ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2013 года по МПК F23D17/00 F23R3/28 F23D14/76 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к горелочному устройству для сжигания текучих видов топлива, в частности к горелочному устройству для газотурбинной установки.

Уровень техники

Горелочные устройства для сжигания текучих видов топлива применяются в числе прочего в газовых турбинах на электростанциях и на других объектах с крупными агрегатами. В частности, при этом применяются горелки для так называемого бинарного вида топлива, предназначенные для сжигания жидких и газообразных видов топлива, например, природного газа и мазута по выбору или в комбинации.

В соответствии с этим горелочные устройства имеют крупные габариты и характеризуются сложной конструкцией с несколькими каналами для подачи топлива. Так, например, часто применяется центрально расположенная, небольшая запальная горелка с автономной подачей топлива и воздуха для стабилизации факела большой главной горелки, расположенной вокруг запальной горелки. Большая главная горелка применяется преимущественно в режиме обедненной смеси при избытке кислорода для обеспечения этим путем более оптимальных показателей выбросов. Однако работа на обедненной смеси ведет к тому, что факел главной горелки подвержен колебаниям, по меньшей мере, в определенных режимах, которые компенсируются посредством постоянного воспламеняющего действия запальной горелки. Такое горелочное устройство раскрыто, например, в ЕР 0580683 B1.

Вызовом в таких горелках служат образующиеся вследствие неравномерного распределения тепла механические напряжения в стенках металлического корпуса, так называемой втулки, в которой подводящие кольцевые каналы для энергоносителей газ и жидкое топливо расположены относительно тесно между собой. Газовая кольцевая камера питает главную горелку с учетом направления притока воздуха на стороне входа выше так называемых лопаток для закручивания, сообщающих воздушному потоку вместе с горючим газом перемешивающую закрутку, или же сквозь лопатки для закручивания. Также предусмотрен трубопровод для подачи жидкого топлива, расположенный, как правило, ближе к выходу горелки, чем трубопровод для подачи газа. Он содержит кольцевую камеру для жидкого топлива, а также ведущий к кольцевой камере канал для подачи жидкого топлива, расположенный в стенке втулки между кольцевой камерой для газа и запальной горелкой.

Поскольку газ обладает меньшей плотностью по сравнению с жидким топливом, то для него требуется большее сечение, вследствие чего размеры подводящего газ трубопровода существенно превышают размеры трубопровода для подачи жидкого топлива. Поэтому часть горелочной втулки с трубопроводом для подачи газа имеет большую, обращенную к воздушному каналу наружную поверхность, чем трубопровод для подачи жидкого топлива. Подаваемым воздухом служит предварительно сжатый воздух, прошедший через компрессор, вследствие чего такой подведенный воздух из-за сжатия имеет температуру свыше 400°С. Следовательно, участок расположения горелочной втулки и трубопровода для подачи газа быстро нагревается до температуры свыше 400°С и остается при этой рабочей температуре. Подведенный к кольцевой камере для жидкого топлива канал для подачи жидкого топлива находится на большем удалении от горячего канала для подачи воздуха, вследствие чего жидкое топливо почти не нагревается в канале для его подачи и поэтому его температура составляет всего лишь ок. 50°С.

Поскольку, во-первых, горелочная втулка испытывает сильный нагрев в зоне кольцевой камеры для газа и, во-вторых, соседний канал для подачи жидкого топлива остается заметно более холодным, то стенка между кольцевой камерой для газа и каналом для подачи жидкого топлива подвержена большому температурному градиенту. Под действием температурного градиента возникают тепловые напряжения, сокращающие срок службы таких горелочных втулок или же требующие применения высококачественного материала с вытекающими отсюда затратами. Также и на других участках, на которых холодное топливо проходит через горячий участок втулки, возникают подобные напряжения.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение описанных, обусловленных теплом напряжений в горелочной втулке горелочного устройства.

Данный технический результат достигается в горелочном устройстве по пункту 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы приведены оптимальные варианты выполнения изобретения.

Выполненное согласно изобретению горелочное устройство установки для сжигания текучих видов топлива содержит горелочную втулку, по меньшей мере, один канал для подачи воздуха и, по меньшей мере, один канал для подачи топлива любого вида, при этом, по меньшей мере, один канал для подачи топлива, выполнен, по меньшей мере, частично в горелочной втулке. В, по меньшей мере, одном канале для подачи топлива расположена экранирующая стенка, удаленная от стенки канала для подачи топлива, в результате чего между стенкой канала для подачи топлива и экранирующей стенкой образовано промежуточное пространство, не относящееся к пути потока топлива, проходящего через канал для подачи топлива. Экранирующая стенка образована гильзой, вставленной в канал для подачи топлива. Для придания гильзе правильного радиального положения в канале для подачи топлива она оснащена, по меньшей мере, одним радиальным средством позиционирования, обеспечивающим расстояние между гильзой и стенкой канала для подачи топлива, причем это расстояние выбирается, в частности, с учетом максимально допустимой величины теплопереноса. Правда, при этом имеются ограничения, обусловленные внутренним пространством втулки. По меньшей мере, одно радиальное средство позиционирования гильзы выполнено в виде кругообразно расположенного, радиально наружу выступающего позиционирующего выступа.

В горелочном устройстве согласно изобретению промежуточное пространство образует участок, который по сравнению с находящимся вокруг него металлом горелочной втулки плохо проводит тепло и который создает тепловую изоляцию для металла втулки от потока топлива и таким образом ограничивает теплообмен между топливом и горелочной втулкой. В частности, гильза может содержать, по меньшей мере, один кругообразный позиционирующий выступ на участке своих обоих концов. В результате становится более надежной ориентация обшивочного устройства, и исключаются возможные собственные колебания в потоке топлива благодаря зазорам.

По меньшей мере, один позиционирующий выступ гильзы может также содержать кольцевую канавку, которая эффективна особенно в том случае, когда позиционирующий выступ находится на участке соединения канала для подачи топлива с трубой для подачи топлива. В таком случае с помощью кольцевой канавки при соединении сваркой или пайкой трубы для подачи топлива с каналом для подачи топлива можно исключить приваривание или припаивание позиционирующего выступа к каналу для подачи топлива и/или трубе для подачи топлива.

Кроме того, гильза может быть снабжена, по меньшей мере, одним осевым средством позиционирования, которое будет взаимодействовать с расположенным в канале для подачи топлива осевым средством позиционирования для осевого позиционирования гильзы (30). Таким способом возможно осевое позиционирование гильзы без использования неразъемного соединения. При этом между осевым средством позиционирования гильзы и осевым средством позиционирования в канале для подачи топлива может быть предусмотрен, в частности, осевой зазор, обеспечивающий тепловое расширение гильзы в осевом направлении без образования напряжений.

Согласно конструктивно простому варианту выполнения осевое средство позиционирования гильзы может быть выполнено в виде, по меньшей мере, одной упорной кромки на торцевой поверхности позиционирующего выступа. Осевое средство позиционирования в канале для подачи топлива выполняется в таком случае в виде ответной упорной кромки.

Краткое описание чертежей

Другие признаки, свойства и преимущества изобретения приведены в последующем описании примера выполнения со ссылкой на приложенные фигуры. При этом изображено:

фиг.1 - горелочное устройство, известное из ЕР 0580683 B1,

фиг.2 - известный вариант выполнения горелочной втулки горелочного устройства,

фиг.3 - схематически изображенный, утрированный результат термического напряжения в горелочной втулке согласно уровню техники на фиг.2,

фиг.4 - вид в разрезе на предпочтительный вариант выполнения горелочного устройства согласно изобретению,

фиг.5 - вид в частичном разрезе на изображение на фиг.4 в увеличении.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показано известное из уровня техники горелочное устройство, которое при необходимости может применяться вместе с несколькими однотипными устройствами, например, в камере сгорания газотурбинной установки.

Оно состоит из внутренней части, системы запальных горелок, концентрически расположенной к ним наружной части и системы главных горелок. Обе системы пригодны для работы на газообразном и/или жидком топливе в любой комбинации. Система запальных горелок включает в себя центральный трубопровод 1 для подачи жидкого топлива (среда G) с расположенной на его конце форсункой 5 жидкого топлива и внутренним каналом 2 для подачи газа (среда F), расположенным концентрически вокруг центрального трубопровода 1 для подачи жидкого топлива. Канал 2 для подачи газа в свою очередь охвачен внутренним каналом 3 для подачи воздуха (среда Е), расположенным концентрически вокруг оси горелки. В или на канале 3 для подачи воздуха может располагаться соответствующая воспламеняющая система, многочисленные варианты выполнения которой известны и описание которых здесь не приводится. Внутренний канал 3 для подачи воздуха содержит на своем концевом участке лопатки 6 для закручивания. Система запальных горелок может применяться известным образом, т.е. в виде диффузионной горелки. Ее назначение состоит в поддержании главной горелки в устойчивом режиме горения, так как в большинстве случаев для снижения вредных выбросов для нее применяется обедненная смесь, при которой требуется стабилизация ее факела посредством диффузионного пламени или факела, образуемого менее обедненной смесью.

Система главных горелок содержит наружную систему 4 кольцевых каналов для подачи воздуха, расположенную концентрично системе запальных горелок и ориентированную косо по отношению к ней. Также и эта система 4 кольцевых каналов для подачи воздуха снабжена лопатками 7 для закручивания. Лопатки 7 для закручивания состоят из полых лопаток с выпускными форсунками 11 в разрезе потока системы 4 кольцевых каналов для подачи воздуха (среда А). Их питание обеспечивается трубопроводом 19 для подачи газа и кольцевым каналом 9 для подачи газа через отверстия 10. Дополнительно горелка содержит трубопровод 23 для подачи жидкого топлива, который заходит в кольцевой канал 13 для подачи жидкого топлива, содержащий в свою очередь выпускные форсунки 14 на участке лопаток 7 для закручивания или же за ними.

На фиг.2 приведен вариант выполнения горелочной втулки 18 известного из уровня техники горелочного устройства в поперечном сечении.

Горелочная втулка 18 в виде выполненной за одно целое литой детали содержит приваренные литейные заглушки 17, которыми закрыты вспомогательные отверстия, служившие для удаления формовочных стержней.

В горелочной втулке 18 выполнены кольцевая камера 9 для газа и кольцевая камера 13 для жидкого топлива. На обращенной наружу и сужающейся боковой поверхности горелочной втулки 18 кольцевые камеры 9, 13 содержат множество выходных отверстий 10, 14, через которые в камеру сгорания 24 (см. фиг.1) поступает соответствующее топливо (среда В или среда С на фиг.1).

На фиг.3 схематически, утрировано показан результат термических напряжений в известной из уровня техники горелочной втулке на фиг.2. Из-за напряжений стенка 21 между кольцевой камерой 9 для газа и трубопроводом 23 для подачи жидкого топлива деформировалась. Такая деформация металлической литой и/или сварной горелочной втулки 18 вызвана температурным градиентом в стенке между каналом 23 для подачи жидкого топлива, по которому жидкое топливо поступает при температуре ок. 50°С, и кольцевой камерой 9 для газа, которая нагревается до ок. 420°С под действием нагретого в компрессоре воздуха при движении по каналу 4 для подачи воздуха (среда А на фиг.1).

На фиг.4 в виде вырыва показано поперечное сечение по варианту выполнения горелочного устройства согласно изобретению. Горелочное устройство содержит горелочную втулку 18, в которой выполнены кольцевая камера 9 для газа с каналом 19 для подачи газа (на фиг.4 не показано) и кольцевая камера 13 для жидкого топлива с каналом 23 для подачи жидкого топлива. В принципе конструкция горелочного устройства соответствует описанной со ссылками на фигуры 1 и 2 конструкции. Поэтому рассмотрены будут только отличия от изображенной на фигурах 1, 2 конструкции горелки.

В горелочном устройстве согласно изобретению экранирующая стенка 30 расположена в канале 23 для подачи жидкого топлива так, что между стенкой между кольцевой камерой 9 для газа и трубопроводом 23 для подачи жидкого топлива, с одной стороны, и экранирующей стенкой 30, с другой стороны, образовано промежуточное пространство 38. Это промежуточное пространство 38 термически изолирует создаваемый внутренней поверхностью экранирующей стенки 30 путь потока жидкого топлива от стенки 21 между кольцевой камерой 9 для газа и трубопроводом 23 для подачи жидкого топлива, так как находящаяся в промежуточном пространстве среда, например, воздух или жидкое топливо, которое не перемещается или едва перемещается, обладает на очень много меньшей теплопроводностью по сравнению с металлом горелочной втулки 18. Так, например, теплопроводность воздуха составляет 0,023 Вт/мК, а теплопроводность жидкого топлива - ок. 0,15 Вт/мК (при комнатной температуре). Соответственно теплопроводность металлов выше на 2-3 порядка. Поэтому промежуточное пространство 38 может рассматриваться как адиабатический тепловой экран. Величина расстояния s между стенкой 21 и экранирующей стенкой 30 может использоваться конструктивно для регулировки требуемой величины теплопередачи.

Экранирующая стенка выполнена в форме гильзы 30, вставляемой в канал 23 для подачи жидкого топлива, и предупреждает непосредственный контакт холодного жидкого топлива, протекающего по пути потока в канале 23 для подачи жидкого топлива, со стенкой 21 между кольцевой камерой 9 для газа и трубопроводом 23 для подачи жидкого топлива. Наружный диаметр гильзы 30 меньше на заданную величину, чем внутренний диаметр канала 23 для подачи жидкого топлива, в результате чего между вставленной гильзой 30 и стенкой 21 образуется промежуточное пространство 38, в котором находится среда со значительно меньшей теплопроводностью по сравнению с металлом горелочной втулки 18. Жидкое топливо, протекающее через расположенную на расстоянии от стенки 21 гильзу 30 почти не вызывает охлаждения этой стенки 21, вследствие чего снижается перепад температуры между поверхностью на стороне кольцевой камеры для газа и поверхностью стенки 21 на стороне канала для подачи жидкого топлива. В результате возникают существенно меньшие механические напряжения по сравнению с уровнем техники.

Пригодной средой для использования в промежуточном пространстве 38 является в наиболее простом случае само жидкое топливо при условии отсутствия опасности его воспламенения, так как в этом случае не требуется герметизация промежуточного пространства 38 от пути потока жидкого топлива.

Для упрощения монтажа гильзы 30 в канале 23 для подачи жидкого топлива горелочной втулки 18 она выполнена с возможностью вставления в отверстие на трубчатом участке 37 канала 23 для подачи жидкого топлива. Гильза 30 содержит для этого на своем верхнем конце предпочтительно круговой, кольцевой позиционирующий выступ 33, служащий в качестве дистанционного элемента для радиального центрирования корпуса втулки в полости 23 и выполняющий одновременно функцию упорной кромки 53, примыкающей к ответной, расположенной на участке отверстия трубчатого выступа 37 упорной кромке 52 соответствующей фрезерованной канавки и, следовательно, фиксирует положение гильзы 30 в осевом направлении. Для иллюстрации на фиг.5 показан с увеличением вид с частичным поперечным разрезом на трубчатый участок 37 канала 23 для подачи жидкого топлива и на вставленную в него гильзу 30.

На своем обращенном вверх конце гильза 30 содержит позиционирующий выступ 33 с кольцевой канавкой 36. Кольцевая канавка 36 располагается во вставленной в канал 23 для подачи жидкого топлива гильзе 30 на уровне плоскости, в которой находится отверстие на трубчатом участке 37. В результате при сварке трубчатого участка 37 к трубопроводу 32 жидкого топлива сварной шов 31 проходит по участку кольцевой канавки 36, вследствие чего во время соединения обоих концов 30 трубы позиционирующий выступ 33 и, следовательно, гильза 30 не приваривается и не пригорает.

Позиционирующий выступ 33 расположен в уширенной части фрезерованной канавке трубчатого участка 37 и в соответствующей фрезерованной канавке трубы 32 для подачи жидкого топлива. Как и фрезерованная канавка на трубчатом участке 37, фрезерованная канавка в трубе 32 для подачи жидкого топлива содержит ответную упорную кромку 50, взаимодействующую с упорной кромкой 51 позиционирующего выступа 33. Таким образом гильза 33 не только центрируется позиционирующим выступом 33 в канале 23 для подачи жидкого топлива, но и удерживается в положении в направлении продольной оси Y.

Описанный вид позиционирования может быть достаточным в рамках настоящего изобретения, однако согласно варианту выполнения предусмотрен дополнительный позиционирующий выступ 35 (фиг.4), расположенный вблизи обращенного вниз конца гильзы 30. Он может эффективно использоваться, например, против вероятно возникающих собственных колебаний гильзы 30. Также расположенный на нижнем конце гильзы 30 позиционирующий выступ 35 выполнен предпочтительно в виде кольцевого кругового выступа и при своем предпочтительно цилиндрическом наружном диаметре доходит до стенки полости 38, благодаря чему он также способствует центрированию гильзы 30.

Все позиционирующие выступы 33, 35 имеют предпочтительно такую величину диаметра, при которой между стенками полости 30 и цилиндрическими наружными поверхностями позиционирующих выступов создается достаточное расстояние для компенсации разных тепловых расширений. В результате гильза 30, с одной стороны, достаточно точно позиционируется в радиальном направлении и, с другой стороны, во время работы никогда не заклинивает. Таким образом эффективно предупреждаются напряжения, возникающие при заклинивании и в горелочной втулке 18.

Кроме того, согласно изобретению также и тепловое расширение гильзы 30 в осевом направлении Y не сопровождается заклиниванием, порождающим напряжения. Для этого позиционирующий выступ 33, расположенный во фрезерованных канавках на трубчатом участке 37 и трубе 32 для подачи жидкого топлива, имеет такие размеры, что между ответной упорной кромкой 50 во фрезерованной канавке трубы 32 для подачи жидкого топлива и соответствующей упорной кромкой 51 позиционирующего выступа 33 образуется заданный зазор d, который допускает тепловое расширение гильзы в осевом направлении без образования вследствие этого напряжений в осевом направлении Y.

Гильза 30 может монтироваться в горелочное устройство согласно изобретению, при этом она заводится в канал 23 для подачи топлива через сообщающееся с трубой 32 для подачи жидкого топлива отверстие на трубчатом участке 37 канала 23 для подачи топлива до упора упорной кромки 53 позиционирующего выступа 33 в ответную упорную кромку 52 во фрезерованной канавке на трубчатом участке 32. Затем труба 32 для подачи топлива насаживается на верхний конец трубчатого участка 37 и посредством сварки соединяется с трубчатым участком 37, при этом кольцевая канавка 36 не допускает приваривания гильзы к трубе 32 для подачи топлива и/или к трубчатому участку 37.

В описанном варианте выполнения гильзы 30 и фрезерованных канавок на трубчатом участке 37 и на трубе 32 для подачи жидкого топлива исключаются как осевые, так и радиальные напряжения вследствие заклинивания гильзы 30.

Хотя изобретение описано в рамках примера его выполнения со ссылкой на специальный канал для подачи жидкого топлива, однако оно может применяться также и для других каналов для подачи топлива. Кроме того, гильза не должна быть обязательно круглого сечения, она может иметь также угловое сечение.

Изобретение относится к области энергетики. Горелочное устройство установки для сжигания текучих видов топлива содержит горелочную втулку (18), по меньшей мере, один канал (3, 4) для подачи воздуха и, по меньшей мере, один канал (9, 13, 19, 23) для подачи соответствующего топлива, при этом, по меньшей мере, один канал (9, 13, 19, 23) для подачи топлива выполнен, по меньшей мере, частично внутри горелочной втулки (18), по меньшей мере, в одном канале (23) для подачи топлива расположена экранирующая стенка (30), находящаяся на расстоянии от стенки (21) канала (23) для подачи топлива, причем между стенкой (21) канала (23) для подачи топлива и экранирующей стенкой (30) образовано промежуточное пространство (38), которое не относится к пути потока топлива, проходящего через канал (23) для подачи топлива, при этом экранирующая стенка (30) образована вставленной в канал (23) для подачи топлива гильзой (30), снабженной, по меньшей мере, одним радиальным средством позиционирования (33, 35), обеспечивающим расстояние (s) между гильзой (30) и стенкой (21) канала (23) для подачи топлива, при этом, по меньшей мере, одно радиальное средство позиционирования (33, 35) гильзы (30) выполнено в виде, по меньшей мере, одного кругообразно расположенного, радиально наружу выступающего позиционирующего выступа (33, 35). Изобретение позволяет снизить напряжения в горелочной втулке от полученного тепла. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Горелочное устройство установки для сжигания текучих видов топлива, содержащее горелочную втулку (18), по меньшей мере, один канал (3, 4) для подачи воздуха и, по меньшей мере, один канал (9, 13, 19, 23) для подачи соответствующего топлива, при этом, по меньшей мере, один канал (9, 13, 19, 23) для подачи топлива выполнен, по меньшей мере, частично внутри горелочной втулки (18), отличающееся тем, что, по меньшей мере, в одном канале (23) для подачи топлива расположена экранирующая стенка (30), находящаяся на расстоянии от стенки (21) канала (23) для подачи топлива, причем между стенкой (21) канала (23) для подачи топлива и экранирующей стенкой (30) образовано промежуточное пространство (38), которое не относится к пути потока топлива, проходящего через канал (23) для подачи топлива, при этом экранирующая стенка (30) образована вставленной в канал (23) для подачи топлива гильзой (30), снабженной, по меньшей мере, одним радиальным средством позиционирования (33, 35), обеспечивающим расстояние (s) между гильзой (30) и стенкой (21) канала (23) для подачи топлива, при этом, по меньшей мере, одно радиальное средство позиционирования (33, 35) гильзы (30) выполнено в виде, по меньшей мере, одного кругообразно расположенного, радиально наружу выступающего позиционирующего выступа (33, 35).

2. Горелочное устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один позиционирующий выступ (33) гильзы (30) содержит кольцевую канавку (36).

3. Горелочное устройство по п.1, отличающееся тем, что гильза (30) содержит, по меньшей мере, один кругообразный позиционирующий выступ (33, 35) на участке своих обоих концов.

4. Горелочное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что гильза (30) снабжена, по меньшей мере, одним осевым средством позиционирования (51, 53), взаимодействующим с находящимися в канале (23) для подачи топлива осевыми средствами позиционирования (50, 52) для обеспечения осевого позиционирования гильзы (30).

5. Горелочное устройство по п.4, отличающееся тем, что между осевым средством позиционирования (51, 53) гильзы (30) и осевым средством позиционирования (50, 52) в канале (23) для подачи топлива предусмотрен осевой зазор (d).

6. Горелочное устройство по п.4, отличающееся тем, что осевое средство позиционирования (50, 51, 52, 53) гильзы (30) выполнено в виде, по меньшей мере, одной упорной кромки (51, 53) на торцевой поверхности позиционирующего выступа (33), при этом осевое средство позиционирования (50, 52) выполнено в канале (23) для подачи топлива в виде ответной упорной кромки (50, 52).