ГОРЕЛКА, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН Российский патент 2014 года по МПК F23R3/36 F23D17/00 

Данное изобретение относится к горелке и, в частности к горелке для газовых турбин с центральной компоновкой подачи топлива. Наряду с этим изобретение относится к газовой турбине.

Учитывая усилия, предпринимаемые во всем мире для снижения выброса вредных веществ из топочных устройств, в частности из газовых турбин, в течение последних лет разрабатывались горелки, имеющие особенно незначительные выбросы угарного газа (NOx). При этом часто особое значение придают тому, чтобы такие горелки можно было выборочно эксплуатировать соответственно не только с одним топливом, а по возможности с различным топливом, например, с нефтью и природным газом, или приводить в действие комбинированно для повышения надежности снабжения и эксплуатационной гибкости. Такие горелки описаны, например, в документе ЕР 0276696 B1.

Описанная в документе ЕР 0276696 B1 горелка является гибридной горелкой для эксплуатации с предварительным смешиванием с газом и/или нефтью, как ее применяют, в частности, для газотурбинных установок. Горелка содержит центральную компоновку подачи топлива, в которую также интегрирована пилотная горелочная система, которую можно приводить в действие газом и/или нефтью, как так называемую диффузионную горелку или как отдельную горелку с предварительным смешиванием. Дополнительно предусмотрена возможность для подачи питания инертными веществами. Центральная компоновка подачи топлива охвачена главной горелочной системой, имеющей кольцевую систему подачи воздуха с находящейся в ней системой вихревых лопаток с множеством лопаток и расположенными вверх по потоку от лопаток перфорированными трубами для эксплуатации с предварительным смешиванием с газом. Дополнительно в компоновке подачи топлива имеются впускные форсунки для нефти на участке системы вихревых лопаток, которые делают возможным предварительное смешивание основного воздушного потока с нефтью.

Вместо впрыскивания посредством находящихся, как в ЕР 0276696 B1 вверх по потоку от вихревых лопаток перфорированных труб, горючий газ может быть впрыснут в воздушный канал также через отдельно расположенные в вихревых лопатках отверстия форсунок, как это описано, например, в документе ЕР 0580683 B1.

Для большего повышения в будущем контроля за выбросами и устойчивости горения дополнительно к впрыскиванию газа через лопатки, как это известно из документа ЕР 0580683 В1, следует использовать дальнейшее впрыскивание газа через лопатки. Это дополнительное впрыскивание газа должно иметь возможность отдельного от основной ступени газа регулирования, т.е. в центральное устройство подачи топлива к горелке следует устанавливать дополнительный второй канал подачи газа, дополнительно к существующим до настоящего времени каналам подачи газа и нефти. Сложность состоит теперь только в том, чтобы дополнительный канал подачи газа отвечал требованиям характеристик прочности и одновременно имел продолжительный срок эксплуатации.

Поэтому задача данного изобретения - создать горелку, в частности горелку газовой турбины с двумя проходами горючего, имеющую длительный срок эксплуатации. Второй задачей данного изобретения является создание усовершенствованной газовой турбины.

Первая задача решается при помощи горелки, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения, вторая задача решается при помощи газовой турбины, охарактеризованной признаками пункта 8 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты выполнения изобретения.

При этом соответствующая изобретению горелка имеет центральную компоновку подачи топлива и охватывающий центральную компоновку подачи топлива кольцевой воздушный канал для подачи топочного воздуха. В кольцевом воздушном канале расположены вихревые лопатки, имеющие первые топливные форсунки для впрыскивания газообразного топлива в топочный воздух и вторые топливные форсунки для впрыскивания газообразного топлива в топочный воздух. При этом первые топливные форсунки питаются от первого топливораспределительного подвода в компоновке подачи топлива, а вторые топливные форсунки - от топливораспределительного канала в компоновке подачи топлива. При эксплуатации горелка имеет одно направление потока топлива.

Согласно изобретению было обнаружено, что реализация такого двойного впрыска через лопатки затруднительна из-за того, что газовый распределитель, в частности компоновка подачи топлива, не имеет достаточного срока эксплуатации, а вследствие этого не обеспечивает ее надежное применение. Кроме того, было обнаружено, что значительные перепады температуры между отдельными проходами топлива приводят к значительным термическим напряжениям, существенно ограничивающим срок службы.

Согласно изобретению топливораспределительный подвод содержит подающую трубу, соединенную вниз по потоку с вихревой лопаткой, а также кольцевую насадку, причем подающая труба соединена вверх по потоку с кольцевой насадкой, причем кольцевая насадка предвключена, если смотреть в направлении потока, к топливораспределительному каналу. Это вызывает пространственное разъединение обоих топливопроходов, в частности, подающая труба с кольцевой насадкой и первичный топливораспределительный канал пространственно разъединены. Вследствие этого первичный топливораспределительный канал расположен как бы параллельно к подающей трубе. Поэтому кольцевая насадка действует так, что она отводит высокие напряжения от конструктивного элемента, в частности от компоновки подачи горючего и равномерно распределяет их по конструктивному элементу. Вследствие этого получают разряжение конструктивного пространства более низкими напряжениями. Это существенно продлевает срок службы компоновки подачи топлива. Кольцевая насадка не влияет или существенно не влияет на первоначальный дизайн, снижающий аэродинамическое сопротивление. К тому же уже изготовленные машины можно легко снабжать такой кольцевой насадкой и такой подающей трубой вследствие их более легкого производства и более легкой установки.

Предпочтительно, если кольцевая насадка содержит отдельное трубное соединение. Оно снабжает подающую трубу топливом.

В предпочтительном варианте выполнения предусмотрено несколько вихревых лопаток, причем каждая из этих вихревых лопаток имеет отдельную подающую трубу, причем каждая из этих отдельных подающих труб соединена с одной кольцевой насадкой.

Предпочтительно, если первый впрыск топлива питается от первой распределительной трубы, а второй впрыск топлива - от второй распределительной трубы, причем распределительная труба интегрирована в вихревую лопатку, причем вихревые лопатки выполнены разделенными на две половины лопатки между первой и второй распределительными трубами. Вследствие этого распределительные трубы и соответствующие форсунки можно снабжать топливом раздельно. Это дает возможность регулируемого управления потоком топлива.

Предпочтительно, если обе половины лопатки имеют вниз по потоку цапфу с допуском, а вверх по потоку - подвижную посадку. Благодаря цапфе с допуском и подвижной посадке теперь обе половины лопатки термически растяжимы по отдельности, что также снижает напряжения.

В предпочтительном варианте выполнения топливораспределительный канал и подающая труба разделены перемычкой, причем перемычка выполнена гибкой. Это дает возможность уменьшать напряжения, возникающие в перемычке и в компоновке подачи горючего. При этом перемычка может быть изготовлена из эластичного материала и/или также действовать эластично благодаря соответствующей геометрической форме, а вследствие этого компенсировать напряжения. Такое действие можно получить, например, выгнутой или гофрированной перемычкой.

Предпочтительно такая горелка предусмотрена в газовой турбине.

Другие особенности, свойства и преимущества данного изобретения следуют из описания вариантов выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - горелка, схематично;

фиг.2 - вихревая лопатка с двумя интегрированными газовыми секциями,

схематично;

фиг.3 - втулка камеры сгорания с двумя интегрированными газовыми секциями и

каналом подачи нефти, схематично;

фиг.4 - поперечное сечение соответствующей изобретению втулки камеры сгорания с кольцевой насадкой и вихревой лопаткой;

фиг.5 - вид сверху кольцевой насадки с вихревыми лопатками.

Далее со ссылкой на фиг.1, показывающей горелку схематично, приводится описание положенного в основу изобретения решения.

Горелка, с возможностью ее использования при необходимости в сочетании с несколькими аналогичными горелками, например, в камере сгорания газотурбинной установки, содержит внутреннюю пилотную горелочную систему и главную горелочную систему, концентрически окружающую пилотную горелочную систему. Как пилотную горелочную систему, так и главную горелочную систему можно выборочно эксплуатировать с газообразным и/или с жидким топливом, как, например, природный газ или котельное топливо.

Пилотная горелочная система содержит внутренний канал 1 подачи нефтяного топлива, который может быть концентрически охвачен внутренним кольцеобразным каналом 3 подачи газа. Последний, в свою очередь, может быть концентрически охвачен внутренним каналом подачи воздуха или каналом 5 подачи инертного вещества. Кроме того, на этом или в этом канале подачи воздуха может быть расположена подходящая система зажигания (на чертеже не изображено). Пилотная горелочная система имеет обращенное к камере 7 сгорания выходное отверстие 9, на участке которого, в канале подачи воздуха, расположена система 11 вихревых лопаток. Посредством отверстий 13 форсунок газ впрыскивают из внутреннего канала 3 подачи газа на участке системы вихревых лопаток или вверх по потоку системы вихревых лопаток в канал 5 подачи воздуха. Нефть из канала подачи нефтяного топлива впрыскивают посредством нефтяных форсунок 15 ниже по потоку системы вихревых лопаток в подведенный воздух или в подведенное инертное вещество.

Пилотную горелочную систему можно эксплуатировать известным способом с нефтью и/или газом в качестве диффузионной горелки, в которой топливо непосредственно впрыскивают в огонь. Однако существует возможность эксплуатировать пилотную горелочную систему как горелку с предварительным смешиванием, в которой топливо основательно смешивают с воздухом, прежде чем подводить смесь в огонь.

Охватывающая пилотную горелочную систему главная горелочная система содержит радиальный внешний канал 17 подачи воздуха, называемый также кольцевым воздушным каналом, через который продолжаются вихревые лопатки 19 системы вихревых лопаток. Эти вихревые лопатки 19 имеют первые топливные форсунки 21 и вторые топливные форсунки 23, через которые горючий газ впрыскивают в воздух, втекающий по радиальному каналу 17 подачи воздуха. Кроме того, в воздух, поступающий по каналу 17 подачи воздуха, посредством нефтяных форсунок 25 впрыскивают нефть. Хотя в данном примере выполнения речь идет о нефти и о нефтяных форсунках, однако это следует рассматривать только лишь в виде замещения подходящего жидкого топлива и соответствующих форсунок.

Расположенные в вихревых лопатках 19 первые топливные форсунки 21 и вторые топливные форсунки 23, а также нефтяные форсунки 25 снабжаются топливом посредством радиально расположенной внутри компоновки подачи топлива так называемой втулки 27. Вихревые лопатки 19 и втулка 27 имеют одно направление потока топлива. Во втулке расположены первые и вторые кольцеобразные топливораспределительные каналы 29 и 31, снабжающие топливные форсунки 21 или 23 газом. Кроме того, во втулке 27 расположен кольцеобразный нефтераспределительный канал 33, снабжающий нефтяные форсунки 25 нефтью. Топливораспределительные каналы 29, 31, а также нефтераспределительный канал 33 снабжаются соответствующим топливом через каналы 35, 37 подачи топлива или через канал 39 подачи нефтяного топлива. Каналы 35, 37 подачи топлива снабжают топливораспределительные каналы 29, 31 топливом. Для канала 39 подачи нефтяного топлива существует собственная труба 43 подачи нефтяного топлива.

На фиг.2 показана принципиальная схема вихревой лопатки 19 с двумя интегрированными газовыми секциями В и D.

Вихревая лопатка 19 имеет два независимых друг от друга топливораспределительных канала 29 и 31. Один топливораспределительный канал 29 с выпускными форсунками 21 можно использовать, например, для впрыскивания другой среды D, чем через выпускные форсунки 23 (среда В) второго топливораспределительного канала 31. Предпочтительно, если обе впрыскиваемые через топливораспределительные каналы 29 и 31 вихревой лопатки 19 среды газообразные, например, одной средой является природный газ, а другой средой - окись углерода. Также при необходимости через эти выпускные форсунки 21 и/или 23 можно впрыскивать инертное вещество, например водяной пар.

На фиг.3 показана топливная втулка 27 с топливораспределительным каналом 29 и 31 с отверстиями, проводящими топливо в лопатку 19. Оба топливораспределительных канала 29 и 31 расположены, по существу, параллельно и разделены перемычкой 50.

Согласно изобретению было обнаружено, что реализация этого двойного впрыскивания через лопатки затруднительна потому, что не имеется достаточного срока службы для газового распределителя, то есть для втулки 27, а поэтому нельзя обеспечить ее надежное использование. Кроме того, было обнаружено, что значительные перепады температуры между отдельными проходами топлива приводят к значительным термическим напряжениям, существенно ограничивающим срок службы.

Согласно изобретению, по меньшей мере, один из топливораспределительных каналов 29 (или альтернативно 31) выполнен в виде подающей трубы 55 (фиг.4). Подающая труба 55 впадает вниз по потоку в распределительную трубу 65 (или альтернативно 70). Вверх по потоку подающая труба 55 соединена с кольцевой насадкой 60 (фиг.5). При этом кольцевая насадка 60 предвключена, если смотреть в направлении потока, к топливораспределительному каналу 31 (или альтернативно 29). Таким образом, первоначальный топливораспределительный канал 31 (или альтернативно 29) как будто параллелен к подающей трубе 55. Кольцевая насадка 60 снабжена отдельным трубным соединением 75. Первоначальный топливораспределительный канал 31 (или альтернативно 29) снабжается другим каналом 80. Вследствие этого согласно изобретению оба подающих газовых прохода и, в частности, подающая труба 55 с кольцевой насадкой 60 и первоначальный топливораспределительный канал 31 (или альтернативно 29) пространственно разъединены. Исходя из этого, кольцевая насадка 60 действует так, что она отводит высокие напряжения из втулки 27 и равномерно распределяет их по конструктивному элементу. Вследствие этого получают разряжение конструктивного пространства более низкими напряжениями. Это существенно продлевает срок службы втулки 27 горелки. Кольцевая насадка 60 не влияет или влияет несущественно на первоначальный дизайн, снижающий аэродинамическое сопротивление. К тому же уже изготовленные машины можно легко оснащать такой кольцевой насадкой 60 и такой подающей трубой 55 вследствие ставшего более легкого их производства и более легкой установки.

Предпочтительно, если такую соответствующую изобретению втулку 27 горелки используют во взаимосвязи с разделенной вихревой лопаткой 19. Она содержит первый впрыск 21 топлива, питаемый первой распределительной трубой 65, а также второй впрыск 23 топлива, питаемый второй распределительной трубой 70. При этом распределительная труба 65, 70 интегрирована в вихревую лопатку 19. Разделенные вихревые лопатки 19 выполнены в результате разделенными на две половины 19а, 19b лопатки между первой и второй распределительными трубами 65 и 70. Это позволяет лучше отводить напряжение из втулки 27 и равномерно распределять его по конструктивному элементу. Кроме того, половины 19а, 19b лопатки имеют вниз по потоку цапфу 90а, 90b с допуском, а вверх по потоку - подвижную посадку 85a, 85b, устроенную во втулке, так сказать, самостоятельно. Благодаря цапфе 90а, 90b с допуском и подвижной посадке 85а, 85b обе половины 19а, 19b лопатки становятся по отдельности термически растяжимы, вследствие чего также уменьшаются напряжения.

Для получения дополнительного снижения напряжения перемычка 50, разделяющая топливораспределительный канал 31 (или 29) и подающую трубу 55, может быть выполнена гибкой. Для этого перемычка 50 может быть сделана из эластичного материала. Кроме того, дополнительно или альтернативно перемычка 50 может действовать эластично благодаря соответствующей геометрии и компенсировать вследствие этого напряжения. Такое воздействие может вызываться, например, выгнутой или гофрированной перемычкой 50.

Горелка выполнена с центральной компоновкой подачи топлива, а также с охватывающим центральную компоновку подачи топлива кольцевым воздушным каналом для подачи топочного воздуха и с расположенными в кольцевом воздушном канале вихревыми лопатками. Вихревые лопатки имеют первые топливные форсунки для впрыскивания, по существу, газообразного топлива в топочный воздух и вторые топливные форсунки для впрыскивания, по существу, газообразного топлива в топочный воздух. Первые топливные форсунки питаются от топливораспределительного подвода в компоновке подачи топлива. Вторые топливные форсунки питаются от газораспределительного канала в компоновке подачи топлива. Горелка при эксплуатации имеет одно направление потока топлива. Топливораспределительный подвод содержит множество подающих труб. Каждая подающая труба соединена вниз по потоку с первыми топливными форсунками соответствующей вихревой лопатки, а вверх по потоку - с кольцевой насадкой. Кольцевая насадка предвключена, если смотреть в направлении потока, к топливораспределительному каналу и насажена на компоновку подачи топлива так, что пространственное разъединение между кольцевой насадкой и топливораспределительным каналом приводит к более низким напряжениям в компоновке подачи топлива. Изобретение направлено на увеличение длительности эксплуатации горелки и на усовершенствование газовой турбины. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Горелка с центральной компоновкой (27) подачи топлива, а также с охватывающим центральную компоновку (27) подачи топлива кольцевым воздушным каналом (17) для подачи топочного воздуха и с расположенными в кольцевом воздушном канале (17) вихревыми лопатками (19), имеющими первые топливные форсунки (21) для впрыскивания, по существу, газообразного топлива в топочный воздух и вторые топливные форсунки (23) для впрыскивания, по существу, газообразного топлива в топочный воздух, причем первые топливные форсунки (21) питаются от топливораспределительного подвода в компоновке (27) подачи топлива, а вторые топливные форсунки (23) - от газораспределительного канала (31) в компоновке (27) подачи топлива, причем горелка при эксплуатации имеет одно направление потока топлива, отличающаяся тем, что топливораспределительный подвод содержит множество подающих труб (55), причем каждая подающая труба (55) соединена вниз по потоку с первыми топливными форсунками (21) соответствующей вихревой лопатки, а вверх по потоку - с кольцевой насадкой (60) и причем кольцевая насадка (60) предвключена, если смотреть в направлении потока, к топливораспределительному каналу (31) и насажена на компоновку (27) подачи топлива так, что пространственное разъединение между кольцевой насадкой (60) и топливораспределительным каналом (31) приводит к более низким напряжениям в компоновке (27) подачи топлива.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая насадка (60) содержит отдельное трубное соединение (75).

3. Горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первый впрыск (21) топлива через форсунки питается от первой распределительной трубы (65), а второй впрыск (23) топлива через форсунки - от второй распределительной трубы (70), причем распределительная труба (65, 70) интегрирована в вихревую лопатку (19), при этом вихревые лопатки (19) выполнены разделенными на две половины (19а, 19b) лопатки между первой и второй распределительными трубами (65 и 70).

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что обе половины (19а, 19b) лопатки имеют вниз по потоку припасованную цапфу (90а, 90b).

5. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что обе половины (19а, 19b) лопатки имеют вверх по потоку плотную посадку (85а, 85b).

6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что топливораспределительный канал (31) и подающая труба (55) разделены перемычкой (50), причем перемычка (50) выполнена гибкой для уменьшения возникающих в перемычке (50) напряжений.

7. Газовая турбина, по меньшей мере, с одной горелкой по любому из пп.1-6.