ГОРЕЛКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ МНОГОКОНУСНОГО ТИПА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F23C7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к технологии газовых турбин. Оно относится к горелке предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины в соответствии с преамбулой п.1 формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние более чем 20 лет в различных газовых турбинах заявителя устанавливались горелки с короткими, но эффективными областями предварительного смешивания (так называемые EV-горелки: экологически чистые V-образные горелки) с очень низким уровнем NOx. Кроме того, были успешно разработаны три варианта технологии предварительного смешивания и внедрены в указанные газовые турбины: последовательные EV-горелки - технология, позволяющая предварительно смешивать природный газ или нефть в горячем потоке выхлопных газов для повторного нагрева выхлопных газов первой турбины высокого давления; MBtu EV-горелки, которые используются для сжигания сингаза в пламени предварительного смешивания с низкими выбросами NOx; и усовершенствованные EV-горелки (AEV), выполненные с возможностью предварительного испарения и предварительного смешивания жидкого топлива перед сжиганием и сжигания его с очень низкими выбросами NOx без впрыска воды.

В документе ЕР 0851172 А1 описана примерная EV-горелка двухконусного типа для работы камеры сгорания с жидким и/или газообразным топливом, в которой воздух, необходимый для сжигания этого топлива, направляется по тангенциальным впускным воздушным каналам во внутреннее пространство горелки. Такое направление потока создает во внутреннем пространстве вихревой поток, который на выходе горелки создает область обратного течения. Для стабилизации формируемого там фронта пламени на каждом из секционных тел, образующих горелку, содержится по меньшей мере одна область, в которой расположены впускные отверстия, обеспеченные для впрыска вспомогательного воздуха в вихревой поток. Из-за такого впрыска на внутренней стенке секционных тел образуется пленка, которая препятствует прохождению обратной вспышки пламени вдоль внутренней стенки секционных тел во внутреннее пространство горелки.

Документ ЕР 2423597 А2 показывает другой пример EV-горелки в форме двухконусной горелки, которая имеет два частично конусообразных кожуха, расположенных вложенными друг в друга, образуя между собой впускные воздушные каналы, по которым воздух для сжигания, поступающий извне, течет в коническое внутреннее пространство горелки предварительного смешивания. На внешних стенках впускных воздушных каналов расположены линейные ряды отверстий впрыска, которые продолжаются поперек направления потока воздуха для сжигания, через которые в воздух для сжигания, который течет поперечно указанным рядам отверстий, впрыскивается газообразное топливо.

В документе DE 19545310 А1 описана еще одна горелка предварительного смешивания, состоящая из пустотелого конуса с внешним и внутренним коническими кожухами. По меньшей мере два впускных канала проходят по касательной к кожуху внутреннего конуса и расположены вдоль прямой линии кожуха конуса. Оси части конуса части кожуха расположены на той же оси конуса. Горелка предварительного смешивания разделена по меньшей мере на две, например на четыре, части, содержащие впускные каналы так, чтобы завихрять воздух для горения. Топливная форсунка расположена на конце конуса для впрыска жидкого топлива.

В документе WO 2009/019113 А2 описана горелка, которая содержит завихритель, смеситель и трубку. Завихритель окружает впускную часть внутреннего пространства горелки и имеет по меньшей мере один впуск для воздуха, который продолжается тангенциально относительно продольной центральной оси горелки. Завихритель имеет коническую форму. Соответствующий впуск для воздуха образует продольную щель вдоль образующей поверхности конуса. Множество таких впусков предпочтительно расположены распределенным образом по окружности. В результате этого воздух может проникать внутрь горелки тангенциально и завихряться. Завихритель также имеет впуск для топлива, через который внутрь горелки можно подавать газообразное топливо. Впуск для топлива содержит множество рядов отдельных впускных отверстий, которые продолжаются вдоль образующей конического завихрителя, и сквозь указанные отверстия топливный газ может поступать внутрь горелки. Выходную часть внутреннего пространства горелки охватывает смеситель, который имеет выпускное отверстие, открытое в сторону пространства сгорания в камере сгорания.

Смеситель содержит трубчатое тело, соединенное трубчатой переходной деталью с завихрителем и имеющее выпускной фланец с выпускным отверстием. Посредством выпускного фланца горелку можно соединить с камерой сгорания. Смеситель из соображений целесообразности выполнен цилиндрическим.

В принципе для снижения образования NOx смешивание воздуха и топлива можно продолжить, применив смешивающую трубу на конце горелки перед областью резкого расширения на входе в камеру сгорания, где пламя стабилизируется подвергнутым рециркуляции потоком. Воздушные щели и газовые каналы известных конических EV-горелок ограничены в нижней по потоку части пересекающей плоскостью, ортогональной к оси горелки. Следовательно, выход завихрителя горелки является некруглым и требует особой переходной детали между завихрителем и цилиндрической смесительной трубой. Такая переходная деталь способствует возникновению обратной вспышки, поскольку она должна иметь сложную трехмерную форму, чтобы не допустить разделения потока и стабилизации пламени в зоне рециркуляции.

Таким образом, при применении смешивающей трубы для дальнейшего улучшения смешивания топлива и воздуха в нижней по потоку части горелки проблема заключается в образовании переходной детали между завихрителем и смешивающей трубой так, чтобы не формировались области рециркуляции, которые могут привести к обратной вспышке.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание горелки предварительного смешивания многоконусного типа, в которой устранены недостатки известных горелок и которая имеет упрощенную конструкцию и предотвращает возникновение обратной вспышки.

Эти и другие задачи достигаются посредством горелки предварительного смешивания по п.1 формулы изобретения.

Горелка предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины по настоящему изобретению содержит множество кожухов, расположенных вокруг центральной оси горелки и являющихся частью виртуального аксиально продолжающегося общего конуса, открытого в направлении вниз по потоку, при этом указанные части смещены перпендикулярно указанной оси горелки для образования тангенциальной щели между каждой парой смежных кожухов.

Она отличается тем, что нижние по потоку концы каждого из кожухов ограничены пересекающимися плоскостями, которые образованы пересечением указанных кожухов с виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения каждый из кожухов выполнен с газовым каналом предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края каждого кожуха так, чтобы газ можно было впрыскивать из газового канала предварительного смешивания через отверстия для впрыска газа в поток воздуха, поступающий внутрь конструкции кожухов через смежную щель, и чтобы нижние по потоку концы газовых каналов предварительного смешивания ограничивались пересекающимися плоскостями, образованными пересечением указанных газовых каналов предварительного смешивания с виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса.

Согласно другому варианту изобретения цилиндрическое кольцо горелки с внутренним радиусом, аналогичным вышеуказанному заданному радиусу, прикреплено к конструкции кожухов и газовых каналов предварительного смешивания соответственно в области пересекающихся плоскостей.

Более конкретно, такая горелка предварительного смешивания с прикрепленным кольцом горелки установлена в коаксиальной гильзе горелки с возможностью скольжения в осевом направлении.

Еще более конкретно, гильза горелки установлена своим нижним по потоку концом в передней панели камеры сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует более подробное описание разных вариантов изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 - общий вид горелки предварительного смешивания по варианту настоящего изобретения, и

Фиг.2 - горелка предварительного смешивания по фиг.1 с дополнительным кольцом горелки, окружающим конструкцию завихрителя и установленным с возможностью перемещения в гильзе горелки.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В концепции известной конструкции горелки AEV требуется переходная деталь, чтобы адаптировать серповидную форму сечения на выходе завихрителя к цилиндрическому сечению смешивающей трубы (см., например, документ WO2009/019113 А2, указанный выше). Такая переходная деталь требует тщательной аэродинамической проработки, чтобы избежать разделения потока и возникновения обратной вспышки.

В настоящем изобретении устранена необходимость в переходной детали. Нижний по потоку конец конических кожухов выполнен так, что они вырезаются в цилиндрической форме кольца горелки, которое является выполненной за одно целое частью извлекаемой горелки. Вариант, показанный на фиг.1 и 2, иллюстрирует основной принцип этого технического решения.

Горелка 10 предварительного смешивания по фиг.1 продолжается вдоль центральной оси 11. Она содержит четыре идентичных кожуха 12а-d, которые являются частью виртуального конуса, открытого в направлении вниз по потоку (на чертежах в направлении слева направо). Кожухи смещены относительно их оригинального положения в указанном виртуальном конусе перпендикулярно оси горелки для образования тангенциальной щели 14 между каждой парой смежных кожухов. Через указанные щели 14 воздух с завихрением поступает во внутреннее пространство конструкции конического кожуха. В каждой щели 14 газовый канал 13а-с предварительного смешивания, который продолжается вдоль аксиального края соседнего кожуха, обеспечен для впрыска газообразного топлива через отверстия (не показаны) в поток поступающего воздуха.

Кожухи 12а-d горелки продолжаются и естественно пересекаются с виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса R (показано штриховыми линиями на фиг.1), который выполнен цилиндрической формы последующей смешивающей трубы, что устраняет необходимость в специальной переходной детали. Посредством такого пересечения нижние по потоку концы кожухов 12а-d и нижние по потоку концы газовых каналов 13а-с предварительного смешивания ограничены цилиндрическими пересекающимися плоскостями 16 и 17, которые позволяют цилиндрическому кольцу 18 скользить по конструкции кожуха (фиг.2), чтобы зафиксировать нижние по потоку концы кожухов 12а-d.

Затем горелку 10 предварительного смешивания с прикрепленным кольцом 18 горелки можно вставить в по существу цилиндрическую коаксиальную гильзу 19 горелки, которая своим нижним по потоку концом прикреплена к передней панели 20 камеры 21 сгорания. Горелка 10 предварительного смешивания с прикрепленным кольцом 18 горелки может перемещаться в осевом направлении для регулирования ее относительно камеры 21 сгорания или других горелок, работающих параллельно (см. двунаправленную стрелку на фиг.2). Кроме того, между кольцом 18 горелки и гильзой 19 горелки может быть установлено уплотняющее средство и могут иметься отверстия для подачи продувочного воздуха в зазор между кольцом 18 горелки и гильзой 19 горелки.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10 - Горелка предварительного смешивания

11 - Ось горелки

12а-d - Кожух (конический)

13а-с - Газовый канал предварительного смешивания

14 - Щель

15 - Трубка горелки

16, 17 - Пересекающие плоскости

18 - Кольцо горелки

19 - Гильза горелки

20 - Передняя панель

Изобретение относится к энергетике. Горелка предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины, содержащая множество кожухов, расположенных вокруг центральной оси горелки и являющихся частью виртуального аксиально продолжающегося общего конуса, открытого в направлении вниз по потоку, при этом указанные части смещены перпендикулярно указанной оси горелки для образования тангенциальной щели между каждой парой смежных кожухов, причём нижние по потоку концы кожухов ограничены пересекающимися плоскостями, которые образованы пересечением указанных кожухов с виртуальным коаксиальным цилиндром. Изобретение позволяет улучшить смешивание топлива и воздуха в нижней по потоку части горелки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Горелка (10) предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины, содержащая множество кожухов (12а-d), расположенных вокруг центральной оси (11) горелки и являющихся частью виртуального аксиально продолжающегося общего конуса, открытого в направлении вниз по потоку, при этом указанные части смещены перпендикулярно указанной оси (11) горелки для образования тангенциальной щели (14) между каждой парой смежных кожухов (12a-d), отличающаяся тем, что нижние по потоку концы кожухов (12а-d) ограничены пересекающимися плоскостями (17), которые образованы пересечением указанных кожухов (12а-d) с виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса (R).

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что каждый из кожухов (12а-d) выполнен с газовым каналом (13а-с) предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края соответствующего кожуха так, чтобы можно было впрыскивать газ из указанного газового канала (13а-с) предварительного смешивания через отверстия для впрыска газа в поток воздуха, поступающий внутрь конструкции кожухов (12а-d) через смежную щель (14), при этом нижние по потоку концы газовых каналов (13а-с) предварительного смешивания ограничены пересекающимися плоскостями (16), которые образованы пересечением указанных газовых каналов (13а-с) предварительного смешивания с указанным виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса R.

3. Горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что цилиндрическое кольцо (18) горелки с внутренним радиусом, аналогичным указанному заданному радиусу (R), прикреплено к конструкции кожухов (12а-d) и газовых каналов предварительного смешивания соответственно в области пересекающихся плоскостей (16, 17).

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что указанная горелка (10) предварительного смешивания с прикрепленным кольцом горелки установлена внутри коаксиальной гильзы (19) горелки с возможностью скольжения в осевом направлении.

5. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что указанная гильза (19) горелки установлена своим нижним по потоку концом в передней панели (20) камеры (21) сгорания.