ФИКСАЦИЯ В ТРЕХ ТОЧКАХ ПОДЖИГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОДОВ ГОРЕЛКИ Российский патент 2012 года по МПК F23Q3/00 

Настоящее изобретение относится к креплению поджигающих электродов на горелке газовой турбины.

Важным компонентом газовой турбины является, в частности, так называемая камера сгорания, в которой с помощью окислителя сжигают топливо. В случае окислителя обычно речь идет о воздухе. Образующийся при сжигании в камере сгорания горячий газ далее подается на турбину.

На противоположной турбине стороне камеры сгорания обычно находится так называемая горелка. Она служит для поджигания топлива или смеси топлива с воздухом и для этого оснащена поджигающими электродами. Топливо и воздух впрыскивают через отверстия горелки в камеру сгорания. Поджигающие электроды расположены вблизи от этих отверстий и воспламеняют протекающий там газ. Для этого путем наложения напряжения зажигания между двумя поджигающими электродами создается искра зажигания. Такая искра зажигания поддерживается в течение всего периода зажигания. Для достижения оптимальной искры зажигания требуется точное соблюдение определенного расстояния между концами поджигающих электродов.

До сих пор поджигающие электроды часто закрепляли с помощью хомута на внешней поверхности горелки. При этом поджигающие электроды закреплялись в хомуте с помощью винта, расположенного между поджигающими электродами. Обычно опорные поверхности поджигающих электродов прилегают всем своим периметром к хомуту, который, например, может иметь круглый профиль. В области хомута поджигающие электроды обычно имеют керамическую облицовку. Керамическая облицовка служит для электрической изоляции поджигающих электродов и таким образом уменьшает тепловое расширение. Отклонения качества керамической поверхности и погрешности формы и положения хомута могут приводить к тому, что поджигающие электроды невозможно правильно закрепить. Крепление получается или слишком жестким, или слишком свободным. При слишком жестком креплении предупреждается тепловое расширение поджигающих электродов, а при слишком свободном креплении возникают нежелательные колебания поджигающих электродов.

Обычно поджигающие электроды располагаются не по центру между так называемой диагональной решеткой и носителем горелки, так как применяемые для фиксации поджигающих электродов хомуты часто завинчивают на кулачке, который из-за минимальной глубины вворачивания имеет определенную высоту. Расстояние от диагональной решетки, таким образом, мало, и на этом участке может происходить проскок искры, если расстояние на этом участке меньше, чем так называемый зазор зажигания, в котором нужно создать искру зажигания. Вследствие этого упомянутую горелку невозможно непосредственно зажигать.

Дополнительная сложность в применяемых до сих пор креплениях поджигающих электродов заключается в чувствительности к ударам при монтаже/демонтаже и при транспортировке горелки. Вклеенные в керамику поджигающие электроды обычно не прилегают непосредственно к горелке. Поэтому это может приводить к быстрому искривлению и поломке поджигающих электродов, что вызывает необходимость замены поджигающих электродов.

Задачей настоящего изобретения является создание горелки с предпочтительным держателем для фиксации поджигающих электродов.

Эта задача решается с помощью горелки, в частности горелки газовой турбины по пункту 1 формулы изобретения. Независимые пункты формулы изобретения содержат дополнительные предпочтительные варианты исполнения изобретения.

Горелка в соответствии с изобретением включает два поджигающих электрода и один держатель, причем держатель расположен на внешней поверхности горелки. Горелка отличается тем, что поджигающие электроды удерживаются соответственно в трех точках их периметра держателем в заданном положении. С помощью такой трехточечной фиксации, при которой вследствие осевого расширения держателя, в частности, речь может идти о трехлинейной фиксации, обеспечивается оптимальная статическая фиксация. При этом три точки или линии фиксации можно так оптимально распределить по периметру поджигающих электродов, что угол между ними составит 120°.

Поджигающие электроды могут размещаться в держателе с возможностью осевого перемещения, что, например, может быть реализовано с помощью пружинящей формы держателя. Такое осевое перемещение поджигающих электродов может вызываться тепловым расширением поджигающих электродов. Посредством размещения с возможностью перемещения по оси можно избежать осевых температурных напряжений в поджигающих электродах. В то же время поджигающие электроды могут быть надежно фиксированы радиально так, чтобы предотвратить возможные проблемы, возникающие из-за погрешностей расстояния между поджигающими электродами.

Кроме того, каждый поджигающий электрод может иметь керамическую облицовку. Керамическая облицовка служит для электрической изоляции поджигающего электрода. По сравнению с другими держателями держатель в соответствии с изобретением с трехточечной фиксацией имеет то преимущество, что без проблем могут быть компенсированы возможные колебания качества керамической поверхности без влияния на статическую фиксацию поджигающих электродов.

Кроме того, каждый поджигающий электрод может быть закреплен в держателе с возможностью радиальной амортизации. В частности, это может быть реализовано за счет того, что держатель включает, по меньшей мере, один радиально пружинящий хомут. Радиальная амортизация позволяет уравновешивать колебания, вследствие чего увеличивается срок службы поджигающих электродов. Вместе с возможным использованием радиально пружинящего хомута трехточечная фиксация в соответствии с изобретением компенсирует возможные неточности размеров при изготовлении хомута.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения держатель включает опорный хомут и фиксирующий хомут. В этом случае трехточечная фиксация в соответствии с изобретением может быть реализована за счет того, что опорный хомут и фиксирующий хомут выполнены и расположены относительно друг друга таким образом, что каждый поджигающий электрод в одной точке своего периметра удерживается в заданном положении с помощью опорного хомута, а в двух других точках - за счет фиксирующего хомута. При этом фиксирующий хомут выполнен так, что он позволяет пружинить, и, кроме того, за счет его силы натяжения обеспечивается необходимое для компенсации теплового расширения осевое перемещение. Применение только одного опорного хомута для удержания двух поджигающих электродов имеет то преимущество, что с помощью очень небольшого количества модулей можно достичь оптимальной фиксации поджигающих электродов. Такое расположение позволяет к тому же просто монтировать и заменять поджигающие электроды.

Принципиально держатель в соответствии с изобретением можно закреплять любым образом на внешней поверхности горелки. Однако предпочтительно, чтобы держатель закреплялся на внешней поверхности горелки с помощью, по меньшей мере, двух крепежных элементов. В частности, в случае таких крепежных элементов речь может идти о разъемных крепежных средствах, например, винтах. Применение, по меньшей мере, двух крепежных элементов, в частности винтов, имеет то преимущество, что при закреплении фиксирующий хомут не закручивается вокруг опорного хомута. В отличие от применения только одного крепежного элемента, в частности только одного винта, при применении, по меньшей мере, двух крепежных элементов возникает неравномерность распределения силы натяжения, а также искривление поджигающих электродов. Искривление поджигающих электродов является нежелательным, так как это может вызывать увеличение зазора зажигания и приводить к поломке поджигающих электродов. В случае горелки в соответствии с изобретением речь может идти, в частности, о горелке газовой турбины. В этом случае из-за возможной плоской формы держателя, в соответствии с изобретением, расстояние от поджигающих электродов до опоры горелки, на которой они закреплены, можно уменьшить по сравнению с другими известными держателями. Тем самым одновременно увеличивается расстояние до находящейся вблизи горелки диагональной решетки и предотвращается перескок искры на диагональную решетку. Принципиально благодаря держателю в соответствии с изобретением обеспечивается равномерное расстояние от поджигающих электродов до диагональной решетки. Дополнительно благодаря возможной плоской форме держателя в соответствии с изобретением обеспечивается лучшая защита поджигающих электродов при монтаже/демонтаже, так как расстояние до диагональной решетки увеличивается.

Исследования на вибростенде показали, что собственные частоты поджигающих электродов сильно отклоняются друг от друга в зависимости от типа их крепления. Знание и воспроизводимость собственных частот имеет большое значение для определения параметров модулей. За счет оптимального расчета параметров модулей можно избежать потенциальных поломок поджигающих электродов и таким образом продлить срок их жизни. Выяснилось, что только при жестком зажиме поджигающих электродов возникают однозначные и воспроизводимые собственные частоты. Держатель в соответствии с изобретением обеспечивает, с одной стороны, жесткое закрепление, которое допускает однозначные и воспроизводимые собственные частоты. С другой стороны, держатель в соответствии с изобретением допускает одновременно возникающее осевое и радиальное расширение без нарушения жесткости зажима.

В целом горелка в соответствии с изобретением, в частности держатель в соответствии с изобретением, имеет многочисленные преимущества. Она обеспечивает заданную фиксацию поджигающих электродов по трем опорным точкам или опорным линиям, которые в идеальном случае расположены под углом 120° друг к другу и распределены по периметру поджигающих электродов. Достигаемое с помощью хомутов пружинящее действие позволяет компенсировать возникающие колебания и расширения. Тем самым предотвращаются критические напряжения поджигающих электродов и возможные повреждения. Одновременно хомуты и поджигающие электроды можно жестко закреплять. Кроме того, необходимо очень мало модулей. Кроме того, возможна очень плоская конфигурация держателя.

Горелка в соответствии с изобретением предотвращает невоспламенение в диагональной решетке. Кроме того, она уменьшает опасность повреждений поджигающих электродов при их монтаже/демонтаже.

Другие признаки, свойства и преимущества изобретения видны из следующего далее описания примеров вариантов исполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 изображена схема горелки с поджигающими электродами.

На фиг.2 изображена схема держателя в соответствии с уровнем техники.

На фиг.3 изображена схема горелки с держателем в соответствии с изобретением в перспективе.

На фиг.4 изображен радиальный разрез держателя в соответствии с изобретением.

На фиг.5 изображен вид сверху на держатель в соответствии с изобретением.

На фиг.6 изображен радиальный разрез изображенного на фиг.5 держателя в соответствии с изобретением.

Далее сначала приводится описание горелки, соответствующей уровню техники, с двумя поджигающими электродами и одним держателем на основании фиг.1 и 2. На фиг.1 изображена горелка 3 газовой турбины с одним фланцем 5, одной опорой 37 горелки в форме трубы, с одним завихрителем 38, который также называется осевой решеткой, и одной форсункой 39, концентрически огибающей завихритель. Кроме того, горелка имеет поджигающие электроды 4 и держатель 2. Держатель 2 включает хомут 7 и винт 10.

Труба 37 граничит с фланцем 5. Оба элемента расположены с небольшим смещением от центра по отношению друг к другу. На внешней стороне трубы 37 закреплены поджигающие электроды 4 с держателем 2. Поджигающие электроды 4 проходят по существу параллельно друг другу.

При работе на завихритель 38 подается воздух L и посредством перелопачивания с помощью завихрителя завихривается. Одновременно на завихритель 38 изнутри трубы 37 подается топливо. Топливо поджигается искрой зажигания, образуемой между двумя поджигающими электродами 4. Образуется пламя, переносимое в камеру сгорания (не изображена), и смесь воздуха с топливом сгорает. Таким образом возникающий горячий газ под давлением подают на турбину.

На фиг.2 показан фрагмент изображенной на фиг.1 горелки 3, в которой находится держатель 2. На фиг.2 видна часть трубы 37, два поджигающих электрода 4 и держатель 2, закрепляющий поджигающие электроды 4 на трубе 37. Поджигающие электроды 4 в области, где расположен держатель 2, оснащены керамической облицовкой 6. Они проходят по существу параллельно друг другу.

Держатель 2 состоит из хомута 7, который с помощью винта 10 закрепляется на трубе 37. Направление вращения винта 10 обозначено стрелкой 12. При этом существует опасность, что при затягивании винта 10 в направлении вращения по стрелке 12 также немного смещается хомут 7. Смещение хомута 7 может приводить к изгибу или закручиванию поджигающих электродов 4. Это обозначено стрелкой 18. Изгиб или искривление поджигающих электродов 4 может приводить к изменению расстояния между поджигающими электродами 4 и к возможной поломке поджигающих электродов 4. Этого можно избежать с помощью горелки в соответствии с изобретением.

Горелка в соответствии с изобретением далее подробно описана с помощью фиг.3 и 4. На фиг.3 изображен держатель в соответствии с изобретением в перспективе. На фиг.2 виден фрагмент опоры горелки или трубы 37, на которой расположен держатель 2. Держатель 2 закрепляет на трубе 37 два поджигающих электрода 4 с помощью двух винтов 10 и двух хомутов 8, 9. В области держателя 2 поджигающие электроды снабжены керамической облицовкой 6. Поджигающие электроды 4 проходят по существу параллельно друг другу.

На фиг.4 изображен держатель в соответствии с изобретением в разрезе вдоль радиального направления трубы 37. На фиг.4 видна часть трубы 37, в которой находится держатель 2. Видны два хомута, образующие ровный опорный хомут 8 и изогнутый фиксирующий хомут 9, которые с помощью распорных болтов 15 и винтов 10 закрепляются на трубе 37. Между опорным хомутом 8 и фиксирующим хомутом 9 параллельно друг другу зафиксированы два поджигающих электрода 4. Поджигающие электроды 4 имеют в области держателя 2 керамическую облицовку 6.

Опорный хомут 8 расположен между трубой 37 и поджигающими электродами 4 или их керамической облицовкой 6. На ровном опорном хомуте 8 расположены поджигающие электроды 4 соответственно в одной опорной точке 1. На противоположной опорному хомуту 8 стороне поджигающих электродов 4 находится фиксирующий хомут 9, который фиксирует поджигающие электроды 4 на определенном расстоянии друг от друга. Фиксирующий хомут 9 имеет в областях поджигающих электродов выпуклости с профилем не круглой, а синусоидальной формы. За счет этого они не прилегают всей выпуклостью к соответствующему поджигающему электроду 4, а только в двух точках 1, как показано на фиг.4. Отличные от синусоидальных, например, треугольные профили выпуклостей тоже приводили бы к такому же результату.

Хотя речь идет о точках опоры, из-за осевого расширения фиксирующего хомута 9 и опорного хомута 8 в действительности имеются опорные линии, протяженные в осевом направлении поджигающих электродов. Поджигающие электроды 4 в соответствии с изобретением так расположены между опорным хомутом 8 и фиксирующим хомутом 9, что они соприкасаются с фиксирующим хомутом 9 в двух точках или линиях своего периметра и с опорным хомутом 8 в третьей точке или третьей линии своего периметра. Эти фиксирующие точки 1 поджигающих электродов 4 предпочтительно располагаются по периметру под углом в 120° друг к другу. Возможны также и другие углы фиксирующих точек 1, если они обеспечивают статическую фиксацию поджигающих электродов 4.

Фиксирующий хомут 9 отличается в данном варианте исполнения тем, что он в целом имеет пружинящие свойства. Пружинящее действие обозначено стрелкой 14, которая указывает на возможное перемещение фиксирующего хомута 9 в радиальном направлении. С помощью такой амортизации обеспечивается возможность осевого перемещения поджигающих электродов 4. Это обозначено стрелкой 11 (фиг.3). Возможность осевого перемещения позволяет компенсировать тепловое расширение поджигающих электродов 4 вследствие возникающего при работе горелки нагрева. Кроме того, каждый поджигающий электрод 4 расположен в держателе с возможностью радиальной амортизации. Это позволяет компенсировать возникающее вследствие нагрева радиальное тепловое расширение поджигающих электродов 4 и возможные колебания поджигающих электродов 4. В данных вариантах исполнения только фиксирующий хомут 9 выполнен с возможностью радиальной амортизации.

Опорный хомут 8 и фиксирующий хомут 9 привинчены к трубе 37 с помощью двух винтов 10. Винты 10 при этом расположены так, что поджигающие электроды 4 находятся между ними. Применение двух винтов 10 предупреждает закручивание фиксирующего хомута 9 и/или опорного хомута 8 при закреплении фиксирующего хомута 9 и/или опорного хомута 8 на трубе 37. Альтернативно можно применять также более двух винтов.

Далее описывается второй вариант исполнения держателя горелки в соответствии с изобретением на основании фиг.5 и 6. Элементы, соответствующие описанным в первом варианте исполнения элементам, имеют те же ссылочные обозначение и во избежание повторения повторно не описываются.

На фиг.5 изображен вид сверху держателя 2 в соответствии с изобретением. На фиг.5 видны два проходящих параллельно друг другу поджигающих электрода, которые в области держателя 2 имеют керамическую облицовку 6. Держатель 2 включает, в том числе, фиксирующий хомут 9 и два винта 10. В этом варианте исполнения винты 10 расположены так, что находятся между двумя поджигающими электродами 4. В этом случае закручивание фиксирующего хомута 9 предотвращается с помощью двух винтов 10. Принципиально возможно использовать более двух винтов для фиксации.

На фиг.6 изображен держатель 2 в соответствии с изобретением в разрезе. Видны два поджигающих электрода 4, окруженных керамической облицовкой 6 и опирающихся на опорный хомут 8. Поджигающие электроды 4 удерживаются сверху фиксирующим хомутом 9 в своем положении. Применяемые для крепления винты 10 находятся посередине между двумя поджигающими электродами 4.

Фиксирующий хомут 9 так изогнут в области поджигающих электродов 4, что он касается поджигающих электродов в двух точках 1 периметра поджигающих электродов 4. Фиксирующий хомут 9 имеет в области своих изгибов пружинящие свойства. Возможное в процессе амортизации движение фиксирующего хомута 9 обозначено, например, стрелкой 14. За счет амортизации фиксирующего хомута 9 собственные колебания поджигающих электродов 4 могут быть компенсированы фиксирующим хомутом 9. В частности, описанный в данном варианте исполнения держатель 2 имеет те же преимущества, что и описанный в рамках первого варианта исполнения держатель 2.

В целом пружинящая фиксация по трем точкам в соответствии с изобретением позволяет стабильно закреплять поджигающие электроды на внешней стороне горелки, что допускает осевое и радиальное расширение и компенсирует колебания.

Изобретение относится к горелке, используемой в газовой турбине. Горелка (3) с двумя поджигающими электродами (4) и держателем (2), причем держатель (2) расположен на внешней поверхности горелки (3), поджигающие электроды (4) удерживаются держателем (2) в заданном положении соответственно в трех точках (1) их периметра. Три точки (1) так распределены по периметру поджигающего электрода, что угол между ними составляет 120°. Поджигающие электроды (4) установлены в держателе (2) с возможностью осевого перемещения. Каждый поджигающий электрод (4) имеет керамическую облицовку. Каждый поджигающий электрод (4) установлен в держателе (2) так, что может пружинить в радиальном направлении. Держатель (2) включает, по меньшей мере, один радиально пружинящий хомут. Держатель (2) включает один опорный хомут и один фиксирующий хомут. Опорный хомут и фиксирующий хомут выполнены и расположены относительно друг друга таким образом, что каждый поджигающий электрод (4) удерживается в заданном положении опорным хомутом в одной точке (1) периметра и фиксирующим хомутом в двух других точках (1) периметра. Держатель (2) закрепляется на внешней поверхности горелки (3) с помощью, по меньшей мере, двух крепежных элементов. Изобретение позволяет фиксировать поджигающие электроды. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Горелка (3) с двумя поджигающими электродами (4) и держателем (2), причем держатель (2) расположен на внешней поверхности горелки (3), отличающаяся тем, что поджигающие электроды (4) удерживаются держателем (2) в заданном положении соответственно в трех точках (1) их периметра.

2. Горелка (3) по п.1, отличающаяся тем, что три точки (1) так распределены по периметру поджигающего электрода, что угол между ними составляет 120°.

3. Горелка (3) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поджигающие электроды (4) установлены в держателе (2) с возможностью осевого перемещения.

4. Горелка (3) по п.3, отличающаяся тем, что каждый поджигающий электрод (4) имеет керамическую облицовку (6).

5. Горелка (3) по любому из пп.1, 2 или 4, отличающаяся тем, что каждый поджигающий электрод (4) установлен в держателе (2) так, что может пружинить в радиальном направлении.

6. Горелка (3) по п.5, отличающаяся тем, что держатель (2) включает, по меньшей мере, один радиально пружинящий хомут (9).

7. Горелка (3) по любому из пп.1, 2, 4, 6, отличающаяся тем, что держатель (2) включает один опорный хомут (8) и один фиксирующий хомут (9).

8. Горелка (3) по п.7, отличающаяся тем, что опорный хомут (8) и фиксирующий хомут (9) выполнены и расположены относительно друг друга таким образом, что каждый поджигающий электрод (4) удерживается в заданном положении опорным хомутом (8) в одной точке (1) периметра и фиксирующим хомутом (9) в двух других точках (1) периметра.

9. Горелка (3) по п.8, отличающаяся тем, что держатель (2) закрепляется на внешней поверхности горелки (3) с помощью, по меньшей мере, двух крепежных элементов.

10. Горелка (3) по п.9, отличающаяся тем, что в качестве крепежных элементов используются винты (10).

11. Газовая турбина с горелкой (3) по любому из пп.1-10.