ГОРЕЛКА И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ ГОРЕЛКУ Российский патент 2015 года по МПК F23R3/60 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к горелке, включающей в себя направляющий конус и монтажную вставку. Изобретение также относится к способу эксплуатации с целью увеличения срок службы горелки, которая включает в себя направляющий конус и монтажную вставку, при этом направляющий конус имеет конусную сторону. Кроме того, изобретение относится к сборочной процедуре для сборки и разборки сборочного узла, состоящего из направляющего конуса с конусной стороной.

Уровень техники

Известно, что газовые турбины содержат следующие компоненты: компрессор для сжатия воздуха, камеру сгорания для образования горячего газа посредством сжигания топлива в присутствии сжатого воздуха, который производится компрессором, и турбину для сброса давления горячего газа, который образуется в камере сгорания. Также известно, что газовые турбины выделяют нежелательные окислы азота (NOx) и окись углерода (СО). Одним из факторов, который, как известно, влияет на выделение NOx, является температура сгорания. Уровень выделения NOx снижается при уменьшении температуры сгорания. Однако для достижения большей эффективности и окисления СО желательны более высокие температуры сгорания.

Разработаны двухступенчатые системы сгорания, которые обеспечивают эффективное сгорание и пониженные выделения NOx. В двухступенчатой системе сгорания на первом этапе осуществляется диффузионное горение для обеспечения воспламенения и устойчивости пламени. На втором этапе осуществляется сгорание с использованием предварительно приготовленной смеси для уменьшения выделений NOx.

Как показано на фиг.1, стандартная конструкция камеры 100 сгорания включает в себя корпус 6 форсунки, который имеет основание 5 для корпуса форсунки. Форсунка 1 воспламенения для распыления топлива, которая имеет форсуночное отверстие 4 для топлива воспламенения, проходит через корпус 6 форсунки и крепится к основанию 5 корпуса форсунки. Главные топливные форсунки 2 проходят через корпус 6 форсунки параллельно форсунке 1 воспламенения и крепятся к основанию 5 корпуса форсунки. Впуски 16 топлива обеспечивают подачу топлива к главным топливным форсункам 2. Главная зона 9 сгорания образована в наружной обшивке 19. Направляющий конус 20 выступает от форсуночного отверстия 4 для топлива воспламенения из форсунки 1 для воспламенения и имеет раструбный конец 22 рядом с главной зоной 9 сгорания. Направляющий конус 20 имеет линейный профиль 21, который образует зону 23 для растопочного пламени.

Сжатый воздух 101 поступает из компрессора 50 между опорными ребрами 7 через главные завихрители 8 топлива в главную зону 9 сгорания. Каждый из главных завихрителей 8 топлива имеет множество лопаток 80. Сжатый воздух 12 принудительно проходит через комплект лопаток 10, которые расположены в завихрителе 11 воспламенения, в зону растопочного пламени. Внутри направляющего конуса 20 сжатый воздух 12 смешивается с топливом 30 воспламенения и транспортируется в зону 23 топлива воспламенения, где происходит его сжигание.

Другая система горелки представляет собой систему сгорания на основе струй пламени. По сравнению с системами, стабилизируемыми вращением, системы сгорания на основе струй пламени имеют преимущества, в частности, с точки зрения термоакустики, благодаря наличию в них распределенных зон выделения теплоты и отсутствию завихрений в результате вращения.

Струи пламени стабилизируются посредством смешивания в горячих рециркулирующих газах. Необходимые для этого температуры зоны рециркуляции не могут быть обеспечены в газовых турбинах, в частности, в низком диапазоне неполной нагрузки, с помощью известной кольцевой конфигурации струй с центральной зоной рециркуляции. Следовательно, снова требуется дополнительное направление с использованием пилотной горелки и направляющего конуса.

В этом случае направляющий конус приваривается к монтажной вставке. Топливо или воздух горения подается в камеру сгорания через эту монтажную вставку, например, с помощью соответствующих отверстий. Во время эксплуатации происходят тепловые расширения. Эти тепловые расширения представляют собой различные тепловые расширения различных компонентов, а также радиальное тепловое расширение направляющего конуса. Однако постоянное сварное соединение замедляет эти тепловые расширения, что ведет к возникновению очень высоких напряжений в самом конусе. Из-за этих напряжений, возникающих во время эксплуатации, компоненты повреждаются, например, в результате образования трещин и подлежат скорой замене. Таким образом, замедление теплового расширения ведет к уменьшению срока службы компонентов при циклическом нагружении, в частности, конуса.

Сущность изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку, имеющую увеличенный срок службы. Задача также состоит в том, чтобы предложить способ увеличения срока службы горелки. Кроме того, другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сборки горелки.

Что касается горелки, то задача по изобретению решается посредством создания горелки, которая включает в себя направляющий конус и монтажную вставку, при этом направляющий конус спроектирован как направляющий конус в сборе, который отделен от монтажной вставки.

Изобретение основано на условии, что срок службы компонентов, т.е. направляющего конуса и монтажной вставки, значительно уменьшается в результате замедления теплового расширения компонентов в радиальном и осевом направлениях и возникновения связанных с этим напряжений. Эту проблему можно решить с помощью настоящего изобретения, а именно конструкции направляющего конуса в виде узла и отделения этого узла от монтажной вставки. Разделение двух компонентов ведет к увеличению срока службы направляющего конуса и уменьшению напряжений.

Предпочтительно, отделенный направляющий конус в сборе будет иметь конусную сторону и будет включать в себя, помимо конусной стороны, по меньшей мере, одну дополнительную сторону. Здесь конусная сторона представляет собой ту сторону, которая расположена в самой камере сгорания и непосредственно подвергается воздействию горячего газа.

Отделенный направляющий конус в сборе также будет, предпочтительно, включать в себя опорную сторону, расположенную, по существу, по оси в направлении потока продуктов сгорания.

В предпочтительном варианте выполнения осевая опорная сторона крепится с помощью болтового соединения к монтажной вставке. Предпочтительно, осевая опорная сторона будет, по существу, параллельна одной из сторон монтажной вставки. Это позволяет крепить направляющий конус в сборе к монтажной вставке. Здесь осевая опорная сторона имеет сторону на заднем конце, т.е., по существу, на заднем конце относительно направления потока для монтажной вставки. В частности, температура здесь более низкая. Температура воздуха компрессора составляет здесь только примерно 450 -500°С. Это означает, что сторона монтажной вставки, а также осевая сопряженная сторона нагреваются и расширяются одинаково. Чрезмерный нагрев осевой опорной стороны также исключается. Таким образом, исключается возникновение напряжений из-за наличия болтового крепления. В результате значительно увеличивается срок службы направляющего конуса в сборе.

В предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, одна дополнительная сторона параллельна одной из сторон монтажной вставки. Между монтажной вставкой и направляющим конусом в сборе предусматривается зазор. Этот зазор рассчитывается таким образом, чтобы при рабочих температурах все же существовал зазор между передней стороной конуса в направлении потока и монтажной вставкой или сторона конуса, которая расположена ниже относительно направления потока, размещалась точно на монтажной вставке в радиальном направлении. Кроме того, здесь зазор может прочищаться воздухом компрессора во избежание воспламенения, например, остаточного газа, который может скапливаться в зазоре.

Предпочтительно, отдельные стороны направляющего конуса в сборе будут свариваться. Однако также предусматривается, что этот направляющий конус в сборе уже образован с таким профилем во время изготовления. Также предусматриваются другие типы соединения, например, получаемые с помощью пайки или формования.

Дополнительная сторона предпочтительно будет иметь уплотнительное кольцо, расположенное между дополнительной стороной и монтажной вставкой. Зазор между монтажной вставкой и направляющим конусом в сборе закрывается с помощью уплотнительного кольца. Это позволяет исключить очистку зазора воздухом компрессора. Кроме того, остаточный газ не может больше скапливаться в самом зазоре. Если зазор закрывается с помощью уплотнительного кольца, имеется возможность уменьшить длину как дополнительной стороны, так и осевой опорной стороны. Сварка всех сторон больше не требуется. Таким образом, направляющий конус будет иметь меньший вес, и, кроме того, снижаются расходы на материал.

Уплотнительное кольцо предпочтительно представляет собой поршневое или разрезное кольцо. Эти кольца являются особенно пригодными, поскольку они обеспечивают надлежащее уплотнение, и, при необходимости, может быть предусмотрена заданная негерметичность, например, для выполнения очистки.

Газовая турбина предпочтительно будет оборудована такой горелкой.

Что касается способа, то задача по изобретению решается посредством разработки способа эксплуатации с целью увеличения срока службы горелки, которая включает в себя направляющий конус в сборе и монтажную вставку, при этом направляющий конус в сборе имеет конусную сторону, направляющие конус в сборе включает в себя помимо конусной стороны, по меньшей мере, одну дополнительную сторону, и эта дополнительная сторона расположена таким образом, что она, по существу, параллельна и находится на некотором расстоянии от одной из сторон монтажной вставки, так что между дополнительной стороной и стороной монтажной вставки существует заданный зазор, который во время эксплуатации значительно уменьшается, по меньшей мере, в одной точке контакта между дополнительной стороной и стороной монтажной вставки в результате теплового расширения.

Что касается способа сборки, то задача по изобретению решается посредством разработки способа сборки для сборки и разборки направляющего конуса в сборе с конусной стороной и монтажной вставки, при этом направляющий конус в сборе включает в себя конусную сторону и, помимо этого, по меньшей мере, одну осевую опорную сторону, и осевая опорная сторона параллельна стороне болтового крепления на монтажной вставке, к которой она крепится с помощью болтов во время сборки/разборки. Это простое болтовое соединение позволяет просто и быстро отсоединять направляющий конус в сборе от монтажной вставки. То, что направляющий конус в сборе отделен от монтажной вставки, позволяет предотвратить повреждение во время сборки /разборки.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание примера изобретения со ссылкой на чертежи.

Чертежи представлены в упрощенной форме и не в масштабе.

Фиг. 1 - схематичный вид газовой турбины с горелкой по существующему уровню техники;

фиг. 2 - схематичный вид горелки с направляющим конусом по существующему уровню техники;

фиг. 3 - горелка по изобретению с направляющим конусом в сборе и монтажной вставкой;

фиг. 4 - фрагмент другого примерного варианта выполнения горелки по изобретению;

фиг. 5 - общий вид дополнительного примерного варианта выполнения.

На всех фигурах одинаковые компоненты обозначены одними и теми же ссылочными номерами.

Подробное описание изобретения

На фиг. 2 схематично показана горелка с направляющим конусом 20 по существующему уровню техники. Направляющий конус 20 приварен к монтажной вставке 110 и служит в качестве границы между пилотной горелкой 140 и монтажной вставкой 110, которая опирается на внутреннюю стенку 120 камеры сгорания. Помимо других компонентов горелка имеет сквозные отверстия, по которым воздух горения подается в зону 130 горения камеры сгорания. С наружной стороны направляющий конус 20 приварен к монтажной вставке 110, по меньшей мере, с помощью одной сварной точки 170 крепления. С внутренней стороны имеется скользящая опора 150, установленная на пилотной горелке 140. Во время эксплуатации происходит тепловое расширение, в частности, в радиальном направлении. При этом сварка и скользящая опора 150 в значительной степени препятствуют этому тепловому расширению. В результате на конусе 20 возникают очень высокие напряжения. Эти тепловые напряжения ведут к уменьшению срока службы при циклическом нагружении.

Эту проблему можно устранить с помощью настоящего изобретения. На фиг.3 показана горелка по изобретению с направляющим конусом в сборе с монтажной вставкой 110 по изобретению. Горелка по изобретению имеет направляющий конус в сборе, который спроектирован как узел, который отделен от монтажной вставки 110. Пилотная горелка в сборе имеет, соответственно, конусную сторону 105. Кроме того, по изобретению пилотная горелка в сборе имеет дополнительную сторону 180. Эта сторона параллельна одной из сторон монтажной вставки, предпочтительно, стороне, которая параллельна направлению потока. Она упоминается ниже как длинная сторона 260 монтажной вставки 110. Дополнительная сторона 180 и длинная сторона 260 расположены на некотором расстоянии друг от друга и образуют зазор 220. Кроме того, отделенный узел также имеет дополнительную осевую опорную сторону 190. Эта осевая опорная сторона 190 также параллельна стороне монтажной вставки 110, предпочтительно, стороне, которая перпендикулярна направлению потока. Эта сторона монтажной вставки 110 упоминается ниже как сторона 280 болтового крепления. В общем, можно сказать, что две стороны отделенного узла параллельны двум сторонам монтажной вставки 110. Все стороны узла направляющего конуса могут быть сварены или иным образом постоянно соединены/объединены друг с другом. Зазор 220 допускает тепловое расширение узла и монтажной вставки 110. Таким образом, два узла отделены друг от друга, также, в частности, отделены при тепловом расширении.

Таким образом, отделенный узел допускает тепловое расширение отдельных компонентов, т.е. направляющего конуса в сборе, а также монтажной вставки 110. В результате исключается возникновение напряжений в компонентах и увеличивается срок их службы.

Зазор 220, который существует между, по существу, параллельными и находящимися на некотором расстоянии друг от друга длинной стороной 260 и дополнительной стороной 180 узла, рассчитывается и определяется таким образом, чтобы во время эксплуатации он значительно суживался или закрывался за счет теплового расширения, по меньшей мере, в одной точке контакта 300, 310 между дополнительной стороной 180 и длинной стороной 260. Зазор 220 можно регулировать таким образом, чтобы, как и в случае со сварной точкой в существующей горелке, точка 300 контакта между дополнительной стороной 180 и длинной стороной 260 находилась, по существу, ниже по потоку. Другими словами, после того как будет достигнута рабочая температура, зазор 220 закрывается на конусной стороне 105 (передний край 290 конуса) и длинной стороне 260. Кроме того, здесь в зазор 220 может поступать сквозной поток охлаждающего или компрессорного воздуха, так называемого барьерного воздуха, во избежание проскока пламени. Точка 310 контакта между дополнительной стороной 180 и длинной стороной 260 также может находиться выше по потоку. Конусная сторона 105, т.е. передний край 290 конуса, может образовывать зазор 220 с длинной стороной 260 даже при рабочей температуре. После того как будет достигнута рабочая температура, дополнительная сторона 180 будет находиться в радиальном направлении напротив длинной стороны 260, если можно так выразиться, выше по потоку у нижнего конца монтажной вставки 110.

Помимо дополнительной стороны 180, узел также включает в себя осевую опорную сторону 190. Она, по существу, параллельна одной стороне монтажной вставки 110, которая упоминается ниже как сторона 280 болтового крепления. С целью крепления всего узла направляющего конуса к монтажной вставке 110 осевая опорная сторона 190 крепится к стороне 280 болтового крепления с помощью болтового соединения 240. В этом месте воздух компрессора имеет температуру только 450-500°С; что является сравнительно более низкой температурой, чем, например, в случае камеры сгорания. Из-за более низких температур узел конуса и монтажная вставка 110 в этом месте расширяются одинаково. В результате обеспечивается преимущество, состоящее в том, что напряжения, которые могут теперь возникать даже при использовании болтового крепления 240 по изобретению, например из-за сдерживания теплового расширения компонентов, значительно снижаются как в случае монтажной вставки 110, так и в случае направляющего конуса в сборе, что также увеличивает срок службы обоих компонентов. Кроме того, может быть значительно упрощена сборка/разборка направляющего конуса в сборе, а также монтажной вставки 110, поскольку они больше не соединены друг с другом сваркой и в каждом случае представляют собой отделенный компонент. Также имеется возможность установить осевое уплотнение 360 между опорной стороной 190 и стороной 280 болтового крепления, другими словами, на так называемой холодной стороне горелки. Поскольку только две стороны находятся в зависимости от предварительного нагрева воздуха, а не от передачи тепла на стороне горячего газа, тепловое расширение является одинаковым для обеих сторон. В результате, предлагаемое осевое уплотнение 360 затягивается согласно техническим нормам. Кроме того или как вариант, может быть предусмотрено выпускное отверстие 380. Может быть предусмотрено одно или несколько таких отверстий. Если зазор 220 охлаждается барьерным воздухом, выпускное отверстие обеспечивает точную регулировку этого барьерного воздуха. В результате обеспечивается преимущество, состоящее в том, что исключается нежелательное воздействие на устойчивость пламени или режим горения из-за излишнего или нераспределенного барьерного воздуха. Барьерный воздух может быть точно отрегулирован с помощью выпускного отверстия 380. Тем самым, можно исключить высокие выбросы.

На фиг. 4 показан другой вариант выполнения изобретения. В этом случае длина дополнительной стороны 180 направляющего конуса в сборе значительно уменьшена. Между дополнительной стороной 180 и длинной стороной 260 монтажной вставки 110 установлено уплотнительное кольцо 400. Это значительно уменьшает величину зазора 220 между монтажной вставкой 220 и направляющим конусом в сборе или полностью закрывает зазор 220. Тем самым предотвращается возможный проскок пламени. Кроме того, больше не требуется, чтобы в зазор 220 поступал сквозной поток барьерного воздуха, или он может быть очень небольшим. Уплотнительное кольцо 400 может быть выполнено в виде поршневого или разрезного кольца. Эти кольца являются особенно пригодными, поскольку они обеспечивают надлежащее уплотнение. Если в зазор 220 продолжает поступать незначительный сквозной поток охлаждающего воздуха, то поршневое или разрезное кольцо может быть отрегулировано по заданной утечке. В этом примерном варианте выполнения осевая опорная сторона 190 также намного уменьшена по длине (фиг. 5). С целью крепления всего направляющего конуса в сборе к монтажной вставке 110, осевая опорная сторона 190 крепится к стороне 280 болтового крепления с помощью болтового соединения 240. Преимущество уменьшения длины осевой опорной стороны 190 и дополнительной стороны 180 состоит в снижении веса. Кроме того, могут быть снижены расходы на материалы. Здесь также обеспечивается возможность простого отсоединения направляющего конуса в сборе, поскольку требуется только разобрать болтовое соединение.

Способ по изобретению, а также инновационная горелка с отделенным направляющим конусом в сборе и монтажная вставка 110 позволяют значительно снизить напряжения в двух компонентах. Инновационный направляющий конус в сборе и монтажная вставка 110 увеличивают срок службы изделия. Усовершенствованный способ сборки облегчает сборку/разборку направляющего конуса в сборе, а также монтажной вставки 110. Фактическое разделение направляющего конуса в сборе и монтажной вставки 110 также способствует улучшенной сборке/разборке двух компонентов.

Изобретение относится к области энергетики. Горелка содержит монтажную вставку, имеющую сквозные отверстия, предназначенные для подачи воздуха для горения в зону камеры сгорания, направляющий конус. Направляющий конус связан с монтажной вставкой, выполнен в виде направляющего конуса в сборе, имеющего конусную сторону, непосредственно подвергающуюся воздействию горячего газа в процессе работы, и, по меньшей мере, одну дополнительную сторону, которая, по существу, параллельна монтажной вставке и находится на некотором расстоянии от одной из её сторон, при этом направляющий конус отделен от монтажной вставки при тепловом расширении. Изобретение позволяет увеличить срок службы горелки. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Горелка, содержащая
монтажную вставку, имеющую сквозные отверстия, предназначенные для подачи воздуха для горения в зону камеры сгорания,
направляющий конус,
характеризующаяся тем, что
направляющий конус связан с монтажной вставкой, выполнен в виде направляющего конуса в сборе, имеющего конусную сторону, непосредственно подвергающуюся воздействию горячего газа в процессе работы, и, по меньшей мере, одну дополнительную сторону, которая, по существу, параллельна монтажной вставке и находится на некотором расстоянии от одной из её сторон, при этом направляющий конус отделен от монтажной вставки при тепловом расширении.

2. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что отделенный направляющий конус в сборе содержит конусную сторону и дополнительную сторону.

3. Горелка по п.2, характеризующаяся тем, что отделенный направляющий конус в сборе также содержит осевую опорную сторону.

4. Горелка по п.3, характеризующаяся тем, что осевая опорная сторона закреплена с помощью болтов на стороне болтового крепления монтажной вставки для крепления направляющего конуса в сборе к монтажной вставке.

5. Горелка по п.4, характеризующаяся тем, что осевая опорная сторона, по существу, параллельна стороне болтового крепления монтажной вставки.

6. Горелка по п.2, характеризующаяся тем, что дополнительная сторона, по существу, параллельна одной из нескольких сторон монтажной вставки.

7. Горелка по п.2, характеризующаяся тем, что несколько отдельных сторон направляющего конуса в сборе приварены друг к другу.

8. Горелка по п.2, характеризующаяся тем, что дополнительная сторона снабжена уплотнительным кольцом, расположенным между дополнительной стороной и монтажной вставкой.

9. Горелка по п.8, характеризующаяся тем, что уплотнительное кольцо представляет собой поршневое или разрезное кольцо.

10. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что осевое уплотнение установлено между осевой опорной стороной и стороной болтового крепления.

11. Газовая турбина, содержащая горелку по п.1.