ГОРЕЛКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2012 года по МПК F23Q5/00 F23Q9/00 F23D14/76 

Основа изобретения

Изобретение относится к газовой горелке с воспламенителем и, по меньшей мере, одним воспламеняющим электродом.

Выполненная пилотной горелка с воспламенителем и ведущими к нему воспламеняющими электродами описана, например, в ЕР 0193838 В1. Задачей воспламенителя является воспламенение топлива. Воспламеняющие электроды закреплены снаружи на пилотной горелке параллельно ее продольной оси. Топливоподвод находится внутри пилотной горелки и заканчивается в выходных отверстиях для топлива. Воспламеняющие электроды заканчиваются в зоне выходных отверстий для топлива и воспламеняют его посредством воспламеняющей искры. Она создается за счет напряжения воспламенения между двумя воспламеняющими электродами и сохраняется в течение всей продолжительности воспламенения.

Повреждения или искривление одного или обоих закрепленных на пилотной горелке воспламеняющих электродов при транспортировке или монтаже могут негативно повлиять на их работоспособность. Поэтому повреждения или искривление могут потребовать замены воспламеняющих электродов.

Замена воспламеняющих электродов может потребоваться также в том случае, если один из них искривлен настолько, что вместо искры между остриями электродов возникает пробой тока между проводом электрода и другой металлической деталью, поэтому газовая смесь воспламениться не может.

В US 2850084, US 5860804 и US 5865651 описаны воспламенители с воспламеняющими электродами, в которых воспламенение происходит за счет накаливания воспламеняющего электрода вследствие его высокого сопротивления, т.е. термически. Этот вид воспламенения называется ниже термическим воспламенением. Возможность электронного или электрического воспламенения, например за счет искрового перекрытия, упомянута только в US 5860804.

Для защиты зоны воспламеняющего электрода, вблизи которой происходит воспламенение, в US 2850084, US 5860804 и US 5865651 раскрыты различные защитные элементы или защитные облицовки. Эти защитные облицовки отличаются тем, что могут быть направлены в возникающее пламя и должны защищать воспламеняющие электроды в зоне воспламенения, в частности, от возможного загрязнения или повреждения. При этом участки воспламеняющих электродов, примыкающие к зоне воспламенения, т.е. ведущие к ней и от нее, не защищены соответствующим защитным элементом.

Воспламенители с воспламеняющими электродами описаны также в US 4029936, US 6777650 В1 и US 3823345. У них, по меньшей мере, участки воспламеняющих электродов, примыкающие к зоне воспламенения, т.е. ведущие к ней и от нее, частично охвачены кожухом. Эти воспламенители представляют собой, однако, исключительно термические воспламенители. Кроме того, они не являются воспламенителями горелок газовых турбин.

Однако в US 2850084, US 5860804, US 5865651, US 4029936, US 6777650 B1 и US 3823345 не раскрыты горелки газовых турбин. Однако работоспособность воспламеняющих электродов, используемых в горелках газовых турбин и воспламеняющих с помощью воспламеняющей искры, по сравнению с воспламеняющими электродами термических воспламенителей существенно легче ухудшается из-за возможного искривления.

В основе изобретения лежит задача создания горелки газовой турбины, по меньшей мере, с одним воспламеняющим электродом, у которой названная проблема не возникала бы или возникала в меньшей степени. Другая задача изобретения заключается в создании газовой турбины с предпочтительной горелкой.

Горелка газовой турбины может быть выполнена, в частности, в виде пилотной горелки.

Согласно изобретению, решение задачи состоит в том, что горелка снабжена, по меньшей мере, одним, расположенным на внешней стороне воспламеняющим электродом, которому соответствует защитный элемент, выступающий за внешнюю сторону горелки и за воспламеняющий электрод. Предложенная газовая турбина оборудована такой горелкой.

Преимущество решения, следовательно, в том, что воспламеняющие электроды защищены и поэтому можно избежать их повреждений при транспортировке или монтаже и демонтаже. В ЕР 0193838 В1 описана, правда, камера сгорания газовой турбины с горелкой, однако воспламеняющие электроды горелки не снабжены защитным элементом.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

В одном предпочтительном варианте защитный элемент соединен с внешней стороной горелки, что обеспечивает необходимую стабильность.

Другой предпочтительный вариант состоит в том, что защитный элемент охватывает воспламеняющие электроды, причем воспламеняющий электрод закрыт, по меньшей мере, частично по длине, так что, по меньшей мере, один воспламеняющий электрод оптимально защищен.

Кроме того, защитный элемент может быть выполнен U-образным и закреплен на внешней стороне горелки открытой стороной, так что воспламеняющий электрод защищен наружу с трех сторон. Защитный элемент может полностью охватывать электроды, по меньшей мере, на переднем участке вблизи их остриев.

В качестве альтернативы защитный элемент может быть образован, по меньшей мере, одним ребром, что обеспечивает лучшую доступность к воспламеняющим электродам. Ребро может проходить параллельно воспламеняющему электроду. Также с обеих сторон воспламеняющего электрода может находиться, по меньшей мере, по одному ребру.

Преимущественно защитный элемент изготавливается из жесткого на изгиб и ударопрочного материала, что позволяет избежать деформации защитного элемента, которая могла бы привести к деформации расположенных внутри воспламеняющих электродов.

Другой предпочтительный вариант состоит в том, что защитный элемент и воспламеняющий электрод расположены, по меньшей мере, на таком расстоянии друг от друга, что при приложении воспламеняющего напряжения к воспламеняющему электроду между ним и защитным элементом не возникает пробоя, с тем, чтобы можно было надежно избежать пробоя тока между воспламеняющим электродом и защитным элементом.

Кроме того, горелка газовой турбины может содержать два воспламеняющих электрода с одним острием каждый. В этом случае воспламенение происходит за счет искрового перекрытия на остриях воспламеняющих электродов при приложении воспламеняющего напряжения между обоими электродами. Следовательно, воспламенение происходит не термически. Правда, в US 5860804 и US 5865651 упомянуты также иные воспламенители, нежели термические, однако в этих документах не описан ни один воспламенитель, у которого между двумя электродами возникает искровое перекрытие. В других, уже упомянутых документах описаны только термические воспламенители.

Защитный элемент может преимущественно относиться к участку воспламеняющего электрода, ведущему к его острию. Это значит, что в таком случае защитный элемент не доходит до острия электрода и не выступает за него. Напротив, должен быть защищен участок электрода, проходящий вдоль внешней стороны горелки, т.е., другими словами, подвод к собственно зоне воспламенения на острие электрода.

Горелка может быть выполнена, в принципе, вращательно-симметричной, а, по меньшей мере, один расположенный на внешней стороне воспламеняющий электрод может быть параллельным оси симметрии горелки.

Газовая турбина может быть оборудована горелкой в одном из описанных вариантов.

Другие признаки, свойства и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

- на фиг.1 - горелка с одним воспламеняющим электродом;

- на фиг.2 - горелка с воспламеняющими электродами и защитным элементом U-образного сечения, охватывающим воспламеняющие электроды в передней части;

- на фиг.3 - горелка с воспламеняющими электродами и защитным элементом, образованным ребрами и расположенным параллельно воспламеняющим электродам.

Изображенное на фиг.1 горелочное устройство относится к газовой турбине - предпочтительной области применения изобретения. Горелочное устройство подходит также к газовым топочным установкам котлов.

Горелочное устройство состоит, по меньшей мере, из закрепленной на несущей плите (фиг.2, 3) первой горелки 2, которая служит в качестве пилотной горелки, и второй горелки 1, которая служит в качестве главной горелки и в середину которой коаксиально вставлена горелка 2. Последняя содержит головку 4 с завихряющими лопатками 3 и может работать на природном газе Е и/или мазуте Н в качестве топлива. Головка 4 горелки 2 коаксиально по отношению к оси горелки окружена воздухоподводящим каналом 6, который служит для подвода основной части воздуха L для горения к выполненной вниз по потоку за головкой 4 зоне сжигания (не показана). К кольцевому зазору находящийся под давлением воздуха L для горения подается компрессором газотурбинной установки. Горячие газообразные продукты горения текут в лопаточный аппарат турбины.

Главная горелка 1 дополнена пилотной горелкой 2, т.е. при работе на природном газе можно после запуска и разогрева пилотной горелки переключиться на работу главной горелки с ее меньшими значениями NOx. Горелка 2 служит при этом для стабилизации пламени.

Горелка 1 содержит сопловые трубы 5 и воздухоподводящий канал 6. Сопловые трубы присоединены к топливоподающей системе (не показана) и служат для смешивания нефти, природного газа или другого газообразного или жидкого топлива с подводимым воздухом L для горения. Воздухоподводящий канал 6 направляет воздух L для горения, при необходимости, с подмешанным топливом к зоне пламени.

Воспламенение подаваемой к горелке 2 топливно-воздушной смеси происходит посредством стержнеобразного или трубчатого электродного устройства с двумя воспламеняющими электродами 7. Они расположены параллельно оси горелки 2. В зоне несущей плиты 9, через которую пропущены воспламеняющие электроды 7, их расстояние от наружной стенки горелки 2, однако, заметно больше. Также расстояние между воспламеняющими электродами 7 в зоне несущей плиты 9 больше, чем в зоне наружной стенки горелки 2. Воспламеняющие электроды закреплены на внешней стороне горелки 2 посредством соединительных элементов 11.

На фиг.2 в качестве примера изображена горелка 2, на наружной стенке которой в ее продольном направлении закреплены два воспламеняющих электрода 7. В частности, горелка 2 может служить в качестве первой горелки в описанном со ссылкой на фиг.1 горелочном устройстве.

Воспламеняющие электроды 7 горелки 2 закрыты защитным элементом 8, выполненным в данном примере в виде U-образно согнутого листа. Колена листа 8 имеют по одному отогнутому участку, которым они закреплены на наружной стенке горелки 2. Крепеж 10 осуществляется предпочтительно подходящими разъемными соединительными элементами, например винтами, чтобы, в случае необходимости, был возможен доступ к воспламеняющим электродам 7. Вместо разъемного соединения, в принципе, возможны также неразъемные соединения, например сварные. U-образный лист проходит, по меньшей мере, по передней части воспламеняющих электродов 7, т.е. той части, которая находится вблизи их остриев 12.

Лист 8 должен быть изготовлен из ударопрочного и жесткого на изгиб материала, например стали. Расстояние листа 8 от воспламеняющих электродов 7 должно быть, по меньшей мере, таким, чтобы при приложении воспламеняющего напряжения к воспламеняющим электродам 7 между ними и защитным листом 8 не произошло пробоя. Конкретное значение расстояния зависит от электрической прочности среды между воспламеняющими электродами 7 и защитным листом 8, а также от геометрии воспламеняющих электродов 7 и господствующей при приложении воспламеняющего напряжения температуры. В данном примере с воздухом в качестве среды должно соблюдаться безопасное расстояние, по меньшей мере, 5 мм, если воспламеняющее напряжение составляет 5 кВ.

На фиг.3 изображена горелка 2 с двумя закрепленными на его наружной стенке воспламеняющими электродами 7. Также эта горелка 2 может, в частности, служить в качестве первой горелки в описанном со ссылкой на фиг.1 горелочном устройстве.

Справа и слева от воспламеняющих электродов 7 проходит по одному продольному ребру 8. Продольные ребра 8 выступают от поверхности горелки 2 за воспламеняющие электроды 7, так что они защищены от ударов. Ребра 8 прочно соединены со стенкой горелки 2. Крепеж 10 может осуществляться, например, сваркой или пайкой. Разъемные соединения между продольными ребрами 8 и горелкой 2, например винтами, также возможны, однако неразъемных соединений совершенно достаточно, поскольку доступ к воспламеняющим электродам 7 ограничен несущественно, и поэтому ребра 8 не приходится снимать для доступа к электродам 7.

Как и лист в первом примере, ребра 8 должны быть изготовлены из ударопрочного и жесткого на изгиб материала, например стали. Расстояние ребер 8 от воспламеняющих электродов 7 должно составлять при воспламеняющем напряжении 5 кВ, по меньшей мере, 5 мм, с тем, чтобы между воспламеняющим электродом и ребром не мог произойти пробой тока.

В заключение следует отметить, что всем признакам, приведенным в материалах заявки и, в частности, в зависимых пунктах формулы, несмотря на формальное подчинение одному или нескольким определенным пунктам, также по отдельности или произвольной комбинации должна быть предоставлена собственная охрана.

Изобретение относится к газовой горелке. Горелка (2) газовой турбины содержит два воспламеняющих электрода (7) с одним острием (12) каждый, причем при приложении воспламеняющего напряжения между обоими воспламеняющими электродами (7) возникает искровое перекрытие на их остриях, при этом воспламеняющие электроды (7) расположены на внешней стороне горелки (2), отличающаяся тем, что воспламеняющим электродам (7) соответствует защитный элемент (8), выступающий за внешнюю сторону горелки (2) и за воспламеняющие электроды (7), причем защитный элемент (8) и воспламеняющие электроды (7) расположены, по меньшей мере, на расстоянии друг от друга, обеспечивающем предотвращение пробоя между ними и защитным элементом (8) при приложении воспламеняющего напряжения к воспламеняющим электродам. Защитный элемент (8) соединен с внешней стороной горелки (2). Защитный элемент (8) охватывает воспламеняющие электроды (7), которые, по меньшей мере, частично закрыты по длине. Защитный элемент (8) выполнен в сечении U-образным и закреплен открытой стороной на внешней стороне горелки (2). Защитный элемент (8) охватывает воспламеняющие электроды (7), по меньшей мере, в передней части вблизи их остриев. Защитный элемент (8) образован, по меньшей мере, одним ребром. Ребро проходит параллельно воспламеняющим электродам (7). С обеих сторон воспламеняющих электродов расположено, по меньшей мере, по одному ребру. Защитный элемент (8) выполнен из жесткого на изгиб и ударопрочного материала. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность электродов. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Горелка (2) газовой турбины, содержащая два воспламеняющих электрода (7) с одним острием (12) каждый, причем при приложении воспламеняющего напряжения между обоими воспламеняющими электродами (7) возникает искровое перекрытие на их остриях, при этом воспламеняющие электроды (7) расположены на внешней стороне горелки (2), отличающаяся тем, что воспламеняющим электродам (7) соответствует защитный элемент (8), выступающий за внешнюю сторону горелки (2) и за воспламеняющие электроды (7), причем защитный элемент (8) и воспламеняющие электроды (7) расположены, по меньшей мере, на расстоянии друг от друга, обеспечивающем предотвращение пробоя между ними и защитным элементом (8) при приложении воспламеняющего напряжения к воспламеняющим электродам.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) соединен с внешней стороной горелки (2).

3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) охватывает воспламеняющие электроды (7), которые, по меньшей мере, частично закрыты по длине.

4. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) охватывает воспламеняющие электроды (7), которые, по меньшей мере, частично закрыты по длине.

5. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) выполнен в сечении U-образным и закреплен открытой стороной на внешней стороне горелки (2).

6. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) выполнен в сечении U-образным и закреплен открытой стороной на внешней стороне горелки (2).

7. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) охватывает воспламеняющие электроды (7), по меньшей мере, в передней части вблизи их остриев.

8. Горелка по п.6, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) охватывает воспламеняющие электроды (7), по меньшей мере, в передней части вблизи их остриев.

9. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) образован, по меньшей мере, одним ребром.

10. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) образован, по меньшей мере, одним ребром.

11. Горелка по п.9, отличающаяся тем, что ребро проходит параллельно воспламеняющим электродам (7).

12. Горелка по п.10, отличающаяся тем, что ребро проходит параллельно воспламеняющим электродам (7).

13. Горелка по п.9, отличающаяся тем, что с обеих сторон воспламеняющих электродов расположено, по меньшей мере, по одному ребру.

14. Горелка по п.10, отличающаяся тем, что с обеих сторон воспламеняющих электродов расположено, по меньшей мере, по одному ребру.

15. Горелка по п.11, отличающаяся тем, что с обеих сторон воспламеняющих электродов расположено, по меньшей мере, по одному ребру.

16. Горелка по п.12, отличающаяся тем, что с обеих сторон воспламеняющих электродов расположено, по меньшей мере, по одному ребру.

17. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что защитный элемент (8) выполнен из жесткого на изгиб и ударопрочного материала.

18. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде пилотной горелки для горелочного устройства.

19. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что защитный элемент соответствует части воспламеняющих электродов (7), которая ведет к острию электрода.

20. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена вращательно-симметричной, а два воспламеняющих электрода (7) расположены на внешней стороне горелки (2) параллельно ее оси симметрии.

21. Газовая турбина с горелкой (2) по одному из пп.1-20.