УЗЕЛ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F23R3/28 F23R3/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к технологии сжигания. Оно относится к узлу камеры сгорания, в частности 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 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 вспышке 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.

В документе ЕР 0 704 657 А2 описан узел камеры сгорания, показанный на фиг. 1. Узел камеры сгорания содержит горелку 11 предварительного смешивания с завихрителем 15 и смешивающей трубой 14. Завихритель 15 имеет коническую конструкцию, на которую многократно воздействует поток 19 воздуха для сжигания, поступающий тангенциально. Поток, образованный в нем посредством переходной геометрии участка, расположенного ниже по потоку от завихрителя 15, плавно проходит в переходную деталь 16 так, чтобы в ней не возникали области разделения. Переходная деталь 16 продолжается на выходной стороне участка переходной геометрии смешивающей трубой 14, при этом переходная деталь 16 и смешивающая труба 14 образуют фактическую область смешивания горелки. Переходная деталь 16 и смешивающая труба 14 соединены кольцом 18. Кроме того, переходные каналы 201 шунтируют разницу в сечении, не оказывая вредного влияния на образованный поток.

К концу смешивающей трубы 12 примыкает камера 12 сгорания, где происходит скачок между двумя поперечными сечениями потока. Только здесь образуется центральная область обратного потока, которая обладает свойствами отражателя, сдерживающего пламя. Камера 12 сгорания содержит переднюю панель 13 с отверстием для приема конца смешивающей трубы 14.

Как показано на фиг. 1, в принципе для снижения образования NOx, смешивание воздуха с топливом можно продлить в потоке 20 смешивающей трубы, используя такую смешивающую трубу 14 на выходе завихрителя 15 до резкого увеличения площади сечения на входе в камеру 12 сгорания, где пламя стабилизируется подвергнутым рециркуляции потоком. Воздушные щели и газовые каналы завихрителей 15 образованы в нижней по потоку части пересекающейся плоскостью, перпендикулярной оси горелки. Поэтому выход завихрителя является не круглым и требует специальной переходной детали 16 между завихрителем 15 и цилиндрической смешивающей трубой 14. Эта переходная деталь способствует возникновению обратной вспышки, поскольку она должна иметь сложную трехмерную форму, чтобы избегать разделения потока и стабилизировать пламя в областях рециркуляции.

Горелка газовой турбины обычно установлена на камере сгорания так, чтобы она могла перемещаться в аксиальном направлении для компенсации теплового расширения. Утечки через уплотнения, установленные между горелкой и передней панелью камеры сгорания, происходят близко к пламени и вызывают возмущения процесса окисления. Дополнительная проблема вызвана потоком, подходящим к горелке, в котором возникают возмущения, вызванные узким пространством внутри кожуха камеры сгорания.

Таким образом, настоящий уровень техники различает переднюю панель 13 камеры 12 сгорания и горелку 13. Для минимизации утечек воздуха используется уплотнение, которое, однако, не является герметичным, поскольку горелка 11 и камера 12 сгорания испытывают большие перепады температуры и горелка 11 должна быть выполнена с возможностью аксиального перемещения относительно передней панели 13. Поскольку такое уплотнение расположено близко к пламени на выходе горелки, утечка воздуха приводит к возмущениям в процессе окисления пламени посредством локальных эффектов тушения. Для уравнивания подходящего потока в настоящее время вокруг горелки устанавливают мелкую сетку, что, однако, приводит к падению давления в воздушном потоке.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание узла камеры сгорания, в котором устранены недостатки известных конструкций и в котором комбинируются широкий диапазон различных изменений аксиального положения горелки с минимальным влиянием утечек воздушного потока на процесс окисления в пламени.

Эти и другие задачи достигаются посредством узла камеры сгорания по п. 1 формулы изобретения.

Узел камеры сгорания согласно изобретению содержит камеру сгорания с передней панелью и горелку предварительного смешивания многоконусного типа, которая соединена с указанной передней панелью через удлиненную область смешивания с возможностью аксиального перемещения посредством уплотненного скользящего соединения. Оно отличается тем, что это уплотненное скользящее соединение расположено выше по потоку от области смешивания.

Согласно варианту изобретения, уплотненное скользящее соединение образовано коаксиально скользящим расположением цилиндрического кольца горелки и по существу цилиндрической гильзы горелки, при этом указанное кольцо горелки прикреплено к указанной горелке, а указанная гильза горелки прикреплена к указанной передней панели и является ее частью, причем между указанными кольцом горелки и гильзой горелки предусмотрено уплотнение.

Более точно, указанное кольцо горелки окружено указанной гильзой горелки.

Еще более точно, указанное кольцо горелки продолжается вверх по потоку от нижнего по потоку конца горелки, при этом уплотнение расположено на верхнем по потоку конце кольца горелки.

Согласно другому варианту изобретения гильза горелки содержит конически расширяющийся выпуск горелки на переходе к указанной камере сгорания.

Согласно еще одному варианту изобретения продувочные воздушные отверстия предусмотрены в гильзе горелки выше по потоку от уплотнения для продувки воздухом зазора между кольцом горелки и гильзой горелки.

Согласно еще одному варианту изобретения указанная горелка предварительного смешивания содержит множество кожухов горелки, 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, при этом каждый из кожухов снабжен газовым каналом предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края соответствующего кожуха так, чтобы можно было впрыскивать газ из указанного газового канала предварительного смешивания через отверстия для впрыска газа в поток воздуха, поступающий внутрь конструкции кожухов через смежную щель, при этом нижние по потоку концы кожухов и газовых каналов предварительного смешивания ограничены пересекающимися плоскостями, которые образованы пересечением указанных кожухов и газовых каналов предварительного смешивания с виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса, при этом указанное кольцо горелки имеет внутренний радиус, аналогичный указанному заданному радиусу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

Фиг. 1 показывает известный узел камеры сгорания по ЕР 0 704 657 А2.

Фиг. 2 показывает общий вид горелки, которая может преимущественно использоваться в узле камеры сгорания по настоящему изобретению.

Фиг. 3 показывает горелку по фиг. 2, снабженную скользящим соединением по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 показывает сечение узла камеры сгорания по варианту осуществления изобретения со скользящим соединением, показанным на фиг. 3.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как пояснено в вводной части, поток утечки воздуха через уплотнение передней панели известных EV-горелок и AEV-горелок обходит начальную область пламени и затем смешивается с горячим газом без предварительного смешивания с топливом. Это способствует снижению образования NOx и CO.

Наоборот, в узле камеры сгорания по настоящему изобретению, вариант которого показан на фиг. 4, утечки воздуха через извлекаемые детали горелки и гильзы используются в первую очередь для продувки зазора между гильзой и кольцом горелки, и, таким образом, для предотвращения стабилизации пламени на выходной границе кольца горелки. Затем воздух выводится в область смешивания гильзы, где у него остается достаточно времени для предварительного смешивания с другой топливо-воздушной смесью до того, как она достигнет зоны пламени, стабилизированной на выпуске диффузорного типа гильзы горелки.

Как показано на фиг. 4, узел 30 камеры сгорания содержит горелку 21 предварительного смешивания, продолжающуюся вдоль центральной оси 34 горелки, и снабженную топливной трубкой 27, и завихрительный узел, показанный на фиг. 2

Завихрительный узел по фиг. 2 содержит кожухи 25 горелки, которые расположены вокруг центральной оси 34 горелки и являются частью виртуального аксиально продолжающегося общего конуса (не показан), который открыт в направлении вниз по потоку, при этом указанные части или кожухи 25 смещены перпендикулярно указанной оси 34 горелки для образования тангенциальной щели 36 между каждой парой смежных кожухов 25.

Каждый из кожухов снабжен газовым каналом 35 предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края соответствующего кожуха так, чтобы топливный газ можно было впрыскивать из этого газового канала 35 предварительного смешивания через отверстия для впрыска газа (не показаны) в поток воздуха, поступающий внутрь конструкции кожухов 25 через смежную щель 36.

Нижние по потоку концы кожухов 25 и газовых каналов 35 предварительного смешивания ограничены пересекающими плоскостями Р1 и Р2, соответственно, которые образованы пересечением указанных кожухов 25 и газовых каналов 35 предварительного смешивания с виртуальным коаксиальным цилиндром заданного радиуса.

Как показано на фиг. 3 и 4, конструкция завихрителя окружена цилиндрическим кольцом 26 горелки, внутренний радиус которого аналогичен указанному заданному радиусу виртуального цилиндра. Кольцо 26 горелки прикреплено к завихрительному узлу и продолжается вверх по потоку от нижнего по потоку конца горелки 21 или завихрительного узла, соответственно. В центре завихрительного узла предусмотрена топливная форсунка 28 для впрыска предварительно смешиваемой нефти или пилотного газа.

Горелка 21 со своим кольцом 26 горелки установлена с возможностью скольжения в коаксиальной гильзе 24 горелки. На верхнем по потоку конце кольца 26 горелки между кольцом 26 горелки и окружающей гильзой 24 горелки расположено лабиринтное уплотнение 32. Гильза 24 горелки содержит конически расширяющийся выпуск 29 горелки на ее нижнем по потоку конце и прикрепленный к передней панели 23 камеры 22 сгорания (фиг. 4) круглым фланцем 37. Далее, на верхнем по потоку конце гильза 24 горелки содержит колоколообразный впуск 31 для воздуха для направления воздуха для сжигания в завихрительный узел.

Ниже по потоку от уплотнения 32 гильза 24 горелки снабжена кольцевой последовательностью продувочных воздушных отверстий 33, через которые может входить продувочный воздух для продувки зазора между кольцом 26 горелки и гильзой 24 горелки.

Использование гильзы 24 горелки, установленной на передней панели 23 камеры 22 сгорания, позволяет регулировать аксиальное положение горелки 21 газовой турбины. Это улучшает профили скорости воздуха вдоль щелей 36 горелки посредством направлениями ими впуска 31 для воздуха и потока поступающего воздуха в аксиальном направлении и, одновременно, образования смешивающей трубы, где утечки воздуха смешиваются с топливом существенно выше по потоку относительно пламени. Гильза 24 горелки выполняет функцию смешивающей трубы горелки, но является частью передней панели 23, что устраняет упомянутую выше проблему утечек. Поскольку горелка 21 скользит внутри гильзы 24, вновь возникнет утечка, которая, однако, не приносит вреда, поскольку утекающий воздух добавляется выше по потоку от смешивающей трубы и принимает участие в процессе смешивания выше по потоку от пламени.

Подводя итог, длинные цилиндрические гильзы 24, окружающие горелки 21, являются частью передней панели 23 камеры сгорания. Указанные гильзы 24 имеют колоколообразную горловину или впуск 31 для воздуха для направления потока воздуха с сильным аксиальным компонентом на щели 36 горелки. Гильзы 24 имеют радиальные воздушные впуски или продувочные воздушные отверстия 33 для продувки радиального зазора между гильзами 24 и кольцами 24 горелки и для предотвращения стабилизации пламени на выходе кольца горелки. В отличие от существующих AEV-горелок, область смешивания не является частью извлекаемой горелки 21, поскольку сами гильзы 24 образуют области смешивания, расположенные до выпуска в камеру 22 сгорания. На выпуске гильза имеет форму диффузора (выпуск 29 горелки) для лучшей стабилизации пламени.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10, 30 - Узел камеры сгорания

11, 21 - Горелка предварительного смешивания

12, 22 - Камера сгорания

13, 23 - Передняя панель

14 - Смешивающая труба

15 - Завихритель

16 - Переходная деталь

17 - Переходный канал

18 - Кольцо

19 - Воздух для сжигания

20 - Поток смешивающей трубы

24 - Гильза горелки

25 - Кожух горелки

26 - Кольцо горелки

27 - Топливная трубка

28 - Топливная форсунка (центральная)

29 - Выпуск горелки (конический)

31 - Впуск воздуха (колоколообразный)

32 - Уплотнение (лабиринтное)

33 - Отверстие для продувочного воздуха

34 - Ось горелки

35 - Газовый канал предварительного смешивания

36 - Щель (тангенциальная)

37 - Фланец

Р1, Р2 - Пересекающаяся плоскость.

Система сгорания содержит корпус, камеру сгорания, расположенную внутри корпуса, разделительную стенку и клапан, расположенный на корпусе, для обеспечения прохождения выходного потока текучей среды из внутреннего объема корпуса наружу корпуса, в зависимости от рабочего положения клапана. Внутренний объем корпуса определен как объем внутри корпуса, но снаружи камеры сгорания. Разделительная стенка разделяет внутренний объем корпуса на первую часть и вторую часть объема. Разделительная стенка имеет, по меньшей мере, одно отверстие для обеспечения соединения по текучей среде между первой и второй частями объема. Камера сгорания имеет вход для подачи окислителя в камеру (103) сгорания. Вход находится в соединении по текучей среде с первой частью объема. Система выполнена с возможностью установки рабочего положения клапана для демпфирования колебаний системы. Изобретение направлено на уменьшение утечек и расширение диапазона работы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел (30) камеры сгорания, в частности для газовой турбины, содержащий камеру (22) сгорания с передней панелью (23) и горелку (21) предварительного смешивания многоконусного типа, соединенную с передней панелью (23) через удлиненную область смешивания аксиально подвижным образом посредством уплотненного скользящего соединения, отличающийся тем, что уплотненное скользящее соединение образовано коаксиальным скользящим расположением цилиндрического кольца (26) горелки и по существу цилиндрической гильзы (24) горелки, при этом указанное кольцо (26) горелки окружено указанной гильзой (24) горелки, причем кольцо (26) горелки прикреплено к указанной горелке (21), при этом кольцо (26) горелки продолжается вверх по потоку от нижнего по потоку конца горелки (21), а указанная гильза (24) горелки прикреплена к передней панели (23) и является ее частью, причем между кольцом (26) горелки и гильзой (24) горелки предусмотрено уплотнение (32), а уплотненное скользящее соединение расположено выше по потоку от указанной области смешивания.

2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что уплотнение (32) расположено на верхнем по потоку конце кольца (26) горелки.

3. Узел по п. 1 или 2, отличающийся тем, что гильза (24) горелки содержит конически расширяющийся выпуск (29) горелки на переходе к камере (22) сгорания.

4. Узел по п. 2, отличающийся тем, что продувочные воздушные отверстия (33) выполнены в гильзе (24) горелки ниже по потоку от уплотнения (32) для продувки воздухом зазора между кольцом (26) горелки и гильзой (24) горелки.

5. Узел по п. 1, отличающийся тем, что горелка (21) предварительного смешивания содержит множество кожухов (25) горелки, расположенных вокруг центральной оси (34) горелки и являющихся частью виртуального аксиально продолжающегося общего конуса, открытого в направлении вниз по потоку, при этом указанные части смещены перпендикулярно оси (34) горелки для образования тангенциальной щели (36) между каждой парой смежных кожухов (25), при этом каждый из кожухов (25) выполнен с газовым каналом (35) предварительного смешивания, продолжающимся вдоль аксиально ориентированного края соответствующего кожуха так, чтобы можно было впрыскивать газ из газового канала (35) предварительного смешивания через отверстия для впрыска газа в поток воздуха, поступающий внутрь конструкции кожухов (25) через смежную щель (36), причем нижние по потоку концы кожухов (25) и газовых каналов (35) предварительного смешивания ограничены пересекающимися плоскостями (P1, Р2), которые образованы пересечением кожухов (25) и газовых каналов (35) предварительного смешивания с виртуальным коаксиальным цилиндром, а кольцо (26) горелки имеет внутренний радиус, аналогичный радиусу указанного цилиндра.