ГОРЕЛКА Российский патент 2015 года по МПК F23R3/28 

Данное изобретение относится к горелке и, в частности, к горелке для газовых турбин.

Газовая турбина содержит в качестве существенных составных элементов: компрессор, турбину с рабочими лопатками, а также, по меньшей мере, одну камеру сгорания. Рабочие лопатки турбины расположены в виде венцов рабочей лопатки на преимущественно продолжающемся через всю газовую турбину валу, соединенном с потребителем, например, с генератором для производства электроэнергии. Снабженный рабочими лопатками вал называют также рабочим колесом турбины или ротором. Между венцами рабочей лопатки находятся направляющие лопаточные венцы, служащие в качестве форсунок для проведения рабочего тела через турбину.

При эксплуатации газовой турбины сжатый воздух подводится из компрессора в камеру сгорания. Сжатый воздух смешивается с топливом, например нефтью или газом, а смесь сжигается в камере сгорания. Затем горячие отработавшие газы сгорания подводятся в качестве рабочей среды через выход камеры сгорания в турбину, где они, расширяясь и охлаждаясь, передают импульс на рабочие лопатки и выполняют вследствие этого работу. При этом направляющие лопатки служат для оптимизации передачи импульса.

Типичная горелка для газовых турбин, описанная в публикации US 6082111 и находящая применение, в частности, в так называемых трубчатых камерах сгорания, имеет, как правило, кольцеобразный несущий элемент с равномерно распределенными по окружности кольца трубками форсунок. В этих трубках форсунок расположены отверстия топливных форсунок, при помощи которых топливо может впрыскиваться в канал подачи воздуха. Топливные форсунки представляют собой основную ступень горелки, служащую для производства предварительно смешанного пламени, в частности пламени, в котором воздух и топливо смешиваются перед зажиганием. Для минимизации образования N0x в пламени горелки предварительного смешивания, ее эксплуатируют с обедненными смесями воздуха топлива, в частности со смесями, содержащими относительно немного топлива.

Через центр кольцеобразного топливораспределительного кольца обычно проходит пилотная горелка, выполненная как диффузионная горелка, в частности, производящая пламя, в котором топливо непосредственно впрыскивается в огонь, без предварительного смешивания с воздухом. Пилотная горелка служит кроме разгона газовой турбины также для стабилизации предварительно смешанного пламени, часто эксплуатируемого для минимизации выбросов вредных веществ в некотором диапазоне соотношения смешивания воздуха с топливом, приводящих к неустойчивости горения без поддерживающего пилотного пламени. При высоких температурах горения топливораспределительное кольцо отличается незначительным сроком службы.

Поэтому задача предложенного изобретения заключается в создании предпочтительной горелки с топливораспределительным кольцом, имеющей наиболее продолжительный срок службы. Другая задача состоит в создании предпочтительной газовой турбины с такой горелкой.

Эта задача решается при помощи горелки согласно пункту 1 формулы изобретения. Задача, относящаяся к газовой турбине, решается предложенной газовой турбиной согласно пункту 12 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные варианты исполнения изобретения.

Горелка содержит для этого топливораспределительное кольцо, а также некоторое количество топливных форсунок, смонтированных в направлении потока на топливораспределительном кольце. Топливораспределительное кольцо имеет в направлении потока кольцеобразную поверхность. Кроме того, топливораспределительное кольцо имеет обращенную к середине кольца внешнюю внутреннюю сторону и противоположную внешнюю наружную сторону.

Так как топливораспределительное кольцо обтекается снаружи, в частности на его соответствующих внешних сторонах, к тому же теплым, до 500°C воздухом компрессора, а внутри протекает холодное топливо, имеющее температуру, в крайнем случае, только 20°C, было установлено, что вследствие этого в топливораспределительном кольце возникают высокие термические градиенты и связанные вместе с ними очень большие напряжения. Это оказывает существенное влияние на срок службы конструктивного элемента. В частности, большие напряжения возникают на поверхности топливораспределительного кольца.

Согласно изобретению, на поверхности между топливными форсунками имеется, по меньшей мере, один паз. Посредством этого разгрузочного паза создается лучшее распределение тепла в материале распределителя топлива, вследствие чего уменьшаются напряжения, и устанавливается более высокий срок службы. При этом разгрузочный паз может изменяться по глубине, ширине и длине и согласовываться с соответствующим топливораспределительным кольцом. По меньшей мере, один паз проходит на поверхности от внешней стороны вплоть до внутренней стороны. Это обеспечивает широкий участок поверхностей для разгрузки от напряжения. На поверхности расположена, по меньшей мере, одна выемка. Вследствие, по меньшей мере, одной выемки, прежде всего, в сочетании с пазами, возникает оптимизированная геометрия, создающая в материале топливораспределительного кольца лучшее распределение тепла. Благодаря лучшему распределению тепла больше не возникают местные завышенные напряжения и можно достичь требуемых циклов срока службы. Это может снижать напряжение на этом участке - от первоначально более чем 950 МРа - до 600 МРа.

По меньшей мере, одна выемка частично охватывает также внешнюю сторону топливораспределительного кольца. В предпочтительном выполнении, по меньшей мере, одна выемка выполнена, по существу, круглой.

В предпочтительном выполнении имеются несколько топливных форсунок, причем между каждыми соседними топливными форсунками имеется паз. Таким образом, все кольцо поверхности топливораспределительного кольца покрыто разгрузочными пазами.

Предпочтительно, если, по меньшей мере, один паз имеет, по существу, Y-образную форму. При этом, по меньшей мере, один Y-образный паз содержит два плеча и одну ножку, причем два плеча, по существу, Y-образного паза направлены также к внешней стороне топливораспределительного кольца. Альтернативно или дополнительно, например, в переменной последовательности, два плеча, по существу, Y-образного паза могут быть направлены также к внутренней стороне топливораспределительного кольца.

При этом, по меньшей мере, одна выемка может иметь радиус, уменьшающийся, если смотреть в направлении потока.

Предпочтительно, топливораспределительное кольцо выполнено из материала, содержащего, по меньшей мере, сплав никеля, в частности сплавы молибдена никеля, или сплавы никеля-хрома-железа-молибдена. Эти сплавы особенно устойчивы к высоким температурам.

Предпочтительно, если топливораспределительное кольцо содержит внутри, предпочтительно, по меньшей мере, два топливных канала для двух ступеней сгорания - А и В. В предпочтительном выполнении два топливных канала содержат два питающих соединения. Через них можно подводить топливо к топливным форсункам соответственно по отдельности и в зависимости от состояния нагрузки машины.

Горелка предусмотрена, в частности, в газовой турбине.

Другие признаки, свойства и преимущества данного изобретения вытекают из следующего описания примеров выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показаны:

фиг. 1 - газовая турбина в довольно схематичном изображении;

фиг. 2 - горелка газовой турбины с компоновкой горелки в перспективном изображении;

фиг. 3 - горелка газовой турбины с соответствующей изобретению компоновкой горелки в перспективном изображении;

фиг. 4 - соответствующая изобретению компоновка горелки в разрезе;

фиг. 5 - соответствующая изобретению компоновка горелки, вид сверху.

Далее, со ссылкой на фиг. 1, на которой показан довольно схематизированный вид в разрезе газовой турбины, разъясняется конструкция и функционирование газовой турбины. Газовая турбина 1 содержит участок 3 компрессора, участок 4 сгорания, содержащий в представленном примере выполнения множество трубчатых камер 5 сгорания с расположенными на них горелками 6, однако дополнительно может содержать также одну кольцевую камеру сгорания и участок 7 турбины. Ротор 9, также называемый рабочим колесом, простирается через все участки и несет на участке 3 компрессора лопаточные венцы 11 компрессора, а на участке 7 турбины - лопаточные венцы 13 турбины. Между соседними лопаточными венцами 11 компрессора и между соседними лопаточными венцами 13 турбины расположены венцы из направляющих лопаток 15 компрессора или венцы из направляющих лопаток 17 турбины, продолжающиеся от корпуса 19 газовой турбины 1 радиально, в направлении к ротору 9.

При эксплуатации газовой турбины 1 воздух всасывается через воздухозаборник 21 на участок 3 компрессора. Там воздух сжимается вращающимися рабочими лопатками 11 компрессора и направляется к горелкам 6 на участке 4 сгорания. В горелках 6 воздух смешивается с газообразным или жидким топливом и смесь сжигается в камерах 5 сгорания. Находящиеся под высоким давлением горячие отработавшие газы сгорания подводятся затем в качестве рабочей среды к участку 7 турбины. На своем пути через участок турбины отработавшие газы сгорания передают импульс на рабочие лопатки 13 турбины и при этом они расширяются и охлаждаются. Затем расширенные и охлажденные отработавшие газы сгорания выходят из участка 7 турбины через выпуск 23. Переданный импульс приводит ротор во вращение, приводящее в движение компрессор и потребителя, например генератор для производства электрического тока или промышленную технологическую машину. При этом венцы направляющих лопаток 17 турбины служат в качестве форсунок для направления рабочей среды для оптимизации переноса импульса на рабочие лопатки 13 турбины.

На фиг. 2 показана горелка 6 участка 4 сгорания в перспективном изображении. В качестве основных компонентов горелка 6 содержит одно топливораспределительное кольцо 27, восемь топливных форсунок 29, проходящих от топливораспределительного кольца 27 и восемь расположенных на участке окончаний топливных форсунок 29 завихрительных устройств 31. Топливораспределительное кольцо 27 и топливные форсунки 29 образуют вместе корпус горелки, через которые продолжаются топливопроводы к отверстиям впрыска, расположенным внутри завихрительных устройств 31. Топливные форсунки 29 могут быть приварены к топливораспределительному кольцу 27. Горелка может присоединяться через некоторое количество штуцеров (не изображено) к подводам топлива. Посредством фланца 35 горелку 6 можно фиксировать к трубчатой камере сгорания так, что топливные форсунки 29 обращены к внутренней части камеры сгорания.

Хотя показанная на фиг. 2 горелка 6 имеет восемь топливных форсунок 29, также возможно оборудовать ее другим количеством топливных форсунок 29. При этом количество топливных форсунок 29 может быть больше или меньше чем восемь, например могут иметься шесть или двенадцать топливных форсунок 29, имеющих соответственно одно собственное завихрительное устройство. Кроме того, в центре горелки обычно располагается пилотная топливная форсунка. Для наглядности пилотная топливная форсунка не изображена на фиг. 2.

В процессе горения воздух направляется из компрессора через завихрительное устройство 31, где он смешивается с топливом. Затем смесь горючего воздуха сжигается в зоне сгорания камеры 5 сгорания для образования рабочей среды.

Задача топливораспределительного кольца 27 состоит в распределении топлива по топливным форсункам 29. Для этого кольцо 27 снабжено внутри двумя топливными каналами 41,42, каждый из которых снабжает определенное количество форсунок 29 (в этом частном случае - соответственно четыре форсунки 29) топливом в качестве ступени А и ступени В (фиг. 3 и фиг. 4). Два топливных канала 41 и 42 содержат два питающих соединения 51,52 для подачи топлива. При этом речь может идти также о разных видах топлива. Топливораспределительное кольцо 27 обтекается снаружи теплым до 500°C воздухом компрессора, однако изнутри - холодным топливом, которое, в крайнем случае, может иметь температуру лишь 20°C. Вследствие этого на топливораспределительном кольце 27 возникают очень большие напряжения. Прежде всего, на верхней стороне 54 поверхности, обращенной к форсункам 29 топливораспределительного кольца 27, возникают очень большие напряжения, не позволяющие достигать продолжительного срока службы.

Имеется определенное количество топливных форсунок 29, смонтированных в направлении потока на топливораспределительном кольце 27. Кроме того, топливораспределительное кольцо 27 имеет в направлении потока кольцеобразную поверхность 54 и обращенную к середине кольца внешнюю внутреннюю сторону 56 и противоположную внешнюю наружную сторону 58.

Согласно изобретению на поверхности 54, между топливными форсунками 29, имеется, по меньшей мере, один паз 60. Он, по существу, выполнен Y-образным (фиг. 3 и фиг. 5). При этом "Y-образный" значит, что, по существу, он охватывает все формы, напоминающие приблизительно букву Y, в частности, имеющие два плеча 62 и ножку 63. Предпочтительно все промежутки на поверхности 54 между форсунками 29 снабжены такими пазами 60. Паз 60, и, в частности, паз 60 в форме Y продолжается на поверхности 54 от внешней стороны 58 вплоть до внутренней стороны 56. Вследствие этого при эксплуатации предотвращается высокий термический градиент и возникающие вследствие этого напряжения. Это значительно увеличивает срок службы компоновки горелки, в частности, топливораспределительного кольца 27.

При этом два плеча 62, по существу, Y-образного паза 60 могут предпочтительно размещаться на внешней стороне 58 поверхности 54 топливораспределительного кольца 27. Однако два плеча 62, по существу, Y-образного паза 60 могут быть направлены к внутренней стороне 56 поверхности 54 топливораспределительного кольца 27. Также возможна переменная последовательность.

Дополнительно на поверхности 54 расположены выемки 66 (фиг. 5). Эти выемки 66 расположены на поверхности 54 так, что они частично охватывают также внешнюю сторону 58 топливораспределительного кольца 27, в частности имеется выемка внешней стороны 58 топливораспределительного кольца 27. Выемка 66 может изменяться по своей глубине и форме. При этом предпочтительно, если речь идет, тем не менее, по существу, о круглой выемке 66.

При этом выемки 66 могут иметь радиус, который уменьшается, если смотреть в направлении потока. Это позволяет более эффективно предотвращать при эксплуатации высоких термических градиентов, а вследствие этого - возникающие напряжения.

Предпочтительно, материал, из которого изготовлено топливораспределительное кольцо 27, содержит, по меньшей мере, сплав никеля, в частности сплавы молибдена-никеля. Этот материал особенно тугоплавкий и хорошо подходит вследствие этого для горелки.

Соответствующую изобретению горелку можно использовать, в частности, в газовой турбине. По меньшей мере, один соответствующий изобретению паз 60 на поверхности 54 топливораспределительного кольца 27 между топливными форсунками 29 и выемкой позволяют предотвращать обусловленные эксплуатацией высокие напряжения в топливораспределительном кольце 27.

Существенно улучшенная геометрия топливораспределительного кольца 27 дает улучшенное распределение тепла в материале топливораспределительного кольца. Благодаря лучшему распределению тепла локально больше не возникают завышенные напряжения. В результате существенно увеличиваются сроки эксплуатации.

Поэтому стало возможно улучшить показатели напряжения на этом участке от более чем 950 МРа до 600 МРа.

Соответствующие изобретению пазы 60 и выемки 66 технологически можно выполнять в уже существующих топливораспределительных кольцах 27, так как они не требуют радикальных перестроек, а вследствие этого их можно легко осуществлять технологически. К тому же это оказывает минимальное влияние на прежнюю воздушную производительность горелки.

Горелка выполнена с топливораспределительным кольцом, некоторым количеством топливных форсунок, смонтированных в направлении потока на топливораспределительном кольце, имеющем в направлении потока кольцеобразную поверхность. Топливораспределительное кольцо имеет обращенную к середине кольца внешнюю внутреннюю сторону и противоположную внешнюю наружную сторону. На поверхности между топливными форсунками имеется, по меньшей мере, один паз. По меньшей мере, один паз проходит на поверхности от внешней стороны вплоть до внутренней стороны. На поверхности расположена, по меньшей мере, одна выемка. По меньшей мере, одна выемка частично охватывает также внешнюю сторону топливораспределительного кольца. Изобретение направлено на увеличение срока службы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Горелка с топливораспределительным кольцом (27), некоторым количеством топливных форсунок (29), смонтированных в направлении потока на топливораспределительном кольце (27), имеющем в направлении потока кольцеобразную поверхность (54), причем топливораспределительное кольцо (27) имеет обращенную к середине кольца внешнюю внутреннюю сторону (56)и противоположную внешнюю наружную сторону (58), отличающаяся тем, что
на поверхности (54) между топливными форсунками (29) имеется, по меньшей мере, один паз (60), причем, по меньшей мере, один паз (60) проходит на поверхности (54) от внешней стороны (58) вплоть до внутренней стороны (56) и причем на поверхности (54) расположена, по меньшей мере, одна выемка (66) и, по меньшей мере, одна выемка (66) частично охватывает также внешнюю сторону (58) топливораспределительного кольца (27).

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что имеются несколько топливных форсунок (29), причем между каждыми соседними топливными форсунками (29) имеется паз (60).

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один паз (60) имеет, по существу, Y-образную форму.

4. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один Y-образный паз содержит два плеча 62 и одну ножку 63, а два плеча (62), по существу, Y-образного паза (60) направлены к внешней стороне (58) топливораспределительного кольца (27).

5. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один Y-образный паз содержит два плеча 62 и одну ножку 63, а два плеча (62), по существу, Y-образного паза (60) направлены к внутренней стороне (56) топливораспределительного кольца (27).

6. Горелка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна выемка (66), по существу, является круглой.

7. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна выемка (66) имеет радиус, уменьшающийся, если смотреть в направлении потока.

8. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что топливораспределительное кольцо (27) выполнено из материала, содержащего, по меньшей мере, сплав никеля.

9. Горелка по п. 8, отличающаяся тем, что топливораспределительное кольцо (27) выполнено из материала, содержащего, по меньшей мере, сплавы молибдена-никеля.

10. Горелка по любому из пп. 1-5, 7-9, отличающаяся тем, что топливораспределительное кольцо (27) содержит внутри, предпочтительно, по меньшей мере, два топливных канала (41, 42) для двух ступеней сгорания.

11. Горелка по п. 10, отличающаяся тем, что два топливных канала (41, 42) содержат два питающих соединения (51, 52).

12. Газовая турбина с горелкой по любому из предыдущих пунктов.