[go: up one dir, main page]

RU2823422C1 - Counterflow burner module - Google Patents

Counterflow burner module Download PDF

Info

Publication number
RU2823422C1
RU2823422C1 RU2023135123A RU2023135123A RU2823422C1 RU 2823422 C1 RU2823422 C1 RU 2823422C1 RU 2023135123 A RU2023135123 A RU 2023135123A RU 2023135123 A RU2023135123 A RU 2023135123A RU 2823422 C1 RU2823422 C1 RU 2823422C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
combustion
mixing chamber
axial
fuel injector
Prior art date
Application number
RU2023135123A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Игоревич Гурьянов
Олег Анатольевич Евдокимов
Сергей Владимирович Веретенников
Алексей Юрьевич Клюев
Ольга Владимировна Комова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева"
Application granted granted Critical
Publication of RU2823422C1 publication Critical patent/RU2823422C1/en

Links

Abstract

FIELD: engines.
SUBSTANCE: invention is intended for formation and combustion of fuel-air mixture in combustion chambers of gas turbine engines. Counterflow burner module comprises primary confined mixing chamber shaped as diffuser-confuser channel, secondary direct-flow mixing chamber, tangential swirling device with inter-blade channels, axial swirling device and fuel injector. In the fuel injector there is a circumferentially distributed fuel injection system, in the axial part of the secondary direct-flow mixing chamber there is a truncated cone-fairing with a fan system of fuel channels located at an angle to its axis, which provides supply of pilot gas to the combustion zone of the fuel-depleted, partially mixed fuel-air mixture. An annular air supply channel with an axial vane swirler is made coaxially to the fuel injector.
EFFECT: invention increases mass rate of combustion, completeness of fuel combustion, reduces concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the combustion zone.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение предназначено для формирования и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей.The invention is intended for the formation and combustion of a fuel-air mixture in the combustion chambers of gas turbine engines.

Известен вихревой форсуночно-горелочный модуль предварительного смешения RU 2775105 C1 МПК F23R 3/34 (2006.01), F23R (2022.02), опубл. 28.06.2022г., предназначенный для организации и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей энергетического применения. Изобретение содержит сопло, завихритель, втулку, центральную форсунку, отверстия форсунки, пустотелый корпус, канал подвода газа, отверстия подвода газа. A known vortex nozzle-burner premixing module RU 2775105 C1 MPK F23R 3/34 (2006.01), F23R (2022.02), publ. 06/28/2022, designed for organizing and burning the air-fuel mixture in the combustion chambers of gas turbine engines for power applications. The invention contains a nozzle, a swirler, a bushing, a central nozzle, nozzle holes, a hollow body, a gas supply channel, and gas supply holes.

Недостатком вихревого форсуночно-горелочного модуля предварительного смешения является узкий диапазон рабочих режимов.The disadvantage of the vortex nozzle-burner premixing module is the narrow range of operating modes.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является противоточный горелочный модуль предварительного смешения RU 2750176 C1 МПК F23D 14/62 (2021.02), опубл. 23.06.2021 г. который относится к устройствам, предназначенным для формирования и сжигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Изобретение содержит первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную полуограниченную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку.The closest in technical essence to the proposed device is the counter-flow premix burner module RU 2750176 C1 MPK F23D 14/62 (2021.02), publ. 06/23/2021, which refers to devices designed for the formation and combustion of the air-fuel mixture in the combustion chambers of gas turbine engines. The invention contains a primary limited mixing chamber, which is profiled in the form of a diffuser-confuser channel, a secondary direct-flow semi-limited mixing chamber, a tangential swirling device with inter-blade channels, an axial swirling device, and a fuel injector.

Недостатками наиболее близкой по технической сущности конструкции являются низкая полнота сгорания топлива, неравномерность температурного поля в зоне горения, высокая концентрация монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения, низкая массовая скорость горения, высокая вероятность развития термоакустической неустойчивости и работа камеры на режимах виброгорения.The disadvantages of the design that is closest in technical essence are the low completeness of fuel combustion, the unevenness of the temperature field in the combustion zone, the high concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the combustion zone, the low mass combustion rate, the high probability of developing thermoacoustic instability and the operation of the chamber in vibration combustion modes.

Техническим результатом изобретения является повышение полноты сгорания топлива, повышение равномерности температурного поля в зоне горения, снижение концентрации монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения, повышение массовой скорости горения, снижение вероятности развития термоакустической неустойчивости и исключение виброгорения в противоточном горелочном модуле.The technical result of the invention is to increase the completeness of fuel combustion, increase the uniformity of the temperature field in the combustion zone, reduce the concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the combustion zone, increase the mass combustion rate, reduce the likelihood of developing thermoacoustic instability and eliminate vibration combustion in the counterflow burner module.

Технический результат достигается тем, что противоточном горелочном модуле, содержащем первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку, при этом в топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива, в приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения установлен усеченный конус-обтекатель с веерной системой топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающей подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешенной топливоздушной смеси; соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем.The technical result is achieved by the fact that a counterflow burner module containing a primary limited mixing chamber, which is profiled in the form of a diffuser-confuser channel, a secondary direct-flow mixing chamber, a tangential swirling device with inter-blade channels, an axial swirling device, a fuel injector, wherein the fuel injector has a fuel injection system distributed around the circumference , in the axial part of the secondary direct-flow mixing chamber there is a truncated cone-fairing with a fan-shaped system of fuel channels located at an angle to its axis, ensuring the supply of pilot gas to the combustion zone of a fuel-depleted, partially mixed air-fuel mixture; An annular air supply channel with an axial blade swirler is made coaxially with the fuel injector.

В целях повышения полноты сгорания топлива соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем; повышение равномерности температурного поля в зоне горения и снижение концентрации монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения достигается тем, что в топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива; повышение массовой скорости горения достигается тем, что противоточный горелочный модуль содержит конус-обтекатель; снижение вероятности развития термоакустической неустойчивости и исключение виброгорения в противоточном горелочном модуле обеспечивается тем, что в конусе-обтекателе выполнена веерная система топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающим подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешанной топливовоздушной смеси. In order to increase the completeness of fuel combustion, an annular air supply channel with an axial blade swirler is made coaxially with the fuel injector; increasing the uniformity of the temperature field in the combustion zone and reducing the concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the combustion zone is achieved by the fact that the fuel injection system is distributed around the circumference in the fuel injector; an increase in the mass combustion rate is achieved by the fact that the counterflow burner module contains a cone fairing; reducing the likelihood of developing thermoacoustic instability and eliminating vibration combustion in the counterflow burner module is ensured by the fact that the cone-fairing has a fan-shaped system of fuel channels located at an angle to its axis, ensuring the supply of pilot gas to the combustion zone of a fuel-depleted, partially mixed fuel-air mixture.

Изобретение поясняется фигурами.The invention is illustrated by figures.

Фиг. 1 - Продольный разрез противоточного горелочного модуля;Fig. 1 - Longitudinal section of the counter-flow burner module;

Фиг. 2 - Разрез А-А с продольного разреза фиг.1, на котором представлено тангенциальное закручивающее устройство;Fig. 2 - Section A-A from the longitudinal section of Fig. 1, which shows a tangential twisting device;

Фиг. 3 - Разрез Б-Б - поперечное сечение с фиг.1, выполненное в области конуса-обтекателя;Fig. 3 - Section B-B - cross section from Fig. 1, made in the area of the cone-fairing;

Противоточный горелочный модуль содержит топливную форсунку 1, расположенную в торцевой части первичной ограниченной камеры смешения 2. Соосно с топливной форсункой 1 в первичной ограниченной камере сгорания 2, выполнен кольцевой канал подвода воздуха 3 с осевым лопаточным завихрителем 4. Первичная ограниченная камера смешения 2 спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала образованного диффузорным 5 и конфузорным 6 участками. В начале диффузорного участка 5 первичной ограниченной камеры смешения 2 выполнено тангенциальное закручивающее устройство 7 имеющее межлопаточные каналы 8 для подачи воздуха. С противоположной стороны, тангенциальное закручивающее устройство 7 крепится к вторичной прямоточной камере смешения 9. Вторичная прямоточная камера смешения 9, имеет внешнюю 10 и внутреннюю 11 стенки, образующие профилированный полый расширяющийся канал 12 с распределенной системой подачи топлива 13. В торцевой части профилированного полого расширяющегося канала 12 выполнено аксиальное закручивающее устройство 14. Аксиальное закручивающее устройство 14 ограничено коническим участком 15 профилированного соплового насадка 16 и профилированным полым расширяющимся каналом 12, образуя канал подвода третичного воздуха 17. Топливная форсунка 1 содержит распределенную по окружности систему отверстий впрыска топлива 18. Выходной участок 19 профилированного соплового насадка 16 имеет форму сферического сегмента. В приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения 9 выполнен усеченный конус-обтекатель 20 с веерной системой топливных каналов 21. The counterflow burner module contains a fuel injector 1 located in the end part of the primary limited mixing chamber 2. Coaxially with the fuel injector 1 in the primary limited combustion chamber 2, there is an annular air supply channel 3 with an axial blade swirler 4. The primary limited mixing chamber 2 is shaped like diffuser-confuser channel formed by diffuser 5 and confuser 6 sections. At the beginning of the diffuser section 5 of the primary limited mixing chamber 2 there is a tangential twisting device 7 having inter-blade channels 8 for air supply. On the opposite side, the tangential twisting device 7 is attached to the secondary direct-flow mixing chamber 9. The secondary direct-flow mixing chamber 9 has external 10 and internal 11 walls that form a profiled hollow expanding channel 12 with a distributed fuel supply system 13. In the end part of the profiled hollow expanding channel 12 there is an axial twisting device 14. The axial twisting device 14 is limited by a conical section 15 of the profiled nozzle nozzle 16 and a profiled hollow expanding channel 12, forming a channel for supplying tertiary air 17. The fuel injector 1 contains a system of fuel injection holes 18 distributed around the circumference. The outlet section 19 of the profiled nozzle nozzle 16 has the shape of a spherical segment. In the axial part of the secondary direct-flow mixing chamber 9 there is a truncated cone-fairing 20 with a fan-shaped system of fuel channels 21.

Противоточный горелочный модуль работает следующим образом. Сжатый воздух из компрессора проходя через межлопаточные каналы 8, образованные тангенциальным закручивающим устройством 7, с высокой окружной скоростью попадает в диффузорный участок 5 первичной ограниченной камеры сгорания 2, после чего движется по периферии в сторону конфузорного участка 6 первичной ограниченной камеры сгорания 2, где образует тороидальную вихревую структуру и взаимодействует с потоком топлива, подающимся из распределенной по окружности систему отверстий впрыска топлива 18 топливной форсунки 1. Распределение подачи топлива через систему отверстий впрыска топлива 18 обеспечивает повышение равномерности температурного поля в зоне горения и снижение концентрации монооксида углерода и оксидов азота в зоне горения. Образуется топливовоздушная смесь, которая имеет состав по коэффициенту избытка воздуха вне границ концентрационных пределов воспламенения. Воздух, из кольцевого канала подвода воздуха 3, поступает в конфузорный участок 6 первичной ограниченной камеры смешения 2 с высоким значением окружной составляющей скорости, которая сообщается потоку в осевом лопаточном завихрителе 4. В конфузорном участке 6 первичной ограниченной камеры смешения 2 поток воздуха смешивается с топливовоздушной смесью, тем самым обедняя ее. Далее поток обедненной топливовоздушной смеси, движется в приосевом вихре в сторону вторичной прямоточной камеры смешения 9. Попадая во вторичную прямоточную камеру смешения 9, поток компонентов движется между внутренней стенкой 11 профилированного полого расширяющегося канала 12 и усеченным конусом-обтекателем 20 в область выходного участка 19 профилированного соплового насадка 16. Установка усеченного конуса-обтекателя 20 обеспечивает направленное движение потока обедненной топливовоздушной смеси в зону горения, за счет чего достигается повышение массовой скорости горения. С целью снижения вероятности развития термоакустической неустойчивости и исключения виброгорения в усеченном конусе-обтекателе 20 выполнена веерная система топливных каналов 21, расположенных под углом к его оси, обеспечивающим подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешанной топливовоздушной смеси. Из профилированного полого расширяющегося канала 12 через распределенную систему подачи топлива 13 поступает одно- или многокомпонентное топливо в канал подвода третичного воздуха 17, где частично смешивается с воздухом. Таким образом, через канал подвода третичного воздуха 17 с высокой степенью закрутки, которая сообщается потоку в аксиальном закручивающем устройстве 14, в область выходного участка 19 профилированного соплового насадка 16 поступает поток бедной топливом смеси. На выходе формируется зона горения обедненной топливом, частично перемешанной топливовоздушной смеси.The counterflow burner module operates as follows. Compressed air from the compressor, passing through the interblade channels 8 formed by the tangential twisting device 7, enters the diffuser section 5 of the primary limited combustion chamber 2 with a high peripheral speed, after which it moves along the periphery towards the confuser section 6 of the primary limited combustion chamber 2, where it forms a toroidal vortex structure and interacts with the fuel flow supplied from the circumferentially distributed system of fuel injection holes 18 of fuel injector 1. The distribution of fuel supply through the system of fuel injection holes 18 ensures an increase in the uniformity of the temperature field in the combustion zone and a decrease in the concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the combustion zone . A fuel-air mixture is formed, which has a composition based on the excess air coefficient outside the boundaries of the concentration ignition limits. Air from the annular air supply channel 3 enters the confuser section 6 of the primary limited mixing chamber 2 with a high value of the circumferential velocity component, which is imparted to the flow in the axial blade swirler 4. In the confuser section 6 of the primary limited mixing chamber 2, the air flow is mixed with the air-fuel mixture , thereby impoverishing it. Next, the flow of the lean fuel-air mixture moves in the axial vortex towards the secondary direct-flow mixing chamber 9. Getting into the secondary direct-flow mixing chamber 9, the flow of components moves between the inner wall 11 of the profiled hollow expanding channel 12 and the truncated cone-fairing 20 into the area of the outlet section 19 of the profiled nozzle nozzle 16. Installation of a truncated cone-fairing 20 ensures the directed movement of the flow of a lean fuel-air mixture into the combustion zone, thereby achieving an increase in the mass combustion rate. In order to reduce the likelihood of developing thermoacoustic instability and eliminate vibration combustion in the truncated cone-fairing 20, a fan-shaped system of fuel channels 21 is made, located at an angle to its axis, ensuring the supply of pilot gas to the combustion zone of a fuel-depleted, partially mixed fuel-air mixture. From the profiled hollow expanding channel 12, through a distributed fuel supply system 13, single- or multi-component fuel enters the tertiary air supply channel 17, where it is partially mixed with air. Thus, through the tertiary air supply channel 17 with a high degree of swirl, which is communicated to the flow in the axial swirling device 14, a flow of a fuel-poor mixture enters the area of the outlet section 19 of the profiled nozzle 16. At the exit, a combustion zone of a fuel-depleted, partially mixed fuel-air mixture is formed.

Организация равномерной по коэффициенту избытка воздуха топливовоздушной смеси в первичной ограниченной камере сгорания обеспечивается установкой осевого лопаточного завихрителя в кольцевой канал подвода воздуха. В результате в зоне горения образуется фронт пламени большой площади, что обеспечивает полноту сгорания топлива.The organization of a uniform air-fuel mixture in terms of the excess air ratio in the primary limited combustion chamber is ensured by installing an axial blade swirler in the annular air supply channel. As a result, a large area of flame front is formed in the combustion zone, which ensures complete combustion of the fuel.

Claims (2)

1. Противоточный горелочный модуль, содержащий первичную ограниченную камеру смешения, которая спрофилирована в форме диффузорно-конфузорного канала, вторичную прямоточную камеру смешения, тангенциальное закручивающее устройство с межлопаточными каналами, аксиальное закручивающее устройство, топливную форсунку, отличающийся тем, что в топливной форсунке выполнена распределенная по окружности система впрыска топлива, в приосевой части вторичной прямоточной камеры смешения установлен усеченный конус-обтекатель с веерной системой топливных каналов, расположенных под углом к его оси, обеспечивающей подачу пилотного газа в зону горения обедненной топливом, частично перемешенной топливоздушной смеси.1. A counterflow burner module containing a primary limited mixing chamber, which is profiled in the form of a diffuser-confuser channel, a secondary direct-flow mixing chamber, a tangential swirling device with inter-blade channels, an axial swirling device, a fuel injector, characterized in that the fuel injector has a distributed circumference of the fuel injection system, in the axial part of the secondary direct-flow mixing chamber there is a truncated cone-fairing with a fan-shaped system of fuel channels located at an angle to its axis, ensuring the supply of pilot gas to the combustion zone of a fuel-depleted, partially mixed air-fuel mixture. 2. Противоточный горелочный модуль по п.1, отличающийся тем, что соосно топливной форсунке выполнен кольцевой канал подвода воздуха с осевым лопаточным завихрителем.2. A counter-flow burner module according to claim 1, characterized in that an annular air supply channel with an axial blade swirler is made coaxially with the fuel injector.
RU2023135123A 2023-12-26 Counterflow burner module RU2823422C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2823422C1 true RU2823422C1 (en) 2024-07-23

Family

ID=

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4601428A (en) * 1983-12-09 1986-07-22 Tokyo Sangyo Kabushiki Kaisha Burner tip
US4893752A (en) * 1987-05-06 1990-01-16 Turbotak Inc. Spray nozzle design
US5143297A (en) * 1990-03-26 1992-09-01 Ente Nazionale Per L'energia Electrica Atomizer for viscous liquid fuels
RU2001350C1 (en) * 1990-03-05 1993-10-15 Уральский теплотехнический научно-исследовательский институт Atomizer
RU2013693C1 (en) * 1991-05-06 1994-05-30 Владимир Витальевич Кисляков Burner
RU2116573C1 (en) * 1996-11-11 1998-07-27 Отделение N 1 Московского государственного инженерно-физического института Burner
RU125310U1 (en) * 2012-09-21 2013-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "СИБЭКС" RING FLASH CHAMBER
US10864531B2 (en) * 2016-05-19 2020-12-15 Lechler Gmbh Nozzle for spraying liquids
RU2749434C1 (en) * 2020-08-25 2021-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Air-fuel burner and frontal device of combustion chamber
RU2750176C1 (en) * 2020-12-14 2021-06-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" Countercurrent burner pre-mixing module

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4601428A (en) * 1983-12-09 1986-07-22 Tokyo Sangyo Kabushiki Kaisha Burner tip
US4893752A (en) * 1987-05-06 1990-01-16 Turbotak Inc. Spray nozzle design
RU2001350C1 (en) * 1990-03-05 1993-10-15 Уральский теплотехнический научно-исследовательский институт Atomizer
US5143297A (en) * 1990-03-26 1992-09-01 Ente Nazionale Per L'energia Electrica Atomizer for viscous liquid fuels
RU2013693C1 (en) * 1991-05-06 1994-05-30 Владимир Витальевич Кисляков Burner
RU2116573C1 (en) * 1996-11-11 1998-07-27 Отделение N 1 Московского государственного инженерно-физического института Burner
RU125310U1 (en) * 2012-09-21 2013-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "СИБЭКС" RING FLASH CHAMBER
US10864531B2 (en) * 2016-05-19 2020-12-15 Lechler Gmbh Nozzle for spraying liquids
RU2749434C1 (en) * 2020-08-25 2021-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Air-fuel burner and frontal device of combustion chamber
RU2750176C1 (en) * 2020-12-14 2021-06-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" Countercurrent burner pre-mixing module
RU2775105C1 (en) * 2021-11-30 2022-06-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" Vortex nozzle and burner pre-mixing module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5816049A (en) Dual fuel mixer for gas turbine combustor
US6889495B2 (en) Gas turbine combustor
US5251447A (en) Air fuel mixer for gas turbine combustor
US5590529A (en) Air fuel mixer for gas turbine combustor
US5865024A (en) Dual fuel mixer for gas turbine combustor
US5613363A (en) Air fuel mixer for gas turbine combustor
EP0500256B1 (en) Air fuel mixer for gas turbine combustor
US5511375A (en) Dual fuel mixer for gas turbine combustor
CN103375819B (en) Fuel/air premix system for turbogenerator
US8590311B2 (en) Pocketed air and fuel mixing tube
US8117845B2 (en) Systems to facilitate reducing flashback/flame holding in combustion systems
US6240732B1 (en) Fluid manifold
KR101471311B1 (en) Gas turbine combustor and gas turbine
KR101749875B1 (en) Gas turbine combustor and gas turbine engine equipped with same
US5596873A (en) Gas turbine combustor with a plurality of circumferentially spaced pre-mixers
CN109804200B (en) Swirler, combustor assembly, and gas turbine with improved fuel/air mixing
KR20150065782A (en) Combustor with radially staged premixed pilot for improved operability
KR100679596B1 (en) Radial inflow dual fuel injector
US6286300B1 (en) Combustor with fuel preparation chambers
US6543231B2 (en) Cyclone combustor
RU2757705C1 (en) Double-layer vortex countercurrent flow burner
EP2340398B1 (en) Alternately swirling mains in lean premixed gas turbine combustors
RU2823422C1 (en) Counterflow burner module
RU2121113C1 (en) Gas turbine combustion chamber
RU2750176C1 (en) Countercurrent burner pre-mixing module