СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЛАМЕНИ ГОРЕЛКИ Российский патент 2014 года по МПК F23C9/06 F23R3/34 F23D14/48 

Настоящее изобретение относится к горелке для стабилизации пламени газовой турбины, которая содержит реакционную камеру и множество выходящих в реакционную камеру реактивных сопел, причем с реактивными соплами с помощью струи флюида флюид подается в реакционную камеру, причем флюид сжигается в реакционной камере с образованием горячего газа, а также к способу для стабилизации пламени горелки газовой турбины.

Системы сжигания, базирующиеся на струйном пламени, имеют преимущества, в частности, с термоакустической точки зрения, по сравнению с системами, базирующимися на закручивании, благодаря распределенным зонам высвобождения тепла и отсутствующему индуцированного закручиванием завихрения. Благодаря подходящему выбору струйного импульса могут создаваться мелкомасштабные структуры потока, которые рассеивают акустически индуцированные флуктуации высвобождения тепла и таким образом подавляют пульсации давления, которые типичны для пламени, стабилизированного на закручивании.

Струйное пламя стабилизируется с помощью введения в смесь горячих рециркулирующих газов. Необходимые для этого температуры зон рециркуляции в газовых турбинах могут не обеспечиваться, в частности, в нижней области частичной нагрузки, из-за известного кольцевого расположения струй с центральной зоной рециркуляции. Поэтому особенно в области частичной нагрузки внимание должно уделяться тому, чтобы с помощью дополнительных механизмов стабилизации предотвращать частичное или полное затухание пламени. В связи с этим стабилизация струйного пламени остается еще не полностью решенной задачей.

Задачей настоящего изобретения является создание горелки газовой турбины для стабилизации пламени такой горелки. Другой задачей настоящего изобретения является предоставление в распоряжение способа для стабилизации пламени такой горелки.

Задача в отношении горелки решается с помощью горелки для стабилизации пламени горелки газовой турбины, охарактеризованной признаками п.1 формулы изобретения. Задача в отношении способа решается с помощью способа, охарактеризованного признаками п.16 формулы изобретения. Зависимые пункты содержат другие предпочтительные варианты выполнения изобретения.

При этом предложенная в соответствии с изобретением горелка газовой турбины содержит реакционную камеру и множество выходящих в реакционную камеру реактивных сопел. С реактивными соплами с помощью струи флюида флюид подается в реакционную камеру. Затем флюид сжигается в реакционной камере с образованием горячего газа.

Изобретением установлено, что системы сжигания, базирующиеся на струйном пламене, стабилизируются с помощью введения в смесь горячих рециркулирующих газов. Особенно в нижней области частичной нагрузки должны создаваться предпосылки для того, чтобы с помощью дополнительных механизмов стабилизации предотвращалось бы частичное или полное затухание пламени.

Согласно изобретению теперь в, по меньшей мере, одном реактивном сопле предусмотрен кольцевой зазор, который расположен вокруг струи флюида. Он засасывает часть горячего газа из реакционной камеры, так что он против направления потока флюида поступает в кольцевой зазор. Согласно изобретению, теперь внутри реактивного сопла горячий газ смешивается со струей флюида.

Этим обеспечивается определенное смешение горячих газов с одной или несколькими струями струйной горелки, которая таким образом обеспечивает надежное воспламенение и с этим надежную стабилизацию всей горелки. Смешение горячего газа происходит при этом уже в реактивном сопле. Согласно изобретению для засасывания используется разность давлений между камерой сгорания/реакционной камерой и текущего с высокой скоростью флюидом в сопле, который благодаря высокой скорости течения имеет сниженное статическое давление.

В предпочтительном варианте выполнения кольцевой зазор образован с помощью насадка. Засосанные газы могут иметь высокую температуру, которые при обстоятельствах могут нанести вред горелке. Предпочтительно, что насадок, по меньшей мере, частично выполнен из высококачественных материалов с и без покрытия, например, из керамики с и без покрытия.

Предпочтительно насадок имеет, по меньшей мере, одно отверстие, чтобы подавать горячий газ в струю флюида. В предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, одно отверстие расположено выше по течению. Горячий газ через кольцевой зазор всасывается прямо в сопло и через отверстия подается в струю флюида. Поэтому отверстия проделаны в стенке, непосредственно ограничивающей струю флюида. Величина отверстий так и высота кольцевого зазора при этом рассчитана так, что обеспечено хорошее смешение с воздухом или смесью воздух/топливо в реактивном сопле, и, что в области частичной нагрузки температура смеси доводится до значения, которое обеспечивает надежное воспламенение. Отверстия могут выть выполнены в виде сверления или шлица, которые так же могут быть проделаны под углом.

В предпочтительном варианте выполнения насадок имеет на конце, расположенном выше по течению, утолщение. Если сжатый воздух с или без топлива в качестве флюида мимо насадка подводится к соплу, то таким образом могут избегаться потери на повороте. Предпочтительным образом утолщение в направлении течения образовано с расширением. Таким образом может достигаться повышение статической разности давлений между камерой сгорания и флюидом, с высокой скоростью текущим в сопле.

Предпочтительно насадок со стороны потока флюида в направлении течения выполнен с расширением. Таким образом точно также может достигаться повышение статической разности давления между камерой сгорания и флюидом, текущим в сопле с высокой скоростью.

В предпочтительном варианте выполнения вокруг насадка предусмотрен второй кольцевой канал для направления воздуха для горения и/или топлива. Предпочтительно во втором кольцевом канале предусмотрены средства для повышения теплоотдачи. Это способствует тому, что направляющий горячий газ насадок эффективно охлаждается. Предпочтительно этими средствами являются впадины и/или охлаждающие ребра, и/или крылышки. Однако могут быть представлены также все другие концепты охлаждения как охлаждение ударного действия, конвекционное охлаждение, с использованием которых сжатый воздух или смесь сжатый воздух/топливо подается в реакционную камеру. В предпочтительном варианте выполнения охлаждающий воздух и/или топливо, текущее через второй кольцевой канал, охлаждает насадок при этом со стороны ниже по течению.

Предпочтительно реактивное сопло имеет выпускное отверстие сопла с диаметром D. Предпочтительно выпускное отверстие расположено со смещением по отношению к кольцевому зазору в направлении течения. Предпочтительным образом смещение включает длину от 0-3 диаметров выпускного отверстия сопла. При этом обеспечивается оптимальное засасывание прежде всего в режиме частичной нагрузки.

В предпочтительном варианте выполнения флюид представлен сжатым воздухом, который предварительно смешан с топливом, частично предварительно смешан или предварительно не смешан.

Поставленная задача также решена посредством способа для стабилизации пламени горелки газовой турбины, которая включает реакционную камеру или несколько выходящих в реакционную камеру реактивных сопел, причем с реактивными соплами с помощью струи флюида флюид подается в реакционную камеру, причем в реакционной камере флюид сжигается, благодаря чему возникает горячий газ.

Согласно изобретению в, по меньшей мере, одном реактивном сопле предусмотрен кольцевой зазор, через который частично засасывается горячий газ, против направления потока флюида поступает в кольцевой зазор и внутри реактивного сопла примешивается к струе флюида.

Предпочтительно флюид поступает в реакционную камеру с высокой скоростью. Предпочтительно между реакционной камерой и струей флюида, текущей в реакционную камеру, образуется разность давлений.

Предпочтительно при режиме работы горелки с частичной нагрузкой смесь образуется из топлива/сжатого воздуха и при полной нагрузке из сжатого воздуха, который имеет еще совсем небольшую часть или даже не имеет части, состоящей из топлива. Эти сопла действуют таким образом при режиме работы с частичной нагрузкой в качестве пилотной горелки с пилотными струями. Для этого может быть дополнительно предпочтительно, что эти «пилотные струи» выполняются меньше, чем другие струи, при этом меньше воздуха поступает через эти сопла. Таким образом обеспечена стабилизация при режиме работы с частичной нагрузкой.

Далее предпочтительно, что горелка разработана с несколькими реактивными соплами, из которых, однако, только одно или несколько немногие являются соплами в соответствии с изобретением. Они работают в этом случае при частичной нагрузке, как описано выше, в качестве «пилота» и при режиме работы с полной нагрузкой с ними подается немного или совсем не подается никакого топлива. Таким образом предотвращается, что при режиме работы с основной нагрузкой возникают повышенные значения NOx.

Другие признаки, особенности и преимущества настоящего изобретения описываются ниже с помощью примеров выполнения со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - фрагмент газовой турбины с камерой сгорания в продольном разрезе вдоль оси вала в соответствии с уровнем техники,

фиг.2 - поперечный разрез струйной горелки,

фиг.3 - поперечный разрез другой струйной горелки,

фиг.4 - сопло 6, согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения,

фиг.5 - сопло 6а, согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения,

фиг.6 - сопло 6b, согласно третьему предпочтительному варианту выполнения,

фиг.7 - сопло 6с, согласно четвертому предпочтительному варианту выполнения.

На фиг.1 показан фрагмент газовой турбины с расположенной вдоль оси 14 вала и с не изображенным валом и ориентированной параллельно оси 14 вала камерой 16 сгорания в продольном разрезе. Камера 16 сгорания расположена вращательно-симметрично вокруг оси 18 камеры сгорания. Ось 18 камеры сгорания расположена параллельно оси 14 вала, причем она может проходить под углом к оси 14 вала, в крайнем случае перпендикулярно к ней. Кольцеобразный корпус 10 камеры сгорания охватывает реакционную камеру 5, которая точно так же выполнена вращательно-симметрично вокруг оси 18 камеры сгорания. С помощью реактивного сопла 3 согласно уровню техники воздух или смесь воздух/топливо подается в реакционную камеру 5. Рециркулирующие в реакционной камере горячие газы 4 обозначены позицией 1.

На фиг.2 схематично показан разрез струйной горелки перпендикулярно оси 14 вала горелки. Горелка имеет корпус 10, который имеет круглое поперечное сечение. Внутри корпуса 10 в основном кольцеобразно расположено определенное число реактивных сопел 3. Каждое реактивное сопло 3 при этом имеет круглое поперечное сечение. Кроме того горелка может включать пилотную горелку 25.

На фиг.3 схематично показан разрез другой струйной горелки, причем разрез проходит перпендикулярно к центральной оси другой горелки. Горелка точно так же имеет корпус 10, который имеет круглое поперечное сечение и в корпусе расположено некоторое число внутренних и внешних реактивных сопел 3, 30. Реактивные сопла 3, 30 соответственно имеют круглое поперечное сечение, причем внешние реактивные сопла 3 имеют одинаковую по величине или большую поверхность поперечного сечения, чем внутренние реактивные сопла 30. Внешние реактивные сопла 3 расположены в основном кольцеобразно внутри корпуса 10 и образуют внешнее кольцо. Внутренние реактивные сопла 30 точно также кольцеобразно расположены внутри корпуса 10. Внутренние реактивные сопла 30 образуют внутреннее кольцо, которое концентрически расположено по отношению к внешнему кольцу реактивных сопел.

Фиг.2 и 3 иллюстрируют только примеры расположения реактивных сопел 3, 30 внутри реактивной горелки. Однако возможно альтернативное расположение, точно как и применение другого числа реактивных сопел 3, 30.

Системы сжигания, базирующиеся на струйном пламени, имеют преимущества, в частности, с термоакустической точки зрения, по сравнению с системами, базирующимися на закручивании, благодаря распределенным зонам высвобождения тепла и отсутствующему индуцированного закручиванием завихрения. Благодаря подходящему выбору струйного импульса могут создаваться мелкомасштабные структуры потока, которые рассеивают акустически индуцированные флуктуации высвобождения тепла и таким образом подавляют пульсации давления, которые типичны для пламени, стабилизированного на закручивании. Системы сжигания, базирующиеся на струйном пламени, стабилизируются благодаря введению в смесь горячих рециркулирующих газов. Особенно в нижней области частичной нагрузки должны создаваться предпосылки для того, чтобы с помощью дополнительных механизмов стабилизации предотвращалось бы частичное или полное затухание пламени. Теперь это решается с помощью изобретения.

На фиг.4 показано реактивное сопло 6 согласно изобретению. Здесь горелка включает реакционную камеру 5 и несколько выходящих в реакционную камеру 5 реактивных сопел 6. С помощью реактивного сопла со струей 2 флюида в реакционную камеру 5 подается флюид. В реакционной камере 5 флюид сжигается с образованием горячего газа 4.

При этом флюид может быть смесью топливо/воздух или образовываться только из сжатого воздуха.

В реактивном сопле 6 теперь предусмотрен кольцевой зазор. Он образуется из насадка 12. Кольцевой зазор 8, таким образом, расположен вокруг струи 2 флюида. Благодаря этому кольцевому зазору 8 теперь горячий газ 4 засасывается в сопло 6. Для засасывания горячего газа 4 используется, в частности, статическая разность давлений между камерой 16 сгорания или реакционной камерой 5 и текущим с высокой скоростью флюидом, который благодаря высоким скоростям течения имеет пониженное статическое давление. Теперь горячий газ 4 течет назад против направления потока струи 2 флюида в сопло 6. Там горячий газ 4 примешивается к струе 2 флюида.

Примешивание горячего газа осуществляется, таким образом, согласно изобретению внутри сопла 6. Это соответствует определенному смешению горячего газа в сопле 6, благодаря чему обеспечивается надежное воспламенение и таким образом надежная стабилизация всей горелки.

Стабилизация предпочтительна, в частности, при режиме работы с частичной нагрузкой. Согласно изобретению, таким образом, только одно или немногие сопла струйной горелки разработаны с этим устройством для засасывания горячего воздуха 4. Они при режиме работы с частичной нагрузкой могут работать в качестве пилотных горелок. При этом флюид может быть представлен смесью топливо/воздух. К тому же может быть дополнительно предпочтительно, что эти «пилотные струи» делаются меньше, чем другие струи, при этом меньше сжатого воздуха идет через эти сопла 6. При полном режиме или близко к полной нагрузке флюид содержит еще меньшее количество топлива или совсем его не содержит. При этом флюид может состоять в основном из сжатого воздуха. Таким образом при основной нагрузке могут предотвращаться повышенные значения NOx.

При этом горячий газ засасывается через кольцевой зазор 8. Он образуется с помощью насадка 12. Выше по течению в насадке 12 выполнены одно или несколько отверстий 11, с помощью которых горячий газ 4 может примешиваться к струе 2 флюида. Отверстия 11 в насадке 12 расположены со стороны струи, т.е. в стенке, ограничивающей струю. Отверстия 11 при этом могут быть выполнены в виде сверлений.

Величина отверстий 11 так и радиальная высота Н кольцевого зазора 8 при этом выполнены так, что обеспечено хорошее смешение горячего газа со струей 2 флюида в реактивном сопле 6.

Сопло 6 к тому же имеет выпускное отверстие 22 с диаметром D. Выпускное отверстие 22 может быть расположено со смещением в направлении потока по отношению к кольцевому зазору 8. Предпочтительно смещение 24 включает длину L от 0 до 3 D (мм), где D диаметр выпускного отверстия 22.

Таким образом, непосредственно в области частичной нагрузки температура смеси доводится до значения, которое обеспечивает надежное воспламенение и с ним надежную стабилизацию всей горелки во всех областях движения.

Струя 2 флюида может состоять при этом из смеси воздух/топливо различного качества смешивания. Струйное пламя само при этом может быть предварительно смешано, частично предварительно смешано и не смешано.

Фиг.5 иллюстрирует второй предпочтительный вариант выполнения предложенного в соответствии с изобретением сопла 6а. При этом имеется второй кольцевой канал 20, который расположен вокруг кольцевого зазора 8. Этот кольцевой канал 20 может быть разработан в основном для направления сжатого воздуха или смеси воздух/топливо к впускному отверстию 28 сопла. Воздух для горения или смесь топливо/воздух может служить для охлаждения отдельно радиально внешней стенки насадка 12. Это является предпочтительным, так как засосанные газы имеют высокую температуру, которые в противном случае потенциально могут повредить горелку. Кольцевой канал 20 может быть выполнен к тому же с мероприятиями, повышающими теплоотдачу. Это могут быть, например, впадины и/или крылышки и/или ребра охлаждения, как также конвективное или охлаждение ударного действия, или другие традиционные концепты охлаждения, при которых сжатый воздух или смесь воздух/топливо в качестве охлаждающего воздуха возвращается в реакционную камеру 5. Таким образом, сжатый воздух или смесь воздух/топливо используется для охлаждения направляющих горячий газ конструктивных элементов при одновременном предварительном нагревании.

Проходы, направляющие горячий газ, т.е., в частности, насадок 12 могут быть изготовлены из высококачественных материалов, например, из керамических или содержащих керамику материалов, причем материалы могут еще иметь и покрытие.

Фиг.6 и фиг.7 демонстрируют другие предпочтительные варианты выполнения предложенных в соответствии с изобретением сопел 6b и 6с.Они показывают сопла, которые, в частности, повышают статическую разность давлений между камерой 16 сгорания или реакционной камерой 5 и потоком 2 струи флюида на уровень места смешивания.

При этом фиг.6 иллюстрирует насадок 12а, который на конце выше по течению имеет утолщение 15. Утолщение 15 при этом выполнено скругленным. Таким образом, предпочтительным образом могут предотвращаться потери на повороте сжатого воздуха или смеси топливо/воздух в кольцевом канале 20. Утолщение 15 в направлении потока может быть также образовано с расширение 16. Таким образом достигается особенно эффективное повышение разности давлений. Отверстия 11 при этом могут выполнены в виде прорезей, которые при необходимости размещены под наклоном.

Фиг.7 иллюстрирует сопло 6с, в котором насадок 12b со стороны потока флюида в направлении потока выполнено с расширением 21. Также и здесь достигается особенно эффективное повышение разности давлений.

В соответствии с настоящим изобретением таким образом обеспечивается надежное воспламенение и при этом надежная стабилизация всей горелки. При этом засосанные горячие газы 4 через кольцевой зазор 8 засасываются вокруг собственной струи засасываются струей 2 флюида и внутри сопла 6 примешиваются к этой струе 2. В качестве движущей силы при этом используется статическая разность давлений между камерой сгорания и струйным потоком. В частности, при режиме работы с частичной нагрузкой такая стабилизация является важной.

Горелка газовой турбины содержит реакционную камеру (5) и множество выходящих в реакционную камеру (5) реактивных сопел (6). Реактивными соплами (6) с помощью струи (2) флюида через выпускное отверстие (22) флюид подается в реакционную камеру (5). Реакционная камера (5) предназначена для сжигания флюида с образованием горячего газа (4). В, по меньшей мере, одном реактивном сопле (6, 6а, 6b, 6с) кольцевой зазор (8) расположен вокруг струи (2) флюида. Часть горячего газа (4) засасывается из реакционной камеры (5) и против направления потока флюида поступает в кольцевой зазор (8) и внутри реактивного сопла (6, 6а, 6b, 6с) смешивается со струей (2) флюида. Кольцевой зазор (8) образован с помощью насадка (12, 12а, 12b). Насадок (12а) на конце, расположенном выше по течению, имеет утолщение (15). Изобретение позволяет стабилизировать пламя такой горелки. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Горелка газовой турбины, содержащая реакционную камеру (5) и множество выходящих в реакционную камеру (5) реактивных сопел (6), причем реактивными соплами (6) с помощью струи (2) флюида через выпускное отверстие (22) флюид подается в реакционную камеру (5), причем реакционная камера (5) предназначена для сжигания флюида с образованием горячего газа (4), отличающаяся тем, что в, по меньшей мере, одном реактивном сопле (6, 6а, 6b, 6с) кольцевой зазор (8) расположен вокруг струи (2) флюида, при этом часть горячего газа (4) засасывается из реакционной камеры (5) и против направления потока флюида поступает в кольцевой зазор (8) и внутри реактивного сопла (6, 6а, 6b, 6с) смешивается со струей (2) флюида, причем кольцевой зазор (8) образован с помощью насадка (12, 12а, 12b), причем насадок (12а) на конце, расположенном выше по течению, имеет утолщение (15).

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что в насадке (12, 12а, 12b) выполнено, по меньшей мере, одно отверстие (11) для подачи горячего газа (4) в струю (2) флюида.

3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно отверстие (11) расположено выше по течению выпускного отверстия (22).

4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что насадок (12b) со стороны потока флюида сформирован в направлении потока с расширением (21).

5. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что насадок (12b) со стороны потока флюида сформирован в направлении потока с расширением (21).

6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что утолщение (15) в направлении потока выполнено с расширением (17).

7. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что утолщение (15) в направлении потока выполнено с расширением (17).

8. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что утолщение (15) в направлении потока выполнено с расширением (17).

9. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что вокруг насадка (12, 12а, 12b) расположен второй кольцевой канал (20) для направления воздуха для горения и/или топлива.

10. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что вокруг насадка (12, 12а, 12b) расположен второй кольцевой канал (20) для направления воздуха для горения и/или топлива.

11. Горелка по п.8, отличающаяся тем, что вокруг насадка (12, 12а, 12b) расположен второй кольцевой канал (20) для направления воздуха для горения и/или топлива.

12. Горелка по п.9, отличающаяся тем, что во втором кольцевом канале (20) расположены средства для повышения теплоотдачи.

13. Горелка по п.11, отличающаяся тем, что во втором кольцевом канале (20) расположены средства для повышения теплоотдачи.

14. Горелка по п.12, отличающаяся тем, что средства для повышения теплоотдачи выполнены в виде впадин и/или ребер охлаждения и/или крылышек.

15. Горелка по п.9, отличающаяся тем, что проходящий через второй кольцевой канал (20) воздух и/или топливо со стороны ниже по течению охлаждает насадок (12, 12а, 12b).

16. Горелка по п.11, отличающаяся тем, что проходящий через второй кольцевой канал (20) воздух и/или топливо со стороны ниже по течению охлаждает насадок (12, 12а, 12b).

17. Горелка по любому из пп.1-16, отличающаяся тем, что реактивное сопло имеет выпускное отверстие (22) с диаметром (D).

18. Горелка по п.17, отличающаяся тем, что выпускное отверстие (22) сопла по отношению к кольцевому зазору (8) в направлении потока расположено со смещением.

19. Горелка по п.18, отличающаяся тем, что смещение (24) имеет длину от 0 до 3 диаметров (D) мм.

20. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что флюид является сжатым воздухом, который предварительно смешан с топливом, частично предварительно смешан или предварительно не смешан.

21. Горелка по п.17, отличающаяся тем, что флюид является сжатым воздухом, который предварительно смешан с топливом, частично предварительно смешан или предварительно не смешан.

22. Способ для стабилизации пламени горелки газовой турбины, которая содержит реакционную камеру (5) и множество выходящих в реакционную камеру (5) реактивных сопел (6), причем реактивными соплами (6) с помощью струи (2) флюида в реакционную камеру (5) подают флюид, причем флюид сжигают в реакционной камере (5), при этом образуется горячий газ (4), отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном реактивном сопле (6) предусмотрен кольцевой зазор (8), причем кольцевой зазор (8) формируют с помощью насадка (12, 12а, 12b), при этом насадок (12а) на конце, расположенном выше по течению, имеет утолщение (15), причем посредством кольцевого зазора (8) частично засасывают горячий газ (4) и направляют его против направления потока флюида в кольцевом зазоре (8) и внутри реактивного сопла (6) примешивают к струе (2) флюида.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что флюид с высокой скоростью направляют в реакционную камеру(5).

24. Способ по п.22, отличающийся тем, что между реакционной камерой (5) и струей (2) флюида, поступающей в реакционную камеру (5), образуется разность давлений.

25. Способ по любому из пп.22-24, отличающийся тем, что флюид при режиме работы горелки с частичной нагрузкой образуют из смеси топливо/сжатый воздух и при полной нагрузке из сжатого воздуха, который содержит незначительную часть или не имеет части топлива.