ГОРЕЛКА Российский патент 2017 года по МПК F23R3/14 F23D17/00 

Изобретение относится к горелке газовой турбины, проходящей вдоль оси и содержащей в осевом порядке:

- секцию завихрения,

- смесительную секцию,

- выходную секцию,

- основную зону горения,

причем указанная секция завихрения содержит завихряющие лопасти, конфигурированные для завихрения потока топлива и кислородосодержащего газа, входящего в секцию завихрения, в круговом направлении, указанная смесительная секция проводит предварительно смешанные топливо и кислородосодержащий газ к указанной выходной секции, а указанная выходная секция выпускает указанную смесь в указанную зону горения, расширяющую поток смеси от меньшего осевого поперечного сечения указанной смесительной секции до большего поперечного сечения указанной зоны горения, при этом расширение вызывает радиальное отклонение линий тока указанного потока.

В области горелок газовой турбины большое значение имеет стабилизация пламени на выходе горелки для уменьшения выбросов и уменьшения динамического воздействия сгорания, которое может повредить механическую конструкцию камеры сгорания. Обычно поток топлива подается через распылительные форсунки в пределах системы горелки, и сгорание достигается в камере сгорания, содержащей зону горения. Камера сгорания этого типа описана в патенте ЕР 6152726 (дата регистрации 28.11.2000 г.). В известной горелке используется несколько инжекционных каналов для подачи топлива. В настоящее время используется газообразное топливо, например природный газ. Первое средство подачи топлива, которое используется для подачи основной части топлива, расположено в секции завихрения, в которой на кромках основных завихряющих лопастей расположены форсунки. Средство подачи вторичного топлива может быть расположено в центральной трубке, которая проходит соосно с основной осью горелки. Это второе средство подачи топлива является дополнительным и, предпочтительно, используется для фиксации фронта пламени в конкретном местоположении и исключения высокочастотных колебаний. Третье средство подачи топлива используется для воспламенения и поддержания фронта пламени в основной зоне горения и расположено в конце указанной выходной секции, которая содержит кольцевую закраину, выступающую в указанную зону горения, при этом указанная закраина снабжена вторыми топливными форсунками, выпускающими топливо в радиальном направлении наружу.

Известная горелка позволяет достигать уменьшения выбросов, поскольку большая часть топлива подается в области завихряющих лопастей, которые способны однородно распределять топливо в воздушном потоке соответственно для обеспечения хорошего предварительного смешивания. Указанное центральное нагнетание газа улучшает стабильность пламени в ограниченном диапазоне работы, поскольку при более высоких расходах газа в центре положение пламени перемещается к положению увеличенного динамического воздействия на горелку. Третий способ впрыска топлива указанными внешними вспомогательными форсунками улучшает стабильность пламени диффузионного типа, но также увеличивает выбросы, что также ограничивает диапазон работы. При условиях полной нагрузки выбросы должны быть малыми, и, таким образом, внешняя вспомогательная форсунка питается только незначительной частью топлива, что приводит к меньшей области дежурного пламени, которая менее эффективна для стабилизации основного пламени. Особенно в выходной секции горелки между основной зоной горения и указанной закраиной выходной секции поток имеет высокую турбулентность, в то время как развивается пограничный слой между потоком высокой скорости и областями потока меньшей скорости. Этот пограничный слой развивается между пламенем диффузионного типа внешнего дежурного пламени и основной зоной горения, что уменьшает стабилизирующий эффект внешнего дежурного пламени на внешней закраине указанной выходной секции для фронта пламени основной зоны горения. Для исключения гашения фронта пламени основной зоны горения поток топлива для внешнего дежурного пламени должен быть увеличен, что приводит к увеличению выбросов окислов азота. Этот эффект дополнительно усугубляется инжекцией воздуха через отверстия для охлаждающего воздуха смесительной трубки, что дополнительно уменьшает концентрацию топлива в пограничном слое. Чтобы компенсировать этот эффект соответственно, для стабилизации сгорания подача топлива для внешнего дежурного пламени должна быть дополнительно увеличена, что не только увеличивает выбросы окислов азота, но также и приводит к температурам на внешней закраине указанной выходной секции, которые неприемлемы относительно свойств материала указанной выходной секции.

Одной из задач изобретения является увеличение стабильности сгорания в горелке описанного типа.

Другой задачей изобретения является обеспечение более широкого диапазона работы горелки описанного типа.

Еще одной задачей изобретения является уменьшение выбросов, в частности выбросов окислов азота горелки описанного типа.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение более высокой гибкости относительно сжигаемого топлива.

Еще одной задачей изобретения является улучшение эффективности горелки описанного выше типа.

Для решения, по меньшей мере, одной из указанных выше задач предлагается горелка газовой турбины, проходящая вдоль оси (X) и содержащая в осевом направлении:

- секцию завихрения;

- смесительную секцию;

- выходную секцию;

- основную зону горения;

причем секция завихрения содержит завихряющие лопасти, выполненные с возможностью завихрения потока топлива и кислородосодержащего газа, входящего в секцию завихрения, в круговом направлении, смесительная секция проводит предварительно приготовленную смесь топлива и кислородосодержащего газа к указанной выходной секции, а выходная секция выпускает указанную предварительно приготовленную смесь в указанную зону горения, расширяя поток предварительно приготовленной смеси от меньшего осевого поперечного сечения указанной смесительной секции до большего поперечного сечения указанной зоны горения, что вызывает радиальное отклонение линий тока указанного потока, в которой согласно изобретению поверхность выходной секции, обращенная к потоку указанной предварительно приготовленной смеси, снабжена первыми топливными форсунками, впрыскивающими топливо в указанную предварительно приготовленную смесь в отклоненном радиально внутрь направлении перед тем, как поток указанной предварительно приготовленной смеси войдет в указанную выходную секцию в указанной зоне горения.

Предпочтительно, чтобы указанная выходная секция содержала кольцевую закраину, выступающую в зону горения, содержащую вторые топливные форсунки, выпускающие топливо в радиальном направлении наружу.

Предпочтительно также, чтобы смесительная зона содержала входные отверстия для нагнетания кислородосодержащего газа, а входные отверстия были выполнены для получения пленки кислородосодержащего газа вдоль внутренней поверхности указанной смесительной секции.

Целесообразно, чтобы секция завихрения содержала центральное средство впрыскивания жидкого топлива, приспособленное для впрыскивания жидкого топлива.

Целесообразно также, чтобы секция завихрения содержала средства впрыскивания газообразного топлива, содержащие форсунки для впрыска газообразного топлива для впрыска газообразного топлива, как часть указанных завихряющих лопастей.

Целесообразно также, чтобы смесительная секция имела цилиндрическую форму и проходила соосно вдоль указанной оси (X).

Горелка по п. 1 также часто упоминается как камера сгорания. Указанные завихряющие лопасти конфигурированы для увеличения компонента окружной скорости, который приводит к лучшему смешиванию топлива и воздуха особенно в указанной смесительной секции. Указанная смесительная секция может быть цилиндрической полостью, огражденной внешней оболочкой. Поверхность указанной внешней оболочки может иметь перфорированные секции для нагнетания воздуха, то есть, соответственно, кислородосодержащего газа. Указанный кислородосодержащий газ нагнетают в зону смешивания, чтобы, с одной стороны, увеличивать содержание кислорода предварительно приготовленной смеси и, с другой стороны, охлаждать оболочки смесительной секции. Охлаждающая пленка нагнетаемого воздуха предотвращает разрушение оболочки тепловым ударом от зоны горения.

Выходная секция является в целом продолжением цилиндрической оболочки смесительной секции без отверстий для нагнетания охлаждающего воздуха. Последующий по потоку конец выходной секции, предпочтительно, содержит небольшое расширение осевого поперечного сечения указанной оболочки для уменьшения любой турбулентности потока предварительно приготовленной смеси, входящей в зону горения. Кроме того, указанная выходная секция может содержать кольцевую закраину, выступающую в указанную зону горения и расположенную на последующем по потоку конце указанного выходной секции. Наружная поверхность указанной кольцевой закраины может быть снабжена вторыми топливными форсунками, выпускающими топливо в наклонном направлении между осевым направлением и строго радиальным направлением наружу. Выпущенное топливо в основном формирует конус, отклоняющийся в осевом последующем по потоку направлении.

Предпочтительно, горелка содержит центральную трубку, проходящую соосно в последующем по потоку направлении, при этом последующий по потоку конец указанной трубки снабжен форсунками впрыска топлива и для газа, и для нефти.

Указанные выше и другие отличительные признаки изобретения и варианты их реализации станут более очевидными из предлагаемого описания лучшего варианта осуществления изобретения, приводимого со ссылками на чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает трехмерное изображение горелки, соответствующей изобретению,

фиг. 2 - вид продольного сечения вдоль оси X горелки, соответствующей изобретению,

фиг. 3 - вид детали первого варианта выполнения выходной секции в соответствии с деталью III на фиг. 2 и

фиг. 4 - вид детали выходной секции в соответствии с деталью IV на фиг. 2.

На фиг. 1 и 2 показана горелка В газовой турбины в соответствии с изобретением в схематическом трехмерном изображении, соответственно, в продольном сечении вдоль центральной оси X. Указанная горелка В может быть разделена вдоль оси в последовательности от предшествующего по потоку конца UE до последующего по потоку конца DE относительно потока кислородосодержащего газа OCG, далее именуемого воздухом А, и потока топлива F, то есть газообразного топлива или жидкого топлива, секции SW завихрения, смесительной секции MX, выходной секции ОТ и основной зоны CZ горения.

Указанная секция SW завихрения содержит завихряющие лопасти SWV. Передние кромки указанных завихряющих лопастей SWV можно видеть в трехмерном изображении на фиг. 1. На фиг. 2 схематично показана конфигурация указанных завихряющих лопастей SWV как продолжение внутри указанной секции SW завихрения. Основное средство MGS подачи газа, а также центральное средство CGS подачи газа являются частью указанной секции завихрения. Указанное основное средство MGS подачи газа подает основную часть указанного топлива F, при этом поток топлива F входит в каналы, ограниченные указанными завихряющими лопастями SWV от более радиального направления, и отклоняется в указанное осевое направление. Указанное центральное средство CGS подачи газа выполнено в форме трубки, проходящей соосно в осевом направлении. На последующем по потоку конце указанной трубки L находятся форсунки для впрыска топлива, впрыскивающие топливо F в наклонном направлении между осевым направлением и радиальным направлением наружу. Указанные завихряющие лопасти SWV описывают компонент окружной скорости потока для улучшения смешивания топлива и воздуха в последующей по потоку смесительной секции MX.

Указанная смесительная секция MX образована цилиндрической оболочкой SG, проводящей топливо от указанной завихряющей секции SW далее по потоку к указанной выходной секции в указанную зону CZ горения. Внутренняя поверхность указанной цилиндрической оболочки SG содержит перфорированные секции PF для нагнетания воздуха. Впрыскиваемый воздух создает пленку, покрывающую слоем внутреннюю поверхность указанной оболочки SG. Впрыскиваемый воздух А смешивается с указанным топливом F из указанной завихряющей секции SW, что приводит к получению предварительно приготовленной смеси MFOCG из кислородосодержащего газа OCG и топлива F. Далее по потоку указанной смесительной секции MX указанная предварительно приготовленная смесь MFOCG входит в указанную выходную секцию ОТ. Указанная выходная секция ОТ является цилиндрическим продолжением указанной смесительной секции MX. Внутренняя поверхность указанной выходной секции ОТ снабжена первыми топливными форсунками FN1, впрыскивающими топливо F в указанную предварительно приготовленную смесь MFOCG. Указанные первые топливные форсунки FN1 впрыскивают топливо в наклонном направлении между радиально внутренним направлением и указанным осевым направлением. В целом, направление впрыскивания указанных первых топливных форсунок может быть немного дальше по потоку. Топливо F, впрыскиваемое указанными первыми топливными форсунками FN1, обогащает указанный тонкий слой воздуха топливом F перед тем, как указанная предварительно приготовленная смесь и тонкий слой воздуха выпускаются в указанную зону CZ горения. Область MFR основного пламени указанной зоны CZ горения расположена с ее центром на указанной оси X. Пограничный слой SL формируется между указанной областью MFR основного пламени указанной зоны CZ горения и последующим по потоку концом указанной выходной секции ОТ. Указанный последующий по потоку конец указанной выходной секции ОТ выступает как закраина R в указанную основную зону CZ горения. Наружная поверхность указанной закраины R снабжена внешними вспомогательными топливными форсунками, соответственно вторыми топливными форсунками FN2, выпускающими топливо F в радиальном направлении наружу. Указанное радиальное направление наружу далее по потоку отклоняется между указанным осевым направлением и указанным радиальным направлением наружу. В районе указанных вторых топливных форсунок FN2 устанавливается пламя диффузионного типа, стабилизирующее фронт FF пламени в области MFR основного пламени. Между указанным дежурным пламенем и указанной областью MFR основного пламени устанавливается указанный пограничный слой SL, главным образом, составленный из потока указанного воздуха А, соответственно тонкого слоя воздуха FA от указанной смесительной секции MX и указанной выходной секции ОТ. Поскольку указанный тонкий слой воздуха FA обогащен топливом F, выпущенным указанными первыми топливными форсунками FN1, зажигание указанной области MFR основного пламени указанным дежурным пламенем улучшается.

На фиг. 3 и 4 показаны соответствующие конфигурации внутренних каналов, выполненных в оболочке SG указанной выходной секции ОТ.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3, применены отдельные каналы для указанных точек впрыска во внутренней стенке и указанные внешние форсунки предварительного впрыска, первый топливный канал CHF1 для указанной первой топливной форсунки FN1, соответственно точки впрыска во внутренней стенке, и второй топливный канал для указанной топливной форсунки FN2, соответственно внешней форсунки предварительного впрыска.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, применены один общий канал для указанной первой топливной форсунки FN1, соответственно указанная точка впрыска во внутренней стенке, соответственно указанная первая форсунка FN1 и указанная вторая топливная форсунка FN2, соответственно, указанной внешней форсунки предварительного впрыска.

Изобретение относится к энергетике. Горелка газовой турбины проходит вдоль оси (X) и содержит в осевом порядке: секцию (SW) завихрения, смесительную секцию (МХ), выходную секцию (ОТ), основную зону (CZ) горения. При этом указанная смесительная секция (МХ) проводит премикс (MFOCG) топлива (F) и кислородосодержащего газа (OCG) к указанной выходной секции (ОТ), которая выпускает указанный премикс (MFOCG) в указанную зону (CZ) горения, расширяя поток премикса (MFOCG) от меньшего осевого поперечного сечения указанной смесительной секции (МХ) до большего поперечного сечения указанной зоны (CZ) горения, что вызывает радиальное отклонение линий тока указанного потока. Для улучшения стабильности поверхность выходной секции (ОТ), обращенная к потоку указанного премикса (MFOCG), снабжена первыми топливными форсунками (FN1), впрыскивающими топливо в указанный премикс (MFOCG) в отклоненном радиально внутрь направлении перед тем, как поток указанного премикса (MFOCG) войдет в указанную выходную секцию (ОТ) и в указанную зону (CZ) горения. Изобретение позволяет увеличить стабильность сгорания. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Горелка (В) газовой турбины, проходящая вдоль оси (X) и содержащая в осевом порядке:

- секцию (SW) завихрения;

- смесительную секцию (MX);

- выходную секцию (ОТ);

- основную зону (CZ) горения;

причем секция (SW) завихрения содержит завихряющие лопасти (SWV), выполненные с возможностью завихрения потока топлива (F) и кислородосодержащего газа (OCG), входящего в секцию (SW) завихрения, в круговом направлении, смесительная секция (MX) проводит предварительно приготовленную смесь (MFOCG) топлива (F) и кислородосодержащего газа (OCG) к указанной выходной секции (ОТ), а выходная секция (ОТ) выпускает указанную предварительно приготовленную смесь (MFOCG) в указанную зону (CZ) горения, расширяя поток предварительно приготовленной смеси (MFOCG) от меньшего осевого поперечного сечения указанной смесительной секции (MX) до большего поперечного сечения указанной зоны (CZ) горения, что вызывает радиальное отклонение линий тока указанного потока,

отличающаяся тем, что

поверхность выходной секции (ОТ), обращенная к потоку указанной предварительно приготовленной смеси (MFOCG), снабжена первыми топливными форсунками (FN1), впрыскивающими топливо в указанную предварительно приготовленную смесь (MFOCG) в отклоненном радиально внутрь направлении перед тем, как поток указанной предварительно приготовленной смеси (MFOCG) войдет в указанную выходную секцию (ОТ) и в указанную зону (CZ) горения.

2. Горелка (В) по п. 1,

в которой указанная выходная секция (ОТ) содержит кольцевую закраину (R), выступающую в зону (CZ) горения, содержащую вторые топливные форсунки (FN2), выпускающие топливо (F) в радиальном направлении наружу.

3. Горелка (В) по п. 1 или 2, в которой смесительная зона (MX) содержит входные отверстия (IH) для нагнетания кислородосодержащего газа (OCG),

причем входные отверстия (IH) выполнены для получения пленки кислородосодержащего газа (OCG) вдоль внутренней поверхности указанной смесительной секции (MX).

4. Горелка (В) по одному из пп. 1 или 2, в которой секция (SW) завихрения содержит центральное средство (CFI) впрыскивания жидкого топлива, приспособленное для впрыскивания жидкого топлива (LF).

5. Горелка (В) по одному из пп. 1 или 2, в которой секция (SW) завихрения содержит средства (GFI) впрыскивания газообразного топлива, содержащие форсунки (GFN) для впрыска газообразного топлива (GF), как часть указанных завихряющих лопастей (SWV).

6. Горелка (В) по одному из пп. 1 или 2, в которой смесительная секция (MX) имеет цилиндрическую форму и проходит соосно вдоль указанной оси (X).