ГОРЕЛКА МНОГОКОНУСНОГО ТИПА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F23R3/28 F23D17/00 

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 с горячим потоком выхлопных газов для повторного нагрева выхлопных газов первой турбины высокого давления; MBtu EV-горелки, которые используются для сжигания сингаза в пламени предварительного смешивания с низким выбросом NOx; и усовершенствованные EV-горелки (AEV), выполненные с возможностью предварительного испарения и предварительного смешивания жидкого топлива до сжигания и сжигания его с очень низкими выбросами NOx без впрыска воды.

В документе ЕР 0 851 172 А1 описана примерная EV-горелка двухконусного типа для работы камеры сгорания с жидким и/или газообразным топливом, в которой воздух, необходимый для сжигания указанного 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 2 423 597 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 195 45 310 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.

Основными конструктивными параметрами известных EV- и AEV-горелок с прямым конусом являются выходной диаметр, ширина щели и угол конуса. Указанные параметры выбирают такими, чтобы для данной пропускной способности и потери давления возникало разрушение вихря на выходе горелки. Ограничение заключается в том, что сила завихрения повышается линейно вдоль оси, пока не достигнет критической силы завихрения для разрушения вихря рядом с осью горелки. Это значит, что указанными параметрами заданы длина горелки и огибающая горелки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание горелки предварительного смешивания многоконусного типа, в которой устранены недостатки известных горелок и которая имеет повышенную стабильность центрального пузыря рециркуляции и, следовательно, уменьшенные осевые осцилляции фронта пламени.

Другой задачей настоящего изобретения является создание горелки предварительного смешивания, которая дает возможность добиться стабильного сгорания без неудобообтекаемого тела, такого как длинная труба.

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

Горелка предварительного смешивания 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 указанный виртуальный общий конус имеет угол конусности, изменяющийся в осевом направлении.

Согласно варианту изобретения угол конусности виртуального общего конуса увеличивается в направлении вниз по потоку.

Более конкретно, изменение угла конусности виртуального общего конуса образовано закручиванием указанного общего конуса вокруг центральной оси горелки.

Еще более конкретно, площадь поверхности закрученного общего конуса образована вращением меридиана вокруг центральной оси горелки, один конец которого повернут вокруг центральной оси горелки относительно другого конца на заданный угол закручивания, при этом кожухи образованы разрезанием указанного виртуального общего конуса вдоль соответствующих меридианов кожухов.

В частности, угол закручивания равен 30° или более.

Более конкретно, угол закручивания равен 60° или более.

Согласно другому варианту изобретения общий конус разделен на четыре равных части или кожуха.

Согласно еще одному варианту настоящего изобретения каждый из кожухов выполнен с газовым каналом предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края соответствующего кожуха так, чтобы газ можно было впрыскивать из указанного газового канала предварительного смешивания внутрь конструкции кожухов через смежную щель.

Более конкретно, каждый из указанных газовых каналов предварительного смешивания имеет цилиндрическую форму.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует более подробное описание различных вариантов осуществления изобретения со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг.1 показывает базовые геометрические элементы для образования виртуального конуса для горелки предварительного смешивания по варианту осуществления настоящего изобретения с углом закручивания 60°.

Фиг.2 показывает колоколообразный виртуальный конус, образованный элементами по фиг.1.

Фиг.3 показывает разделение виртуального конуса по фиг.2 на четыре отдельных кожуха, которые затем смещены перпендикулярно оси горелки.

Фиг.4 показывает фактическую комбинацию реальных кожухов по фиг.3 с соответствующей трубой горелки.

Фиг.5 показывает конфигурацию горелки по фиг.4 с газовыми каналами предварительного смешивания, расположенными у каждой щели между кожухами, и

Фиг.6 показывает сравнительную таблицу конфигураций горелки с тремя различными углами закручивания, т.е. 0° (А), 30° (В) и 60° (С).

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.5 показана конфигурация горелки 10 предварительного смешивания по варианту осуществления настоящего изобретения, содержащая конструкцию завихрителя, продолжающуюся вдоль центральной оси 11 горелки с трубой 18 горелки, после которой в направлении вниз по потоку расположены четыре кожуха 16а-d, имеющие коническую форму, смещенные перпендикулярно оси 11 и расположенные с 90^о вращательной симметрией относительно оси 11. Между каждой парой смежных кожухов предусмотрена щель 17, через которую воздух может поступать внутрь конструкции кожухов. Газовый канал 19а-с предварительного смешивания проходит вдоль продольного края каждого кожуха и впрыскивает газообразное топливо через множество отверстий (не показаны) в поток воздуха, поступающий в щели 17, тем самым инициируя предварительное смешивание воздуха и топлива.

Для улучшения угла атаки потока воздуха из-за в значительной степени аксиального набегающего потока, в настоящем изобретении используются прямые газовые каналы 19а-с предварительного смешивания, которые образованы не в медианной плоскости горелки, а наклонены относительно медианной плоскости горелки.

За счет наклона прямых газовых каналов 19а-d все линии поверхности кожухов EV-горелки закручены, отклоняясь от первоначальной конической формы к колоколообразной форме.

Как показано на фиг.1-4, такое закручивание можно описать следующим образом: для образования формы кожухов 16а-d следует начать с геометрии, показанной на фиг.1, где головка 12 горелки (верхний по потоку конец горелки) представлена первой окружностью небольшого диаметра и ориентированной перпендикулярно и коаксиально с осью 11 горелки. Выход 13 горелки (нижний по потоку конец горелки) представлен второй окружностью, имеющей больший диаметр, ориентированной перпендикулярно и коаксиально с осью 11 горелки. Верхний по потоку конец примерного меридиана 20 затем закручивают вокруг оси 11 горелки на угол 14 закручивания относительно нижнего по потоку конца. Угол 14 закручивания в этом примере равен 60°.

Затем, закрученный меридиан 20 вращают вокруг оси 11 горелки для образования виртуального конуса 15, который закручен и, следовательно, имеет форму колокола (фиг.2).

Виртуальный конус 15 по фиг.2 затем делят на четыре отдельных кожуха 16а-d, каждый из которых смещен перпендикулярно оси горелки так, чтобы открыть четыре щели 17, распределенные вокруг оси 11 горелки с шагом 90° (фиг.3).

На фиг.4 вновь показаны четыре кожуха 16а-d, которые теперь имеют определенную толщину и разрезаны на определенном радиусе от оси 11. Кроме того, на фиг.4 показаны головка горелки и последняя часть топливной трубы 18.

На фиг.5 показан завихритель горелки, состоящий из четырех кожухов 16а-d с прикрепленными четырьмя газовыми каналами 19а-с предварительного смешивания. И кожухи 16а-d, и газовые каналы 19а-с разрезаны на определенном радиусе от оси 11 горелки. Газовые каналы 19а-с ориентированы вдоль наклонных линий меридианов и содержат множество отверстий для впрыска газа вдоль трубок для достижения хорошего предварительного смешивания газа и воздуха, поступающего через продольные щели 17.

Колоколообразная форма кожухов 16а-d горелки имеет меньший угол конусности на верхней по потоку части горелки, чем на ее нижней по потоку части. Это является важным новым признаком, поскольку он позволяет изменять параметр закручивания вдоль оси 11 горелки. Меньший угол конусности дает меньший параметр закручивания на верхней по потоку части горелки, тогда как больший угол конусности ниже по потоку дает больший параметр закручивания.

Следствием этого является следующее:

основными конструктивными параметрами для известных EV- и AEV-горелок с прямым конусом являются выходной диаметр, ширина щели и угол конусности. Указанные параметры выбирают такими, чтобы для данной пропускной способности и потери давления разрушения вихря происходило рядом с выходом горелки. Ограничением является то, что сила завихрения растет линейно вдоль оси, пока она не достигнет критической силы завихрения для разрушения вихря рядом с выходом горелки. Это означает, что этими параметрами заданы длина горелки и огибающая горелки.

В отличие от этого в настоящем изобретении градиент силы завихрения постоянно увеличивается вдоль оси. Это значит, что критическая сила завихрения для разрушения вихря достигается при увеличенном градиенте силы завихрения по сравнению с известными EV- и AEV-горелками с прямым конусом, что означает лучшую фиксацию осевого положения разрушения вихря благодаря увеличенной аэродинамической удерживающей силе. Также подобной конструкцией можно достичь более короткой компоновки горелки для заданных пропускной способности и потери давления в сравнении с существующей конструкцией прямого конуса.

Кроме того, возможность достичь стабильного горения без неудобообтекаемого тела, такого как длинная топливная труба, позволяет впрыскивать обезвоженную нефть существенно выше по потоку в головке горелки и, следовательно, иметь достаточно времени на испарение топливной нефти вдоль оси горелки, пока она не поступит в центральную область рециркуляции, где происходит воспламенение.

На фиг.1-5 показан пример конфигурации, в котором угол закручивания виртуального конуса равен 60°. Однако можно использовать и другие углы закручивания. На фиг.6 в форме сравнительной таблицы показана конфигурация горелки, и ее производные для трех различных углов закручивания, т.е. 0° (А), 30° (В) и 60° (С). Можно видеть, что при увеличении угла 14 закручивания колоколообразная форма виртуального конуса 15 становится все более выраженной.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10 - Горелка предварительного смешивания

11 - Ось

12 - Головка горелки

13 - Выход горелки

14 - Угол закручивания

15 - Виртуальный конус (закрученный, колоколообразный)

16а-d - Кожух (часть виртуального конуса)

17 - Щель

18 - Труба горелки

19а-d - Газовый канал предварительного смешивания

20 - Меридиан.

Горелка предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины содержит множество кожухов, расположенных вокруг центральной оси горелки и являющихся частями виртуального аксиально продолжающегося общего конуса , открытого в направлении вниз по потоку. Указанные части смещены перпендикулярно оси горелки для образования тангенциальной щели между каждой парой смежных кожухов. Виртуальный общий конус имеет угол конусности, изменяющийся в осевом направлении. Изобретение направлено на повышение стабильности горения. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Горелка (10) предварительного смешивания многоконусного типа для газовой турбины, содержащая множество кожухов (16а-d), расположенных вокруг центральной оси (11) горелки и являющихся частями виртуального аксиально продолжающегося общего конуса (15), открытого в направлении вниз по потоку, при этом указанные части смещены перпендикулярно оси (11) горелки для образования тангенциальной щели (17) между каждой парой смежных кожухов (16а-d), отличающаяся тем, что виртуальный общий конус (15) имеет угол конусности, изменяющийся в осевом направлении.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что угол конусности виртуального общего конуса (15) увеличивается в направлении вниз по потоку.

3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что изменение угла конусности виртуального общего конуса (15) образовано закручиванием общего конуса (15) вокруг центральной оси (11) горелки.

4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что площадь поверхности закрученного общего конуса (15) образована вращением меридиана (20) вокруг центральной оси (11) горелки, один конец которого повернут вокруг центральной оси (11) горелки относительно другого конца на заданный угол (14) закручивания, при этом кожухи (16а-d) образованы разрезанием указанного виртуального общего конуса (15) по соответствующим меридианам (20).

5. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что угол (14) закручивания равен 30° или более.

6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что угол (14) закручивания равен 60° или более.

7. Горелка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что общий конус (15) разделен на четыре равные части или кожуха (16а-d).

8. Горелка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что каждый из кожухов (16а-d) выполнен с газовым каналом (19а-d) предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края соответствующего кожуха так, чтобы можно было впрыскивать газ из газового канала (19а-d) предварительного смешивания через отверстия для впрыска газа в поток воздуха, поступающий внутрь конструкции кожухов (16а-d) через смежную щель (17).

9. Горелка по п.8, отличающаяся тем, что каждый из газовых каналов (19а-d) предварительного смешивания имеет цилиндрическую форму.