СЖИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2021 года по МПК F23R3/28 

Область техники

Настоящее изобретение относится к сжигающему устройству газотурбинной установки.

Уровень техники

На тепловых электростанциях требуется улучшение эффективности генерации энергии для уменьшения выбросов двуокиси углерода (CO₂), являющихся причиной глобального потепления. Эффективным средством для улучшения эффективности генерации энергии газотурбинной электростанции является нагрев газообразного продукта горения, генерируемого в сжигающем устройстве газотурбинной установки, до высокой температуры. Однако, нагрев газообразного продукта горения до высокой температуры сопровождается технической проблемой, связанной с подавлением выбросов оксидов азота (NOx) как загрязняющих веществ.

Обычно методы сжигания в сжигающих устройствах газотурбинных установок условно подразделяются на диффузионное горение и горение предварительно приготовленной смеси.

При диффузионном горении топливо напрямую впрыскивают в камеру сгорания и затем смешивают с воздухом в камере сгорания. Поэтому обратный удар пламени в направлении вверх по потоку камеры сгорания и самовоспламенение в каналах подачи топлива менее вероятны. Таким образом, диффузионное горение обеспечивает хорошую стабильность горения. С другой стороны, при диффузионном горении, так как пламя образуется в областях, где воздух смешивается с топливом в соотношении, требуемом для полного сгорания топлива (стехиометрическое соотношение компонентов смеси), локально генерируется высокотемпературное пламя. Так как в локальных высокотемпературных областях генерируется большое количество NOx, необходимо уменьшать выбросы NOx путем впрыскивания инертной среды, такой как вода, пар или азот. Это требует мощности для вспомогательной машины, которая подает инертную среду, что ведет к ухудшению эффективности генерации энергии.

При горении предварительно приготовленной смеси, топливо и воздух предварительно смешивают друг с другом и затем подают в камеру сгорания, и выбросы NOx будут небольшими, так как топливо может сжигаться в обедненной смеси. С другой стороны, при нагреве газообразного продукта горения до высокой температуры, если температура воздуха для горения повышается и концентрация топлива в устройстве для предварительного смешения увеличивается, то увеличивается риск обратного удара пламени в направлении вверх по потоку камеры сгорания. Это заставляет беспокоиться о повреждениях, вызываемых обратным ударом пламени на конструкцию сжигающего устройства.

В связи с этим существует известное сжигающее устройство для сжигания обедненной смеси, направленное на уменьшение выбросов NOx и предотвращение обратного удара пламени путем увеличения диспергирования топлива и предотвращения локального образования высокотемпературного пламени (см. публикацию JP 2003-148734 A и др.). Сжигающее устройство для сжигания обедненной смеси включает в себя, например, пластину с воздушными отверстиями, имеющую множество воздушных отверстий, и множество топливных форсунок, и топливо впрыскивают из каждой топливной форсунки в направлении соответствующего воздушного отверстия, и коаксиальные струи, включающие в себя поток топлива и поток воздуха, окружающий поток топлива, подаются в камеру сгорания. Этот тип сжигающего устройства включает в себя устройство сжигания, имеющее конфигурацию, в которой сужающие отверстия обеспечены на промежуточных участках каналов потока топлива в топливных форсунках для регулирования расхода топлива и уменьшения отклонений (см. публикацию JP 2016-035336 A).

Существует проблема в сжигающих устройствах для сжигания обедненной смеси, описанных в JP 2003-148734 A и JP 2016-035336 A, в отношении подавления колебаний горения. Колебания горения представляют собой тип резонанса, который возникает из-за интерференции между колебаниями тепловыделения пламени и колебаниями давления в камере сгорания. Возникновение этих колебаний горения иногда сопровождается возникновением колебаний давления большой амплитуды на определенной частоте, и это вызывает опасения в отношении возникновения трещин и повреждений в конструкции газотурбинной установки, что ухудшает надежность конструкции.

Целью настоящего изобретения является создание сжигающего устройства газотурбинной установки для сжигания обедненной смеси, которое может подавить возникновение колебаний давления и улучшить надежность конструкции.

Сущность изобретения

Для достижения описанной выше цели настоящее изобретение предлагает сжигающее устройство газотурбинной установки, включающее в себя: цилиндрическую жаровую трубу, образующую камеру сгорания; и горелку, включающую в себя пластину с воздушными отверстиями, которая расположена на впуске жаровой трубы и имеет множество воздушных отверстий для направления сжатого воздуха в камеру сгорания, и множество топливных форсунок, которые расположены на стороне, противоположной камере сгорания, с пластиной с воздушными отверстиями, расположенной между ними, причем каждая из множества топливных форсунок впрыскивает топливо в направлении соответствующего воздушного отверстия, причем воздушные отверстия и топливные форсунки образуют множество концентричных кольцевых линий. В сжигающем устройстве газотурбинной установки каждая из множества топливных форсунок включает в себя сужающее отверстие в канале потока топлива, и они сгруппированы в множество групп форсунок, и осевые позиции сужающих отверстий различаются между группами форсунок.

Согласно настоящему изобретению можно устранить возникновение колебаний горения в сжигающем устройстве для сжигания обедненной смеси и улучшить надежность конструкции.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематический вид, иллюстрирующий конфигурацию газотурбинной электростанции, включающей в себя сжигающее устройство газотурбинной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 - вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий конфигурацию основных частей горелки, обеспеченной в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, включающий в себя центральную ось горелки;

Фиг. 3 - рисунок, иллюстрирующий горелку, обеспеченную в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть со стороны камеры сгорания;

Фиг. 4 - рисунок, иллюстрирующий конструкцию обычной горелки;

Фиг. 5A-5F - рисунки для пояснения механизма возникновения колебаний горения;

Фиг. 6 - рисунок, иллюстрирующий распределение колебаний давления и распределение колебаний расхода топлива в камере сгорания обычной горелки;

Фиг. 7 - рисунок, иллюстрирующий распределение колебаний давления и распределение колебаний расхода топлива в камере сгорания горелки в соответствии с первым вариантом осуществления;

Фиг. 8 - вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий конфигурацию основных частей горелки, обеспеченной в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, включающий в себя центральную ось горелки;

Фиг. 9 - рисунок, иллюстрирующий горелку, обеспеченную в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть со стороны камеры сгорания;

Фиг. 10 - схематический вид, иллюстрирующий конфигурацию газотурбинной электростанции, включающей в себя сжигающее устройство газотурбинной установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 11 - рисунок, иллюстрирующий горелку, обеспеченную в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть со стороны камеры сгорания.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Далее, с использованием чертежей, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

Первый вариант осуществления

Газотурбинная электростанция

На фиг. 1 представлен схематический вид, иллюстрирующий конфигурацию газотурбинной электростанции, включающей в себя сжигающее устройство газотурбинной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2 представлен вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий конфигурацию основных частей горелки, обеспеченной в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, включающий в себя центральную ось горелки. На фиг. 3 представлен рисунок, иллюстрирующий горелку, обеспеченную в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть со стороны камеры сгорания.

Газотурбинная электростанция 1 включает в себя воздушный компрессор 2, сжигающее устройство 3 газотурбинной установки (в дальнейшем для краткости называемое как «сжигающее устройство»), турбину 4 и генератор 6. Воздушный компрессор 2 всасывает и сжимает воздух A1, и подает сжатый воздух A2 в сжигающее устройство 3. Сжигающее устройство 3 смешивает вместе сжатый воздух A2 и газообразное топливо F, сжигает смесь и генерирует газообразный продукт G1 горения. Турбина 4 приводится в действие газообразным продуктом G1 горения, генерируемым в сжигающем устройстве 3, и газообразный продукт G1 горения, который привел в действие турбину 4, выпускается как отработанный газ G2. Генератор 6 приводится в действие вращательной движущей силой турбины 4 и генерирует энергию. Следует отметить, что газотурбинная установка приводится в действие пусковым двигателем 7 только в начале пуска.

Сжигающее устройство газотурбинной установки

Сжигающее устройство 3 прикреплено к корпусу (не показано) газотурбинной установки и включает в себя жаровую трубу (внутренний цилиндр) 12, направляющий патрубок 10 потока газа (наружный цилиндр), горелку 8 и систему 200 подачи топлива. Жаровая труба 12 представляет собой цилиндрический элемент и образует внутри камеру 5 сгорания. Направляющий патрубок 10 потока газа представляет собой цилиндрический элемент, который имеет внутренний диаметр больше, чем диаметр жаровой трубы 12, и окружает внешнюю периферию жаровой трубы 12. Направляющий патрубок 10 потока газа образует цилиндрический канал 9 потока воздуха между ним и жаровой трубой 12. Концевой участок направляющего патрубка 10 потока газа на стороне, противоположной турбине 4, т.е. левой стороне на фиг. 1, закрыт концевой крышкой 13. Сжатый воздух A2 от воздушного компрессора 2 течет в направлении от турбины 4 через канал 9 потока воздуха, образованный на внешней периферии жаровой трубы 12 направляющим патрубком 10 потока газа, тем самым конвекционное охлаждение внешней периферийной поверхности жаровой трубы 12 осуществляется сжатым воздухом A2, текущим через канал 9 потока воздуха. Дополнительно, большое количество отверстий образованы через поверхность стенки жаровой трубы 12. Часть A3 сжатого воздуха A2, текущего через канал 9 потока воздуха, проходит через эти отверстия, чтобы течь в камеру 5 сгорания, и осуществляет пленочное охлаждение внутренней периферийной поверхности жаровой трубы 12. Далее, сжатый воздух A2, прошедший через канал 9 потока воздуха и достигнувший горелку 8, выбрасывается в виде струи в камеру 5 сгорания вместе с газообразным топливом F, подаваемым от системы 200 подачи топлива в горелку 8. В камере 5 сгорания смесь сжатого воздуха A2 и газообразного топлива F сгорает, генерируя газообразный продукт G1 горения. Газообразный продукт G1 горения подают в турбину 4 через переходную часть сжигающего устройства (не показано).

Как иллюстрируется на фиг. 1, только одна горелка 8 расположена на впуске жаровой трубы 12, т.е. открытой части на концевом участке на стороне, противоположной турбине 4, и включает в себя пластину 20 с воздушными отверстиями, топливные форсунки 21-23 и распределитель 24 топлива (топливный коллектор).

Пластина 20 с воздушными отверстиями представляет собой круглую пластину, коаксиальную с жаровой трубой 12, расположена на впуске жаровой трубы 12, т.е. открытой части на концевом участке на стороне, противоположной турбине 4. Пластина 20 с воздушными отверстиями включает в себя множество воздушных отверстий 51-53, которые направляют сжатый воздух A2 в камеру 5 сгорания. Множество воздушных отверстий 51-53 образуют множество концентричных кольцевых линий, центр которых располагается на центральной оси O жаровой трубы 12. Воздушные отверстия 51 принадлежат первой (самой внутренней) кольцевой линии, воздушные отверстия 52 принадлежат второй кольцевой линии и воздушные отверстия 53 принадлежат третьей (самой внешней) кольцевой линии. В рассматриваемом варианте осуществления воздушные отверстия 51-53 обеспечены под углами закручивания, и выпуск каждого отверстия смещен в направлении одной стороны в окружном направлении относительно впуска отверстия.

Топливные форсунки 21-23 поддерживаются распределителем 24 топлива и расположены на стороне, противоположной камере 5 сгорания, с пластиной 20 с воздушными отверстиями, расположенной между ними. Количество и позиции топливных форсунок 21-23 соответствуют количеству и позициям воздушных отверстий 51-53 (одна топливная форсунка соответствует одному воздушному отверстию), и топливные форсунки 21-23 образуют, вместе с воздушными отверстиями 51-53, множество концентричных кольцевых линий, центр которых расположен на центральной оси O жаровой трубы 12. Топливные форсунки 21 принадлежат первой (самой внутренней) кольцевой линии, топливные форсунки 22 принадлежат второй кольцевой линии и топливные форсунки 23 принадлежат третьей (самой внешней) кольцевой линии. Топливные форсунки 21-23 имеют отверстия для впрыска, которые открыты в направлении впусков соответствующих воздушных отверстий, и впрыскивают газообразное топливо F в направлении этих соответствующих воздушных отверстий, обеспечивая таким образом впрыскивание топлива из большого количества топливных форсунок в соответствующие воздушные отверстия, коаксиальные струи топлива и воздуха, в которых периферия потока топлива покрыта потоком воздуха, впрыскиваются диспергированным образом из каждого воздушного отверстия в камеру 5 сгорания.

Следует отметить, что из-за различий в окружности между кольцевыми линиями, наружные кольцевые линии имеют большее количество топливных форсунок и воздушных отверстий. А именно, количество топливных форсунок 21 и воздушных отверстий 51 в первой (самой внутренней) линии (шесть топливных форсунок 21 и шесть воздушных отверстий 51 в примере, иллюстрируемом на фиг. 3) меньше, чем количество топливных форсунок 22 и воздушных отверстий 52 во второй линии (двенадцать топливных форсунок 22 и двенадцать воздушных отверстий 52 в примере, иллюстрируемом на фиг. 3). Количество топливных форсунок 22 и воздушных отверстий 52 во второй линии меньше, чем количество топливных форсунок 23 и воздушных отверстий 53 в третьей (самой внешней) линии (восемнадцать топливных форсунок 23 и восемнадцать воздушных отверстий 53 в примере, иллюстрируемом на фиг. 3).

Распределитель 24 топлива представляет собой элемент, который подает топливо по отдельности в топливные форсунки 21-23, и включает в себя внутри множество топливных полостей 25 и 26. Топливные полости 25 и 26 представляют собой пространства, которые выполняют функцию подачи газообразного топлива F по отдельности в множество топливных форсунок, принадлежащих соответствующим кольцевым линиям. Топливная полость 25 образована таким образом, чтобы иметь столбчатую форму на центральной оси O жаровой трубы 12, а топливная полость 26 образована таким образом, чтобы иметь цилиндрическую форму, так что топливная полость 26 окружает внешнюю периферию топливной полости 25. В рассматриваемом варианте осуществления каждая топливная форсунка 21 соединена с топливной полостью 25, и каждая топливная форсунка 22 и 23 соединена с топливной полостью 26. Когда газообразное топливо F подают в топливную полость 25, газообразное топливо F распределяется для каждой топливной форсунки 21, расположенной в самой внутренней кольцевой линии, и затем выбрасывается в виде струи, и газообразное топливо F, выбрасываемое в виде струи из топливной форсунки 21, выбрасывается в виде струи вместе с сжатым воздухом A2 из каждого воздушного отверстия 51 в камеру 5 сгорания. Газообразное топливо F, подаваемое в топливную полость 26, распределяется для каждой топливной форсунки 22 и 23, расположенных во второй и третьей кольцевых линиях, и затем выбрасывается в виде струи, и газообразное топливо F, выбрасываемое в виде струи из топливной форсунки 22 и 23, выбрасывается в виде струи вместе с сжатым воздухом A2 из каждого воздушного отверстия 52 и 53 в камеру 5 сгорания.

Здесь, в рассматриваемом варианте осуществления множество топливных форсунок 21-23 включают в себя сужающие отверстия 71-73, соответственно, в их каналах потока топлива. Одна топливная форсунка включает в себя только одно сужающее отверстие. Топливные форсунки 21-23 (все топливные форсунки) сгруппированы в множество групп форсунок, и осевые позиции сужающих отверстий различаются между группами форсунок. В рассматриваемом варианте осуществления топливные форсунки, сгруппированные в одну группу форсунок, принадлежат одной кольцевой линии. Топливные форсунки 21 в самой внутренней линии принадлежат первой группе форсунок, топливные форсунки 22 во второй линии принадлежат второй группе форсунок и топливные форсунки 23 в третьей линии принадлежат третьей группе форсунок. Далее, сужающее отверстие 71 обеспечено для каждой топливной форсунки 21, сужающее отверстие 72 обеспечено для каждой топливной форсунки 22 и сужающее отверстие 73 обеспечено для каждой топливной форсунки 23. Следует отметить, что воздушные отверстия, изображенные без штриховки на фиг. 3 (воздушные отверстия 51 в рассматриваемом примере), соответствуют сужающим отверстиям 71. Воздушные отверстия, изображенные с помощью штриховки с наклоном вверх и вправо (воздушные отверстия 52 в рассматриваемом примере), соответствуют сужающим отверстиям 72, и воздушные отверстия, изображенные помощью штриховки с наклоном вниз и вправо (воздушные отверстия 53 в рассматриваемом примере), соответствуют сужающим отверстиям 73.

Сужающие отверстия 71-73 отличаются друг от друга по осевой позиции. Расстояние L2 от выпусков сужающих отверстий 72 до выпусков (отверстий для впрыска) топливных форсунок 22 больше, чем расстояние L1 от выпусков сужающих отверстий 71 до выпусков топливных форсунок 21. Расстояние L3 от сужающих отверстий 73 до выпусков топливных форсунок 23 все еще больше, чем расстояние L2 (L1<L2<L3). Осевые позиции выпусков топливных форсунок 21-23 являются одинаковыми, и сужающие отверстия 71, 72 и 73 расположены в этом порядке от стороны камеры 5 сгорания. В рассматриваемом варианте осуществления сужающие отверстия 71 расположены в позициях, которые находятся в середине топливных форсунок 21 в осевом направлении или ближе к камере 5 сгорания, чем середина, сужающие отверстия 73 расположены на впускных участках топливных форсунок 23, и сужающие отверстия 72 расположены в промежуточных осевых позициях между сужающими отверстиями 71 и 73. Однако следует отметить, что порядок от стороны камеры 5 сгорания может изменяться. Например, сужающие отверстия 73, 72 и 71 могут быть расположены в этом порядке от стороны камеры 5 сгорания, и они могут быть расположены в порядке сужающих отверстий 73, 71 и 72 от стороны камеры 5 сгорания.

Как было описано выше, в рассматриваемом варианте осуществления осевые позиции сужающих отверстий топливных форсунок, принадлежащих одной кольцевой линии, совпадают друг с другом, и топливо будет подаваться из одной и той же топливной полости во все топливные форсунки, имеющие сужающие отверстия в одинаковой позиции. Все топливные форсунки 21 включают в себя сужающие отверстия 71 в одинаковой позиции, и эти топливные форсунки 21 принимают подачу топлива из одной топливной камеры 25. Дополнительно, все топливные форсунки 22 включают в себя сужающие отверстия 72 в одинаковой позиции и принимают подачу топлива из одной топливной полости 26. Все топливные форсунки 23 включают в себя сужающие отверстия 73 в одинаковой позиции и принимают подачу топлива из топливной полости 26.

Дополнительно, в рассматриваемом варианте осуществления диаметры открытой части сужающих отверстий 71, принадлежащих самой внутренней кольцевой линии, выполнены больше, чем диаметры открытой части сужающих отверстий 73, принадлежащих самой внешней кольцевой линии. Диаметры открытой части сужающих отверстий 72, принадлежащих второй кольцевой линии, могут быть заданы в диапазоне от диаметров открытой части сужающих отверстий 71 до диаметров открытой части сужающих отверстий 73 включительно, и могут быть выполнены равными диаметрам открытой части сужающих отверстий 73 в рассматриваемом варианте осуществления. Следует отметить, что диаметры открытой части выпусков (отверстий для впрыска) топливных форсунок 21-23 больше, чем диаметры открытой части сужающих отверстий 71-73 таким образом, чтобы исключить увеличение потерь давления, которое в ином случае может быть вызвано дополнительным сужением потоков топлива, которые были сужены в сужающих отверстиях 71-73.

Система 200 подачи топлива включает в себя источник 56 подачи топлива, магистральный подающий трубопровод 57, ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59, топливный запорный клапан 60 и клапаны 61 и 62 регулирования подачи топлива. Магистральный подающий трубопровод 57 продолжается от источника 56 подачи топлива, и магистральный подающий трубопровод 57 разветвляется на два ответвляющихся трубопровода 58 и 59. Ответвляющийся трубопровод 58 соединен с топливной полостью 25, а ответвляющийся трубопровод 59 соединен с топливной полостью 26. Топливный запорный клапан 60 обеспечен на магистральном подающем трубопроводе 57, клапан 61 регулирования подачи топлива обеспечен на ответвляющемся трубопроводе 58 и клапан 62 регулирования подачи топлива обеспечен на ответвляющемся трубопроводе 59. Путем открытия топливного запорного клапана 60 газообразное топливо F начинает подаваться в ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59, и путем закрытия топливного запорного клапана 60 подача газообразного топлива F в ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59 прекращается. Клапаны 61 и 62 регулирования подачи топлива выполняют функцию управления расходом топлива, текущего через ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59, в соответствии с их открытием, и потоки топлива через ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59 также могут быть остановлены путем полного закрытия клапанов 61 и 62 регулирования подачи топлива. Например, путем открытия топливного запорного клапана 60 и увеличения открытия клапана 61 регулирования подачи топлива из полностью закрытого состояния, расход подачи топлива в топливную полость 25 увеличивается, и величина впрыска топлива из топливных форсунок 21 увеличивается, что в свою очередь увеличивает соотношение топливо-воздух коаксиальных струй, выбрасываемых из воздушных отверстий 51. Подобным образом, путем увеличения открытия клапана 62 регулирования подачи топлива из его полностью закрытого состояния, расход подачи топлива в топливную полость 26 увеличивается, и величина впрыска топлива из топливных форсунок 22 и 23 увеличивается, что в свою очередь увеличивает соотношение топливо-воздух коаксиальных струй, выбрасываемых из воздушных отверстий 52 и 53.

Следует отметить, что в качестве газообразного топлива F, подаваемого из источника 56 подачи топлива, кроме природного газа, который является обычным топливом для газотурбинной установки, могут использоваться нефтяной газ или газ, содержащий водород или окись углерода, такой как коксовый газ, отходящий газ, получаемый на нефтеперерабатывающих заводах, газ, получаемый из угля, или т.п.

Принцип возникновения колебаний горения

Конструкция обычной горелки иллюстрируется на фиг. 4. Для сравнения на этом чертеже иллюстрируется горелка, имеющая множество воздушных отверстий и топливных форсунок, расположенных на трех концентричных линиях, как в рассматриваемом варианте осуществления, и топливные форсунки на всех трех линиях имеют сужающие отверстия Z, которые обеспечены в них единообразно в одинаковой осевой позиции.

На фиг. 5A-5F представлены рисунки для пояснения механизма возникновения колебаний давления. Графики на фиг. 5A-5F иллюстрируют изменения во времени давления, перепада давления подачи топлива, расхода топлива и тепловыделения, которые наблюдались вблизи (область E на фиг. 4) выпусков кончиков топливных форсунок горелки или в камере сгорания (область C на фиг. 4) на стороне ниже по потоку от горелки. Было обнаружено в последние годы, что интерференция между колебаниями давления и колебаниями тепловыделения пламени в камере сгорания вызывает колебания горения за счет механизма, подобного иллюстрируемому в пунктах (a)-(f). Пояснения (a)-(f) соответствуют фиг. 5A-5F, соответственно.

(a) Возникают колебания (период колебаний определяется как T) давления Pc в области ниже по потоку от горелки в камере сгорания (область C).

(b) Подобно (a), давление Pe вблизи выпусков кончиков топливных форсунок (область E) колеблется в фазе с давлением Pc.

(c) Так как давление Ps топлива в распределителе топлива (области S на фиг. 4) является постоянным, перепад давления подачи топлива (Ps-Pe) колеблется в противофазе с давлениями Pc и Pe.

(d) Расход топлива, выбрасываемого в виде струи из топливных форсунок в область E, колеблется в фазе с перепадом давления подачи топлива (Ps-Pe), и соотношение топливо-воздух в области E (соотношение расхода топлива относительно воздуха) также колеблется в фазе.

(e) Расход топлива в области C колеблется с запаздыванием по фазе на время τ_conv переноса топлива из области E в область C относительно колебаний расхода топлива в области E, и соотношение топливо-воздух в области C также колеблется в этой же фазе.

(f) Смесь топлива и воздуха сгорает и выделяет тепло в области C, и тепловыделение пламени колеблется в фазе с соотношением топливо-воздух.

Происходит последовательность колебаний (a)-(f), и колебания давления (на фиг. 5A) и колебания тепловыделения (на фиг. 5F) находятся в фазе в области C, усиливая друг друга. В результате возникают колебания горения.

На фиг. 6 представлен рисунок, иллюстрирующий распределение колебаний давления и распределение колебаний расхода топлива в камере сгорания обычной горелки. На фиг. 6 распределение колебаний давления представлено максимальными/минимальными значениями амплитуды, которая колеблется в осевом направлении (вершины/впадины амплитуды колебаний), с помощью закрашенных полос. Дополнительно, на фиг. 6 представлено распределение колебаний расхода топлива максимальными/минимальными значениями амплитуды, которая колеблется в осевом направлении (вершины/впадины амплитуды колебаний), с помощью синусоидальных волн. Плоскости, проходящие через точки одинаковых фаз в распределении колебаний давления в камере сгорания, становятся параллельными поверхности горелки (пластины с воздушными отверстиями). Далее, так как сужающие отверстия Z топливных форсунок во всех трех линиях обеспечены в одинаковой осевой позиции в обычной горелке, плоскости, проходящие через точки одинаковой фазы в распределении расхода топлива, выбрасываемого в виде струи из топливных форсунок, также неизбежно становятся параллельными поверхности горелки. Это ведет к увеличению областей в камере сгорания, в которых колебания давления и колебания расхода топлива усиливают друг друга из-за совпадения фаз, и тем самым вероятно возникновение колебаний горения во всей области, расположенной ниже по потоку от трех линий воздушных отверстий.

Эффекты

(1) Согласно рассматриваемому варианту осуществления, так как осевые позиции сужающих отверстий различаются между группами форсунок, возникновение колебаний горения может быть подавлено даже в условиях частичной нагрузки. Принцип поясняется ниже.

На фиг. 7 представлен рисунок, иллюстрирующий распределение колебаний давления и распределение колебаний расхода топлива в камере сгорания горелки в соответствии с первым вариантом осуществления. Подобно фиг. 6, на фиг. 7 также показаны вершины/впадины амплитуды колебаний в распределении колебаний давления и в распределении колебаний расхода топлива с помощью закрашенных полос и синусоидальных волн, соответственно. Плоскости, проходящие через точки одинаковых фаз в распределении колебаний давления в камере сгорания, также становятся параллельными поверхности горелки в рассматриваемом варианте осуществления, как и в обычной горелке. В отличие от этого, в рассматриваемом варианте осуществления, так как осевые позиции сужающих отверстий выполнены разными между группами форсунок, плоскости, проходящие через точки одинаковой фазы в распределении колебаний расхода топлива, выбрасываемого в виде струи из топливных форсунок 21-23, наклонены относительно поверхности горелки. Это ограничивает области, где фазы колебаний давления и колебаний расхода топлива совпадают друг с другом, и тем самым менее вероятно возникновение колебаний горения во всей области, расположенной ниже по потоку от воздушных отверстий 51-53. Тем самым возникновение колебаний горения может быть подавлено, и надежность конструкции сжигающего устройства газотурбинной установки для сжигания обедненной смеси может быть улучшено.

Дополнительно, в рассматриваемом варианте осуществления потоки газообразного топлива F впрыскивают по отдельности из большого количества топливных форсунок 21-23, и каждый поток топлива индивидуально заставляют проходить через соответствующее одно из воздушных отверстий 51-53. Тем самым возможно обеспечить выброс каждого потока воздуха в камеру 5 сгорания в виде коаксиальных струй, окруженных сжатым воздухом A2. Тем самым диспергирование топлива может быть увеличено, чтобы уменьшить выбросы NOx.

В случае, когда газотурбинная установка в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления начинает работу, после того, как газообразное топливо F подается в топливные форсунки 21 в первой (самой внутренней) линии и воспламеняется, газообразное топливо F подается также в топливные форсунки 22 и 23 во второй и третьей линиях в условиях частичной нагрузки, и нагрузка повышается до состояния номинальной нагрузки. В сжигающем устройстве, которое работает таким образом, технические характеристики, такие как длины топливных форсунок и диаметры открытой части выпусков (отверстий для впрыска) топливных форсунок, часто задаются для каждой кольцевой линии. Соответственно, путем задания технических характеристик сужающих отверстий также для каждой кольцевой линии, то есть путем обеспечения форсунок, имеющих идентичные технические характеристики, идентичными сужающимися отверстиями, количество типов топливных форсунок, подлежащих изготовлению, может быть уменьшено, и это способствует уменьшения стоимости изготовления топливных форсунок.

С этой точки зрения, так как осевые позиции сужающих отверстий топливных форсунок, принадлежащих одной кольцевой линии, совпадают друг с другом в рассматриваемом варианте осуществления, стоимость изготовления топливных форсунок может быть уменьшена, что в свою очередь уменьшает стоимость изготовления горелки 8, сжигающего устройства 3 и газотурбинной электростанции.

(3) В рассматриваемом варианте осуществления диаметры открытой части сужающих отверстий 71, обеспеченных в топливных форсунках 21, принадлежащих самой внутренней кольцевой линии, выполнены больше, чем диаметры открытой части сужающих отверстий 73, обеспеченных в топливных форсунках 23, принадлежащих самой внешней кольцевой линии. Делая больше таким образом диаметры открытой части сужающих отверстий внутренней кольцевой линии, включающей в себя меньшее количество топливных форсунок, может быть подавлено чрезмерное увеличение перепада давления подачи топлива.

Однако следует отметить, что при условии, что может быть получен основной существенный эффект (1), приведенный ранее, не обязательно требуется выполнять диаметры открытой части сужающих отверстий отличающимися друг от друга, и в возможной конфигурации диаметры открытой части сужающих отверстий 71-73 совпадают друг с другом.

Второй вариант осуществления

Конфигурация

На фиг. 8 представлен вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий конфигурацию основных частей горелки, обеспеченной в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, включающий в себя центральную ось горелки. На фиг. 9 представлен рисунок, иллюстрирующий горелку, обеспеченную в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть со стороны камеры сгорания. Фиг. 8 и фиг. 9 соответствуют фиг. 2 и фиг. 3, иллюстрирующими первый вариант осуществления, соответственно.

Отличие рассматриваемого варианта осуществления от первого варианта осуществления состоит в том, что кольцевые линии сгруппированы в множество областей X1-X3 в окружном направлении, группы форсунок сгруппированы в соответствии с этими областями X1-X3, и топливные форсунки, имеющие сужающие отверстия в разных осевых позициях, смешанным образом присутствуют в одной кольцевой линии. Сужающие отверстия 71-73, принадлежащие области X1, находятся в одинаковой осевой позиции на расстоянии L4 от выпусков форсунок, и сужающие отверстия 71-73, принадлежащие области X2, находятся в одинаковой осевой позиции на расстоянии L5 (L5>L4) от выпусков форсунок. Хотя это не показано на фиг. 8, сужающие отверстия 71-73, принадлежащие области X3, находятся в одинаковой осевой позиции на расстоянии L6 (L6>L5) от выпусков форсунок. Воздушные отверстия 51-53 в области X1, показанные без штриховки на фиг. 9, соответствуют сужающим отверстиям 71-73 в позиции на расстоянии L4. Воздушные отверстия 51-53 в области X2, показанные с помощью штриховки с наклоном вверх и вправо, соответствуют сужающим отверстиям 71-73 в позиции на расстоянии L5, и воздушные отверстия 51-53 в области X3, показанные с помощью штриховки с наклоном вниз и вправо, соответствуют сужающим отверстиям 71-73 в позиции на расстоянии L6. Таким образом топливные форсунки 21, имеющие сужающие отверстия 71 в разных осевых позициях, смешанным образом присутствуют в первой (самой внутренней) кольцевой линии. Подобным образом, топливные форсунки 22, имеющие сужающие отверстия 72 в разных осевых позициях, смешанным образом присутствуют во второй кольцевой линии, и топливные форсунки 23, имеющие сужающие отверстия 73 в разных осевых позициях, смешанным образом присутствуют в третьей (самой внешней) кольцевой линии.

Другие аспекты, включая конфигурации топливных форсунок 21-23 и воздушных отверстий 51-53, только одно сужающее отверстие обеспечено в одной топливной форсунке и диаметры открытой части сужающих отверстий 71 во внутренней линии выполнены больше, аналогичны первому варианту осуществления.

Эффекты

В рассматриваемом варианте осуществления следующие эффекты могут быть получены, дополнительно к эффектам, описанным в (1) и (3), которые аналогичны первому варианту осуществления. В случае, когда газотурбинная установка в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления, начинает работу, после того, как газообразное топливо F подается в топливные форсунки 21 в первой (самой внутренней) линии и воспламеняется, газообразное топливо F также подается в топливные форсунки 22 и 23 во второй и третьей линиях в условиях частичной нагрузки, и нагрузка повышается до состояния номинальной нагрузки. Даже в состоянии, когда только топливные форсунки 21 в первой линии используют в этом процессе, топливные форсунки 21, имеющие сужающие отверстия 71 в разных осевых позициях, присутствуют смешанным образом, и плоскости, проходящие через точки одинаковых фаз в распределении расхода топлива, выбрасываемого в виде струи из топливных форсунок 21, наклонены относительно поверхности горелки. Тем самым на каждом этапе в процессе активации газотурбинной установки возможно подавлять образование областей, в которых фазы колебаний давления и колебаний расхода топлива совпадают друг с другом, и подавлять возникновение колебаний горения.

Третий вариант осуществления

Конфигурация

На фиг. 10 представлен схематический вид, иллюстрирующий конфигурацию газотурбинной электростанции, включающей в себя сжигающее устройство газотурбинной установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 11 представлен рисунок, иллюстрирующий горелку, обеспеченную в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть со стороны камеры сгорания. Отличие рассматриваемого варианта осуществления от первого варианта осуществления и второго варианта осуществления состоит в том, что настоящее изобретение применяют для мультигорелки, включающей в себя множество горелок. Сжигающее устройство 3 в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления включает в себя пилотную горелку 31 и множество основных горелок 32 (шесть горелок 32 в рассматриваемом примере), и множество основных горелок 32 расположены таким образом, чтобы окружать периферию одной пилотной горелки 31, расположенной в середине. Горелка 8 в соответствии с первым вариантом осуществления или вторым вариантом осуществления может использоваться в качестве пилотной горелки 31 и отдельных основных горелок 32. Например, горелка 8 в соответствии с первым вариантом осуществления может использоваться для всех из пилотной горелки 31 и основных горелок 32, или горелка 8 в соответствии со вторым вариантом осуществления может использоваться для всех из пилотной горелки 31 и основных горелок 32. Горелка 8 в соответствии с первым вариантом осуществления и горелка 8 в соответствии со вторым вариантом осуществления также могут смешанным образом присутствовать сообразно обстоятельствам. Пластина 20 с воздушными отверстиями может совместно использоваться пилотной горелкой 31 и множеством основных горелок 32 (воздушные отверстия 51-53 для отдельных горелок могут быть образованы через одну пластину 20 с воздушными отверстиями).

В системе 200 подачи топлива количество групп ответвляющихся трубопроводов 58 и 59, которые ответвляются от магистрального подающего трубопровода 57, равно общему количеству (семь для рассматриваемого примера) пилотной горелки 31 и основных горелок 32, и ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59 соединены с топливными полостями 25 и 26 соответствующих горелок. Основные горелки 32 могут быть сконфигурированы таким образом, что по меньшей мере две горелки совместно используют систему подачи топлива (ответвляющийся трубопровод 59 и клапан 62 регулирования подачи топлива). Аналогично первому варианту осуществления и второму варианту осуществления, магистральный подающий трубопровод 57 и ответвляющиеся трубопроводы 58 и 59 обеспечены топливным запорным клапаном 60 и клапанами 61 и 62 регулирования подачи топлива, соответственно.

Рассматриваемый вариант осуществления аналогичен первому варианту осуществления и второму варианту осуществления в других аспектах.

Эффекты

Путем применения конфигураций горелок в соответствии с первым вариантом осуществления или вторым вариантом осуществления для пилотной горелки 31 и основных горелок 32, формируя мультигорелку, могут быть получены эффекты, аналогичные полученным согласно первому варианту осуществления, второму варианту осуществления или и первому и второму вариантам осуществления, даже если настоящее изобретение применяют для газотурбинной установки большой мощности.

Настоящее изобретение разработано для подавления возникновения колебаний горения в сжигающем устройстве газотурбинной установки для сжигания обедненной смеси и для улучшения надежности конструкции. Сжигающее устройство газотурбинной установки включает в себя: цилиндрическую жаровую трубу, образующую камеру сгорания; и горелку, имеющую пластину с воздушными отверстиями, которая расположена на впуске жаровой трубы и имеет множество воздушных отверстий для направления сжатого воздуха в камеру сгорания, и множество топливных форсунок, которые расположены на стороне, противоположной камере сгорания, с пластиной с воздушными отверстиями, расположенной между ними, причем каждая из множества топливных форсунок впрыскивает топливо в направлении соответствующего воздушного отверстия, причем воздушные отверстия и топливные форсунки образуют множество концентричных кольцевых линий, сужающее отверстие обеспечено в канале потока топлива каждой из множества топливных форсунок, причем множество топливных форсунок сгруппированы в множество групп форсунок, и осевые позиции сужающих отверстий различаются между группами форсунок. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Сжигающее устройство газотурбинной установки, содержащее:

цилиндрическую жаровую трубу, образующую камеру сгорания; и

горелку, включающую в себя:

- пластину с воздушными отверстиями, которая расположена на впуске жаровой трубы и имеет множество воздушных отверстий для направления сжатого воздуха в камеру сгорания, и

- множество топливных форсунок, которые расположены на стороне, противоположной камере сгорания, с пластиной с воздушными отверстиями, расположенной между ними, при этом каждая из множества топливных форсунок впрыскивает топливо в направлении соответствующего воздушного отверстия,

причем воздушные отверстия и топливные форсунки образуют множество концентричных кольцевых линий,

при этом каждая из множества топливных форсунок включает в себя сужающее отверстие в канале потока топлива и они сгруппированы во множество групп форсунок,

причем осевые позиции сужающих отверстий различаются между группами форсунок.

2. Сжигающее устройство газотурбинной установки по п. 1, в котором топливные форсунки, сгруппированные в одну группу форсунок, принадлежат одной кольцевой линии, и осевые позиции сужающих отверстий топливных форсунок, принадлежащих одной кольцевой линии, совпадают друг с другом.

3. Сжигающее устройство газотурбинной установки по п. 1, дополнительно содержащее множество топливных полостей, которые подают топливо по отдельности в множество топливных форсунок, принадлежащих соответствующим кольцевым линиям, при этом кольцевые линии сгруппированы во множество областей в окружном направлении, причем топливные форсунки, сгруппированные в одну группу форсунок, принадлежат одной области, и топливные форсунки, включающие в себя сужающие отверстия в разных осевых позициях, смешанным образом присутствуют в одной кольцевой линии.

4. Сжигающее устройство газотурбинной установки по п. 1, в котором диаметры открытой части сужающих отверстий, принадлежащих самой внутренней кольцевой линии, превышают диаметры открытой части сужающих отверстий, принадлежащих самой внешней кольцевой линии.

5. Сжигающее устройство газотурбинной установки по п. 1, дополнительно содержащее множество горелок.