ГОРЕЛКА ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОДОГРЕВА Российский патент 2015 года по МПК F23D11/40 F23D14/82 F23R3/20 

Область техники

Изобретение относится к горелке промежуточного подогрева.

Уровень техники

Известны газовые турбины, содержащие первую горелку, в которой топливо впрыскивается в поток сжатого воздуха, и при сжигании топлива образуются отходящие газы, которые частично расширяются в турбине высокого давления.

Отходящие газы, поступающие из турбины высокого давления, затем подаются в горелку промежуточного подогрева, в которую впрыскивается дополнительное топливо, подвергающееся смешиванию и сжиганию в камере сгорания за горелкой; образующиеся отходящие газы затем расширяются в турбине низкого давления.

На фиг.1-3 представлен пример выполнения известной горелки промежуточного подогрева.

Как показано на фиг.1-3, известная горелка 1 имеет четырехугольный канал 2 с помещенной в него трубкой 3.

Трубка 3 имеет сопла, через которые впрыскивается топливо (или нефтепродукт, т.е. жидкое или газообразное топливо). Как показано на фиг.1, топливо впрыскивается в плоскости, называемой плоскостью 4 впрыскивания.

Зона канала, расположенная перед плоскостью 4 впрыскивания (в направлении потока горячих газов G), является зоной 6 вихреобразования; в этой зоне установлены завихрители 7, выступающие от каждой из стенок канала, для создания завихрений и турбулентности в горячих газах G.

Зона канала, расположенная за плоскостью 4 впрыскивания (в направлении потока горячих газов G), является зоной 9 смешивания. Обычно эта зона имеет плоские, расходящиеся боковые стенки для образования диффузора.

Как показано на фигурах, боковые стенки 10 канала 2 могут сходиться или расходиться для образования переменной ширины w горелки (измеренной посередине высоты), в то время как верхняя и нижняя стенки канала 2 параллельны друг другу и образуют постоянную высоту h горелки.

Конструкция горелок 1 оптимизирована с целью достижения наилучшего сочетания скорости горячих газов и завихрений и турбулентности в канале 2 при расчетной температуре.

Фактически, высокая скорость горячих газов, проходящих по каналу 2 горелки, уменьшает выбросы NO_x (поскольку уменьшается время пребывания сгорающего топлива в камере 12 сгорания, расположенной по потоку за горелкой 1), увеличивает запас по проскоку пламени (поскольку уменьшается время пребывания топлива в горелке 1 и, таким образом, затрудняется автоматическое воспламенение топлива) и уменьшает расход воды при использовании нефтепродукта (вода смешивается с нефтепродуктом для предотвращения проскока пламени). С другой стороны, высокая скорость горячих газов увеличивает выбросы CO (поскольку время пребывания в камере 12 сгорания, расположенной по потоку за горелкой 1, является небольшим) и падение давления (т.е. достижимые кпд и мощность).

Кроме того, высокие интенсивность вихря и уровень турбулентности уменьшают выбросы NO_x и CO (благодаря надлежащему смешиванию), но увеличивают падение давления (таким образом, они уменьшают достижимые кпд и мощность).

Для увеличения кпд и эксплуатационных характеристик газовой турбины температура горячих газов на входе и выходе горелки промежуточного нагрева должна быть увеличена.

Такое увеличение вызывает неустойчивое состояние равновесия между всеми контролируемыми параметрами, поэтому при использовании горелки промежуточного подогрева, взаимодействующей с горячими газами, имеющими температуру, превышающую расчетную, могут возникнуть проблемы с проскоком пламени, выбросами NO_x и CO, расходом воды и падением давления.

Раскрытие изобретения

Основной задачей настоящего изобретения является разработка горелки промежуточного подогрева, позволяющей устранить вышеуказанные недостатки известных решений.

В частности, задача изобретения состоит в создании горелки промежуточного подогрева, которая может безопасно функционировать без риска или с ограниченными рисками возникновения проблем с проскоком пламени, выбросами NO_x и CO, расходом воды и падением давления, в частности, при взаимодействии с горячими газами, температура которых превышает температуру горячих газов в обычных горелках.

Указанная задача решается в горелке промежуточного подогрева, охарактеризованной совокупностью признаков представленной формулы изобретения.

Особенности и преимущества изобретения станут более понятными из описания предпочтительного, но неисключительного варианта выполнения горелки для промежуточного подогрева, представленной в качестве неограничивающего примера со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1, 2 и 3 показана известная горелка промежуточного подогрева, виды сверху, сбоку и спереди соответственно;

на фиг.4, 5 и 6 - горелка промежуточного подогрева согласно одному из вариантов осуществления изобретения, виды сверху, сбоку и спереди соответственно;

фиг.7 и 8 - увеличенный местный вид горелки согласно разным вариантам осуществления изобретения.

Варианты осуществления изобретения

Горелка 1 промежуточного подогрева, показанная на фиг 4-6, содержит канал 2 прямоугольного, квадратного или трапециевидного сечения.

В канале горелки расположена трубка 3 для впрыскивания топлива в плоскости 4 впрыскивания, перпендикулярной продольной оси 15 канала.

Канал 2 и трубка 3 ограничивают зону 6 вихреобразования, расположенную перед плоскостью 4 впрыскивания, и зону 9 смешивания, расположенную за плоскостью 4 впрыскивания, в направлении потока горячих газов G.

Зона 9 смешивания включает в себя область 16 больших скоростей с постоянным поперечным сечением и расположенную за ней в направлении потока горячих газов G область 17 торможения с расширяющимся поперечным сечением.

Область 16 больших скоростей в горелке 1 имеет наименьшее поперечное сечение.

Кроме того, в зоне 9 смешивания имеется область 18 сужения, расположенная по потоку перед областью 16 больших скоростей.

Как ясно показано на фиг.4 и 5, ширина w и высота h области 17 торможения увеличиваются в направлении выходного отверстия 19 горелки. Преимущественно увеличение ширины w и высоты h области торможения выполнено с учетом отрыва потока, т.е. является таким, что не происходит отрыва потока от расходящихся стенок области 17 торможения. В этом отношении область торможения образует так называемый диффузор Коанда.

Зона 6 вихреобразования имеет участок, на котором ее ширина w и высота h изменяются (т.е. они увеличиваются и уменьшаются) в направлении выходного отверстия 19 горелки.

Преимущественно конец 14 трубки 3 расположен по потоку перед областью 16 больших скоростей.

В предпочтительном варианте выполнения (фиг.7 и 8) внутренняя стенка 20 области 17 торможения имеет выступ 21, образующий участок, где горячие газы, протекающие в горелке 1, отделяются от внутренней стенки 20 области торможения. Выступ 21 расположен по окружности на внутренней стенке области торможения.

Принцип действия горелки промежуточного подогрева согласно изобретению по существу заключается в следующем.

Горячие газы G входят в канал 2 горелки 1 и проходят через зону 6 вихреобразования, в которой увеличиваются их завихрения и турбулентность. Поскольку ширина w и высота h в поперечном сечении этой зоны увеличивается (по меньшей мере, в центре зоны 6 вихреобразования) ее поперечное сечение будет значительно больше, чем поперечное сечение зоны вихреобразования известной горелки, образующей сравнимые завихрения и турбулентность в проходящих через нее горячих газах. Это позволяет получить меньшее падение давления в горячих газах по сравнению с известными горелками.

Далее, когда горячие газы проходят через зону 9 смешивания, они ускоряются в области 18 сужения до максимальной скорости, по существу сохраняя эту высокую скорость при прохождении через область 16 высоких скоростей.

Поскольку горячие газы проходят через область 16 с высокой скоростью, время пребывания топлива в горелке является небольшим, в связи с чем снижается риск проскока пламени и уменьшаются расход воды и выбросы NO_x.

Кроме того, благодаря такой конструкции, в которой конец 14 трубки расположен в области 18 сужения и перед областью 16 высоких скоростей (в направлении потока горячих газов), горячие газы ускоряются до участка, расположенного по потоку за концом 14 трубки 3, поэтому уменьшаются риски перемещения пламени на участок, расположенный по потоку за концом 14 трубки и, соответственно, возникновения проскока пламени. Это позволяет снизить риск проскока пламени и уменьшить расход воды при использовании нефтепродукта.

После области 16 высоких скоростей горячие газы проходят через область 17 торможения, где их скорость уменьшается, и часть кинетической энергии преобразуется в статическое давление. Замедление позволяет горячим газам, содержащим топливо и быстро прошедшим через зону высоких скоростей (т.е. при высокой скорости), уменьшить свою скорость, чтобы они входили в камеру 12 сгорания, расположенную по потоку за горелкой 1, при низкой скорости. Это обеспечивает достаточное время пребывания топлива в камере 12 сгорания для полного и надлежащего сжигания и получения низких выбросов CO. Кроме того, поскольку часть кинетической энергии превращается в статическое давление, падение давления, происходящее в зоне 6 вихреобразования, в области 18 сужения и в области 16 высоких скоростей, частично компенсируется, поэтому обеспечивается общее низкое падение давления в горелке.

Таким образом, комбинация зоны 6 вихреобразования, области 16 высоких скоростей и области 17 торможения обеспечивает высокую скорость прохождения горячих газов по каналу 2 (и, таким образом, низкие выбросы NO_x, большой запас по проскоку пламени и низкий расход воды при использовании нефтепродукта) и в то же время выход из горелки 1 (для входа в камеру сгорания за горелкой) при низкой скорости, чтобы время пребывания в камере сгорания было достаточным для получения низких выбросов CO.

Кроме того, поскольку происходит определенное смещение зоны реакции дальше по потоку, реакция происходит при лучшем качестве смешивания по сравнению с известными горелками; кроме того, этот фактор также влияет на уменьшение выбросов NO_x.

К тому же падение давления по всей горелке является небольшим, поэтому увеличивается кпд и мощность газовой турбины.

Кроме того, выступ 21, образующий участок, на котором горячие газы отделяются от внутренней стенки 20 области 17 торможения, препятствует образованию неустановившегося потока и, следовательно, неустойчивому горению и вибрациям в камере сгорания.

Разумеется, описанные особенности могут быть использованы независимо друг от друга.

На практике используемые материалы и размеры могут быть выбраны, исходя из предъявляемых требований и уровня техники.

Ссылочные номера

1 Горелка

2 Канал

3 Трубка

4 Плоскость впрыскивания

6 Зона вихреобразования

7 Завихритель

9 Зона смешивания

10 Боковая стенка

11 Верхняя/нижняя стенка

12 Камера сгорания

14 Конец трубки

15 Продольная ось канала 2

16 Область высоких скоростей зоны 9 смешивания

17 Область торможения зоны 9 смешивания

18 Область сужения

19 Выходное отверстие горелки

20 Внутренняя стенка зоны 17 торможения

21 Выступ

G Горячие газы

H Высота

W Ширина

Изобретение относится к области энергетики. Горелка (1) промежуточного подогрева содержит канал (2) с трубкой (3), расположенной в канале с возможностью впрыскивания топлива в плоскости (4), перпендикулярной продольной оси (15) канала, причем конец (14) трубки (3) расположен по потоку перед областью (16) высоких скоростей, и завихрители (7) выступают от каждой из стенок канала, причем канал (2) содержит боковые стенки (10) и верхнюю и нижнюю стенки (11) и имеет прямоугольное, квадратное или трапециевидное сечение, при этом канал (2) и трубка (3) ограничивают в направлении потока горячих газов (G) зону (6) вихреобразования перед плоскостью (4) впрыскивания и зону (9) смешивания за плоскостью (4) впрыскивания, при этом зона (9) смешивания включает в себя область (16) больших скоростей с постоянным поперечным сечением и расположенную за ней в направлении потока горячих газов (G) область (17) торможения с расширяющимся поперечным сечением, а горелка в области (16) больших скоростей зоны (9) смешивания имеет наименьшее поперечное сечение. Ширина (w) и высота (h) области (17) торможения увеличиваются в направлении выходного отверстия (19) горелки. Внутренняя стенка (20) области (17) торможения имеет выступ (21), образующий участок, на котором горячие газы отделяются от внутренней стенки (20) области торможения. Выступ (21) расположен по окружности на внутренней стенке (20) области торможения. Зона (6) вихреобразования имеет по меньшей мере один участок, на котором ее ширина (w) и высота (h) увеличиваются в направлении выходного отверстия (19) горелки. Изобретение позволяет предотвратить проскок пламени в горелку, снизить выбросы NO_x и СО в атмосферу. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Горелка (1) промежуточного подогрева, содержащая канал (2) с трубкой (3), расположенной в канале с возможностью впрыскивания топлива в плоскости (4), перпендикулярной продольной оси (15) канала, причем конец (14) трубки (3) расположен по потоку перед областью (16) высоких скоростей, и завихрители (7) выступают от каждой из стенок канала, причем канал (2) содержит боковые стенки (10) и верхнюю и нижнюю стенки (11) и имеет прямоугольное, квадратное или трапециевидное сечение, при этом канал (2) и трубка (3) ограничивают в направлении потока горячих газов (G) зону (6) вихреобразования перед плоскостью (4) впрыскивания и зону (9) смешивания за плоскостью (4) впрыскивания, при этом зона (9) смешивания включает в себя область (16) больших скоростей с постоянным поперечным сечением и расположенную за ней в направлении потока горячих газов (G) область (17) торможения с расширяющимся поперечным сечением, а горелка в области (16) больших скоростей зоны (9) смешивания имеет наименьшее поперечное сечение.

2. Горелка (1) по п.1, отличающаяся тем, что ширина (w) и высота (h) области (17) торможения увеличиваются в направлении выходного отверстия (19) горелки.

3. Горелка (1) по п.2, отличающаяся тем, что увеличение ширины (w) и высоты (h) области (17) торможения согласованы с отрывом потока.

4. Горелка (1) по п.3, отличающаяся тем, что внутренняя стенка (20) области (17) торможения имеет выступ (21), образующий участок, на котором горячие газы отделяются от внутренней стенки (20) области торможения.

5. Горелка (1) по п.4, отличающаяся тем, что выступ (21) расположен по окружности на внутренней стенке (20) области торможения.

6. Горелка (1) по п.1, отличающаяся тем, что зона (6) вихреобразования имеет по меньшей мере один участок, на котором ее ширина (w) и высота (h) увеличиваются в направлении выходного отверстия (19) горелки.