Камера сгорания газовой турбины Советский патент 1993 года по МПК F23R3/00 

Изобретение относится к камерам сгорания.

Цель изобретения - минимизация эмиссий NOx у камеры сгорания названного выше типа.

С этой целью между двумя большими горелками с предварительным смешиванием предусмотрена малая горелка с предварительным смешиванием, причем оба типа горелок вырабатывают завихрение, которое задает то же направление вращения потока.

Большие горелки с предварительным смешиванием, которые в последующем называются основными горелками, находятся по отношению к малым горелкам с предварительным смешиванием, которые в последующем называются контрольными горелками, применительно к протекающему через них воздуху для горения в таком соотношении по размерам, которое определяется в зависимости от конкретного случая. В общем диапазоне нагрузки камер сгорания контрольные горелки работают как самостоятельные горелки с предварительным смешиванием, причем коэффициент воздуха остается почти неизменным. Поскольку отныне контрольные горелки могут эксплуатироваться в общем диапазоне нагрузки при идеальной смеси (горелки с предварительным смешиванием), эмиссия по NOx является весьма незначительной также и при работе в режиме частичной нагрузки. Предпочтительное исполнение изобретения достигается в том случае, если основные горелки и контрольные горелки состоят из имеющих различный размер, так называемых двухконусных горелок и если последние встроены в кольцевую камеру сгорания. Поскольку при такой конструкции вращающиеся линии потока в кольцевой камере сгорания проходят весьма близко к вихревым центрам контрольных горелок, поджигание возможно только с помощью этих контрольных горелок. При разгоне количество топлива, которое подводится через контрольные горелки, увеличивается до такой величины, пока не будет достигнуто управление контрольными горелками, то есть пока в распосл

с

со

Сл) СЛ

о

GJ

Сл)

ряжении не окажется полное количество топлива. Конфигурация выбирается таким образом, что эта точка соответствует условию сброса нагрузки газовой турбины. Последующее повышение мощности обеспечивается затем с помощью основных горелок. При пиковой нагрузке на установку осуществляется также полное управление основными горелками. Поскольку конфигурация малых горючих вихревых центров (контрольные горелки) между большими, менее горячими вихревыми центрами (основные горелки) является чрезвычайно неустойчивой, также и при работающих в более бедном режиме основных горелках в диапазоне частичной нагрузки достигается весьма хорошее выгорание с низкой по величине эмиссией CO/UHC, то есть горячие вихревые потоки контрольных горелок незамедлительно проникают в холодные вихревые потоки основных горелок.

Предпочтительные и целесообразные примеры выполнения соответствующего изобретению решения задачи описаны в последующих зависимых пунктах формулы изобретения.

На фиг. 1а показано схематическое сечение через кольцевую камеру сгорания в плоскости одной основной горелки; на фиг. 1в - следующее схематическое сечение через кольцевую камеру сгорания в плоскости одной контрольной горелки; на фиг. 2 - двухконусная горелка в перспективном отображении с соответствующими сечениями; на фиг. 3,4,5- соответствующие сечения через плоскости Ill-Ill (фиг. 3), (фиг. 4) и Y-Y (фиг. 5), причем эти сечения представляют собой лишь схематическое, упрощенное изображение двухконусной горелки согласно фиг. 2; на фиг 6 - фронтальная стенка со схематически изображенными двухконусными горелками; на фиг. 7 - прохождение линий потока с проекцией на фронтальную стенку.

Фиг. 1а и 1в показывают схематическое сечение через кольцевую камеру А сгорания, в плоскости одной контрольной гореЛки С или основной горелки В. Изображенная в данном случае кольцевая камера А сгорания проходит конически в направлении входа D в турбину, как.это следует из изображенной центральной оси Е кольцевой камеры А сгорания. Каждой горелке В, С придано индивидуальное сопло 3. Уже из этого схематического представления видно, .что горелки В. С являются одновременно горелками с предварительным смешиванием, то есть обходятся без обычных в ином случае зон предварительного смешивания. Конечно, эти горелки В, С с предварительным

смешиванием должны быть выполнены независимо от их специфической концепции таким образом, что можно не опасаться обратного воспламенения в зоне предварительного смешивания через те или иные фронтальные панели 10. Горелка с предварительным смешиванием, которая удовлетворяет этим требованиям, изображена на фиг. 2-5 и поясняется ниже более подробно,

причем конструкции обоих типов горелок (основная горелка В/контрольная горелка С) могут быть одинаковыми и различным может быть только их размер. У кольцевой камеры А сгорания среднего размера соот5 ношение по размеру между основной горелкой В и контрольной горелкой С выбирается таким образом, что приблизительно 23% воздуха для горения проходит через контрольную горелку С и около 77% - через

0 основную горелку В.

Горелка В/С в соответствии с фиг. 2, которая по своей конструкции может представлять собой как контрольную горелку С, так и основную горелку В, состоит из двух

5 половинчатых полых частичных конических тел 1, 2, которые размещены друг на друге со смещением. Смещение той или иной средней оси 1в, 2В частичных конических тел 1, 2 относительно друг друга создает на

0 обеих сторонах с зеркальным расположением свободный касательный шлиц 19, 20 для входа воздуха (фиг. 3-5), через который воздух 15 для горения входит во внутреннее пространство горелки, то есть в полное ко5 ническое пространство 14. Оба частичных конических тела 1, 2 содержат каждое по одной цилиндрической начальной части 1а, 2а, которые проходят в аналогии к частичным коническим телам 1, 2 смещенными

0 относительно друг друга, в результате чего касательные шлицы 19,20 для входа воздуха присутствуют с самого начала, В этой цилиндрической начальной части 1а, 2а распо- .ложено сопло 3, ввод 4 топлива которого

5 совпадает с наименьшим поперечным сечением конического полого пространства 14, образованного двумя частичными коническими телами 1, 2. Размер этого сопла 3 определяется типом горелки, то есть зави0 сит от того, идет ли речь о контрольной горелке С или основной горелке В. Само собой разумеется, горелка может быть выполнена чисто конической, то есть без цилиндрических начальных частей 1а, 2а. Оба частичных

5 конических тела 1, 2 содержат по одной линии 8, 9 для подвода топлива, которые оснащены отверстиями 17, через которые газообразное топливо 13 подмачивается к воздуху 15 для горения, который проходит через касательные шлицы 19, 20 для входа

воздуха. Положение этих линий 8, 9 для подачи топлива выбрано на конце касательных шлицев 19, 20 для входа воздуха, в результате чего там осуществляется также подмешивание 16 этого топлива 13 ко входящему воздуху 15 для горения. На стороне камеры сгорания 22 горелка В/С содержит пластину, которая образует фронтальную стенку 10. Протекающее через сопло 3 жидкое топливо 12 вводится под острым углом в коническое полое пространство 14 таким образом, что в плоскости выхода горелки образуется максимально однородный, имеющий форму конуса аэрозоль из топлива. При впрыске 4 топлива речь может идти о поддерживаемом воздухом сопле или о напорной форсунке. Само собой разумеется, при определенных режимах работы камеры сгорания речь может идти также о дуальной горелке с подводом газообразного или жидкого топлива, как это описано, например в Европейской заявке ЕР-А1 № 210462. Конический профиль 5 жидкого топлива из сопла 3 окружен касательно входящим, вращающимся потоком 15 воздуха для горения. В осевом направлении концентрация жидкого топлива 12 уменьшается под воздействием подмешанного воздуха 15 для горения, В случае сжигания газообразного топлива 13/16 формирование смеси с воздухом 15 для горения осуществляется непосредственно о конце шлицев 19, 20 для входа воздуха. При вводе жидкого топлива 12 в области зоны 6 обратного потока достигается оптимальная, однородная концентрация топлива на протяжении всего поперечного сечения. Поджигание осуществляется в области острия зоны б обратного потока. Только .на этом участке может возникать устойчивый фронт 7 пламени. В этом случае можно не опасаться обратного удара пламени во внутрь горелки, как это имеет место при использовании известных участков предварительного смешивания, в результате чего приходится использовать сложные вспомогательные средства для удерживания пламени. Если воздух 15 для горения является нагретым, то о этом случае происходит естественное испарение жидкого топлива 12, прежде чем будет достигнута точка на выходе горелки, в которой может быть произведено поджигание смеси. Степень испарения зависит, само собой разумеется, от размера горелки, распределения капель по размеру при жидком топливе и от температуры воздуха 15 для горения. Однако независимо от того, достигнуто ли с помощью подогретого воздуха 15 для горения наряду с однородной капельной смесью посредством воздуха 15 для горения с менее

высокой температурой лишь частичное или полное испарение капель, эмиссия окиси азота и окиси углерода имеет меньшую величину, если избыток воздуха составляет по 5 меньшей мере 60%, в результате чего в распоряжении находится дополнительная мера для минимизации эмиссии окиси азота (МОх), В случае полного испарения.перед входом в зону сжигания достигается мини10 мальная эмиссия токсичных веществ. То же справедливо и для близкого к стехиометри- ческому режима, если избыточный воздух заменяется рециркулирующим отходящим газом. При исполнении частичных кониче5 ских Гел 1,2s отношении конусности и ширины касательных шлицев 19, 20 для входа воздуха должны соблюдаться узкие границы с тем, чтобы желаемое поле потока воздуха вместе с ее зоной 6 обратного потока

0 достигалось в области устья горелки с целью стабилизации пламени. Уменьшение шлицев 19, 20 для входа воздуха смещает зону 6 обратного потока далее вверх, в результате чего, конечно, происходило бы более ран5 нее поджигание смеси, В данном случае все же необходимо констатировать, что однажды геометрически зафиксированная зона 6 обратного потока является по себе стабильной в отношении позиции, так как количество

0 завихрений увеличивается в направлении потока в области конической формы горелки. Конструкция горелки отлично пригодна для изменения размера касательных шлицев 19, 20р для входа воздуха при заданной

5 конструктивной длине горелки, в то время как частичные конические тела 1,2 являются зафиксированными в результате разъемного соединения с запирающей пластиной 10. За счет радиального смещения обоих тел 1,

0 2 в направлении друг к другу или друг от друга происходит уменьшение или увеличение расстояния между обеими средними осямЧч 1в, 2в и соответствующим образом изменяется также размер зазора касатель5 ных шлицев 19,20 для вход.э воздуха, как это особенно наглядно видно из фиг. 3-5. Само собой разумеется, частичные конические тела 1, 2 могут смещаться в направлении друг к другу также в другой плоскости, в резуль0 тате чего можно осуществлять даже управление их наложением. Возможно даже смещение тел 1, 2 за счет встречного вращательного движения друг к другу по типу спирали. Таким образом, обеспечивается

5 возможность варьирования любым образом формы и размера касательных шлицев 19, 20 для входа воздуха, в результате чего может производиться индивидуальное согласование горелки без изменения ее конструктивной длины.

Из фиг. 3-5 вытекает также положение направляющих кожухов 21 а, 21 в. Они выполняют функцию ввода потока, причем они в соответствии со своей длиной удлиняют тот или иной конец частичных конических тел 1 и 2 в направлении набегания потока воздуха 15 для горения, «анализирование воздуха для горения в коническом полом пространстве 14 может оптимизироваться путем открывания или запирания направляющих кожухов 21 а, 21 в вокруг центра 23 вращения. Это необходимо, в частности, в том случае, если изменяется первоначальный размер щели касательных- шлицев 19, 20 для ЁХОДЭ воздуха. Само собой разумеется, горелка может работать также без направляющих кожухов.

Фиг. 6 показывает фрагмент сектора фронтальной стенки 10. Из него следует расположение отдельных основных В и контрольных С горелок. Последние равномерно и чередующимся образом распределены по периметру кольцевой камеры А сгорания. Показанное различие в размерах между основными горелками В и контрольными горелками С имеет лишь качественную природу.

Эффективный размер отдельных горелок, а также их распределение и количество на периметре фронтальной сети 10 кольцевой камеры А сгорания определяется, как уже отмечалось выше, мощностью и размером самой камеры сгорания. Основные горелки В и контрольные горелки С, которые расположены чередующимся образом, входят на одной и той же высоте в единую, имеющую форму кольца фронтальную стенку 10, которая образует поверхность входа кольцевой камеры сгорания.

Фиг. 7 показывает тот же фрагмент, что и фиг. 6, однако в данном случае изображены отдельные вихревые центры, обусловленные той или иной горелкой. Малые, имеющие высокую температуру вихревые центры С1, которые обусловлены контрольными горелками С и которые действуют между большими, имеющими меньшую температуру, вихревыми центрами В1, которые

обусловлены основными горелками В, являются чрезвычайно неустойчивыми, в результате чего они имеют тенденцию к проникновению в более холодные вихревые

центры В сразу же после ввода в эксплуатацию. В результате этого - даже если основные горелки В работают в бедном режиме, как это имеет место при работе в режиме частичной нагрузки - обеспечивается весьма хорошее выгорание с низкой величиной эмиссии CO/UHC.

Так как основные горелки В и контрольные горелки С вырабатывают движущиеся в одном направлении завихрения, выше и ниже них возникает вращающийся, охватывающий горелки В и С поток, как это показывают линии F1 и F потока. С целью пояснения этого состояния следует указать в качестве сравнения на бесконечный ленточный транспортер, который приводится в движение движущимися в одном направлении роликами. В данном случае роль роликов выполняют одинаково направленные горелки.

Формула из обретения

Камера сгорания газовой турбины, содержащая жаровую трубу и установленные в ряд в ее фронтовой стенке одинаковые по направлению закрутки воздуха горелки с

центральными топливными форсунками, причем каждая из горелок выполнена в виде по меньшей мере двух изогнутых по конусной поверхности элементов, установленных симметрично относительно оси сопла форсунки с образованием на выходе последней камеры смешения, имеющей форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону выхода камеры сгорания, и продольные тангенциальные щели для юдвода воздуха, отличающаяся тем, что, с целью повышения полноты сгорания топлива и снижения токсичности продуктов сго- рания в широком диапазоне режимов работы, каждые две смежные горелки имеют

разную пропускную способность, причем горелки с большей пропускной способностью являются основными, а горелки с меньшей пропускной способностью - контрольными.

в

1835031

Использование: в газотурбинных установках. Сущность изобретения: камера сгорания содержит установленные в ряд во фронтовой стенке жароаой трубы горелки (Г), одинаковые по направлению закрутки воздуха, причем каждые две смежные Г имеют разную пропускную способность, причем горелки с большей пропускной способностью являются основными, а горелки с меньшей пропускной способностью - контрольными. 7 ил.

III

в/с

13 19 2а и

III 9 15 2 16

Фиг. 1й

-10

Фив. i5

Фиг. I

15

1 1b 2Ы9

фиг.Ь

19

Фиг.5

в x zz////////

х

в