ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СГОРАНИЕ СО СМЕСИТЕЛЕМ РАЗБАВЛЯЮЩЕГО ГАЗА Российский патент 2017 года по МПК F23R3/42 F02C3/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к последовательному сжигающему устройству для газотурбинной установки с примешиванием разбавляющего газа в сжигающее устройство. Изобретение дополнительно относится к способу работы газотурбинной установки с примешиванием разбавляющего газа в сжигающее устройство.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

За счет увеличенной выработки электроэнергии нестабильными возобновляемыми источниками, такими как ветер и солнце, существующие газотурбинные электростанции все чаще используются для балансировки потребности в электроэнергии и стабилизации электросети. Таким образом, требуется улучшенная эксплуатационная гибкость. Из указанного следует, что газотурбинные установки часто работают при более низкой нагрузке, чем расчетный режим базовой нагрузки, т. е. при более низком впуске камеры сгорания и температурах горения.

В то же время значения ограничения выбросов и полные разрешения на выбросы все больше ужесточаются так, что требуется производить работы при нижних значениях выбросов, удерживать низкий уровень выбросов также при работе при частичной нагрузке и во время скачков напряжения, так как это также учитывается для пределов совокупных выбросов.

Современные системы камер сгорания выполнены с возможностью справляться с определенным непостоянством в рабочих условиях, например, регулированием массового потока через впуск компрессора или управлением разделением топлива среди различных горелок, ступенчатых вводов топлива или камер сгорания. Однако этого не достаточно, чтобы соответствовать новым требованиям.

Чтобы дополнительно уменьшать выбросы и функциональную гибкость, последовательное сгорание было предложено в DE 10312971 A1. В зависимости от рабочих условий, в частности от температуры горячего газа первой камеры сгорания, может быть необходимо охлаждать горячие газы до того, как они будут допущены ко второй горелке (также называемой последовательной горелкой). Это охлаждение может быть предпочтительным, чтобы позволять впрыск топлива и предварительное смешивание впрыскиваемого топлива с горячими топочными газами первой камеры сгорания во второй горелке.

Традиционные способы охлаждения или требуют конструкции теплообменника, что приводит к высоким перепадам давления в основном потоке горячего газа, или предполагают впрыск охлаждающей среды из боковых стенок. Для впрыска охлаждающей среды из боковых стенок требуется высокий перепад давления, что негативно влияет на эффективность газотурбинной установки, работающей с таким сжигающим устройством, и усложняет управляемое охлаждение всего потока.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить последовательное сжигающее устройство с секцией смешивания для примешивания разбавляющего газа между первой камерой сгорания и второй горелкой. Разбавляющий газ примешивается в секции смешивания, чтобы обеспечивать надлежащие условия потока на впуске для второй горелки. В частности, охлаждаются горячие газы.

Высокие температуры на впуске могут приводить к большим выбросам (в частности оксида азота, монооксида углерода и несгоревших углеводородов) и/или распространению пламени во второй горелке. Распространение пламени и оксид азота вызываются уменьшенным временем самовозгорания для впрыскиваемого топлива из-за высокой температуры газа на впуске или высокой концентрации кислорода, что вызывает более раннее возгорание (ведущее к распространению пламени) или уменьшенное время для смешивания топлива и воздуха, что приводит к появлению участков местного перегрева во время сгорания и вследствие этого увеличивает выбросы оксида азота. Области с низкой температурой могут привести к выбросам монооксида углерода из-за увеличенного времени самовозгорания. Это может уменьшать время для выгорания монооксида углерода и оксида углерода и уменьшенную локальную температуру пламени, что может дополнительно снизить скорость выгорания монооксида углерода до оксида углерода. Наконец, участки местного перегрева могут приводить к перегреву определенных частей ниже по потоку от смесителя.

Последовательное сжигающее устройство согласно изобретению содержит первую горелку, первую камеру сгорания, смешивающее устройство для примешивания разбавляющего газа к горячим газам, выходящим из первой камеры сгорания при работе, вторую горелку и вторую камеру сгорания, расположенную последовательно в соединении по потоку текучей среды, при этом смеситель выполнен с возможностью направления газов сгорания в путь потока горячего газа, продолжающийся между первой камерой сгорания и второй горелкой, содержащий трубопровод, имеющий впуск на верхнем по потоку конце, выполненном с возможностью присоединения к первой камере сгорания и выпуск на нижнем по потоку конце, выполненном с возможностью присоединения ко второй горелке.

Локальная высокая концентрация кислорода может иметь подобный эффект в качестве локальной высокой температуры, например, быстрой реакции, сокращающей время для смешивания, высокой температуры сгорания, увеличенных выбросов оксида азота и возможного распространения пламени. Локальная низкая концентрация кислорода может иметь подобный эффект в качестве локальной низкой температуры, например, медленной реакции, ведущей к увеличению выбросов монооксида углерода и UHC (несгоревших углеводородов).

Высокая или низкая локальная скорость впуска может приводить к увеличенной или уменьшенной продолжительности пребывания во второй горелке и последующей второй камере сгорания, что имеет подобные отрицательные эффекты, как неоднородное время самовозгорания, например, уменьшенная продолжительность пребывания во второй горелке может приводить к неполному смешиванию и высокому содержанию оксида азота. Уменьшенная продолжительность пребывания во второй камере сгорания может приводить к неполному сгоранию, что может приводить к увеличенным выбросам монооксида углерода. Уменьшенная скорость потока во второй горелке может приводить к раннему возгоранию и к распространению пламени.

Дополнительными важными требованиями с точки зрения аэродинамики являются минимальные потери давления в потоке горячего газа и подача разбавляющего газа. И то, и другое может влиять на производительность газотурбинной установки, работающей с таким сжигающим устройством.

Согласно первому варианту осуществления смеситель содержит множество инжекционных трубок, которые направлены внутрь от стенок трубопровода для примешивания разбавленного газа для охлаждения горячих топочных газов, выходящих из первой камеры сгорания, чтобы обеспечивать соответствующие условия впуска во вторую горелку.

Диаметр, длина и количество этих трубок выполнены с возможностью примешивать разбавленный газ в поток горячего газа так, что требуемый локальный массовый поток и перепад температуры достигаются с низким перепадом давления. Обычно инжекционные трубки позволяют примешивать разбавленный газ с перепадом давления 0,4-2% от суммарного давления давления разбавляющего газа до примешивания. С низким перепадом давления на впуске инжекционных трубок перепад давления 0,2-1% от суммарного давления разбавляющего газа до примешивания может быть достаточным. Чтобы уменьшить перепад давления на впуске, могут быть использованы впуски со скругленной трубкой.

Согласно варианту осуществления сжигающее устройство содержит первые инжекционные трубки, имеющие первую глубину проникновения в поток горячего газа, нормальный к боковой стенке, и вторые инжекционные трубки, имеющие вторую глубину проникновения, нормальные к боковой стенке. Глубина проникновения вторых инжекционных трубок может быть меньше, чем глубина проникновения первых инжекционных трубок.

Для трубок, расположенных по нормали к боковой стенке, длина трубок, продолжающихся в потоке горячего газа, равна глубине проникновения.

Согласно дополнительному варианту осуществления отношение глубины проникновения первой инжекционной трубки к глубине проникновения второй инжекционной трубки больше 2. В еще одном варианте осуществления отношение глубины проникновения первой инжекционной трубки к глубине проникновения второй инжекционной трубки больше 3.

Согласно еще другому варианту осуществления как минимум третья инжекционная трубка с длиной между длиной первой и второй инжекционной трубки расположена в смесителе. Третьи инжекционные трубки могут, например, быть расположены выше или ниже первых инжекционных трубок и иметь длину от 60% до 80% первой инжекционной трубки.

Согласно одному варианту осуществления отношение эквивалентного диаметра поперечного сечения пути потока в месте расположения первых инжекционных трубок в смесителе к глубине проникновения первых инжекционных трубок составляет от 2,5 до 8. В еще одном варианте осуществления отношение эквивалентного диаметра поперечного сечения пути потока в месте расположения первых инжекционных трубок в смесителе к глубине проникновения первых инжекционных трубок составляет от 3 до 6. Для смесителей в трубчатой архитектуре эквивалентный диаметр представляет собой диаметр круглого трубопровода или трубки, который дает ту же область поперечного сечения, как и площадь потока трубопровода. Для смесителей в кольцевой архитектуре эквивалентный диаметр представляет собой высоту кольцевого трубопровода (т. е. внешний радиус минус внутренний радиус).

Согласно одному варианту осуществления отношение длины второй инжекционной трубки к диаметру второй инжекционной трубки составляет менее 1/4. С этим вариантом осуществления разбавляющий газ может быть примешан близко к боковым стенкам с минимальной потерей давления. Эта короткая трубка позволяет проникновение примешанного разбавляющего газа за пределы поверхностного слоя боковых стенок и примешивание в основной поток.

Согласно дополнительному варианту осуществления, смеситель содержит первые инжекционные трубки и инжекционные отверстия, расположенные вдоль боковой стенки. Первые инжекционные трубки расположены, чтобы примешивать разбавляющий газ по направлению к центральной области пути потока горячего газа, и инжекционные отверстия расположены, чтобы примешивать разбавляющий газ в области стенок пути потока горячего газа.

Чтобы минимизировать перепад давления в пути потока горячего газа, может быть предпочтительным расположить вторые инжекционные трубки или инжекционные отверстия близко к первым инжекционным трубкам. Разбавляющий газ, впрыскиваемый от вторых инжекционных трубок или инжекционных отверстий близко к первым инжекционным трубкам, может уменьшать перепад давления. В частности, вторые инжекционные трубки или инжекционные отверстия могут быть расположены ниже по потоку от первых инжекционных трубок или наоборот, т. е. первые инжекционные трубки или отверстия могут быть расположены ниже по потоку от вторых инжекционных трубок или инжекционных отверстий. Если вторая инжекционная трубка расположена ниже по потоку от первой инжекционной трубки, можно компенсировать турбулентный поток первых инжекционных трубок, таким образом уменьшая потерю давления из-за первых инжекционных трубок. Если вторая инжекционная трубка расположена выше по потоку от первой инжекционной трубки, скорость потока вблизи первой инжекционной трубки уменьшается из-за турбулентного потока второй инжекционной трубки, и впрыскиваемый разбавляющий воздух второй инжекционной трубки, таким образом, также уменьшает перепад давления.

Согласно дополнительному варианту осуществления расстояние в направлении потока горячих газов между первой инжекционной трубкой и второй инжекционной трубкой, соответственно инжекционными отверстиями, в три раза меньше диаметра первой инжекционной трубки, предпочтительно в два с половиной раза меньше диаметра первых инжекционных трубок. Короткое расстояние уменьшает полную длину смесителя и позволяет эффективный впрыск в турбулентный поток.

Согласно одному варианту осуществления трубки одной длины, например, первые инжекционные трубки расположены периферийно распределенными вдоль стенок смесителя в одной плоскости, нормальной к основному направлению потока горячих газов, текущих через смеситель.

Согласно дополнительному варианту осуществления трубки расположены периферийно распределенными вдоль стенок смесителя и расположены со смещением относительно плоскости, нормальной к основному направлению потока горячих газов, текущих через смеситель. Смещение уменьшает закупорку трубок, продолжающихся в пути потока горячего газа. Чтобы удерживать длину смесителя короткой, шаг смещения может быть меньше, чем половина диаметра трубки. Чтобы эффективно уменьшать закупорку, шаг смещения предпочтительно составляет более 10% диаметра трубки и более предпочтительно более 25% диаметра трубки.

Трубки смесителя подвержены воздействию горячих газов, выходящих из первой камеры сгорания. Трубки обязательно охлаждаются разбавляющим газом, который течет через них. Однако чтобы увеличивать срок службы трубок, могут быть применены дополнительные меры по уменьшению температуры трубок.

В одном варианте осуществления коэффициент теплоотдачи на внутренней стороне трубки увеличивается. Для увеличенной теплоотдачи охлаждающие ребра и/или штырьевая область может быть расположена на внутренней поверхности инжекционных трубок.

В другом варианте осуществления внешняя поверхность трубки покрыта термобарьерным покрытием (TBC). В дополнительном варианте осуществления термобарьерное покрытие наносится на область переднего края трубки. Это может быть для примера областью +/-45° от переднего края. В совокупности с TBC или в качестве альтернативы TBC диффузионные охлаждающие отверстия могут быть использованы на трубке так, что часть разбавляющего газа выбрасывается через охлаждающие отверстия и тем самым уменьшает температурную нагрузку стенок трубки. Предпочтительно диффузионные охлаждающие отверстия расположены на нижней по потоку стороне трубки. Разбавляющий газ может быть впрыснут с низкой разностью давления относительно суммарного давления горячих газов. В связи с этим впрыск на нижнем по потоку крае может быть невозможным. Дополнительно диффузионным охлаждением нижней по потоку стороны отрицательный эффект турбулентного потока трубок на перепад давления смесителя может быть по меньшей мере частично подавлен.

Одной из задач настоящего изобретения является обеспечение смесителя, который позволяет примешивать разбавляющий газ с низким перепадом давления в пути потока горячего газа. Чтобы уменьшать перепад давления, низкая скорость потока является целесообразной. Согласно одному варианту осуществления, смеситель сжигающего устройства содержит диффузорную секцию выше по потоку от местоположения примешивания разбавляющего газа, чтобы уменьшать скорость потока горячих газов. Альтернативно или в дополнение смеситель содержит диффузорную секцию в области примешивания разбавляющего газа, чтобы увеличивать область потока, так как объемный поток увеличивается за счет примешивания разбавляющего газа. Увеличение в области потока может иметь то же отношение, что и увеличение объема потока, чтобы удерживать аксиальную скорость потока постоянной. В дополнительном варианте осуществления увеличение в области потока выбрано так, что увеличение в средней аксиальной скорости остается в пределах 20% аксиальной скорости выше по потоку от местоположения примешивания.

В дополнительном варианте осуществления инжекционные трубки наклонены под углом менее 90° относительно направления потока горячих газов так, что разбавляющий газ оставляющей трубки имеет составляющую потока в направлении потока горячего газа в месте впрыска.

Предпочтительно инжекционные трубки наклонены под углом так, что аксиальная составляющая разбавляющего газа, оставляющего трубки, равна или находится в пределах +/-50% аксиальной скорости потока горячего газа в местоположении впрыска.

Кроме сжигающего устройства газотурбинная установка, содержащая такое сжигающее устройство, является объектом настоящего изобретения. Такая газотурбинная установка содержит по меньшей мере компрессор, сжигающее устройство с первой горелкой, первой камерой сгорания, смешивающим устройством для примешивания разбавляющего газа к горячим газам, выходящим из первой камеры сгорания при работе, второй горелкой и второй камерой сгорания, расположенной последовательно в соединении по потоку текучей среды, причем смеситель выполнен с возможностью направления газов сгорания в путь потока горячего газа, продолжающийся между первой камерой сгорания и второй горелкой, содержащий трубопровод, имеющий впуск на верхнем по потоку конце, выполненном с возможностью соединения первой камеры сгорания, и выпуск на нижнем по потоку конце, выполненном с возможностью соединения второй горелки, и турбины. Смеситель содержит множество инжекционных трубок, направленных внутрь от боковых стенок трубопровода для примешивания разбавляющего газа, чтобы охлаждать поток горячих газов, выходящих из первой камеры сгорания при работе. Смеситель расположен так, что разбавляющий газ примешивается при работе, чтобы охлаждать горячие газы.

Кроме газотурбинной установки способ управления такой газотурбинной установкой является объектом настоящего изобретения. Разбавляющий газ может быть примешан к горячим газам в смесителе так, что горячие газы охлаждаются. Согласно одному варианту осуществления разбавляющий газ впрыскивается через отверстия и/или инжекционные трубки с различной длиной для того, чтобы вводить разбавляющий газ в другие области сечения смесителя. В одном варианте осуществления первые инжекционные трубки расположены, чтобы примешивать разбавляющий газ по направлению к центральной области пути потока горячего газа, и вторые инжекционные трубки или инжекционные отверстия расположены, чтобы примешивать разбавляющий газ в области стенок пути потока горячего газа.

Эффузионное охлаждение может быть использовано для охлаждения стенок сжигающего устройства и/или боковых стенок секции смешивания.

После впрыска разбавляющего воздуха смешивание между разбавляющим воздухом и горячим газом может быть улучшено путем сокращения пути потока.

Относящаяся к последовательному сгоранию совокупность сжигающих устройств может быть расположена следующим образом:

оба - первое и второе сжигающие устройства - выполнены в виде последовательных трубчатых архитектур.

Первое сжигающее устройство выполнено в виде кольцевой камеры сгорания, а второе сжигающее устройство выполнено в виде трубчатой конфигурации.

Первое сжигающее устройство выполнено в виде трубчатой архитектуры, а второе сжигающее устройство выполнено в виде кольцевой камеры сгорания.

Оба - первое и второе сжигающие устройства - выполнены в виде кольцевых камер сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение, его сущность, а также его преимущества будут описаны более подробно ниже посредством сопровождающих чертежей.

На чертежах:

фиг. 1a, b, с и d показывают стандартную газотурбинную установку, использующую последовательное сгорание со смесителем для примешивания разбавляющего газа;

фиг. 2a показывает смеситель с первыми и вторыми инжекционными трубками;

фиг. 2b показывает смеситель с первыми инжекционными трубками и инжекционными отверстиями;

фиг. 2c показывает смеситель с первыми инжекционными трубками и инжекционными отверстиями и расширяющиеся боковые стенки смесителя;

фиг. 2d показывает смеситель с первыми и вторыми инжекционными трубками и прямой подачей разбавляющего газа от камеры повышенного давления компрессора;

фиг. 3 показывает секцию стенки смесителя с первыми и вторыми инжекционными трубками, наклоненными в направлении потока горячего газа;

фиг. 4 показывает секцию боковой стенки смесителя с расположенными со смещением первыми и вторыми инжекционными трубками;

фиг. 5 показывает секцию смесителя в кольцевой архитектуре с первыми и вторыми инжекционными трубками, расположенными на внутренней и внешней боковых стенках;

фиг. 6 показывает секцию смесителя в трубчатой архитектуре с первыми и вторыми инжекционными трубками, расположенными на цилиндрической стенке.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1a, b, c и d показывают газотурбинную установку 100 с последовательным сжигающим устройством 104 согласно изобретению. Она содержит компрессор 103, сжигающее устройство 104 и турбину 105. Сжигающее устройство 104 содержит первую горелку 112, первую камеру 101 сгорания и смеситель 117 для примешивания разбавляющего газа к горячим газам, выходящим из первой камеры 101 сгорания при работе. Ниже по потоку от смесителя 117 сжигающее устройство 104 дополнительно содержит вторую горелку 113 и вторую камеру 102 сгорания. Первая горелка 112, первая камера 101 сгорания, смеситель 117, вторая горелка 113 и вторая камера 102 сгорания расположены последовательно в соединении по потоку текучей среды. Топливо может вводиться в первую горелку 112 посредством первого топливного впрыска 123, смешиваться со сжатым воздухом, который сжимается в компрессоре 103, и воспламеняться в первой камере 101 сгорания. Разбавляющий газ примешивается в последующем смесителе 117. Дополнительное топливо может вводиться во вторую горелку посредством второго топливного впрыска 124, смешиваться с горячими газами, оставляющими смеситель 117, и воспламеняться во второй камере 102 сгорания. Горячие газы, оставляющие вторую камеру 102 сгорания, расширяются в последующей турбине 105, выполняющей работу. Турбина 105 и компрессор 103 расположены на валу 106.

Оставшееся тепло выхлопного газа 107, выходящего из турбины 105, может быть дополнительно использовано в теплоутилизационном парогенераторе или бойлере (не показан) для производства пара.

В примере, показанном здесь, газ на выпуске из компрессора примешивается в виде разбавляющего газа. Обычно газ на выпуске из компрессора является сжатым наружным воздухом. Для газотурбинных установок с рециркуляцией (не показана) топочного газа газ на выпуске из компрессора представляет собой смесь наружного воздуха и рециркулирующего топочного газа.

Обычно система газотурбинной установки включает генератор (не показан), который соединен с валом 106 газотурбинной установки 100.

Другие примерные варианты осуществления смесителя 117 показаны на фиг. 2a-2d в виде увеличенной секции фиг. 1a-1d. Фиг. 2a показывает первый пример со смесителем, содержащим первые инжекционные трубки 114 с длиной L и вторые инжекционные трубки 115 с длиной I, расположенные ниже по потоку от первых инжекционных трубок 114. В этом примере сжатый газ от камеры повышенного давления компрессора направляется вдоль пламенной трубы в соединительном трубопроводе 111 в качестве разбавляющего газа 110. От соединительного трубопровода 111 разбавляющий газ 110 впрыскивается в смеситель посредством первых инжекционных трубок 114 и вторых инжекционных трубок 115. Смеситель 117 имеет поперечное сечение с высотой H.

Смеситель может быть выполнен с кольцевым поперечным сечением. Для кольцевого смесителя высота H представляет собой разницу между диаметром внешней стенки кольцевой секции потока и внутренней стенки кольцевой секции потока. Для смесителя с цилиндрическим поперечным сечением (трубчатая конструкция смесителя) высота H представляет собой диаметр поперечного сечения. Высота L первых инжекционных трубок 114 и высота I вторых инжекционных трубок 115 выбраны так, что обеспечивается хорошее смешивание впрыскиваемого разбавляющего газа 110 с горячим газом, выходящим из первой камеры сгорания 101.

Фиг. 2b показывает пример со смесителем 117, содержащим первые инжекционные трубки 114 с длиной L и инжекционные отверстия 118. Вторые инжекционные трубки 115 на фиг. 2a заменены инжекционными отверстиями 118. Использование инжекционных отверстий может уменьшать перепад давления потока горячего газа в смесителе 117. Это может, например, быть использовано, если высота H достаточно мала, чтобы позволять пригодное смешивание с примешиванием разбавляющего газа через первые инжекционные трубки 114 с длиной L и инжекционные отверстия 118.

Фиг. 2c показывает другой пример со смесителем, содержащим первые инжекционные трубки 114 с длиной L и вторые инжекционные трубки 115 с длиной I, расположенные ниже по потоку от первых инжекционных трубок 114. Чтобы уменьшить потерю давления в потоке горячего газа, смеситель выполнен с расширяющимися боковыми стенками 116 в области смесителя, в которой примешивается разбавляющий газ. За счет расширяющихся боковых стенок 116 поперечное сечение смесителя увеличивается, как в диффузоре. Это увеличение в поперечном сечении приводит к уменьшению скорости потока и уменьшению перепада давления, вызываемого первыми инжекционными трубками 114 и вторыми инжекционными трубками 115. Дополнительно это уменьшает перепад давления, вызываемый впрыском разбавляющего газа в поток горячего газа.

Фиг. 2d показывает пример, который основан на примере фиг. 2a. В этом примере разбавляющий газ 110 непосредственно подается к первым инжекционным трубкам 114 и вторым инжекционным трубкам 115 от камеры повышенного давления компрессора (ниже по потоку от компрессора 103). Первые инжекционные трубки 114 и вторые инжекционные трубки 115 продолжаются в камеру повышенного давления компрессора, и в связи с этим разбавляющий газ 110 поставляется с более высоким давлением и более низкой температурой (отсутствие температурного датчика за счет охлаждения камеры сгорания до использования в виде разбавляющего газа).

Фиг. 3 показывает секцию стенки смесителя 117 с наклонными первыми и вторыми инжекционными трубками 114. Первые и вторые инжекционные трубки 114, 115 наклонены в направлении потока горячего газа, чтобы уменьшать перепад давления первых и вторых инжекционных трубок 114. Предпочтительно наклон имеет такой угол, что разбавляющий газ, оставляющий трубки, имеет аксиальную составляющую v_d.ax потока в направлении потока горячего газа в месте впрыска, которое равно скорости v_hot потока горячего газа. Разбавляющий газ оставляет инжекционную трубку 114, 115 со скоростью разбавляющего газа v_d. Она имеет составляющую в направлении потока горячего газа с аксиальной скоростью разбавляющего газа v_d,ax и составляющую потока, нормального к потоку горячего газа, которая имеет скорость разбавляющего газа, нормального к потоку v_d,n горячего газа. Скорость разбавляющего газа, нормального к потоку v_d,n горячего газа, облегчает проникновение разбавляющего газа в поток горячего газа и смешивание с потоком горячего газа.

В примере на фиг. 3 термобарьерное покрытие (TBC) 119 наносится на заднюю сторону инжекционных трубок 114, 115, чтобы снижать их температуру. TBC может быть нанесено, например, на секцию задней половины или около всей инжекционной трубки 114. В дополнение охлаждающие отверстия 120 используются на нижней по потоку стороне. Кроме охлаждения стенки трубки охлаждающий воздух, выпускаемый из этих охлаждающих отверстий 120, впрыскивается в инжекционные трубки 114, 115 и тем самым уменьшает перепад давления в потоке горячего газа.

Фиг. 4 показывает вид сверху вырезанной секции боковой стенки 116 смесителя 117 с расположенными со смещением первыми и вторыми инжекционными трубками 114, 115, имеющими диаметр D. Первые инжекционные трубки расположены в плоскости A соответственно плоскости А', которая находится по нормали к направлению потока горячих газов. Первые инжекционные трубки расположены со смещением с шагом s, т. е. плоскость A расположена на расстоянии s в направлении потока относительно плоскости А'. За счет смещения свободное расстояние f между двумя смежными первыми инжекционными трубками 114 увеличивается по сравнению со свободным расстоянием между двумя смежными инжекционными трубками, которые не расположены со смещением.

Вторые инжекционные трубки 115 расположены с таким же шагом s ниже по потоку от первых инжекционных трубок 114 с расстоянием между первыми и вторыми инжекционными трубками 114. В показанном примере диаметр d вторых инжекционных трубок 115 равен диаметру D первых инжекционных трубок 114.

Фиг. 5 показывает пример секции смесителя 117 в кольцевой архитектуре. Первые и вторые инжекционные трубки 114, 115 расположены на внутренних и внешних боковых стенках 116, которые расположены концентрически с кольцевым путем потока горячего газа посередине. Горячие газы текут в смеситель 117 со скоростью v_hot горячего газа. Получившийся смешанный газ оставляет смеситель 117 со скоростью v_mix смешанного газа.

Примешивание посредством инжекционных трубок от только одной кольцевой боковой стенки 116 также возможно, например, от внешней боковой стенки (не показано). Это может облегчать подачу разбавляющего газа к инжекционным трубкам.

Фиг. 6 показывает пример секции смесителя в трубчатой архитектуре. Фиг. 6 показывает разрез цилиндрической боковой стенки 116. Первые и вторые инжекционные трубки 114, 115 расположены на цилиндрической стенке 116. Вторые инжекционные трубки 115 расположены ниже по потоку от первых инжекционных трубок 114 в направлении скорости v_hot потока горячего газа. Впуск первой и второй инжекционной трубки 114, 115 скруглен, чтобы уменьшать потерю давления разбавляющего газа, входящего в инжекционную трубку 114. Вторая инжекционная трубка 115 имеет длину, которая составляет только порядка двух радиусов закругления впуска.

Первая камера 101 сгорания и вторая камера 102 сгорания могут быть расположены в камере сгорания с трубчатой архитектурой обеих камер, т. е. первая камера 101 сгорания и вторая камера 102 сгорания являются трубчатыми камерами сгорания.

Первая камера 101 сгорания и вторая камера 102 сгорания могут быть расположены в камере сгорания с трубчато-кольцевой архитектурой, т. е. первая камера 101 сгорания выполнена в виде кольцевой камеры сгорания и вторая камера 102 сгорания выполнена в виде трубчатой камеры сгорания.

Первая камера 101 сгорания и вторая камера 102 сгорания могут быть расположены в камере сгорания с трубчато-кольцевой архитектурой, т. е. первая камера 101 сгорания выполнена в виде трубчатой камеры сгорания и вторая камера 102 сгорания выполнена в виде кольцевой камеры сгорания.

Первая камера 101 сгорания и вторая камера 102 сгорания могут быть расположены в камере сгорания с кольцевой архитектурой обеих камер, т. е. первая камера 101 сгорания и вторая камера 102 сгорания являются кольцевыми камерами сгорания.

Смешивающее качество смесителя 117 является ключевым, так как система горелки второй камеры 102 сгорания требует заданную температуру впуска и совокупность параметров скорости впуска.

Все объясненные преимущества не ограничены только конкретной совокупностью, но также могут быть использованы в других совокупностях или отдельно без отклонения от объема охраны изобретения. Другие возможности дополнительно вероятны, например, для отключения отдельных горелок или групп горелок. Дополнительно разбавляющий газ может быть повторно охлажден в охладителе охлаждающего воздуха до примешивания в смесителе 117. Дополнительно расположение инжекционных трубок или инжекционных отверстий может быть изменено, т. е. короткие вторые инжекционные трубки или отверстия могут быть расположены выше по потоку от длинных первых инжекционных трубок. Дополнительно могут быть дополнительные типы трубок с совокупностью дополнительных длин трубок и диаметром трубок.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

100 Газотурбинная установка

101 Первая камера сгорания

102 Вторая камера сгорания

103 Компрессор

104 Сжигающее устройство

105 Турбина

106 Вал

107 Выхлопной газ

108 Сжатый воздух

109 Продукты сгорания

110 Разбавляющий газ

111 Соединительный трубопровод

112 Первая горелка

113 Вторая горелка

114 Первая инжекционная трубка

115 Вторая инжекционная трубка

116 Боковая стенка

117 Смеситель

118 Инжекционное отверстие

119 TBC

120 Охлаждающие отверстия

123 Первый топливный впрыск

124 Второй топливный впрыск

a расстояние

A, A' плоскость, нормальная к направлению потока горячего газа

f, f' свободное расстояние

L длина первой инжекционной трубки

I длина второй инжекционной трубки

D диаметр первой инжекционной трубки

d диаметр второй инжекционной трубки

H высота или эквивалентный диаметр пути потока горячего газа

S шаг смещения

V_hot скорость горячего газа

V_d скорость разбавляющего газа

v_d,ax аксиальная скорость разбавляющего газа

v_d,n скорость разбавляющего газа, нормального к потоку горячего газа

V_mix скорость смеси потока горячего газа и разбавляющего газа.

Изобретение относится к энергетике. Последовательное сжигающее устройство (104), содержащее первую горелку (112), первую камеру (101) сгорания, смеситель для примешивания разбавляющего газа к горячим газам, выходящим из первой камеры (101) сгорания при работе, вторую горелку (113) и вторую камеру (102) сгорания, расположенную последовательно в соединении по потоку текучей среды. Смеситель содержит множество инжекционных трубок (115), направленных внутрь от боковых стенок смесителя для примешивания разбавляющего газа для охлаждения горячих топочных газов, выходящих из первой камеры (101) сгорания с низким перепадом давления. Изобретение дополнительно относится к способу работы газотурбинной установки (100) с таким сжигающим устройством (104). Изобретение позволяет обеспечить надлежащие условия потока на впуске для второй горелки. 2 н. и 13 з. п. ф-лы, 12 ил.

1. Последовательное сжигающее устройство (104), содержащее первую горелку (112), первую камеру (101) сгорания, смеситель (117) для примешивания разбавляющего газа к горячим газам, выходящим из первой камеры (101) сгорания при работе, вторую горелку (113) и вторую камеру (102) сгорания, расположенную последовательно в соединении по потоку текучей среды, при этом смеситель (117) выполнен с возможностью направления газов сгорания в путь потока горячего газа, продолжающийся между первой камерой (101) сгорания и второй горелкой (113), содержащий трубопровод, имеющий впуск на верхнем по потоку конце, выполненном с возможностью присоединения к первой камере (101) сгорания, и выпуск на нижнем по потоку конце, выполненном с возможностью присоединения ко второй горелке (113), отличающееся тем, что смеситель (117) содержит множество инжекционных трубок (114, 115), направленных внутрь от боковых стенок (116) смесителя (117) для примешивания разбавляющего газа для охлаждения горячих топочных газов, выходящих из первой камеры (101) сгорания.

2. Сжигающее устройство (104) по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит первые инжекционные трубки (114), имеющие первую глубину (L) проникновения в поток горячего газа по нормали к боковой стенке (116), и вторые инжекционные трубки (115), имеющие вторую глубину (I) проникновения в поток горячего газа по нормали к боковой стенке (116), которая меньше, чем первая глубина (L) проникновения.

3. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что отношение глубины (L) проникновения первой инжекционной трубки (114) к глубине (I) проникновения второй инжекционной трубки больше 2 и/или больше 3.

4. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что отношение эквивалентного диаметра поперечного сечения пути потока в месте расположения первых инжекционных трубок (114) в смесителе (117) к длине первых инжекционных трубок (114) составляет от 2,5 до 8 и/или в диапазоне от 3 до 6.

5. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что отношение длины второй инжекционной трубки (115) к диаметру (d) второй инжекционной трубки составляет менее 1/4.

6. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что смеситель (117) содержит первые инжекционные трубки (114) и инжекционные отверстия (118) на боковой стенке (116).

7. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что вторые инжекционные трубки (115) или инжекционные отверстия (118) расположены ниже по потоку от первых инжекционных трубок (114), чтобы компенсировать турбулентный поток первой инжекционной трубки (114), и/или тем, что вторые инжекционные трубки (115) или инжекционные отверстия (118) расположены выше по потоку от первых инжекционных трубок (114), чтобы уменьшать аксиальные скорости потока горячего газа до первой инжекционной трубки (114).

8. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что расстояние (a) в направлении потока между первой инжекционной трубкой (114) и второй инжекционной трубкой (115) в три раза меньше диаметра (D) первой инжекционной трубки (114) и/или в два с половиной раза меньше диаметра (D) первой инжекционной трубки (114).

9. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что инжекционные трубки (114, 115) одной длины (L, I) расположены периферийно распределенными вдоль боковой стенки смесителя (117) в одной плоскости, нормальной к основному направлению потока горячих газов, текущих через смеситель (117), или инжекционные трубки (114, 115) расположены периферийно распределенными вдоль боковой стенки (116) смесителя (117) и расположены со смещением относительно плоскости, нормальной к основному направлению потока горячих газов, текущих через смеситель (117), чтобы уменьшать блокирование потока из-за инжекционных трубок (114, 115), у которых шаг смещения составляет менее половины диаметра (d, D) трубки.

10. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что охлаждающие ребра и/или штырьевая область расположена на внутренней поверхности инжекционных трубок (114, 115).

11. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что внешняя поверхность инжекционной трубки (114, 115) покрыта термобарьерным покрытием (TBC) (119) и/или отверстия (120) диффузионного охлаждения используются на нижней по потоку стороне инжекционной трубки (114, 115).

12. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что смеситель (117) содержит диффузорную секцию выше по потоку от местоположения примешивания разбавляющего воздуха, чтобы уменьшать скорость потока горячих газов (v_hot), и/или тем, что смеситель (117) содержит диффузорную секцию в области примешивания разбавляющего воздуха, чтобы увеличивать область потока с таким же отношением, когда объемный поток увеличивается за счет примешивания разбавляющего воздуха, чтобы удерживать среднюю аксиальную скорость потока постоянной и/или ограничивать увеличение средней аксиальной скорости до 20% аксиальной скорости выше по потоку от местоположения примешивания.

13. Сжигающее устройство (104) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что инжекционные трубки (114, 115) наклонены под углом менее 90° относительно направления потока горячих газов так, что разбавляющий газ, выходящий из инжекционных трубок (114, 115), имеет составляющую потока в направлении потока горячего газа в местоположении инжекции.

14. Способ работы газотурбинной установки (100) с по меньшей мере компрессором (103), сжигающим устройством (104), содержащим первую горелку (112), первую камеру (101) сгорания, смеситель (117) для примешивания разбавляющего газа к горячим газам, выходящим из первой камеры (101) сгорания при работе, вторую горелку (113) и вторую камеру (102) сгорания, расположенную последовательно в соединении по потоку текучей среды, при этом смеситель (117) выполнен с возможностью направления газов сгорания в путь потока горячего газа, продолжающийся между первой камерой (101) сгорания и второй горелкой (113), содержащей трубопровод, имеющий впуск на верхнем по потоку конце, выполненном с возможностью присоединения к первой камере (101) сгорания, и выпуск на нижнем по потоку конце, выполненном с возможностью присоединения ко второй

горелке (113), причем смеситель (117) содержит множество инжекционных трубок (114, 115), направленных внутрь от боковых стенок (116) трубопровода для примешивания разбавляющего газа для охлаждения горячих топочных газов, выходящих из первой камеры (101) сгорания, и турбиной, отличающийся тем, что разбавляющий газ (110) примешивают в различные области сечения смесителя (117).

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что разбавляющий газ вводят через инжекционные отверстия (118) и/или вторые инжекционные трубки (115) и первые инжекционные трубки (114) для того, чтобы вводить разбавляющий газ в различные области сечения смесителя (117).