ГОРЕЛКА Российский патент 2012 года по МПК F23D14/02 F23D14/26 F23D14/24 F23R3/00 F02K3/00 

Настоящее изобретение относится к горелке с головкой горелки, обладающей признаками по п.1 формулы изобретения.

Такие горелки предпочтительно адаптированы для работы в камере сгорания газовой турбины. Горелка, известная из ЕР 1389714 А1, содержит завихритель и расположенную за ним смешивающую трубу. Головка горелки снабжена системой контрольной горелки для поддержания основного пламени. Система контрольной горелки содержит смешивающую полость для смешивания топлива для контрольной горелки и вспомогательного воздуха. Смешивающая полость известной горелки имеет чисто кольцевую форму. В смешивающей полости такой конструкции существует риск воспламенения внутри полости.

Целью настоящего изобретения является улучшения головки горелки вышеописанного типа таким образом, чтобы минимизировать риск обратной вспышки, т.е. распространения пламени против потока.

Эта цель в горелке по ограничительной части п.1 формулы достигается с помощью отличительных признаков, приведенных в этом пункте. В зависимых пунктах приведены полезные варианты настоящего изобретения.

Завихряющие лопасти в смешивающей полости головки горелки по настоящему изобретению создают завихрение входящего потока вспомогательного воздуха. Завихренный поток воздуха заставляет топливо оставаться внутри выпускных сопел и не «вытекать» в смешивающую полость.

Документ ЕР 1389714 А можно считать ближайшим прототипом объекта по п.1 формулы, который относится к горелке по ограничительной части п.1 формулы. Документ US 6179608 B1 относится к предохранительному затвору, который объединяет известный предохранительный затвор с завихрителем.

В US 6179608 B1 показан завихривающий предохранительный затвор, снабженный направленными соплами на выходе раздельных каналов для генерирования пламени, чтобы предотвратить обратную вспышку с помощью множества направленных сопел. Такая конструкция может использоваться после полного завершения процесса смешивания в основном потоке горелки, поскольку распределение по каналам препятствует дальнейшему смешиванию. Согласно настоящему изобретению, поток вспомогательной смеси после завихрения движется через выпускное сопло, создавая вихрь соосно с соплом, который улучшает смешивание и эффективно предотвращает обратную вспышку. В ЕР 1389713 А1 раскрывается контрольная горелка без эффективного предотвращения обратной вспышки.

Согласно заявленному изобретению предлагается горелка с головкой горелки, содержащей смешивающую трубу для предварительного смешивания воздуха и топлива, причем система контрольной горелки обеспечена в нижней части смешивающей трубы причем система контрольной горелки содержит кольцевую смешивающую полость с входом для вспомогательного воздуха и для топлива для контрольной горелки и с выпускными соплами, отличающаяся тем, что смешивающая полость снабжена по меньшей мере двумя завихряющими лопастями, расположенными рядом с каждым выпускным соплом.

Предпочтительно завихряющие лопасти по меньшей мере почти полностью перекрывают высоту смешивающей полости относительно осевого направления выпускных сопел.

Предпочтительно завихряющие лопасти расположены как пары завихряющих лопастей.

Предпочтительно одна завихряющая лопасть пары завихряющих лопастей расположена на внешней части, а вторая завихряющая лопасть расположена на внутренней части смешивающей полости, если смотреть в радиальном направлении горелки.

Предпочтительно завихряющие лопасти полностью интегрированы с наконечником горелки.

Предпочтительно головка горелки содержит наконечник, промежуточное кольцо и смешивающую трубу, собранные друг с другом для образования головки горелки.

Предпочтительно по окружности промежуточного кольца расположены воздушные впускные отверстия, соединенные с воздушными каналами.

Предпочтительно на выходном конце каждого воздушного канала расположено одно или более отражающее отверстие и отражающие отверстия выходят в смешивающую полость.

Предпочтительно по меньшей мере одно отражающее отверстие открывается во внешнюю часть, и по меньшей мере одно отражающее отверстие открывается во внутреннюю часть смешивающей полости, если смотреть в радиальном направлении горелки.

Предпочтительно выпускное сопло имеет круглое или коническое или эллиптическое сечение.

Предпочтительно выпускное сопло содержит конус на выпускной стороне.

Также согласно изобретению предлагается газовая турбина, снабженная по меньшей мере одной вышеописанной горелкой.

Далее следует более подробное описание варианта настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где

фиг.1 - виз в перспективе головки горелки,

фиг.2 - сечение головки горелки по фиг.1,

фиг.3 - вид в перспективе сектора 30° головки горелки по фиг.1 в сечении по воздушным каналам,

фиг.4 - вид в перспективе сектора 15° головки горелки по фиг.1 в сечении по воздушным каналам,

фиг.5 - сектор 15° наконечника горелки по фиг.4 и

фиг.6 - сектор 30° наконечника горелки по фиг.3.

Предлагаемая горелка содержит цилиндрическую головку и расположенный перед ней завихритель. Множество таких горелок применяется для сжигания топливовоздушной смеси в камере сгорания газовой турбины. На чертеже показана только головка горелки, поскольку настоящее изобретение относится к улучшению головки горелки, а завихритель хорошо известен, напр., из ЕР 1389714 А1.

Не показанный завихритель завихряет поток воздуха, который входит в завихритель через щели. Топливо вводится в поток воздуха. Предварительная завихренная смесь топлива и воздуха попадает в смешивающую трубу для дальнейшего смешивания перед тем, как выйти из выходного конца головки горелки.

Головка горелки по настоящему изобретению содержит три части, а именно, наконечник 1 горелки, промежуточное кольцо 2 и смешивающую трубу 3. Эти части соединены по линиям А и В (фиг.3 и 4). Эти части могут быть частично сварены или спаяны друг с другом по линиям А и В. Один из сварных швов показан на фиг.2 позицией 4. В собранном состоянии задняя грань наконечника 1 горелки упирается в переднюю грань промежуточного кольца 2, а задняя грань промежуточного кольца 2 упирается в переднюю грань смешивающей трубы 3.

Наконечник 1 горелки имеет скругленную внутреннюю поверхность 5 и коническую переднюю поверхность 6.

Горелка работает на обедненной смеси. Если нагрузка снижается, горелка при снижении подачи топлива стремится перейти в нестабильный режим. Для поддержания стабильных условий даже при низкой нагрузке горелка снабжена системой контрольной горелки, которая далее описывается более подробно.

Система контрольной горелки содержит множество выпускных сопел 7, расположенных на конической передней поверхности 6 наконечника 1 горелки. Оси этих выпускных сопел 7 по существу перпендикулярны плоскости конической передней поверхности 6.

Выпускное сопло 7 имеет форму цилиндра 8 и, предпочтительно, на выпускной стороне может быть снабжено конусом 9, имеющим скошенную кромку на выходной стороне. Сечение выпускного сопла 7 предпочтительно является круглым или произвольным, например, коническим, эллиптическим или может иметь любую другую подходящую форму. Благодаря скошенной кромке конуса 9 на выходной стороне выпускного сопла 7 устраняются острые кромки, которые являются концентраторами напряжений и со временем могут привести к образованию трещин.

Выпускное сопло 7 сообщается с кольцевой смешивающей полостью 10, выполненной внутри наконечника 1 горелки.

Внутри промежуточного кольца 2 в продольном направлении проходят газовые каналы 11, которые проводят газообразное вспомогательное топливо. Газовые каналы 11 выходят в смешивающую полость 10. Газовые каналы 11 соединяют смешивающую полость 10 с кольцевым газовым коллектором 12, который расположен внутри головки горелки на соединении между промежуточным кольцом 2 и смешивающей трубой 3. Не показанная труба подает вспомогательный газ через отверстие 13, выполненное в промежуточном кольце 2 головки горелки, в газовый коллектор 12.

Вспомогательный воздух для сжигания газа для контрольной горелки подается по воздушным каналам 14, имеющим впускные отверстия 15 на окружности промежуточного кольца 2 головки горелки. Воздушные каналы 14 выполнены как высверленные отверстия, проходящие сквозь продольную боковую стенку промежуточного кольца 2 головки горелки.

Каждый воздушный канал 14 заканчивается множеством (предпочтительно двумя) отражающих отверстий 16. Отражающие отверстия 16 выходят в смешивающую полость 10 со стороны подачи газа для контрольной горелки. Воздух, выходящий из этих отражающих отверстий 16, отклоняется на 90° к сторонам, проходящим вдоль смешивающей полости 10. Такое расположение множества отражающих отверстий 16 улучшает охлаждение наконечника 1 горелки.

При необходимости для контрольной горелки можно использовать альтернативное топливо, например, нефть. Нефть для контрольной горелки подается по топливопроводу 17, который сообщается с отдельным каналом для нефти в головке горелки. Выходной конец каналов для нефти выходит в смешивающую полость 10, совпадая по положению с одним из выпускных сопел 7.

Самой важной частью настоящего изобретения являются завихряющие лопасти 18. Внутри смешивающей полости расположено множество (предпочтительно, две) завихряющих лопастей 18. Эти лопасти полностью или почти полностью перекрывают высоту смешивающей полости 10 в продольном направлении и полностью интегрированы с наконечником 1 горелки. Две завихряющие лопасти 18 установлены парно. Одна завихряющая лопасть 18 каждой пары расположена на внешней части, а другая - на внутренней части смешивающей полости 10 в радиальном направлении.

Завихряющие лопасти 18 или каждая пара завихряющих лопастей 18 расположены рядом с одним из выпускных сопел 7. Таким образом, вспомогательный воздух, поступающий из смешивающей полости 10 в выпускное сопло 7 принудительно завихряется вокруг потока газа для контрольной горелки, движущегося из газового канала 11, при этом образуется вихрь хорошо определенной смеси газа для контрольной горелки и вспомогательного воздуха. Завихряющие лопасти 18 и цилиндр 8 выпускных сопел 7 выполнены так, чтобы минимизировать риск обратной вспышки, т.е. распространения пламени против потока, за счет управления распределением топлива и компонентов скорости в осевом и тангенциальном направлениях выпускного сопла 7. Входящий поток вспомогательного воздуха, генерируемый завихряющими лопастями 18, также заставляет газ для контрольной горелки оставаться внутри выпускного сопла 7 и не «вытекать» в смешивающую полость 10 между двумя парами завихряющих лопастей 18 рядом с двумя отражающими отверстиями 16.

Завихряющие лопасти 18 также предназначены для работы в качестве эффективных охлаждающих ребер, поскольку они окружены холодным воздухом, движущимся с большой скоростью, что существенно улучшает охлаждение горячего наконечника 1 горелки. Вторичный эффект завихряющих лопастей 18 заключается в том, что они уравнивают распределение скорости в смешивающей полости 10, что приводит к более равномерному охлаждению всего наконечника 1 горелки. Завихряющие лопасти 18 можно изготавливать экономически эффективно, используя стандартные фрезы.

Изобретение относится к области энергетики. Горелка с головкой горелки содержит смешивающую трубу (3) для предварительного смешивания воздуха и топлива, причем система контрольной горелки обеспечена в нижней части смешивающей трубы (3), причем система контрольной горелки содержит кольцевую смешивающую полость (10) с входом для вспомогательного воздуха и для топлива для контрольной горелки и с выпускными соплами (7), смешивающая полость (10) снабжена по меньшей мере двумя завихряющими лопастями (18), расположенными рядом с каждым выпускным соплом (7). Завихряющие лопасти (18) по меньшей мере почти полностью перекрывают высоту смешивающей полости (10) относительно осевого направления выпускных сопел (7). Завихряющие лопасти (18) расположены как пары завихряющих лопастей (18). Одна завихряющая лопасть (18) пары завихряющих лопастей (18) расположена на внешней части, а вторая завихряющая лопасть (18) расположена на внутренней части смешивающей полости (10), если смотреть в радиальном направлении горелки. Завихряющие лопасти (18) полностью интегрированы с наконечником (1) горелки. Головка горелки содержит наконечник (1), промежуточное кольцо (2) и смешивающую трубу (3), собранные друг с другом для образования головки горелки. По окружности промежуточного кольца (2) расположены воздушные впускные отверстия (15), соединенные с воздушными каналами (14). На выходном конце каждого воздушного канала (14) расположено одно или более отражающее отверстие (16), и отражающие отверстия (16) выходят в смешивающую полость (10). Выпускное сопло (7) имеет круглое или коническое, или эллиптическое сечение. Изобретение позволяет предотвратить распространение пламени против потока. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Горелка с головкой горелки, содержащей смешивающую трубу (3) для предварительного смешивания воздуха и топлива, причем система контрольной горелки обеспечена в нижней части смешивающей трубы (3), причем система контрольной горелки содержит кольцевую смешивающую полость (10) с входом для вспомогательного воздуха и для топлива для контрольной горелки и с выпускными соплами (7), отличающаяся тем, что смешивающая полость (10) снабжена по меньшей мере двумя завихряющими лопастями (18), расположенными рядом с каждым выпускным соплом (7).

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что завихряющие лопасти (18) по меньшей мере почти полностью перекрывают высоту смешивающей полости (10) относительно осевого направления выпускных сопел (7).

3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что завихряющие лопасти (18) расположены как пары завихряющих лопастей (18).

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что одна завихряющая лопасть (18) пары завихряющих лопастей (18) расположена на внешней части, а вторая завихряющая лопасть (18) расположена на внутренней части смешивающей полости (10), если смотреть в радиальном направлении горелки.

5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что завихряющие лопасти (18) полностью интегрированы с наконечником (1) горелки.

6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что головка горелки содержит наконечник (1), промежуточное кольцо (2) и смешивающую трубу (3), собранные друг с другом для образования головки горелки.

7. Горелка по п.6, отличающаяся тем, что по окружности промежуточного кольца (2) расположены воздушные впускные отверстия
(15), соединенные с воздушными каналами (14).

8. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что на выходном конце каждого воздушного канала (14) расположено одно или более отражающее отверстие (16) и отражающие отверстия (16) выходят в смешивающую полость (10).

9. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно отражающее отверстие (16) открывается во внешнюю часть, и по меньшей мере одно отражающее отверстие (16) открывается во внутреннюю часть смешивающей полости, если смотреть в радиальном направлении горелки.

10. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что выпускное сопло (7) имеет круглое, или коническое, или эллиптическое сечение.

11. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что выпускное сопло (7) содержит конус (9) на выпускной стороне.

12. Газовая турбина, снабженная по меньшей мере одной горелкой по п.1.