ГОРЕЛКА, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2000 года по МПК F23D14/82 

Изобретение относится к горелке с осью и вращательно-симметричной относительно нее конструкцией из внешней оболочки и коаксиальной к ней внутренней оболочки, которая определяет проходящий от входа до выхода кольцевой зазор для направления потока содержащего кислород газа, с множеством расположенных в кольцевом зазоре сопел для подвода топлива, а также расположенной в кольцевом зазоре завихрительной решеткой.

Изобретение относится, в частности, к подобной горелке для применения в газовой турбине.

Подобная горелка известна из ЕР 0193838 B1, а также из работы "Экономичное решение проблемы NO_x в газовых турбинах" Н. Maghon, VGB Kraftwerktechnik 68 (1988), 799. Форма дальнейшего развития этой горелки следует из WO 92/19913 А1.

В этой связи представляют интерес также ЕР 0589520 A1, а также патенты США 5165241, 5251447, 5323604 и 5351477. Следует сослаться также на работу "Системы сухого сжигания с низким уровнем NO_x для высокомощных газовых турбин GE" L.B. Davis, проспект GER-3568C GE Industrial and Power Systems, Schenectady, Нью-Йорк, США. Из всех этих документов следуют горелки или соответственно части для сжигания с горелками для применения в газовых турбинах.

Относительно важных принципов аэрогидромеханики, которые имеют значение в данной связи, следует сослаться на книгу "Вентиляторы" В. Eck, 5-е издание, издательство Шпрингер, Берлин, Гельдейберг и Нью-Йорк, 1972, глава С, стр. 283 - 285, а также на книгу "Осевые компрессоры" J.H. Horlock, издательство Г. Браун, Карлсруэ 1967, DE, 4-е дополнение.

Обе книги относятся к вентиляторам, в частности вентиляторам осевого типа, которые характеризуются вращающейся завихрительной решеткой, которая всасывает поток газа в форме незакрученного потока вдоль оси и выдает его в форме закрученного ускоренного потока вдоль оси. В случае горелки описанного вида имеется неподвижная завихрительная решетка, к которой притекает ускоренный в другом месте, незакрученный поток и которой этот поток выдается с завихрением, а также с известной потерей давления. Конфигурация горелки во многих отношениях подобна конфигурации вентилятора, и существенные теоретические основы вентилятора являются непосредственно применимыми. Особенное значение в данном случае имеет эффект, который появляется на каком-либо перемещающемся с завихрением вдоль оси потоке газа и независимо от того, как этот поток был подготовлен. Этот эффект является образованием ядра вихря внутри потока, то есть перемещающийся с завихрением поток склонен к тому, чтобы образовывать круглое кольцо так, что в окружающей ось центральной области цилиндрической трубы, в которой направляется поток, в направлении потока больше не происходит никакого течения.

Поток газа через произвольно выбираемую конструкцию ограничителей, в частности через горелку, может вычисляться с помощью средств цифровой математики, для чего уже коммерчески предлагаются специальные программы для ЭВМ. Эти программы для ЭВМ известны специалистам, работающим в этой области техники, под названиями TASCFLOW и FLUENT.

Горелка названного выше вида в принципе имеет целью сжигать топливо надежно и с малым содержанием вредных веществ в потоке содержащего кислород газа, в частности в сжатом воздухе. Для избежания образования вредных веществ, таких как окислы азота и окись углерода, оказалось предпочтительным сжигание с предварительным смешиванием, для чего вначале образуют возможно однородную смесь топлива и содержащего кислород газа и воспламеняют уже эту смесь. Для такого смешивания в принципе существует возможность преждевременного зажигания, в частности при условиях, которые можно ожидать в газовой турбине, и в частности тогда, когда должно применяться легковоспламеняемое топливо или топливо с высокой скоростью распространения пламени. Топливом такого вида являются, например, газы, которые содержат элементарный водород, например газы, которые получают за счет газификации угля, а также природные газы, с высоким содержанием длинноцепочечных углеводородов, температуры воспламенения которых являются значительно ниже, чем температура воспламенения метана.

В горелке, в которой реализовано подобное сжигание с предварительным смешиванием, что описано в некоторых из цитированных документах, в частности в ЕР 0 193 838 B1, а также WO 92/19913 A1, могут появляться другие проблемы, если приток к горелке является не идеальным и за счет этого ухудшается смешивание содержащего кислород газа с топливом. В таком случае при сгорании смеси получается неоднородное распределение температуры и в соответствии с этим повышенное образование окислов азота; кроме того неоднородное смешивание способствует преждевременному воспламенению. Эти соображения препятствуют реализации сжигания с предварительным смешиванием в газовой турбине, в которой должно сжигаться легковоспламеняемое топливо. Они также показывают, что сжигание с предварительным смешиванием, как оно могло быть реализовано до сих пор, не было свободным от проблем, в частности потому, что преждевременное воспламенение смеси из топлива с содержащим кислород газом может относительно легко вызывать большие повреждения на соответствующей горелке.

В основе изобретения поэтому лежит задача указания горелки, которая выполнена таким образом, чтобы в протекающем через нее потоке содержащего кислород газа по возможности не образовывались неравномерности и тем самым исключалась опасность преждевременного воспламенения топлива в потоке.

Для решения этой задачи указана горелка с осью и вращательно симметричной относительно нее конструкцией из внешней оболочки и коаксиальной к ней внутренней оболочки, которая определяет проходящий от входа до выхода кольцевой зазор для направления потока содержащего кислород газа, с множеством расположенных в кольцевом зазоре сопел для подвода топлива к потоку, а также расположенной в кольцевом зазоре завихрительной решеткой, причем конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена таким образом, что поток протекает через кольцевой зазор между завихрительной решеткой и выходом с в основном постоянной меридиональной скоростью.

Признак "с в основном постоянной меридиональной скоростью" означает, что конструкция, через которую протекает поток, должна противопоставлять потоку в основном постоянное меридиональное поперечное сечение потока. Это поперечное сечение потока, правда, часто будет расположено не, например, перпендикулярно к оси симметрии структуры, через которую протекает поток, а должно определяться в соответствии с описывающим поток векторным полем под углом к оси симметрии и поперечно к векторному полю.

В этой связи простая вычислительная модель, которая в явном виде не должна учитывать поток, дает хорошее приближение для определения поперечного сечения потока вдоль обтекаемой потоком конструкции. В конструкцию вписывают торы, которые тангенциально касаются как поверхности внешней оболочки, так и поверхности внутренней оболочки. При этом точки, в которых такой тор касается внешней оболочки или внутренней оболочки, лежат на окружности на внешней оболочке или, соответственно, окружности на внутренней оболочке. Между этими двумя окружностями расположена поверхность усеченного конуса; она имеет площадь, которая в хорошем приближении соответствует эффективному поперечному сечению потока в месте поверхности усеченного конуса.

Кроме того в распоряжении на коммерческой основе имеются программы для ЭВМ, которыми можно вычислять потоки через конструкции практически любого выполнения. Специалистам, работающим в этой области, известны, например, программы для ЭВМ TASCFLOW и FLUENT. Предпочтительно такая программа для ЭВМ используется, чтобы оптимировать структуру, созданную с применением вышеописанной простой вычислительной модели. Относительно данного случая следует заметить, что вследствие вращательной симметрии он может в принципе рассматриваться в рамках двумерной модели; разумеется, нет никаких принципиальных возражений против рассмотрения этого случая и в рамках трехмерной модели.

Изобретение исходит при этом из знания того, что обеспечение постоянной меридиональной скорости для потока после завихрительной решетки, то есть обеспечение постоянной скорости перемещения потока вдоль оси или, соответственно, радиально-осевой относительно оси плоскости, сказывается особенно стабилизирующим образом на потоке и образующейся в этом потоке смеси из содержащего кислород газа и топлива. В частности, эта мера обеспечивает то, что подавляются нарушения вследствие не идеального притока к горелке. Необходимый перепад давления, который должен устанавливаться на горелке, в значительной части уменьшается между входом и завихрительной решеткой. Таким образом, также исключается опасность образования нарушений в потоке после завихрительной решетки.

В рамках предпочтительной формы дальнейшего развития горелки конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена таким образом, что кольцевой зазор между входом и завихрительной решеткой сужается. Для этого внешняя оболочка выполнена таким образом, что она открывается на входе по типу губы или закругленной воронки; внутренняя оболочка на входе снабжена, в частности, закругленным краем. Это способствует гомогенизации протекающего через горелку потока и избегает того, чтобы нарушения, образовавшиеся перед горелкой в потоке, продолжались дальше внутрь горелки.

Предпочтительным также является, что расположенные в кольцевом зазоре сопла для подвода топлива расположены в завихрительной решетке. Для этого завихрительная решетка состоит, в частности, из полых направляющих лопаток, в которых расположены сопла. Таким образом может достигаться особенно однородное примешивание топлива к потоку, что обеспечивает во время сгорания равномерное распределение температуры в потоке и тем самым эффективно препятствует возникновению окислов азота.

С особенным преимуществом горелка выполнена так, что коэффициент завихрения, определяемый завихрительной решеткой, радиусом внешней оболочки и радиусом внутренней оболочки, причем оба радиуса должны определяться на выходе, который может вычисляться как отношение между моментом импульса в качестве делимого и произведения из меридионального импульса и радиуса внешней оболочки в качестве делителя, причем момент импульса и меридиональный импульс характеризуют поток на выходе, когда он притекает на входе без завихрения, является меньше критического коэффициента завихрения, который определен радиусами. Требование, лежащее в основе соответствующего выполнения горелки, является известным как "втулочный критерий Стржелецкого".

Прежде всего следует указать на то, что хотя коэффициент завихрения может вычисляться из характерных величин потока, а именно величины меридиональной компоненты его импульса, а также величины его момента импульса, который в основном определяется завихрительной решеткой, что коэффициент завихрения, однако, сам является характерным параметром горелки. Это получается из аэрогидродинамических отношений подобия.

Понятие "критического коэффициента завихрения" возникло под влиянием наблюдения, что вблизи оси движущегося с завихрением вдоль оси потока образуется так называемое ядро вихря, то есть область, из которой поток в основном вытесняется. Причиной этого являются, например, центробежные силы. Диаметр этого ядра вихря является доступным для вычислений; смотри в этой связи цитированные книги. В принципе диаметр ядра вихря увеличивается с увеличением коэффициента завихрения. Если поток движется по кольцу, которое определено радиусом внешней оболочки горелки в качестве внешнего радиуса и радиусом внутренней оболочки горелки в качестве внутреннего радиуса, то прилегание потока к внутренней оболочке горелки может быть гарантировано только тогда, когда получающийся относительно данного внешнего радиуса и данного коэффициента завихрения радиус ядра вихря является меньше, чем внутренний радиус. Если радиус ядра вихря является больше, чем внутренний радиус, то это означает, что возникает отделение потока от внутренней оболочки с той понятным образом непосредственно получающейся опасностью, что это может привести к обратному течению внутрь горелки и к повышенной опасности преждевременного воспламенения топлива в потоке. Критический коэффициент завихрения в этой связи определяется как такой коэффициент завихрения, при котором радиус ядра вихря потока точно соответствует внутреннему радиусу, то есть радиусу внутренней оболочки.

Определенный, как пояснялось, коэффициент завихрения горелки выбирается предпочтительно заметно меньше, чем критический коэффициент завихрения; в частности, коэффициент завихрения горелки составляет между 75 и 97% критического коэффициента завихрения и лежит предпочтительно при 90% критического коэффициента завихрения. За счет этого между действительной геометрией горелки и рассматриваемой в качестве "критичной" геометрии горелки получается запас надежности и таким образом как бы количественная надежность относительно отделения потока от внутренней оболочки.

Горелка любого выполнения предпочтительно снабжена контрольным (пилотным) устройством сжигания. Это устройство сжигания содержит расположенную, в частности, во внутренней оболочке контрольную (пилотную) горелку, которая поставляет маленькое, стабильно горящее пламя, на котором может воспламеняться образованная в самой горелке смесь из содержащего кислород газа и топлива. Это является важным тогда, когда желательно регулирование подачи топлива и тем самым регулирование теплопроизводительности горелки. Оказалось, что предварительное смешивание без стабилизации является стабильным только в относительно узкой области эксплуатации, характеризующейся относительно точно выдерживаемым химическим составом. Однако, если соответствующим контрольным устройством сжигания предоставляется дополнительная стабилизация, то может быть достигнуто расширение области эксплуатации, важное для практического применения.

Горелка оказалась особенно пригодной для использования в устройстве для сжигания газовой турбины, и в частности для газовой турбины, в которой должны сжигаться относительно легко воспламеняемые виды топлива. Горелка при этом не ограничена применением газообразных видов топлива; в принципе горелка может эксплуатироваться в соответствующей форме выполнения с любым текучим топливом, например, жидким котельным топливом и тому подобным.

Пример выполнения изобретения следует из чертежа, на котором показано:
на фиг. 1 - продольное сечение через горелку;
на фиг. 2 - схема газовой турбины.

Представленная на фиг. 1 горелка является вращательно симметричной относительно оси 1. Она имеет внешнюю оболочку 2 и коаксиальную к ней внутреннюю оболочку 3. Ни внешняя оболочка 2, ни внутренняя оболочка 3 не должны выполняться обязательно в виде одной детали; является возможным и, например, по причинам рационального изготовления предпочтительным, как показано, выполнять внешнюю оболочку 2 и/или внутреннюю оболочку 3 из нескольких частей. Внешняя оболочка 2 и внутренняя оболочка 3 определяют кольцевой зазор 4, через который протекает от входа 5 до выхода 6 поток 7 (показанного стрелкой) содержащего кислород газа. В кольцевом зазоре 4 расположена завихрительная решетка 8, состоящая из множества направляющих лопаток 8, которые сообщают потоку 7 закручивание; это означает, что поток 7 после завихрительной решетки 8 выполняет винтообразное движение вокруг оси 1. Согласно этому он имеет не только векторы скорости, которые лежат в радиально-аксиальных относительно оси 1 плоскостях и в соответствии со специальной терминологией ориентированы меридионально; векторы скорости после завихрительной решетки 8 имеют также компоненты, которые ориентированы тангенциально к оси 1 или, соответственно, к окружностям, центры которых лежат на оси 1, и которые лежат в плоскостях, направленных перпендикулярно к оси 1. Такие тангенциальные компоненты могут в соответствии с принятой терминологией быть обозначены также как "касательные компоненты".

Направляющие лопатки 8 имеют сопла 9, через которые к потоку 7 подводится топливо, в частности горючий газ. Он смешивается с потоком сначала без воспламенения, а образованная смесь воспламеняется лишь в области выхода 6. Соответственно этому горелка является горелкой с предварительным смешиванием.

Существенным признаком горелки является то, что конструкция из внешней оболочки 2 и внутренней оболочки 3 выполнена таким образом, что поток 7 протекает через кольцевой зазор 4 между завихрительной решеткой 8 и выходом 6 с в основном постоянной меридиональной скоростью. Это означает, что поток 7 в направлении своего распространения, то есть в меридиональном относительно оси 1 направлении, не должен претерпевать никакого ускорения или замедления. Для этого необходим тщательный расчет, в частности внешней оболочки 2 и внутренней оболочки 3, так как может быть желательным, и в данном примере реализовано, что поток 7 движется не просто параллельно оси 1, а выполняет частично движение, направленное радиально внутрь к оси 1. Это движение внутрь должно быть скомпенсировано за счет соответствующего расширения соответствующего зазора между внешней оболочкой 2 и внутренней оболочкой 3; это явно можно видеть из чертежа.

Перед завихрительной решеткой 8 зазор 4 заметно сужается; это сужение получается главным образом за счет того, что поток 7 направляется частично радиально внутрь к оси 1, так что является достаточным выдерживать в основном постоянным зазор между внешней оболочкой 2 и внутренней оболочкой 3. Чтобы способствовать этому внешняя оболочка 2 в области входа 5 расширена примерно подобно воронке так, что она открывается по типу губы, а внутренняя оболочка 3 на входе 5 имеет закругленный край 10.

На сопла 9, которые служат для подачи топлива, уже указывалось. Эти сопла 9 расположены в направляющих лопатках 8, чтобы таким образом обеспечить особенно однородное примешивание топлива в поток 7, без явлений отделения течения от направляющих лопаток 8. Подача топлива к соплам 9 происходит через топливопровод 11 и расположенный кольцом на внутренней стороне относительно внутренней оболочки 3 топливораспределительный резервуар 12. Из этого топливораспределительного резервуара 12 топливо через не представленные каналы во внутренней оболочке 3 и направляющих лопатках 8 может течь к соплам 9.

Геометрия конструкции из завихрительной решетки 8, внешней оболочки 2 и внутренней оболочки 3, как уже подробно пояснено выше, выбрана таким образом, чтобы коэффициент завихрения, который определяет существенные параметры потока 7, когда он поступает в меридиональном направлении на входе 5 в кольцевом канале 4, был меньше критического коэффициента завихрения, который получается из радиуса внешней оболочки 2 и радиуса внутренней оболочки 3 на выходе 6. Критический коэффициент завихрения определен таким образом, что цилиндрическое течение, которое течет через канал с названным радиусом внешней оболочки 2 вдоль оси 1, образует ядро вихря, то есть окружающую ось 1 область, из которой поток вытеснен, которая имеет радиус, соответствующий радиусу внутренней оболочки 3 на выходе 6. В случае, если течение в кольцевом зазоре 4 имеет коэффициент завихрения, который превышает критический коэффициент завихрения, то это означает, что на выходе 6 в этом течении образуется ядро вихря, которое имеет больший радиус, чем радиус внутренней оболочки 3 на выходе 6. В этом случае поток 7 в области выхода 6 больше не мог бы прилегать к внутренней оболочке 3, а должен бы отделяться от нее. Однако тогда на внутренней оболочке 3 должна бы образовываться область обратного потока, в которой газ мог бы течь обратно в кольцевой канал 4. С этим была бы связана значительная опасность преждевременного воспламенения горючей смеси в потоке 7. Горелка выполнена соответственно так, что эта опасность исключена.

Геометрическая структура горелки разработана с привлечением доступных математических моделей. При этом нашла применение прежде всего вышеописанная простая вычислительная модель, при которой между внешней оболочкой 2 и внутренней оболочкой 3 вписывают торы, с помощью которых определяют приближенные значения для поперечных сечений потока в конструкции. Задание для установления структуры дается в том смысле, что поперечные сечения потока по всему существенному кольцевому каналу 4 должны быть постоянными. Разработанная с помощью простой вычислительной модели структура была затем оптимирована с использованием коммерчески доступной программы для ЭВМ TASCFLOW относительно желаемого постоянства поперечного сечения потока через кольцевой канал 4.

Воспламенение горючей смеси в потоке 7 происходит вне горелки. Для этого предусмотрено контрольное устройство сжигания 13, которое содержит расположенную внутри внутренней оболочки 3 контрольную горелку 13. Она поставляет малое пламя, которое обеспечивает то, что горючая смесь воспламеняется в потоке 7. Чтобы зажигать и поддерживать пламя на контрольной горелке 13, предусмотрен зажигатель 14. Для случая, что от этого особого контрольного устройства сжигания 13, 14 отказываются, для зажигания смеси тогда, разумеется, предусмотрен видоизмененный зажигатель.

Фиг. 2 показывает схематическое изображение газовой турбины с компрессорной частью 15 для всасывания и сжатия воздуха, частью для сжигания 16, к которой подводится сжатый воздух, который кроме того содержит предусмотренное для сжигания топливо, и турбинной частью 17, в которой сжатый в компрессорной части 15 и дополнительно нагретый в части для сжигания 16 поток расширяется с совершением механической работы. Представленная на фиг. 1 горелка предназначена для встраивания в часть для сжигания 16 вместе с множеством подобных горелок.

Соответствующая изобретению горелка отличается признаками, которые воздействуют на пропускаемый через горелку поток газа особенно выгодным для желаемой цели образом. Горелка отличается особенно стабильной работой и не имеет, в частности, эксплуатационных нарушений вследствие не идеального притока или обратных ударов пламени.

Изобретение относится к горелке с осью и вращательно-симметричной относительно нее конструкцией из внешней оболочки и коаксиальной к ней внутренней оболочки. Она определяет проходящий от входа до выхода кольцевой зазор для направления потока, содержащего кислород газа. В кольцевом зазоре расположено множество сопел для подвода топлива к потоку, а также завихрительная решетка. Конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена таким образом, что поток протекает через кольцевой зазор между завихрительной решеткой и выходом, в основном, с постоянной меридиональной скоростью. Горелка является особенно пригодной для применения в газовой турбине. Горелка при своей работе исключает опасность преждевременного расположения топлива в потоке. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Горелка с осью и вращательно симметричной относительно нее конструкцией из внешней оболочки и коаксиальной к ней внутренней оболочки, которая определяет проходящий от входа до выхода кольцевой зазор для направления потока, содержащего кислород газа, с множеством расположенных в кольцевом зазоре сопел для подвода топлива к потоку, а также расположенной в кольцевом зазоре завихрительной решеткой, отличающаяся тем, что конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена с возможностью обеспечения, в основном, постоянной меридиональной скорости потока через кольцевой зазор между завихрительной решеткой и выходом. 2. Горелка по п.1, отличающийся тем, что конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена таким образом, что кольцевой зазор между входом и завихрительной решеткой сужается. 3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что внешняя оболочка открывается по типу губы. 4. Горелка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что внутренняя оболочка на входе имеет закругленный край. 5. Горелка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что сопла расположены в завихрительной решетке. 6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что завихрительная решетка состоит из направляющих лопаток, а сопла расположены в направляющих лопатках. 7. Горелка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что завихрительная решетка, радиус внешней оболочки и радиус внутренней оболочки, причем радиусы определены на выходе, определяют коэффициент завихрения, который является частным между моментом импульса в качестве делимого и произведением из меридионального импульса и радиуса внешней оболочки в качестве делителя, причем момент импульса и меридиональный импульс характеризуют поток на выходе, когда он втекает на входе без завихрения, при этом коэффициент завихрения выбран меньше критического коэффициента завихрения, который определен радиусами. 8. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что коэффициент завихрения имеет величину между 75 и 97% критического коэффициента завихрения. 9. Горелка по п.8, отличающаяся тем, что число завихрений составляет порядка 90% критического коэффициента завихрения. 10. Горелка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она имеет контрольное устройство сжигания. 11. Горелка по п.10, отличающаяся тем, что контрольное устройство сжигания содержит расположенную во внутренней оболочке контрольную горелку. 12. Горелка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она расположена в части сжигания газовой турбины.