ТРУБЧАТЫЙ ИНЖЕКТОР ДЛЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2019 года по МПК F23R3/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к трубчатому инжектору для впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, газовые турбины, особенно если используются на заводах по выработке электроэнергии, могут питаться различными типам топлива. В частности, известно, что газообразные топлива различной природы и характеристик (природный газ, синтез-газ) или топливные масла, такие как дизельное топливо, могут быть введены в газовые турбины. Поэтому газовые турбины снабжены горелками, содержащими инжекторы, обычно трубчатого типа, специально разработанными для введения регулируемого потока топлива.

Трубчатые инжекторы, в общем, содержат множество соосных цилиндрических тел, на одном конце которых установлен наконечник, снабженный форсункой. Цилиндрические тела образуют между ними по меньшей мере одну подающую линию между впускным отверстием и форсункой, и возвратную линию, позволяющую вернуть излишек топлива, поданный к форсунке. Возможно, линия для подачи охлаждающей воды или воздуха также может быть обеспечена.

Общий недостаток трубчатых инжекторов состоит в различиях теплового расширения компонентов при использовании, особенно цилиндрических тел. Тепловое напряжение фактически является значительным вследствие высоких температур в камере сгорания (то есть вблизи наконечника и форсунки). Следовательно, тепловое расширение является не только важным, но также значительно отличается от одного компонента к другому, вследствие различий в геометрии и воздействии высоких температур в камере сгорания и охлаждающего воздуха, вводимого снаружи, или рабочей текучей среды.

В свою очередь, различные расширения образуют интенсивное механическое напряжение и могут вызвать повреждение компонентов, ухудшение соединения и в целом выход из строя. Частой неисправностью, вызванной ухудшением соединения, является частичное или полное закупоривании топливного канала между выпускным отверстием трубопровода, форсункой и впускным отверстием возвратной линии. В этих случаях, расчетное количество топлива не может быть введено надлежащим образом, приводя к отрицательному влиянию, например, на КПД машины и на выбросы загрязняющих веществ. В некоторых случаях, завод должен быть остановлен для замены поврежденных инжекторов.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следовательно, объектом настоящего изобретения является обеспечение трубчатого инжектора для впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины, который может преодолеть описанные ограничения.

Настоящее изобретение обеспечивает трубчатый инжектор для впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины по п. 1.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые изображают некоторые примеры неограничивающих вариантов выполнения, на которых:

Фиг. 1 - вид сбоку в сечении вдоль осевой продольной плоскости, причем части удалены для ясности, горелки газовой турбины, содержащей трубчатый инжектор согласно варианту выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 2 - увеличенная деталь трубчатого инжектора с Фиг. 1;

Фиг. 3 - дополнительная увеличенная деталь трубчатого инжектора с Фиг. 1; и

Фиг. 4 - вариант детали с Фиг. 2 согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения.

НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1, ссылочная позиция 1 обозначает весь блок горелки для впрыска топлива, в частности газа, в камеру 2 сгорания газовой турбины, показанной только частично. Блок 1 горелки проходит вдоль оси A и содержит периферическую газовую основную горелку 3, центральную газовую пусковую горелку 4 и трубчатый инжектор 5 для введения топливного масла в камеру 2 сгорания.

Основная горелка 3 является горелкой предварительного смешивания, расположена вокруг пусковой горелки 4 и снабжена завихрителем 7, который содержит множество лопастей 10, определяющих соответствующие каналы для переноса, наклонно относительно оси A, потока воздуха для горения и топливного газа по направлению к камере 2 сгорания. В одном варианте выполнения, топливный газ подается посредством форсунок 11, расположенных на лопастях 10.

Пусковая горелка 4 соосна с основной горелкой 3 и снабжена осевым завихрителем 8, который содержит множество лопастей 12, определяющих соответствующие каналы для переноса, по существу вдоль оси A, дополнительного потока воздуха для горения по направлению к камере 2 сгорания.

Трубчатый инжектор 5 проходит вдоль оси A, и один его конец вставлен в пусковую горелку 4.

Трубчатый инжектор 5 содержит внутренний цилиндрический корпус 15, промежуточный цилиндрический корпус 16, внешний цилиндрический корпус 17, наконечник 18 и форсунку 20. Более того, трубчатый инжектор 5 снабжен фланцами 21, 22.

Внутренний цилиндрический корпус 15, промежуточный цилиндрический корпус 16 и внешний цилиндрический корпус 17 продолжаются концентрически вдоль оси A и образуют первую линию 23 для текучей среды, вторую линию 24 для текучей среды и третью линию 25 для текучей среды. Более подробно, первая линия 23 для текучей среды образована в зазоре между внутренним цилиндрическим корпусом 15 и промежуточным цилиндрическим корпусом 16 и позволяет чередующуюся подачу потока охлаждающего воздуха вдоль трубчатого инжектора 5 или потока топливного масла к форсунке 20, таким образом работая в качестве линии подачи. Вторая линия 24 для текучей среды образована во внутреннем цилиндрическом корпусе 15 и позволяет возвращать излишек топливного масла, поданного к форсунке 20, и повторного вводить его в коллектор (не показан), таким образом работая в качестве возвратной линии. Третья линия 25 для текучей среды образована в зазоре между промежуточным цилиндрическим корпусом 16 и внешним цилиндрическим корпусом 17 и может подавать различные типы топлива, например, газ, или инертную текучую среду, такую как вода.

Форсунка 20 соединена с внутренним цилиндрическим корпусом 15, промежуточным цилиндрическим корпусом 16 и внешним цилиндрическим корпусом 17 при помощи наконечника 18. Например, форсунка 20 установлена на концах 15a, 16a внутреннего цилиндрического корпуса 15 и промежуточного цилиндрического корпуса 16 посредством резьбового или напряженного шпоночного соединения. Наконечник 18 установлен на одном конце 17a внешнего цилиндрического корпуса 17 и соединен с ним посредством резьбового соединения или, при необходимости, посредством напряженного шпоночного соединения. Форсунка 20 и наконечник 18 соединены по посадке, и форсунка 20 выступает в осевом направлении наружу относительно наконечника 18.

Со ссылкой также на Фиг. 2, фланец 21 проходит вокруг оси A и имеет сквозную осевую полость 29 и радиальные каналы 27, 28 для текучей среды (Фиг. 1), соответственно сообщающиеся с первой линией 23 для текучей среды и третьей линией 25 для текучей среды.

Осевая полость 29 вмещает один конец 15b внутреннего цилиндрического корпуса 15, который проходит за край промежуточного цилиндрического корпуса 16 и вставлен в направляющую втулку 30. Направляющая втулка 30 зажата между фланцем 21 и фланцем 22 и установлена на внутренний цилиндрический корпус 15. Следовательно, направляющая втулка 30 поддерживает внутренний цилиндрический корпус 15 в центральном положении на оси A и позволяет ему скользить в осевом направлении, в частности в результате теплового расширения и последующего сжатия участка, ближайшего к камере 2 сгорания. Более того, направляющая втулка 30 обеспечивает непроницаемое для текучей среды уплотнение по боковой стенке внутреннего цилиндрического корпуса 15, чтобы предотвратить утечку топливного масла, как описано более подробно ниже.

Фланец 22 соединен с фланцем 21 и имеет осевую полость 31, которая образует посадочный элемент для элемента сжатия и вмещает упругое устройство 32 сжатия, взаимодействующее с внутренним цилиндрическим корпусом 15 для поглощения и компенсации воздействий теплового расширения и сжатия.

Устройство 32 содержит упругий толкающий элемент 33 сжатия, соединенный с концом 15b внутреннего цилиндрического корпуса 15, и пакет тарельчатых шайб 35, взаимодействующих с толкающим элементом 33 и посадочным элементом для элемента сжатия, образованным в осевой полости 31 фланца 22. Толкающий элемент 33 является полым в осевом направлении и, в одном варианте выполнения, содержит цилиндрический корпус 33a, упирающийся в конец 15b внутреннего цилиндрического корпуса 15 и снабженный пластиной 33b для его соединения с тарельчатыми шайбами 35, которые помещены в посадочный элемент для элемента сжатия осевой полости 31. Толкающий элемент 33 сообщает по текучей среде внутренний цилиндрический корпус 15 с подающим каналом (не показан).

Со ссылкой на Фиг. 2 и 3, непроницаемое для текучей среды уплотнение между поверхностью внутреннего цилиндрического корпуса 15 и направляющей втулкой 30 обеспечено посредством уплотняющих элементов 37. Более подробно, уплотняющие элементы 37 включают в себя по меньшей мере два уплотнительных кольца 38, которые, в одном варианте выполнения, выполнены заодно с внутренним цилиндрическим корпусом 15. Уплотнительные кольца 38 образуют только точки контакта между внутренним цилиндрическим корпусом 15 и направляющей втулкой 30. Тогда внутренний цилиндрический корпус 15 и направляющая втулка 30 отделены кольцевым зазором 40 за исключением мест установки уплотнительных колец 38.

Уплотнительные кольца 38 имеют радиально скругленный внешний профиль, например, имеющий круглое сечение с радиусом R1, лежащим между 0,5 мм и 4 мм, как показано на Фиг. 3. Таким образом, контакт между внутренним цилиндрическим корпусом 15 и направляющей втулкой 30 ограничен вершинами уплотнительных колец 38, но достаточен для предотвращения утечки текучей среды.

Уплотнительные кольца 38 радиально выступают из боковой поверхности внутреннего цилиндрического корпуса 15, и их радиальная толщина T лежит между 10% и 25% радиуса R2 боковой поверхности внутреннего цилиндрического корпуса 15. Например, радиальная толщина T уплотнительных колец 38 лежит между 0,5 мм и 1,5 мм.

В осевом направлении уплотнительные кольца 38 отстоят друг от друга на расстоянии D, лежащем между 2 мм и 5 мм.

В другом варианте выполнения, показанном на Фиг. 4, уплотняющие элементы 137, в частности содержащие по меньшей мере два уплотнительных кольца 138, имеются между внутренним цилиндрическим корпусом и направляющей втулкой, обозначенными здесь 115 и 130 соответственно. Тогда внутренний цилиндрический корпус 115 и направляющая втулка 130 отделены кольцевым зазором 140 за исключением мест установки уплотнительных колец 138.

Уплотнительные кольца 138 выполнены заодно с направляющей втулкой 130 и радиально выступают по направлению к внутреннему цилиндрическому корпусу 115.

Уплотнительные кольца 138 имеют радиально скругленный внутренний профиль, так чтобы контакт между внутренним цилиндрическим корпусом 115 и направляющей втулкой 130 был ограничен вершинами уплотнительных колец 138, но был достаточен для предотвращения утечки текучей среды.

Как уже было указано, тепловые напряжения, возникающие во время обычного режима работы, могут вызвать серьезные проблемы в трубчатых инжекторах известного типа. В частности, нередко наблюдается ухудшение соединения наконечника и форсунки, что в свою очередь может вызвать частичное или полное закупоривание внутренних каналов для текучей среды инжекторов.

В результате происходит снижение КПД машины, нарушение контроля за условиями и выбросами при горении и, в серьезных случаях, выход из строя машины.

Однако испытания, проведенные Заявителем, показали, что причины ухудшения соединения не обязательно должны объясняться главным образом напряжением, вызванным тепловым расширением цилиндрических тел в области наконечника и форсунки, имеющим видимые повреждения. Результаты испытаний скорее демонстрируют то, что ухудшения соединений в общем вызваны нарушенным относительным скольжением между цилиндрическими телами, в частности внутренним цилиндрическим корпусом и промежуточным цилиндрическим корпусом, когда изменения режимов работы определяют тепловое расширение и последующее сжатие. Более конкретно, Заявитель выявил основную причину ухудшения соединения между внутренним цилиндрическим корпусом и направляющей втулкой, следовательно, на противоположном конце цилиндрических тел по отношению к наконечнику и к форсунке, имеющим повреждение. Например, одно из явлений, наблюдаемых при многократных термических циклах во время испытаний, состоит в изгибе цилиндрических тел, которое не совместимо со скользящим соединением с минимальным зазором между внутренним цилиндрическим корпусом и направляющей втулкой.

Следовательно, было разработано описанное плотное соединение между внутренним цилиндрическим корпусом и направляющей втулкой. В частности, описанное соединение ограничивает точки контакта между внутренним цилиндрическим корпусом и направляющей втулкой вершинами уплотнительных колец, в то время как в остальных местах внутренний цилиндрический корпус и направляющая втулка отделены кольцевым зазором.

Контакт, ограниченный вершинами уплотнительных колец, и больший доступный зазор позволяют некоторое смещение конца внутреннего цилиндрического корпуса относительно направляющей втулки без нарушения герметизирующей функции, и, следовательно, исключая любую утечку. Таким образом описанное решение способствует относительному осевому скольжению между внутренним цилиндрическим корпусом и промежуточным цилиндрическим корпусом и исключает какое-либо заклинивание. Следовательно, напряжение на наконечнике и на форсунке вследствие теплового расширения уменьшается, и возможное повреждение значительно ограничивается, в особенности в части ухудшения соединения.

Наконец, очевидно, что описанный трубчатый инжектор может иметь модификации и изменения без отступления от объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

В частности, линии для текучей среды могут быть использованы для введения одного или более жидкообразного или газообразного топлив или охлаждающей текучей среды, например, воздуха или воды.

Кроме того, одно из цилиндрических тел, в частности одно между промежуточным цилиндрическим корпусом и внешним цилиндрическим корпусом, может быть исключено.

Трубчатый инжектор для впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины содержит: соосные первый цилиндрический корпус и второй цилиндрический корпус; форсунку, соединенную с соответствующими первыми концами первого цилиндрического корпуса и второго цилиндрического корпуса; направляющую втулку, установленную на первый цилиндрический корпус, для того чтобы позволять относительное осевое скольжение первого цилиндрического корпуса относительно второго цилиндрического корпуса вследствие расширения и сжатия; и уплотняющие элементы между первым цилиндрическим корпусом и направляющей втулкой. Уплотняющие элементы образованы по меньшей мере двумя уплотнительными кольцами, и первый цилиндрический корпус и направляющая втулка отделены кольцевым зазором за исключением мест расположения уплотнительных колец. Также представлена горелка газовой турбины, содержащая трубчатый инжектор. Изобретение позволяет предотвратить закупоривание внутренних каналов для текучей среды инжекторов, в результате чего повышается КПД машины, а также снижаются выбросы загрязняющих веществ. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Трубчатый инжектор для впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащий:

первый цилиндрический корпус (15; 115) и второй цилиндрический корпус (16; 116), причем первый цилиндрический корпус (15; 115) расположен соосно внутри второго цилиндрического корпуса (16; 116);

форсунку (20), соединенную с соответствующими первыми концами (15a, 16a) первого цилиндрического корпуса (15; 115) и второго цилиндрического корпуса (16; 116);

направляющую втулку (30; 130), установленную на первый цилиндрический корпус (15; 115), для обеспечения скольжения в осевом направлении первого цилиндрического корпуса (15; 115) относительно второго цилиндрического корпуса (16; 116) в результате теплового расширения и сжатия; и

уплотняющие элементы (27; 127) между первым цилиндрическим корпусом (15; 115) и направляющей втулкой (30; 130);

при этом уплотняющие элементы образованы по меньшей мере двумя уплотнительными кольцами (38; 138) и первый цилиндрический корпус (15; 115) и направляющая втулка (30; 130) отделены кольцевым зазором за исключением мест установки уплотнительных колец (38; 138).

2. Инжектор по п.1, в котором уплотнительные кольца (38) выполнены заодно с первым цилиндрическим корпусом (15).

3. Инжектор по п.1, в котором уплотнительные кольца (138) выполнены за одно целое с направляющей втулкой (130).

4. Инжектор по п.1, в котором уплотнительные участки уплотнительных колец (38; 138) имеют круглый профиль.

5. Инжектор по п.4, в котором уплотнительные участки уплотнительных колец (38; 138) имеют круглое сечение с радиусом (R1), находящимся в диапазоне от 0,5 мм до 4 мм.

6. Инжектор по п.1, в котором уплотнительные кольца (38; 138) имеют радиальную толщину (Т), находящуюся в диапазоне от 10% до 25% радиуса (R2) боковой поверхности первого цилиндрического корпуса (15; 115).

7. Инжектор по п.1, в котором уплотнительные кольца (38; 138) имеют радиальную толщину (Т), находящуюся в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм.

8. Инжектор по п.1, в котором уплотнительные кольца (38; 138) отстоят друг от друга на расстоянии (D), находящемся в диапазоне от 2 мм до 5 мм.

9. Инжектор по п.1, содержащий упругое устройство (32) сжатия, которое нагружается под действием теплового расширения первого цилиндрического корпуса (15) и высвобождает энергию первому цилиндрическому корпусу (15) под действием теплового сжатия первого цилиндрического корпуса (15).

10. Инжектор по п.9, в котором упругое устройство (32) сжатия содержит толкающий элемент (33), соединенный со вторым концом первого цилиндрического корпуса (15), и пакет тарельчатых шайб, взаимодействующих с толкающим элементом и посадочным элементом для элемента сжатия.

11. Инжектор по п.1, содержащий первую линию (23) для текучей среды, образованную между первым цилиндрическим корпусом (15) и вторым цилиндрическим корпусом (16), и вторую линию (24) для текучей среды, образованную внутри первого цилиндрического корпуса (15).

12. Горелка газовой турбины, содержащая трубчатый инжектор (5) по п.1.