ГОРЕЛКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ ТОПЛИВА И ВОЗДУХА В ЗОНЕ ЗАВИХРЕНИЯ В ГОРЕЛКЕ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
GAS TURBINE BURNER AND FUEL AND AIR MIXING METHOD IN SWIRL AREA OF GAS TURBINE BURNER

Настоящее изобретение относится к горелке газовой турбины, имеющей входной воздуховод и по меньшей мере один завихритель, расположенный в указанном входном воздуховоде. Кроме того, изобретение относится к способу смешивания топлива и воздуха в зоне завихрения в горелке газовой турбины.
x
В горелке газовой турбины топливо сгорает с образованием горячих находящихся под давлением отработавших газов, которые затем подают на ступень турбины, где они, расширяясь и охлаждаясь, передают крутящий момент лопастям турбины, сообщая, таким образом, вращательное движение ротору турбины. Механическое усилие ротора турбины затем может быть использовано для приведения в действие генератора для производства электрической энергии или для приведения в действие машины. Однако горение топлива приводит к образованию определенного числа нежелательных загрязнений в отработавших газах, что может нанести вред окружающей среде. Поэтому требуется значительное усилие, чтобы число загрязняющих веществ было насколько это возможно низким. Одним из загрязнителей является закись азота (NO). Степень образования закиси азота экспоненциально зависит от температуры пламени горения. Поэтому сделана попытка уменьшить температуру над пламенем горения с целью оставить образование закиси азота на возможно более низком уровне.
Существует два основных способа, с помощью которых достигается снижение температуры пламени горения. Первый способ - это использовать обедненную стехиометрию, т.е. топливно-воздушную смесь с низкой фракцией топлива. Относительно малая фракция топлива приводит к получению низкой температуры пламени горения. Второй способ - это осуществить тщательное смешивание топлива и воздуха перед началом горения. Чем лучше произведено смешивание, тем более равномерно распределено топливо в зоне горения. Это помогает предотвратить образование участков местного перегрева в зоне горения, которые будут являться результатом местного максимального значения в соотношении компонентов горючей топливно-воздушной смеси.
Поэтому в современных газотурбинных двигателях используют принцип предварительного смешивания воздуха и топлива в обедненной стехиометрии перед сжиганием топливно-воздушной смеси. Обычно предварительное смешивание происходит за счет впрыскивания топлива в воздушный поток в зоне завихрения в камере сгорания, которая расположена выше по потоку относительно зоны горения. Завихрение приводит к смешиванию топлива и воздуха, перед тем как смесь попадает в зону горения.
В заявке США 6513329 В1 описано предварительное смешивание топлива и воздуха в камере смешивания камеры сгорания. Камера смешивания расположена вдоль и по меньшей мере частично обвивает вокруг продольную ось горелки. Два ряда каналов впрыскивания топлива размещены во внешней стенке оси камеры смешивания. Выходное отверстие камеры смешивания образовано канавками, расположенными параллельно продольной оси горелки. За счет такой конструкции топливно-воздушная смесь, покидающая камеру смешивания, имеет в дополнение к осевой составляющей потока относительно оси горелки радиальную составляющую потока.
В заявке США 2001/0052229 A1 описана горелка с равномерным предварительным смешиванием топлива и воздуха для получения низких выбросов загрязняющих продуктов горения. Горелка содержит входной воздуховод и завихритель, расположенный во входном воздуховоде. Завихритель включает в себя лопатки завихрителя с первичным и вторичным газовыми каналами и соответствующими входными газовыми отверстиями. Поток топлива через два газовых канала к входным отверстиям контролируется независимо и позволяет осуществить контроль над радиальным профилем распределения концентрации топлива и воздуха, начиная от основания канавки завихрения до ее верха. Вторичные газовые входные отверстия расположены ниже по потоку относительно первичных газовых входных отверстий.
Относительно указанного существующего уровня техники целью настоящего изобретения является горелка, в частности горелка газовой турбины, и способ смешивания топлива и воздуха в зоне завихрения в горелке, в частности горелке газовой турбины, которая имеет преимущества в получении гомогенной топливно-воздушной смеси.
Указанная цель достигается в горелке по п.1 и способе по п.5. Зависимые пункты формулы изобретения описывают преимущественные варианты осуществления изобретения.
Горелка согласно настоящему изобретению содержит входной воздуховод и по меньшей мере один завихритель, расположенный в указанном входном воздуховоде. Завихритель имеет: по меньшей мере одно входное воздушное отверстие; по меньшей мере одно выходное воздушное отверстие, расположенное ниже по потоку от входного воздушного отверстия относительно направления потока воздуха, проходящего через входной воздуховод, и по меньшей мере один воздушный канал завихрителя, проходящий от указанного по меньшей мере одного входного воздушного отверстия до указанного по меньшей мере одного выходного воздушного отверстия. Воздушный канал завихрителя ограничен стенками воздушного канала завихрителя, которые могут быть образованы стенкой входного воздуховода и/или лопатками завихрителя. Дополнительно, горелка, согласно настоящему изобретению содержит систему впрыскивания, которая в общем случае может быть приспособлена для впрыскивания газообразного или жидкого топлива и которая содержит отверстия для впрыскивания топлива, например сопла, которые выполнены в стенке по меньшей мере одного воздушного канала завихрителя, таким образом, чтобы впрыскивать топливо в воздушный канал завихрителя. Система впрыскивания воздуха содержит отверстия для впрыскивания воздуха, например сопла, которые выполнены по меньшей мере в одной стенке воздушного канала завихрителя и расположены для впрыскивания воздуха в воздушный канал завихрителя ниже по потоку относительно отверстия для впрыскивания топлива.
Отверстия для впрыскивания воздуха внутри воздушных каналов завихрителя используют для создания дополнительной турбулентности в среде потока, которая, в свою очередь, помогает увеличить степень смешивания топлива и воздуха в воздушных каналах завихрителя. Следовательно, может быть достигнуто лучшее распределение впрыскиваемого топлива по сечению воздушного канала завихрителя. Кроме того, может быть увеличена однородность смеси топливо/воздух по области сечения.
В частном варианте осуществления горелки согласно настоящему изобретению стенки воздушных каналов образованы по меньшей мере частично торцами лопаток завихрителя, и отверстия для впрыскивания воздуха выполнены в лопатках завихрителя. Как и в горелках для газотурбинных двигателей, отверстия для впрыскивания топлива часто размещены в лопатках завихрителя, размещение отверстий для впрыскивания воздуха также в лопатках завихрителя позволяет впрыскивать воздух в более или менее том же направлении, что и топливо, в частности перпендикулярно направлению потока воздуха, протекающего в воздушных каналах. Однако в общем случае возможны и различные направления впрыскивания воздуха и топлива.
При дополнительной разработке горелки согласно настоящему изобретению система впрыскивания воздуха включает в себя множество отверстий для впрыскивания воздуха для каждого воздушного канала завихрителя, которые расположены по меньшей мере по одной стенке воздушного канала завихрителя. За счет распределения отверстий для впрыскивания воздуха по меньшей мере по одной стенке воздушного канала завихрителя может быть оптимизировано образование турбулентностей и, как следствие, улучшено смешивание топлива и воздуха. Если система впрыскивания воздуха содержит механизм регулирования для контроля распределения воздуха к входным отверстиям подаваемого воздуха, то возможно адаптировать впрыскивание воздуха к различным режимам работы горелки. Это способствует гибкому контролю размещения топлива в зависимости от широкого спектра режима работы горелки. Система сгорания будет способна, таким образом, обеспечивать изменения в плотности воздуха и скоростях потока, испытываемые, например, при внештатных режимах работы, более полно, нежели это возможно при существующих системах горелки. Кроме того, изменяя сочетание отверстий для впрыскивания, используемых для создания турбулентностей, смесь топливо/воздух может быть повернута, например, к началу течения потока или к концу течения потока в воздушном канале завихрителя.
Газотурбинный двигатель согласно настоящему изобретению содержит горелку согласно настоящему изобретению. Горелка согласно настоящему изобретению помогает уменьшить фракцию закиси азота в отработанных газах газотурбинного двигателя.
В способе смешивания топлива и воздуха в зоне завихрения горелки согласно настоящему изобретению, в частности в горелке газовой турбины, топливо впрыскивают в поток воздуха, протекающий через воздушный канал завихрителя. Дополнительный воздух, т.е. воздух, который является дополнительным к воздушному потоку, протекающему через воздушный канал завихрителя, впрыскивают в поток топливно-воздушной смеси, протекающий через воздушный канал завихрителя, ниже по потоку относительно зоны впрыскивания топлива.
За счет впрыскивания дополнительного воздуха в среду потока может быть получена дополнительная турбулентность, которая помогает улучшить смешивание воздуха и топлива, а также гомогенность/однородность смеси. Это, в свою очередь, уменьшает образование участков местного перегрева, являющихся основным местом образования закиси азота. И, как следствие, уменьшение числа и температуры участков местного перегрева уменьшает выделение закиси азота из горелки.
Впрыскивание воздуха по меньшей мере в двух различных местах в среду потока, протекающего по воздушному каналу завихрителя, вызывает дополнительную степень свободы, которая может быть использована для получения оптимального смешивания топлива и воздуха, а также оптимальной гомогенности смеси.
Если подачу дополнительного воздуха по меньшей мере в два различных места выполняют в зависимости от одного или двух режимов работы горелки, то возможно адаптировать впрыскивание дополнительного воздуха к изменениям этого одного или более режимов работы горелки. Если, например, способ согласно настоящему изобретению применяют в горелке газотурбинного двигателя, подача может быть осуществлена на основе режимов загрузки газовой турбины.
Горелка согласно настоящему изобретению, в частности, адаптирована для осуществления способа согласно настоящему изобретению.
Дополнительные признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и сопровождающих чертежей.
На фиг.1 показан разрез горелки согласно настоящему изобретению и узел камеры сгорания.
На фиг.2 показан общий вид завихрителя.
На фиг.3 показан разрез, в направлении потока воздуха, через воздушный канал завихрителя, согласно первому варианту осуществления горелки согласно настоящему изобретению.
На фиг.4а схематично показано распределение топлива в потоке воздуха через воздушный канал завихрителя для горелки, согласно существующему уровню техники, в разрезе, перпендикулярном направлению потока.
На фиг.4b схематично показано распределение топлива согласно фиг.4а в горелке согласно настоящему изобретению.
На фиг.5 показан второй вариант осуществления горелки согласно настоящему изобретению в разрезе в направлении потока воздуха через воздушный канал завихрителя.
На фиг 1. показан продольный разрез горелки и узла камеры сгорания для газотурбинного двигателя. Головка горелки 1 с завихрителем для смешивания воздуха и топлива прикреплена к верхнему концу камеры сгорания, содержащей, последовательно, предварительную камеру 3 сгорания и основную камеру 4 сгорания. Горелка и узел камеры сгорания демонстрируют ротационную симметрию относительно продольной оси симметрии S. Топливный канал 5 выполнен для подачи газообразного или жидкого топлива в горелку, которое затем смешивают с протекающим внутри завихрителя 2 воздухом. Топливно-воздушная смесь 7 затем направляется в зону первичного сгорания 9, где сжигается с образованием горячих, находящихся под давлением, отработавших газов, протекающих в направлении 8, указанном стрелками, к турбине газотурбинного двигателя (не показан).
Завихритель 2 подробно показан на фиг.2. Завихритель содержит основание лопатки 10 завихрителя, несущее шесть лопаток 12 завихрителя. Лопатки 12 завихрителя могут быть прикреплены к головке горелки 1 своими сторонами, противоположными по отношению к основанию 10 лопаток завихрителя.
Между соседними лопатками 12 завихрителя выполнены воздушные каналы 14, каждый из которых расположен между входным воздушным отверстием 16 и выходным воздушным отверстием 18. Воздушные каналы 14 ограничены противоположными торцами 20, 22 соседних лопаток 12 завихрителя, поверхностью 24 основания лопаток завихрителя, которая смотрит на головку горелки 1, и поверхностью головки горелки, к которой прикреплены лопатки 12 завихрителя. Торцы 20, 22, поверхности основания 10 лопаток завихрителя и поверхность головки горелки 1 образуют стенки воздушного канала, ограничивающие воздушные каналы 14.
В торцах 20 находятся отверстия 26 для впрыскивания топлива и отверстия 28 для впрыскивания воздуха. Во время работы горелки воздух поступает в воздушные каналы 14 завихрителя через входные воздушные отверстия 16. Внутри воздушных каналов 14 топливо впрыскивают в поток воздуха путем использования отверстий 26 для впрыскивания топлива. Дополнительно, воздух впрыскивают в протекающую топливно-воздушную смесь ниже по потоку относительно отверстий 26 впрыскивания топлива через отверстия 28 впрыскивания воздуха. Затем топливно-воздушная смесь покидает воздушные каналы 14 через выходные воздушные отверстия 18 и протекает через центральное отверстие 30 основания 10 лопаток завихрителя в предварительную камеру 3 (см. фиг.1). Из предварительной камеры 3 поток течет в зону сгорания 9 основной камеры 4, где и сгорает.
На фиг.3 показан торец 20 лопатки 12 завихрителя. Находящийся внутри поток воздуха показан стрелками 32. Топливо 34, впрыснутое через отверстия 26 впрыскивания топлива, затем течет вместе с протекающим внутри воздухом 32. Геометрия завихрителя накладывает радиальную составляющую скорости к протекающей топливно-воздушной смеси относительно центральной оси симметрии S горелки. Это уже распределяет введенное топливо в направлении, перпендикулярном направлению потока воздуха. Такое распределение топлива 36 показано в качестве примера на фиг.4а, на которой, в свою очередь, показан воздушный канал 14 в разрезе по линии А-А, как показано на фиг.2.
В горелке согласно настоящему изобретению дополнительный воздух 38, впрыснутый через отверстия 28 для впрыскивания воздуха, приводит к дополнительной турбулентности в потоке топливно-воздушной смеси. Результатом такой дополнительной турбулентности является то, что топливо, впрыснутое через отверстия 26 для впрыскивания топлива, будет перемещаться далее вдоль воздушного канала 14, уже без дополнительной турбулентности. Распределение топлива 40, вызванное дополнительным воздухом 38, впрыснутым через отверстия 28 впрыскивания воздуха, показано в качестве примера на фиг.4b, где представлен разрез воздушного канала 14 согласно виду в разрезе на фиг.4а. За счет размещения отверстий 28 для впрыскивания воздуха относительно отверстий 26 для впрыскивания топлива может быть задана скорость смешивания топлива и воздуха по длине воздушного канала 14 завихрителя.
На фиг.5 показан торец 120 согласно второму варианту осуществления завихрителя, применяемого в горелке согласно настоящему изобретению. Завихритель сам по себе отличается от завихрителя 2, показанного на фиг.2, только конструкцией торца 120. По сравнению с торцом 20 по первому варианту осуществления изобретения имеется больше отверстий 130, 132 для впрыскивания воздуха далее ниже по потоку относительно отверстий 26 для впрыскивания топлива в дополнение к отверстиям 28 для впрыскивания воздуха. За счет отверстий 130, 132 для впрыскивания дополнительного воздуха уровень создания турбулентности путем впрыскивания дополнительного воздуха может быть дополнительно увеличен. Кроме того, возможно контролировать распределение впрыснутого воздуха путем регулирования подачи воздуха к различным отверстиям для впрыскивания воздуха. Это может быть выполнено за счет индивидуальных воздуховодов, подающих воздух к различным отверстиям 28, 130, 132 для впрыскивания воздуха. Лопатки с различными лопаточными отверстиями могут быть выполнены в индивидуальных воздуховодах с возможностью осуществления индивидуального контроля. Путем индивидуальной регулировки лопаточных отверстий может быть задано количество воздуха, впрыскиваемого различными отверстиями для впрыскивания воздуха. В другом варианте давление воздуха в индивидуальных воздуховодах может быть проконтролировано с целью проконтролировать количество воздуха, впрыскиваемого через различные отверстия для впрыскивания воздуха.
Согласно второму варианту осуществления изобретения использование всех или части отверстий 28, 130, 132 для впрыскивания воздуха при различных режимах загрузки двигателя позволяет осуществлять гибкий контроль над подачей топлива в зависимости от широкого спектра условий работы двигателя. Это позволит системе сгорания нивелировать изменения в плотности воздуха и скоростях потока, испытываемые при внештатных условиях работы, более полно, нежели это возможно в горелках согласно существующему уровню техники. Например, при режимах низкой загрузки, при которых плотность воздуха мала, прохождение топлива через воздушные каналы 14 завихрителя будет ограничено в горелках согласно существующему уровню техники. За счет использования отверстий для впрыскивания воздуха проникновение топлива может быть увеличено. Для повышения проникновения топлива при режимах низкой загрузки необходима более высокая степень турбулентности, вызываемая впрыскиваемым дополнительным воздухом, нежели турбулентность при условиях высокой загрузки, когда плотность воздуха высока. При высокой плотности воздуха одна и та же степень проникновения топлива может быть достигнута с помощью меньшей турбулентности.
Хотя завихритель согласно настоящим вариантам осуществления изобретения имеет шесть лопаток завихрителя и шесть воздушных каналов завихрителя, изобретение может относиться и к завихрителю, имеющему различное число лопаток и воздушных каналов. Кроме того, отверстия для впрыскивания топлива и/или отверстия для впрыскивания воздуха необязательно должны быть расположены в торцах. Они могут быть, в общем случае, дополнительно или альтернативно расположены в торцах 22 и/или на поверхности основания лопаток завихрителя и/или на поверхности головки горелки, ограничивая воздушные каналы завихрителя.
Поток воздуха через отверстия для впрыскивания воздуха должен быть очень большим так долго, чтобы создать достаточный поток для получения вниз по течению турбулентного следа, чтобы топливо могло быть смешано с воздухом.