СИСТЕМА ГОРЕЛОК Российский патент 2018 года по МПК F23R3/14 F23D3/34 

Изобретение относится к системе горелок для камеры сгорания, в частности, камеры сгорания газовой турбины, для сжигания жидких горючих материалов.

Использование газовых турбин лимитировано, в основном, за счёт проблем в топливной системе. Этими проблемами являются, как правило, превышение предельно допустимых выбросов (Nox и CO), а также шумовой фон, обусловленный термоакустическими колебаниями в зоне камеры сгорания. Чтобы удерживать выбросы в пределах допустимых значений и подавлять шумовой фон машины, необходима очень хорошая регулировка (настройка) изменяющихся параметров горения.

У горелки, к примеру, с основной горелкой предварительного смешивания и c контрольной горелкой предварительного смешивания это, в первую очередь, потоки массы горючего материала в основной горелке предварительного смешивания, а также в контрольной горелке предварительного смешивания. При этом, в зависимости от регулировки, примерно 90–95% потока массы горючего материала проходит через основную горелку предварительного смешивания, а остаток через контрольную горелку предварительного смешивания. Известно, что изменение (уже в пределах процентов) потока массы горючего материала в контрольной горелке оказывает существенное воздействие на выброс и на шумовой фон. Однако, такая регулировки ограничена посредством одной единственной ступени подачи горючего материала в контрольной горелке предварительного смешивания.

Поэтому до настоящего времени, для бесперебойной работы газовой турбины при приведении в действие, она должна была подвергаться дорогостоящему тюнингу. За счёт небольших возможностей регулировки на основной и на контрольной горелках должны были быть пройдены очень узкие коридоры, ограниченные предельными выбросами и возможностью стабильной эксплуатации. Зачастую должны были изыскиваться компромиссы между стабильным режимом эксплуатации и небольшими выбросами.

Для помощи в этом вопросе в контрольную горелку может быть интегрирована вторая ступень подачи горючего материала с предварительным смешиванием. Эта ступень должна быть снабжена также собственной системой подачи горючего материала и собственным каналом для горючего материала.

При таком варианте осуществления обе ступени могут управляться вне зависимости друг от друга. К примеру, обе контрольные ступени подачи горючего материала могут быть интегрированы в лопасти контрольной горелки, чтобы обеспечить для обеих ступеней хорошее перемешивание горючего материала и воздуха. Посредством правильного выбора формы отверстия в процессе эксплуатации может быть оказано активное воздействие на радиальное распределение горючего материала и, таким образом, на выброс и на стабильность горения. Благодаря этому, возможно расширить коридор, в котором должно осуществляться маневрирование при запуске и останове машины, и характеристики выброса и стабильности, прежде всего, в зоне частичных нагрузок, могут быть улучшены.

Документ WO 2014/114533 A1 раскрывает, к примеру, систему горелок с расположенным на оси системы горелок проходом для газа-носителя диффузанта. Этот проход мог бы быть использован, к примеру, в конструкции «труба-в-трубе» для подачи горючего материала второй ступени в контрольной горелке. Разумеется, тогда, ввиду ожидаемых различных термических удлинений конструктивных элементов, конструкция «труба-в-трубе» должна была бы разгружаться посредством сложного и поэтому также сравнительно дорогостоящего компенсатора.

Задачей изобретения является поэтому создание системы горелок ранее указанного типа, которая обеспечит значительное улучшение в отношении выброса и стабильности и которая, в то же время, может быть максимально просто и экономично изготовлена и смонтирована.

Поставленная задача решена, согласно изобретению, посредством того, что у такой системы горелок для камеры сгорания, в частности, камеры сгорания газовой турбины, для сжигания жидких горючих материалов, с основной горелкой и с центрально расположенной в ней контрольной горелкой, которая служит для воспламенения и/или стабилизации горения основной горелки, основная горелка, включающая в себя первый кольцевой воздушный канал для подачи воздуха для горения и первые топливные форсунки для впрыскивания горючего материала в первый кольцевой воздушный канал, контрольная горелка, включающая в себя второй кольцевой воздушный канал для подачи воздуха для горения и головку горелки со вторыми топливными форсунками для впрыскивания горючего материала во второй кольцевой воздушный канал, причём вторые топливные форсунки предусмотрены в виде выполненных с возможностью раздельного управления первой и второй ступеней подачи горючего материала, для подачи горючего материала к первым и вторым ступеням подачи горючего материала, изобретение предусматривает присоединяющуюся к головке горелки несущую трубу горелки со стенкой трубы, причём стенка трубы имеет, по меньшей мере, одно первое и одно второе, проходящие параллельно продольной оси несущей трубы горелки, глубокие отверстия для обеспечения подачи горючего материала на первую и вторую ступени подачи горючего материала.

Благодаря этому, улучшаются характеристики выброса и стабилизации системы горелок и можно отказаться от сравнительно сложной и дорогостоящей конструкции «труба-в-трубе» с компенсатором.

В целесообразном варианте первое и второе глубокие отверстия расположены с различными радиусами относительно продольной оси несущей трубы горелки в стенке трубы, так что горючий материал может подаваться непосредственно через прямые отверстия соответствующей ступени подачи горючего материала. Изготовление таких отверстий сравнительно экономично.

В предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия входят каждое в соответствующий канал распределителя горючего материала ступени подачи горючего материала. Так, количество глубоких отверстий может быть меньше, чем количество топливных форсунок на каждую ступень подачи горючего материала.

Далее предпочтительным может являться, если несущая труба горелки имеет на своей оси проход для газа-носителя диффузанта, который также входит в головку горелки, так что возможен также и режим диффузионного горения.

В следующем предпочтительном варианте осуществления несущая труба горелки в направлении потока горючего материала на приёмной стороне головки горелки соединена с несущей пластиной, причём несущая пластина имеет кольцевой распределитель для горючего материала, от которого отводятся, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия.

При этом целесообразным является, если несущая пластина имеет присоединительные элементы для горючего материала, которые входят в кольцевой распределитель для горючего материала.

Из-за ограниченного доступного пространства предпочтительным является, если присоединение элемента для горючего материала осуществляется посредством ввинчивающегося соединительного элемента со сквозным отверстием и, в основном, с радиальными отверстиями в наружной резьбе, причём во ввинченном состоянии радиальные отверстия оказываются расположены на высоте кольцевого распределителя для горючего материала. Благодаря этому и при сравнительно близко расположенных под поверхностью несущей пластины кольцевых распределителях для горючего материала обеспечивается то обстоятельство, что ввинчивающийся соединительный элемент может быть ввинчен в несущую пластину достаточно глубоко, для формирования надёжного соединения.

Далее, в плане хорошего смешивания горючего материала и воздуха предпочтительным является, если первый кольцевой воздушный канал имеет первые вихревые лопасти, и первые топливные форсунки расположены в первых вихревых лопастях.

То же самое относится ко второму кольцевому воздушному каналу, который в предпочтительном варианте имеет вторые вихревые лопасти, причём вторые топливные форсунки расположены во вторых вихревых лопастях.

Изобретение в качестве примера поясняется более детально на основании чертежей, на которых схематично и не в масштабе представлено следующее:

фиг.1 - система горелок;

фиг.2 - известная контрольная горелка;

фиг.3 - расположенная по ходу деталь контрольной горелки с фиг.2;

фиг.4 - расположенная на приёмной стороне деталь контрольной горелки с фиг.2;

фиг.5 - система горелок в соответствии с изобретением, в разрезе, с изображением внутреннего канала;

фиг.6 - система горелок в соответствии с изобретением, в разрезе, с изображением внешнего канала;

фиг.7 - вид сбоку на расположенный по ходу конец несущей трубы горелки системы горелок;

фиг.8 - в разрезе несущая пластина и внешний канал несущей трубы горелки;

фиг.9 - в разрезе несущая пластина и присоединительный элемент для внешнего канала, а также внутренний канал несущей трубы горелки;

фиг.10 - вид сбоку несущей пластины с присоединительным элементом для внутреннего канала, в разрезе;

фиг.11 - ввинчивающийся соединитель со сквозным отверстием и радиальными отверстиями в наружной резьбе, на виде сверху;

фиг.12 - ввинчивающийся соединитель со сквозным отверстием и радиальными отверстиями в наружной резьбе, в разрезе;

фиг.13 - детальное изображение головки горелки с переходом к несущей трубе горелки;

фиг.14 - вид с наклоном приёмной стороны головки горелки.

Фиг.1 схематично и в качестве примера демонстрирует в разрезе часть системы 1 горелок в соответствии с изобретением. Система 1 горелок располагается, в основном, радиально-симметрично вокруг продольной оси 13 и включает в себя основную горелку 2, а также центрально расположенную в ней контрольную горелку 3, которая служит для воспламенения и/или стабилизации горения основной горелки 2.

Основная горелка 2 включает в себя первый кольцевой воздушный канал 4 для подачи воздуха для горения и первые топливные форсунки 5 для впрыскивания горючего материала в первый кольцевой воздушный канал 4. Контрольная горелка 3 включает в себя второй кольцевой воздушный канал 6 для подачи воздуха для горения и вторые топливные форсунки 8 для впрыскивания горючего материала во второй кольцевой воздушный канал 6.

Вторые топливные форсунки 8 предусмотрены как первая и вторая ступени 9, 10 подачи горючего материала, причём каждая ступень 9, 10 подачи горючего материала имеет собственную систему подачу горючего материала.

В системе 1 горелок с фиг.1 первый кольцевой воздушный канал 4 имеет первые вихревые лопасти 30, в которых расположены первые топливные форсунки 5.

Далее в системе 1 горелок с фиг.1 второй кольцевой воздушный канал 6 имеет вторые вихревые лопасти 31. Во вторых вихревых лопастях 31 расположены вторые топливные форсунки 8, которые, как уже изложено выше, подразделяются на первую и вторую ступени 9, 10 подачи горючего материала.

Фиг.2 демонстрирует известную контрольную горелку 32 с центральным проходом 20 для газа-носителя диффузанта, в котором располагается труба 33, причём между внутренней стенкой 34 прохода 20 для газа-носителя диффузанта и внешней стенкой 35 трубы образован кольцевой канал 36 для подачи горючего материала ко второй ступени 10 подачи горючего материала. Эта конструкция «труба-в-трубе» уравновешивается посредством компенсатора 37.

Фиг.3 демонстрирует расположенную по ходу деталь контрольной горелки 3 с фиг.2, в частности, головку 7 контрольной горелки с системой подачи горючего материала для первой и второй ступеней 9, 10 подачи горючего материала.

Фиг.4 демонстрирует расположенную против хода деталь контрольной горелки 3 с фиг.2, в частности, компенсатор 37 конструкции «труба-в-трубе».

На фиг.5 и 6 контрольная горелка 3 в соответствии с изобретением представлена в различных плоскостях разреза. На фиг.5 разрез проходит через вторые глубокие отверстия 15, которые представляют собой внутренний канал 38, на фиг.6 соответствующий вид представлен с первыми глубокими отверстиями 14 для внешнего канала 39. Можно видеть, что первое и второе глубокие отверстия 14, 15 расположены в стенке 12 трубы с различными радиусами 16, 17 относительно продольной оси 13 несущей трубы 11 горелки. Фиг.5 и 6 демонстрируют также, что, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия 14, 15 входят в соответствующий разделительный канал 18, 19 ступени 9, 10 подачи горючего материала.

Фиг.7 демонстрирует вид сбоку на расположенный по ходу конец несущей трубы 11 системы 1 горелок. Можно видеть концы первого и второго глубоких отверстий 14, 15 внутреннего и внешнего каналов 38, 39.

Фиг.8, 9 и 10 демонстрируют в разрезе частичные виды в зоне несущей пластины 21 контрольной горелки 3.

В частности, фиг.8 демонстрирует в разрезе несущую пластину 21 с первым и вторым кольцевыми распределителями 22, 23 для горючего материала, а также образованный посредством глубоких отверстий 14 внешний канал 39 в стенке 12 несущей трубы 11 горелки.

Фиг.9 демонстрирует в разрезе несущую пластину 21 с первым и вторым кольцевыми распределителями 22, 23 для горючего материала, а также образованный посредством глубоких отверстий 15 внутренний канал 38 в стенке 12 несущей трубы 11 горелки. Далее фиг.9 демонстрирует в разрезе первый присоединительный элемент 24 для горючего материала к первому кольцевому распределителю 22 для горючего материала для внешнего канала 39.

Фиг.10 демонстрирует в разрезе несущую пластину 21 со вторым присоединительным элементом 25 для горючего материала ко второму кольцевому распределителю 23 для горючего материала для внутреннего канала 38. При этом на фиг.10 можно видеть, что второй кольцевой распределитель 23 для горючего материала для внутреннего канала 38 располагается относительно близко под поверхностью несущей пластины 21. Для обеспечения механически надёжной подачи горючего материала, присоединительный элемент 25 для горючего материала реализован через ввинчивающийся соединитель 26 со сквозным отверстием 27 и, в основном, радиальными отверстиями 28 в наружной резьбе 29. Фиг.11 и 12 демонстрируют такой ввинчивающийся соединитель 26 на виде сверху и в разрезе.

Фиг.13 демонстрирует частичный вид головки 7 горелки с переходом к несущей трубе 11 горелки. Головка 7 горелки, которая представлена на фиг.14 на виде с наклоном, та же самая, что и на фиг.3. В соответствии с изобретением изменена лишь несущая труба 11 горелки.

Изобретение относится к области энергетики. Система горелок для камеры сгорания, в частности, камеры сгорания газовой турбины, для сжигания жидких горючих материалов, с основной горелкой и с центрально расположенной в ней контрольной горелкой, которая служит для воспламенения и/или стабилизации горения основной горелки; основная горелка включает в себя первый кольцевой воздушный канал для подачи воздуха для горения и первые топливные форсунки для впрыскивания горючего материала в первый кольцевой воздушный канал, контрольная горелка включает в себя второй кольцевой воздушный канал для подачи воздуха для горения и головку горелки со вторыми топливными форсунками для впрыскивания горючего материала во второй кольцевой воздушный канал, причём вторые топливные форсунки предусмотрены в виде выполненных с возможностью раздельного управления первой и второй ступеней подачи горючего материала. Для подачи горючего материала к первым и вторым ступеням подачи горючего материала предусмотрена присоединенная к головке горелки несущая труба горелки со стенкой трубы, причем стенка трубы параллельно продольной оси несущей трубы горелки имеет, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия для снабжения горючим материалом первой и второй ступеней подачи горючего материала. Изобретение позволяет снизить выброс вредных веществ, обеспечить простоту и экономичность изготовления. 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система (1) горелок для камеры сгорания, в частности камеры сгорания газовой турбины, для сжигания жидких горючих материалов, с основной горелкой (2) и с центрально расположенной в ней контрольной горелкой (3), которая служит для воспламенения и/или стабилизации горения основной горелки (2); основная горелка (2) включает в себя первый кольцевой воздушный канал (4) для подачи воздуха для горения и первые топливные форсунки (5) для впрыскивания горючего материала в первый кольцевой воздушный канал (4), контрольная горелка (3) включает в себя второй кольцевой воздушный канал (6) для подачи воздуха для горения и головку (7) горелки со вторыми топливными форсунками (8) для впрыскивания горючего материала во второй кольцевой воздушный канал (6), причём вторые топливные форсунки (8) предусмотрены в виде выполненных с возможностью раздельного управления первой и второй ступеней (9, 10) подачи горючего материала, отличающаяся тем, что для подачи горючего материала к первым и вторым ступеням (9, 10) подачи горючего материала предусмотрена присоединенная к головке (7) горелки несущая труба (11) горелки со стенкой (12) трубы, причем стенка (12) трубы параллельно продольной оси (13) несущей трубы (11) горелки имеет, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия (14, 15) для снабжения горючим материалом первой и второй ступеней (9, 10) подачи горючего материала.

2. Система горелок по п.1, отличающаяся тем, что первое и второе глубокие отверстия (14, 15) расположены с различными радиусами (16, 17) относительно продольной оси (13) несущей трубы (11) горелки в стенке (12) трубы.

3. Система горелок по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия (14, 15) входят в соответствующий канал (18, 19) распределителя горючего материала ступени (9, 10) подачи горючего материала.

4. Система горелок по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что несущая труба (11) горелки имеет на своей оси (13) проход (20) для газа-носителя диффузанта, который также вводится в головку (7) горелки.

5. Система горелок по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что несущая труба (11) горелки в направлении потока горючего материала на приёмной стороне головки (7) горелки соединена с несущей пластиной (21), причём несущая пластина (21) имеет кольцевой распределитель (22, 23) для горючего материала, от которого отводятся, по меньшей мере, одно первое и одно второе глубокие отверстия (14, 15).

6. Система горелок по п.5, отличающаяся тем, что несущая пластина (21) имеет присоединительные элементы (24, 25) для горючего материала, которые входят в кольцевой распределитель (22, 23) для горючего материала.

7. Система горелок по п.6, отличающаяся тем, что присоединение элемента (25) для горючего материала осуществляется посредством ввинчивающегося соединительного элемента (26) со сквозным отверстием (27) и, в основном, с радиальными отверстиями (28) в наружной резьбе (29), причём во ввинченном состоянии радиальные отверстия (28) располагаются на высоте кольцевого распределителя (23) для горючего материала.

8. Система горелок по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что первый кольцевой воздушный канал (4) имеет первые вихревые лопасти (30) и первые топливные форсунки (5) расположены в первых вихревых лопастях (30).

9. Система горелок по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что второй кольцевой воздушный канал (6) имеет вторые вихревые лопасти (31), а вторые топливные форсунки (8) расположены во вторых вихревых лопастях (31).