the generatrix of the fuel cone of the nozzle upstream from the place of change of its curvature (DE, application No. 19627760, F23D 11/24, 1996).

Недостатком известной конструкции является возможность возникновения неустойчивой зоны рециркуляции горячих газов вокруг форсунки, вблизи стенки жаровой трубы, ухудшение топливной экономичности при работе на бедных топливом смесях, снижение диапазона устойчивой работы, а также повышенное нагарообразование. Это объясняется отсутствием выходной распыливающей кромки канала, отрывом потока воздуха и нарушением установившегося течения в непосредственно контактирующем с каналом воздухе. Также недостатком этой конструкции является выполнение сужающейся-расширяющейся кольцевой детали с распылительной гильзой, пересекающей образующую конуса распыленного топлива форсунки выше по потоку от места изменения критического сечения канал, что способствует повышенному нагарообразованию.A disadvantage of the known design is the possibility of an unstable zone of recirculation of hot gases around the nozzle, near the wall of the flame tube, the deterioration of fuel economy when working on fuel-poor mixtures, reducing the range of stable operation, as well as increased carbon formation. This is explained by the absence of an outlet spraying edge of the channel, separation of the air flow, and disruption of the steady flow in the air directly in contact with the channel. Another disadvantage of this design is the implementation of a tapering-expanding annular part with a spray sleeve that intersects the generatrix of the cone of atomized fuel nozzles upstream from the change in the critical section of the channel, which contributes to increased carbon formation.

Наиболее близкой к заявляемой является топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распиливания топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха, размещенный между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующий щелевой канал с его входным торцом, причем каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом (Патент РФ №2264584, F23R 3/28, 2005 г.).Closest to the claimed one is a fuel-air burner of a combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel nozzle in the form of a housing with fuel supply and sawing holes, axial and tangential air swirls in the form of channels with open ends and vanes inside, an air flow stabilizer located between the back of the nozzle body and the inlet end of the axial swirler, forming a slotted channel with its inlet end, and each swirler is equipped with a confuser-diffuser nozzle (RF Patent 2264584, F23R 3/28, 2005).

Недостатком конструкции данной топливной горелки является наличие нагароотложений на поверхности диффузорной части сопла осевого завихрителя, повышенный уровень эмиссии сажи. Указанные недостатки объясняются наличием локальных вихревых течений в диффузорной части сопла, которые создают местные переобогащенные топливом зоны в основном на низких режимах работы камеры сгорания.The disadvantage of the design of this fuel burner is the presence of deposits on the surface of the diffuser part of the nozzle of the axial swirler, the increased level of soot emission. The indicated drawbacks are explained by the presence of local vortex flows in the diffuser part of the nozzle, which create local zones re-enriched with fuel mainly at low operating conditions of the combustion chamber.

Техническая задача заключается в повышении надежности камеры сгорания и улучшении топливной экономичности газотурбинного двигателя при снижении эмиссии сажи в выхлопных газах, уменьшении дымления и устранении нагароотложения на поверхности горелки за счет обеднения топливовоздушной смеси в локальных зонах горелки.The technical problem is to increase the reliability of the combustion chamber and improve the fuel economy of a gas turbine engine while reducing soot emissions in exhaust gases, reducing smoke and eliminating deposition on the surface of the burner due to depletion of the air-fuel mixture in the local zones of the burner.

Сущность изобретения заключается в том, что в топливовоздушной горелке камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, стабилизатор потока воздуха, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, снабженные конфузорно-диффузорными соплами с внутренними и внешними трактовыми стенками, согласно изобретению между стенками сопла осевого завихрителя и внешней трактовой стенкой сопла тангенциального завихрителя расположена кольцевая полость, а на диффузорной части сопла осевого завихрителя выполнена перфорация.The essence of the invention lies in the fact that in a fuel-air burner of a combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel nozzle in the form of a housing with fuel supply and atomization holes, an air flow stabilizer, axial and tangential air swirls equipped with confuser-diffuser nozzles with internal and external path walls, according to the invention, an annular cavity is located between the walls of the nozzle of the axial swirler and the outer path wall of the nozzle of the tangential swirl, and on the diffuser The nozzle of the axial swirler is perforated.

Такое исполнение конструкции топливовоздушной горелки дает возможность подвести необходимое количество воздуха в местные зоны горелки, устраняя возникновение переобогащенной топливовоздушной смеси в локальных зонах вблизи поверхности сопла. Обеднение топливовоздушной смеси в локальных зонах горения исключает нагароотложение на поверхности горелки, снижает эмиссию сажи в выхлопных газах и уменьшает задымление, что значительно повышает надежность камеры сгорания и улучшает топливную экономичность газотурбинного двигателя.Such a design of the air-fuel burner makes it possible to supply the necessary amount of air to the local zones of the burner, eliminating the occurrence of a re-enriched air-fuel mixture in local zones near the surface of the nozzle. The depletion of the air-fuel mixture in local combustion zones eliminates deposition on the surface of the burner, reduces soot emissions in exhaust gases and reduces smoke, which significantly increases the reliability of the combustion chamber and improves the fuel economy of a gas turbine engine.

На чертеже изображен продольный разрез заявляемой топливовоздушной горелки.The drawing shows a longitudinal section of the inventive air-fuel burner.

Горелка содержит топливную форсунку в виде корпуса 1 с каналами 2 подачи и распыла топлива 3, осевой завихритель 4 воздуха и тангенциальный завихритель 5 воздуха в виде каналов с открытыми торцами 6, 7 и лопатками 8, 9 внутри. Стабилизатор 10 потока воздуха размещен между тыльной стороной корпуса форсунки 1 и входным торцом 6 осевого завихрителя 4, который образует щелевой канал A с его входным торцом 6. Осевой завихритель 4 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 11 с внешней трактовой стенкой 12.The burner contains a fuel nozzle in the form of a housing 1 with channels 2 for supplying and spraying fuel 3, an axial air swirl 4 and a tangential air swirl 5 in the form of channels with open ends 6, 7 and blades 8, 9 inside. An air flow stabilizer 10 is placed between the rear side of the nozzle body 1 and the inlet end 6 of the axial swirler 4, which forms a slotted channel A with its inlet end 6. The axial swirler 4 is equipped with a diffuser-diffuser nozzle 11 with an external path wall 12.

Тангенциальный завихритель 5 снабжен конфузорно-диффузорным соплом 13 с внешней 14 и внутренней 15 трактовыми стенками. Между стенками сопла 11 осевого завихрителя 4 и внешней трактовой стенкой 14 тангенциального завихрителя 5 расположена кольцевая полость 16. На диффузорной части сопла 11 осевого завихрителя 4 выполнена перфорация 17. Представлены фронтовая стенка 18 жаровой трубы, полость 19 горения жаровой трубы и распыливающий пакет 20 форсунки, аэрозоль топлива 21, диффузорная область 22, локальные вихревые зоны 23 и кромка 24.The tangential swirl 5 is equipped with a confuser-diffuser nozzle 13 with an external 14 and an internal 15 path walls. An annular cavity 16 is located between the walls of the nozzle 11 of the axial swirler 4 and the outer path wall 14 of the tangential swirler 5. Perforation 17 is made on the diffuser part of the nozzle 11 of the axial swirler 4. The front wall 18 of the flame tube, the combustion cavity of the flame tube 19 and the spray nozzle package 20 are shown, fuel aerosol 21, diffuser region 22, local vortex zones 23 and edge 24.

Работа осуществляется следующим образом.The work is as follows.

Топливо 3 через каналы 2 подается к распылительному пакету 20 форсунки, далее - в полость 19 горения жаровой трубы. Одновременно сжатый компрессором поток воздуха, обтекая внешний контур стабилизатора 10, поступает через щелевой канал A в осевой завихритель 4, в тангенциальный завихритель 5 и в кольцевую полость 16 сопла 11. Поток воздуха, поступающий в канал A осевого завихрителя 4 закручивается и, направляясь внешней трактовой стенкой 12 в конфузорную часть сопла 11 осевого завихрителя 4, распыляет аэрозоль топлива 21. В диффузорной части сопла 11, образованной внешней трактовой стенкой 12, распыленная аэрозоль топлива предварительно перемешивается в закрученном потоке осевого завихрителя 4. Далее до требуемой концентрации в диффузорной части сопла 13 тангенциального завихрителя 5 в полости горения 19 вблизи фронтовой стенки 18 жаровой трубы формируется устойчивая однородная по составу топливовоздушная смесь, образуя зону рециркуляции. В диффузорной области 22 за кромкой 24 на низких режимах могут образовываться локальные вихревые зоны 23. Часть воздушного потока, попадающего в кольцевую полость 16 сопла осевого завихрителя 4 и выходящего через перфорацию 17 в диффузорную область 22, воздействует на локальные вихревые богатые топливом зоны 23, обедняя их.Fuel 3 through channels 2 is supplied to the spray package 20 of the nozzle, then to the combustion chamber 19 of the flame tube. At the same time, the air stream compressed by the compressor, flowing around the external contour of the stabilizer 10, enters through the slotted channel A into the axial swirler 4, into the tangential swirler 5 and into the annular cavity 16 of the nozzle 11. The air flow entering the channel A of the axial swirler 4 is twisted and is guided by an external path wall 12 into the confuser part of the nozzle 11 of the axial swirler 4, atomizes the fuel aerosol 21. In the diffuser part of the nozzle 11 formed by the outer path wall 12, the atomized fuel aerosol is pre-mixed into a swirl axial swirl flow 4. Then, to the required concentration in the diffuser part of the nozzle 13 of the tangential swirl 5 in the combustion cavity 19 near the front wall 18 of the flame tube, a stable uniform air-fuel mixture is formed, forming a recirculation zone. In the diffuser region 22 behind the edge 24, local vortex zones 23 may form at low rates 23. A part of the air flow entering the annular cavity 16 of the nozzle of the axial swirler 4 and exiting through the perforation 17 into the diffuser region 22 acts on the local vortex-rich fuel zones 23 them.

Claims (1)

Топливовоздушная горелка камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, стабилизатор потока воздуха, осевой и тангенциальный завихрители воздуха, снабженные конфузорно-диффузорными соплами с внутренними и внешними трактовыми стенками, отличающаяся тем, что между стенками сопла осевого завихрителя и внешней трактовой стенкой сопла тангенциального завихрителя расположена кольцевая полость, а на диффузорной части сопла осевого завихрителя выполнена перфорация. A fuel-air burner of a combustion chamber of a gas turbine engine containing a fuel nozzle in the form of a housing with fuel supply and atomization openings, an air flow stabilizer, axial and tangential air swirls equipped with confuser-diffuser nozzles with internal and external duct walls, characterized in that between the walls of the axial nozzle the swirl and the outer path wall of the nozzle of the tangential swirl is an annular cavity, and on the diffuser part of the nozzle of the axial swirl is made perf walkie-talkie.