RU54142U1 - BURNER - Google Patents

Abstract

Предлагаемая горелка может применяться в камерах сгорения газотурбинных двигателей, а также в печах энергетического и общего машиностроения. Горелка содержит воздухоподводящий корпус, завихритель и форсунку с тангенциальными каналами для подачи газа и расположенными в нескольких поясах. В корпусе горелки после форсунки установлены как минимум две перфорированные обечайки, которые выполнены в виде усеченных конусов, причем наружный конус совместно с корпусом горелки и внутренний конус образуют конические полости. Соотношение суммарной пропускной способности отверстий для выхода газа в каждом поясе форсунки относится к суммарной пропускной способности отверстий перфорации обечаек всех полостей для смешения воздуха и газа. Завихритель расположен на выходе из горелки в выходном патрубке, причем пропускная способность проходного сечения межлопаточных каналов завихрителя выбрани из условия, чтобы скорость потока в них была больше скорости распространения пламени в 2...2,5 раза. Такое выполнение горелки позволяет улучшить качество сжигания газа в части выбросов окислов азота и одновременно повысить запасы по вибрационному горению.The proposed burner can be used in the combustion chambers of gas turbine engines, as well as in furnaces of power and general engineering. The burner contains an air supply housing, a swirl and a nozzle with tangential channels for gas supply and located in several zones. At least two perforated shells are installed in the burner body after the nozzle, which are made in the form of truncated cones, the outer cone together with the burner body and the inner cone forming conical cavities. The ratio of the total throughput of the gas outlet openings in each nozzle belt refers to the total throughput of the perforation holes of the shells of all cavities for mixing air and gas. The swirler is located at the outlet of the burner in the outlet pipe, and the throughput of the passage section of the swirl channel interscapular channels is chosen so that the flow rate in them is 2 ... 2.5 times higher than the flame propagation speed. This embodiment of the burner can improve the quality of gas combustion in terms of emissions of nitrogen oxides and at the same time increase the reserves of vibrational combustion.

Description

Полезная модель относится к устройствам для сжигания газа и может найти применение в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), а также в печах энергетического и общего машиностроения.The utility model relates to devices for burning gas and can find application in the combustion chambers of gas turbine engines (GTE), as well as in furnaces of power and general engineering.

Известна горелка, содержащая воздухоподводящий корпус и газовую трубу, установленную в корпусе с зазором, в котором установлен лопаточный завихритель воздуха. Завихритель воздуха разделен на секции посредством коаксиальных обечаек. В стенках обечаек выполнены радиальные отверстия, размещенные между лопатками завихрителя. В газовой трубе имеется один или несколько рядов отверстий (1).Known burner containing an air supply housing and a gas pipe installed in the housing with a gap in which a blade air swirl is installed. The air swirl is divided into sections by means of coaxial shells. Radial holes are made in the walls of the shells, located between the blades of the swirler. The gas pipe has one or more rows of holes (1).

Недостатком этой горелки является то, что не достигается такого выравнивания концентрации газа в газо-воздушной смеси, чтобы обеспечить гомогенное горение и уменьшить концентрацию уровня окислов азота в продуктах сгорания.The disadvantage of this burner is that such an equalization of the gas concentration in the gas-air mixture is not achieved in order to ensure homogeneous combustion and reduce the concentration of nitrogen oxides in the combustion products.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является горелка основной зоны двух зонной кольцевой камеры сгорания ГТД (2).The closest to the proposed technical solution in terms of features is the burner of the main zone of the two zone annular gas turbine combustion chamber (2).

Горелка содержит струйную форсунку для подачи топливного газа в зону смешения. В корпусе горелки выполнены тангенциальные пазы, по которым воздух поступает в зону смешения с газом. Структура течения на выходе из горелки существенным образом влияет на экологические характеристики.The burner contains a jet nozzle for supplying fuel gas to the mixing zone. Tangential grooves are made in the burner body, through which air enters the mixing zone with the gas. The flow pattern at the outlet of the burner significantly affects environmental performance.

Характер течения и, как следствие, интенсивность смешения газа с воздухом, изменяется при усилении или ослаблении закрутки потока, которую можно менять путем изменения геометрических параметров тангенциальных пазов При сильной закрутке потока, приводящей к образованию развитой зоны обратных токов, сохраняющей равновесие в динамике, происходит повышение выбросов окислов азота. Образование возвратного течения способствует проскоку пламени во внутрь камеры смешения горелки, что ухудшает ее надежность по тепловому состоянию и снижает запасы по вибрационному горению. Нестабильные возвратные течения снижают пропускную способность горелки по воздуху, что обуславливает обогащение газо-воздушной смеси. Это приводит к повышению уровня выбросов окислов азота.The nature of the flow and, as a consequence, the intensity of mixing gas with air, changes with an increase or decrease in the swirl of the flow, which can be changed by changing the geometric parameters of the tangential grooves. With a strong swirl of the flow, leading to the formation of a developed zone of reverse currents, which maintains equilibrium in dynamics, there is an increase nitrogen oxide emissions. The formation of a return flow contributes to the breakthrough of the flame into the inside of the mixing chamber of the burner, which impairs its reliability in thermal state and reduces the reserves of vibrational combustion. Unstable return flows reduce the throughput of the burner through the air, which causes the enrichment of the gas-air mixture. This leads to an increase in nitrogen oxide emissions.

Целью полезной модели является улучшение качества сжигания газа в части снижения выбросов окислов азота и повышения запасов по вибрационному The purpose of the utility model is to improve the quality of gas combustion in terms of reducing emissions of nitrogen oxides and increasing reserves for vibration

горению в широком диапазоне по производительности горелки.burning over a wide range of burner performance.

Эта цель достигается тем, что предложенная горелка имеет корпус, в котором расположены перфорированные конусы. Перфорация выполнена, например, в виде отверстий. На выходе из горелки в выходном патрубке расположен завихритель газо-воздушной смеси. Причем, пропускная способность проходного сечения межлопаточных каналов завихрителя должна быть такой, чтобы скорость потока в них была больше скорости распространения пламени в 2...2,5 раза. При этом газ в перфорированные конусы поступает пропорционально расходу воздуха через соответствующие полости.This goal is achieved by the fact that the proposed burner has a housing in which perforated cones are located. Perforation is made, for example, in the form of holes. At the outlet of the burner in the outlet pipe is a swirl of the gas-air mixture. Moreover, the throughput of the cross section of the swirl channel interscapular channels should be such that the flow rate in them is 2 ... 2.5 times greater than the flame propagation speed. In this case, the gas enters the perforated cones in proportion to the air flow through the corresponding cavities.

Такое выполнение горелки, позволяет достичь цели полезной модели, а именно снизить выбросы окислов азота и одновременно повысить запасы по вибрационному горению.This embodiment of the burner allows you to achieve the goal of a utility model, namely, to reduce emissions of nitrogen oxides and at the same time increase reserves for vibrational combustion.

Сущность предмета полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре изображена принципиальная схема предложенной горелки.The essence of the subject utility model is illustrated in the drawing, where the figure shows a schematic diagram of the proposed burner.

Горелка содержит форсунку 1 с каналами для подачи газа 3 и 4. Организация вращательного движения газа, поступающего в зону смешения из каналов 4 осуществляется посредством отбойника 5. Горелка содержит корпус 2, в котором расположены перфорированные наружный 6 и внутренний 7 конусы. Перфорация выполнена, например, в виде отверстий 8.The burner contains a nozzle 1 with channels for supplying gas 3 and 4. The organization of the rotational movement of gas entering the mixing zone from the channels 4 is carried out by means of a chipper 5. The burner contains a housing 2 in which the perforated outer 6 and inner 7 cones are located. Perforation is made, for example, in the form of holes 8.

На выходе из горелки в патрубке 9 расположен завихритель 10.At the outlet of the burner in the pipe 9 is a swirler 10.

Горелка работает следующим образом.The burner operates as follows.

Воздух из кольцевого канала камеры сгорания поступает в корпус 2. Газ поступает в зоны смешения из форсунки 1 по каналам 3 и 4, при этом ему придается вращательное движение. Смешение воздуха и газа осуществляется по крайней мере в двух полостях. Первая полость образована корпусом горелки 2 и наружным перфорированным усеченным конусом 6. Газ в эту полость поступает из тангенциальных отверстий 3 и смешивается с воздухом, при этом проникает Air from the annular channel of the combustion chamber enters the housing 2. Gas enters the mixing zone from the nozzle 1 through channels 3 and 4, while it is given a rotational movement. Air and gas are mixed in at least two cavities. The first cavity is formed by the body of the burner 2 and the outer perforated truncated cone 6. Gas into this cavity comes from the tangential openings 3 and mixes with air, while penetrating

через отверстия наружного усеченного перфорированного конуса 6. Вторая полость образованна стенками усеченного внутреннего перфорированного конуса 7. Газ в эту полость поступает из отверстий 4, расположенных как минимум в двух поясах по высоте форсунки. Газу также придается вращательное движение при помощи отбойника 5 и газ смешивается с воздухом проникая равномерно через отверстия 8 внутреннего перфорированного конуса 7.through the holes of the outer truncated perforated cone 6. The second cavity is formed by the walls of the truncated inner perforated cone 7. Gas enters this cavity from the holes 4 located in at least two zones along the height of the nozzle. The gas is also imparted rotational motion by means of a chipper 5 and the gas is mixed with air penetrating evenly through the holes 8 of the inner perforated cone 7.

Для обеспечения равномерной концентрации газа во всем объеме топливно-воздушной смеси необходимо его подавать в зоны смешения пропорционально расходу воздуха через соответствующие зоны смешения. Так, например, соотношение суммарной пропускной способности отверстий 3 для выхода газа должны относиться к суммарной пропускной способности отверстий 4 также как суммарная пропускная способность перфорации наружного конуса 6 относиться к суммарной пропускной способности отверстий перфорации внутреннего конуса 7.To ensure a uniform concentration of gas in the entire volume of the fuel-air mixture, it must be supplied to the mixing zones in proportion to the air flow through the corresponding mixing zones. So, for example, the ratio of the total throughput of the holes 3 for gas outlet should relate to the total throughput of the holes 4 as well as the total throughput of the perforation of the outer cone 6 to the total throughput of the holes of the perforation of the inner cone 7.

Выполнение полостей для смешения газа и воздуха в виде конусов обеспечивает наиболее равномерную скорость и, как следствие, равномерность скоростных напоров потоков воздуха и газа на входе в отверстия перфорации по всей длине зон смешения. При проходе через перфорацию формируются существенные пульсации скорости и статического давления в потоке, в следствии чего происходит качественное смешение газа и воздуха с образованием гомогенной смеси.The implementation of the cavities for mixing gas and air in the form of cones provides the most uniform speed and, as a result, the uniformity of the high-pressure heads of the air and gas flows at the entrance to the perforation holes along the entire length of the mixing zones. When passing through the perforation, significant pulsations of velocity and static pressure in the flow are formed, as a result of which a qualitative mixing of gas and air occurs with the formation of a homogeneous mixture.

После прохождения через стенки конусов с перфорацией топливно-воздушная смесь поступает через выходной патрубок 9 в камеру сгорания. На выходе из горелки топливно-воздушная смесь проходит через завихритель 10 и приобретает закрученное движение с формированием профиля скорости, который необходим из условия устойчивого горения и минимизации вредных выбросов. Для исключения проскока пламени в горелку и повышения запасов по вибрационному горению пропускная способность межлопаточных каналов в завихрителе 10 должна быть такой, чтобы скорость потока в них была больше скорости распространения пламени в 2...2,5 раза.After passing through the walls of the cones with perforation, the air-fuel mixture enters through the outlet pipe 9 into the combustion chamber. At the exit of the burner, the air-fuel mixture passes through the swirler 10 and acquires a swirling movement with the formation of a velocity profile, which is necessary from the condition of stable combustion and minimization of harmful emissions. In order to exclude the leakage of the flame into the burner and increase the reserves of vibrational combustion, the throughput of the interscapular channels in the swirler 10 should be such that the flow rate in them is greater than the flame propagation velocity by 2 ... 2.5 times.

Применение предварительной закрутки газа и перфорации для смешения воздуха и газа приводит к уменьшению неравномерности концентрации газа в The use of preliminary swirling of gas and perforation for mixing air and gas leads to a decrease in the uneven concentration of gas in

смеси до значений не превышающих 10%, т.е. получения практически гомогенной смеси. Сжигание такой смеси обеспечивает равномерную по объему зоны горения температуру пламени и, как следствие, минимальные выбросы окислов азота.mixtures to values not exceeding 10%, i.e. obtaining a practically homogeneous mixture. The combustion of such a mixture provides a uniform flame temperature throughout the combustion zone and, as a result, minimal emissions of nitrogen oxides.

Таким образом, применение предложенной горелки позволяет снизить выбросы окислов азота в 1,5...2 раза и одновременно повысить запасы по вибрационному горению.Thus, the use of the proposed burner can reduce emissions of nitrogen oxides by 1.5 ... 2 times and at the same time increase the reserves of vibrational combustion.

Использованные источники:Used sources:

1. А.С. СССР №13220121. A.S. USSR No. 1322012

2. Постников А.М. Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ. Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2002. - 286 с.2. Postnikov A.M. Reduction of nitrogen oxides in the exhaust gases of gas turbines. Samara: Publishing House of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2002. - 286 p.

Claims (3)

1. Горелка, содержащая воздухоподводящий корпус, завихритель и форсунку с тангенциальными каналами для подачи газа, расположенными в нескольких поясах, отличающаяся тем, что в корпусе горелки после форсунки установлены как минимум две перфорированные обечайки, которые выполнены в виде усеченных конусов, причем наружный конус совместно с корпусом горелки и внутренний конус образуют конические полости.1. A burner containing an air supply housing, a swirl and a nozzle with tangential gas supply channels located in several zones, characterized in that at least two perforated shells are installed in the burner body after the nozzle, which are made in the form of truncated cones, the outer cone being combined with the burner body and the inner cone form a conical cavity. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что соотношение суммарной пропускной способности отверстий для выхода газа в каждом поясе форсунки должно относиться к суммарной пропускной способности всех отверстий форсунки также как суммарная пропускная способность отверстий перфорации обечаек соответствующей полости для смешения воздуха и газа, в которую газ поступает из данного пояса, относиться к суммарной пропускной способности отверстий перфорации обечаек всех полостей для смешения воздуха и газа.2. The burner according to claim 1, characterized in that the ratio of the total throughput of the gas outlet openings in each nozzle belt should relate to the total throughput of all nozzle openings as well as the total throughput of the perforation holes of the shells of the corresponding cavity for mixing air and gas, which gas comes from this belt, refers to the total throughput of the perforation holes of the shells of all cavities for mixing air and gas. 3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что завихритель установлен на выходе из горелки, причем пропускная способность проходного сечения межлопаточных каналов завихрителя должна быть такой, чтобы скорость потока в них была больше скорости распространения пламени в 2-2,5 раза.

3. The burner according to claim 1, characterized in that the swirler is installed at the outlet of the burner, and the throughput of the passage section of the swirl channel interscapular channels should be such that the flow rate in them was 2-2.5 times greater than the flame propagation speed.