КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК F23R3/42 

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных установок, работающих преимущественно на сжатом природном газе с низкой токсичностью выхлопных газов, в основном NO_x и CO.

Известна камера сгорания с устройством управления процессом горения в газовой турбине, содержащая узел подачи топлива в камере сгорания, узел подачи воздуха из источника сжатого воздуха в зону горения жаровых труб в виде трубопровода с заслонкой, расположенной внутри корпуса камеры, и монитор для осуществления текущего контроля параметров устройства [1].

Недостатком известной конструкции является возможность возникновения режима высокочастотных колебаний газа, (вибрационного горения) в жаровой трубе, а вследствие этого - повышенная токсичность выхлопных газов турбины. Это объясняется расположением воздушной заслонки внутри камеры сгорания и недостаточной эффективностью устройств, позволяющих снизить степень вибрационного горения, оптимизировать характеристики камеры сгорания по токсичным выбросам, неравномерности поля температур и полноте сгорания. При расположении осей горелок параллельно стенке жаровой трубы горячие газы могут прорываться из зоны закрученного фронта пламени, нарушая заградительное охлаждение стенки и снижая долговечность камеры сгорания.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция трубчатой камеры сгорания газотурбинного двигателя и диффузионного регулируемого сопла предварительного приготовления смеси [2].

В известной конструкции жаровая труба размещена внутри трубчатого кожуха с открытыми навстречу течению потока воздуха торцами. Известная конструкция снижает вероятность возникновения режима высокочастотных колебаний газа (вибрационного горения), но не уменьшает степени вибрационного горения на переходных режимах. Возникновение вибрационного горения объясняется высокочастотными резонансными колебаниями, преимущественно при противоточном течении потока воздуха в кольцевом тракте внутри кожуха и горячих газов внутри жаровой трубы, что влечет за собой неустойчивый режим горения, повышенную токсичность выхлопных газов и увеличенный расход топливного газа. Недостатком известной камеры сгорания является также расположение осей горелок параллельно стенке жаровой трубы, что может приводить к нарушению зоны обратных токов и фронта пламени и к снижению диапазона устойчивого горения.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении токсичности выхлопных газов и в уменьшении расхода топливного газа путем предотвращения режима высокочастотных колебаний газа (вибрационного горения) и повышения эффективности сгорания топлива.

Сущность технического решения заключается в том, что в камере сгорания газотурбинной установки, содержащей размещенный внутри корпуса и скрепленный с ним ряд трубчатых кожухов, а внутри каждого кожуха - жаровую трубу с фронтовым устройством, соединенную с горелками и газосборником, согласно изобретению каждая из жаровых труб на выходе скреплена с входной частью кожуха поперечной стенкой с рядом отверстий, образующей кольцевую полость с входным торцем газосборника, причем кожух выполнен в форме диффузора по направлению к месту крепления его с корпусом и делит объем камеры сгорания на части, одна из которых равна полости горения жаровой трубы, соединенной с газосборником, а другая в целое число раз превышает объем полости горения, при этом камера сгорания содержит расположенные снаружи корпуса воздухопроводы и регуляторы перепуска воздуха из полости камеры в газосборник, вход воздухопроводов расположен ниже по потоку от соединения кожуха с газосборником, а выход соединен с газосборником сквозь стенки корпуса. Оси горелок расположены под острым углом к стенке жаровой трубы и пересекаются между собой и осью жаровой трубы.

Скрепление каждой жаровой трубы на выходе с входной частью кожуха поперечной стенкой с рядом отверстий, образующей кольцевую полость с входным торцем газосборника, позволяет демпфировать термические напряжения в стенке жаровой трубы и кожуха, вызванные резонансными колебаниями потоком воздуха, направляемого в жаровую трубу для организации процесса горения.

Выполнение кожуха в форме диффузора по направлению к месту крепления его с корпусом снижает потери давления потоков воздуха, направляемого на организацию процесса горения, а также повышает жесткость и сохраняет форму жаровой трубы за счет симметричных градиентов температур.

Кроме того, крепление жаровой трубы с кожухом позволяет снизить температурные градиенты за счет выполнения мест соединения в зоне стыка с газосборником в виде уплотнений, выполняющих функцию охлаждения, что обеспечивает теплоизоляцию стыка от воздействия высоких температур, создаваемых в зоне горения, а также улучшает технологичность изготовления и сборки, снижает возможность возникновения дефектов сварных соединений, повышает ресурс и ремонтопригодность камеры сгорания.

При расположении кожуха в камере сгорания таким образом, что он делит объем камеры сгорания на части, одна из которых (вниз по течению от места соединения кожуха во фронтовое устройство) равна объему полости горения, т. е. объему жаровой трубы, соединенной с газосборником, а другая (объем камеры вверх по течению от кожуха) в целое число раз превышает объем полости горения, достигается уровень и спектр колебаний газа, при котором предотвращаются резонансные высокочастотные колебания газа, вызываемые интерференцией волн давления.

Расположенные снаружи корпуса камеры сгорания воздухопроводы и регуляторы перепуска воздуха из полости камеры в газосборник, вход воздухопроводов в которой расположен ниже по потоку от соединения кожуха с газосборником, а выход соединен с газосборником сквозь стенки корпуса, расширяют диапазон устойчивого горения на переходных режимах путем "обогащения" обедненной топливовоздушной смеси за счет перепуска воздуха путем дополнительного "раскрытия" жаровой трубы на выходном участке. Перепуск воздуха в каждой из жаровых труб осуществляется с помощью перепускного воздухопровода и дроссельной заслонки, расположенной снаружи корпуса камеры сгорания, что позволяет дополнительно "раскрыть" жаровую трубу примерно на 40%. Кроме того, для достижения требуемых параметров по выбросу вредных веществ и приемлемого теплового состояния стенок жаровых труб обеспечивается повышенная надежность и возможность изменения распределения воздуха в ходе доводочных испытаний камеры сгорания.

Расположение осей горелок в каждой из жаровых труб под острым углом к стенке жаровой трубы таким образом, что оси горелок пересекаются между собой и осью жаровой трубы, позволяет достичь умеренной интенсивности закрутки потока при высокой скорости в сопле горелки для исключения проскока пламени внутрь ее смесительной камеры и центральной (диффузионной) горелки. При этом достигается неразрывность фронта пламени и зоны обратных токов на переходных и неустойчивых режимах горения, а вследствие этого - высокая долговечность жаровых труб.

На фиг. 1 - изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания.

На фиг. 2 - элемент 1 жаровой трубы на фиг. 1.

Камера сгорания газотурбинной установки содержит размещенный внутри разъемного корпуса 1 и скрепленный с ним ряд трубчатых кожухов 2, а внутри каждого кожуха 2 - жаровую трубу 3 с фронтовым устройством 4. соединенную с горелками 5 и газосборником 6. Каждая из жаровых труб 3 на выходе 7 скреплена с входной частью 8 кожуха 2 поперечной стенкой 9 с рядом отверстий 10 (см. фиг. 2). Стенка 9 образует кольцевую полость K с входным торцем 11 газосборника 6. Кожух 2 выполнен в форме диффузора по направлению к месту крепления по кольцевому пояску Д с корпусом 1, закреплен крышкой 12 с корпусом 1 и содержит на диффузорной части Т щелевые отверстия 13. Кожух 2 делит камеры сгорания на две части V1 и V2, где: V1 - объем между диффузорной частью Т кожуха 2 и крышкой 12, V2 - объем между наружной поверхностью Т2 кожуха 2 и выходным диффузором компрессора 14. Объем жаровой трубы 3, соединенной с газосборником 6 обозначен Vг, т.е. объем полости горения, см. фиг. 1. При этом V1 = Vг, а V2 = n · Vг, где n - целое число. Камера сгорания содержит расположенные снаружи корпуса 1 воздухопроводы 15 и регуляторы 16 перепуска воздуха 7 из полости V2 камеры в газосборник 6. Вход 18 воздухопроводов 15 расположен ниже по потоку 19 воздуха от соединения по пояску Д1 кожуха 2 с газосборником 6 на расстоянии L, а выход 20 соединен с газосборником 6 патрубком 21 сквозь стенки 22 корпуса 1. Оси 23, 24 горелок 5 расположены под острым углом α к стенке 25 жаровой трубы 3 и пересекаются между собой и осью 26 жаровой трубы 3 в точке К1. Кроме того, на фиг. 1 показано: 27 - ось камеры сгорания, 28 - лопатки направляющего аппарата турбины, 29 - центральная (диффузионная) горелка жаровой трубы 3, 30 - сжатый природный газ, 31 - вращение заслонки регулятора 16 подачи воздуха, 32 - свеча зажигания.

Камера сгорания работает следующим образом. При запуске газотурбинной установки и работе на низких режимах в камере сгорания сжатый природный газ 30 подается в центральную горелку 29, далее смешиваясь с потоком воздуха 17, перемешанного лопатками завихрителя. Воспламеняется смесь от свечи зажигания 32. В камере сгорания на основных режимах сжигается предварительно подготовленная обедненная топливовоздушная смесь. При подаче сжатого природного газа 30 в горелки 5 поток воздуха 17 из-за диффузора компрессора 14, обладающего большой турбулентностью в объеме V2 и вызывающий высокочастотные колебания части воздуха, идущей на организацию процесса горения в полости горения Vг, демпфируется объемом V1, образованным кожухом 2 с поперечной стенкой 9 с отверстиями 10 и кольцевой полостью К с входным торцем 11 газосборника 6. В результате этого достигается требуемый уровень и спектр колебаний газа в объеме V1, при котором предотвращаются резонансные колебания газа в объеме Vг, вызываемые интерференцией волн давления на входе в горелки 5. Перепад давления на стенке 25 жаровой трубы 3 составляет 3...5% от полного давления на выходе диффузора компрессора 14. Около 65% воздуха 17, проходящего через жаровую трубу 3, поступает во фронтовое устройство 4 с горелками 5 и 29, остальной воздух идет на систему охлаждения. При этом для расширения диапазона устойчивости горения на переходных режимах в камере сгорания предусмотрено "забогащение" топливовоздушной смеси за счет перепуска воздуха 17 из полости V2 через воздухопровод 15 и дроссельную заслонку, расположенную снаружи корпуса 1 в газосборник 6 (полость Vг). Перепускной тракт воздухопровода 15 позволяет дополнительно "раскрыть" жаровую трубу на ≈ 40%. В диапазоне мощности от 50 до 100% происходит последовательное включение подводящих сжатый природный газ 30 коллекторов (3...4 коллектора), не показаны. При этом коллектор, подающий газ 30 в диффузионную горелку 29, либо полностью отключается, либо подает небольшое количество газа для поддержания горения гомогенной обедненной газовоздушной смеси, подаваемой горелками 5. Расположенные под острым углом α к стенке 25 жаровой трубы 3 горелки 5 пересекаются осями 23 завихрителей (не показаны) и осью 26 жаровой трубы 3 и обеспечивают умеренную интенсивность крутки потока газовоздушной смеси при высокой скорости в сопле горелки 5, исключая тем самым проскок пламени внутрь горелки 5 и центральной диффузионной горелки 29. Пламя при этом не достигает стенок 25 жаровой трубы 3, а процесс горения становится устойчивым в любом диапазоне мощности. В результате чего повышается долговечность жаровых труб, снижается токсичность выхлопных газов и уменьшается расход топливного газа.

Источники информации
1. EP, патент N 0656511, кл. F 23 R 3/26, 1994 г.

2. RU, патент N 2076276, кл. F 23 R 3/28, 1997 г - прототип.

Камера сгорания, работающая преимущественно на сжатом природном газе с низкой токсичностью выхлопных газов, в основном NO_x и CO, содержит размещенный внутри корпуса и скрепленный с ним ряд трубчатых кожухов, а внутри каждого кожуха - жаровую трубу с фронтовым устройством, соединенную с горелками и газосборником. Каждая из жаровых труб на выходе скреплена с входной частью кожуха поперечной стенкой с рядом отверстий, образующей кольцевую полость с входным торцом газосборника. Кожух выполнен в форме диффузора по направлению к месту крепления его с корпусом и делит объем камеры сгорания на части, одна из которых равна полости горения жаровой трубы, соединенной с газосборником, а другая в целое число раз превышает объем полости горения. Камера сгорания также содержит расположенные снаружи корпуса воздухопроводы и регуляторы перепуска воздуха из полости камеры в газосборник. Вход воздухопроводов расположен ниже по потоку от соединения кожуха с газосборником, а выход соединен с газосборником сквозь стенки корпуса. Оси горелок расположены под острым углом к стенке жаровой трубы и пересекаются между собой и осью жаровой трубы. Изобретение позволяет снизить токсичность выхлопных газов и уменьшить расход топливного газа путем предотвращения режима высокочастотных колебаний газа (вибрационного горения) и повышения эффективности сгорания топлива. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера сгорания газотурбинной установки, содержащая размещенный внутри корпуса и скрепленный с ним ряд трубчатых кожухов, а внутри каждого кожуха - жаровую трубку с фронтовым устройством, соединенную с горелками и газосборником, отличающаяся тем, что каждая из жаровых труб на выходе скреплена с входной частью кожуха поперечной стенкой с рядом отверстий, образующей кольцевую полость с входным торцом газосборника, причем кожух выполнен в форме диффузора по направлению к месту крепления его с корпусом и делит объем камеры сгорания на части, одна из которых равна полости горения жаровой трубы, соединенной с газосборником, а другая в целое число раз превышает объем полости горения, при этом камера сгорания содержит расположенные снаружи корпуса воздуховоды и регуляторы перепуска воздуха из полости камеры в газосборник, вход воздухопроводов расположен ниже по потоку от соединения кожуха с газосборником, а выход соединен с газосборником сквозь стенки корпуса. 2. Камера сгорания газотурбинной установки по п.1, отличающаяся тем, что оси горелок расположены под острым углом к стенке жаровой трубы и пересекаются между собой и осью жаровой трубы.