Топка (варианты) и способ распределения топлива в топке
FIREBOX (VERSIONS) AND METHOD OF FUEL DISTRIBUTION IN FURNACE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение относится в целом к топке и способу распределения топлива в топке.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Газовые турбины широко применяются в промышленных операциях для выработки электроэнергии. Топки газовой турбины обычно работают на жидком и/или газообразном топливе, смешанном со сжатой рабочей текучей средой, например воздухом. Возможность работы газовой турбины на любом из указанных видов топлива обеспечивает операторам газовой турбины значительное преимущество.
[0003] Известно, что термодинамическая эффективность газовой турбины увеличивается с повышением рабочей температуры, а именно с повышением температуры газообразных продуктов сгорания. Кроме того, известно, что более высокие температуры газообразных продуктов сгорания могут быть достигнуты путем обеспечения обогащенной топливовоздушной смеси в зоне горения топки. Однако повышенные температуры горения, полученные при использовании обогащенной смеси жидкого или газообразного топлива с воздухом, могут существенно увеличить образование оксида азота или NOx, который представляет собой нежелательный выхлопной выброс. Кроме того, повышенные температуры горения могут привести к увеличению термических напряжений в механических элементах внутри топки. Уровень содержания NOx может быть снижен путем использования обедненной топливовоздушной смеси для сжигания или путем впрыскивания в топку добавок, например воды.
[0004] Для создания обедненной топливовоздушной смеси топливо и воздух могут быть предварительно смешаны перед сжиганием. Предварительное смешивание может происходить в двухтопливной топочной форсунке, которая может содержать трубки, расположенные с образованием пучка трубок. По мере циклического прохождения газовой турбины через различные рабочие режимы через указанные трубки проходит воздух, и в них впрыскивается топливо для предварительного смешивания с воздухом. Существуют различные двухтопливные форсунки, которые создают возможность предварительного смешивания жидкого и/или газообразного топлива с рабочей текучей средой перед сжиганием. Однако было бы желательным создание усовершенствованной топливной форсунки и способа подачи топлива к топке, который улучшает однородность топливной смеси.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Ниже изложены аспекты и преимущества изобретения, которые могут быть очевидны из нижеприведенного описания или выявлены при практической реализации изобретения.
[0006] Один вариант выполнения данного изобретения относится к топке, которая содержит набор трубок, расположенных с образованием пучка трубок и поддерживаемых по меньшей мере одной пластиной, проходящей в радиальном направлении внутри указанной топки, причем каждая трубка имеет верхний по потоку конец, отстоящий в осевом направлении от нижнего по потоку конца, и обеспечивает проточное сообщение через указанный пучок трубок. Имеется стабилизатор потока, который проходит выше по потоку от верхнего по потоку конца одной или более трубок из указанного набора трубок, и радиальный канал, который проходит через указанный стабилизатор потока.
[0007] Другой вариант выполнения данного изобретения относится к топке, которая содержит набор трубок, расположенных с образованием пучка трубок и поддерживаемых по меньшей мере одной пластиной, проходящей в радиальном направлении внутри указанной топки, причем каждая трубка имеет верхний по потоку конец, отстоящий в осевом направлении от нижнего по потоку конца, и обеспечивает проточное сообщение через указанный пучок трубок. Имеется стабилизатор потока, который проходит выше по потоку от верхнего по потоку конца одной или более трубок из указанного набора трубок, и кольцевой вкладыш, который по меньшей мере частично окружен указанным стабилизатором потока и имеет нижний по потоку конец.
[0008] Данное изобретение может также относиться к способу распределения топлива в топке, который включает проведение рабочей текучей среды через стабилизатор потока, проходящий выше по потоку от верхнего по потоку конца трубки, расположенной в пучке трубок, который содержит набор трубок и поддерживается по меньшей мере одной пластиной. Указанный стабилизатор потока имеет по меньшей мере один радиальный канал, обеспечивающий создание радиального завихрения в рабочей текучей среде. Указанный способ также включает проведение топлива через кольцевой вкладыш, который по меньшей мере частично окружен указанным стабилизатором потока.
[0009] Особенности и аспекты этих и других вариантов выполнения станут более понятны специалистам после прочтения описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Ниже для специалистов более подробно изложено полное и достаточное описание данного изобретения, в том числе его предпочтительного варианта выполнения, приведенное со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[0011] фиг.1 изображает упрощенный разрез иллюстративной топки в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения,
[0012] фиг.2 изображает увеличенный вид сверху по потоку в аксонометрии пучка трубок, показанного на фиг.1,
[0013] фиг.3 изображает увеличенный вид снизу по потоку в аксонометрии пучка трубок, показанного на фиг.1,
[0014] фиг.4 изображает увеличенный разрез одной трубки топки, показанной на фиг.1, и
[0015] фиг.5 изображает увеличенный разрез одной трубки по линии А-А на фиг.4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Ниже приведено подробное описание вариантов выполнения изобретения, один или более примеров которых изображены на прилагаемых чертежах. Для ссылки на элементы, изображенные на чертежах, в подробном описании используются числовые и буквенные обозначения. Одинаковые или аналогичные обозначения на чертежах и в описании используются для обозначения одинаковых или аналогичных компонентов изобретения. Применяемые в данном документе выражения «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к взаимному расположению компонентов на пути прохождения текучей среды. Например, компонент А расположен выше по потоку от компонента В, если текучая среда протекает от компонента А к компоненту В. И наоборот, компонент В расположен ниже по потоку от компонента А, если в компонент В поступает текучая среда, проходящая от компонента А.
[0017] Все примеры являются пояснительными и не ограничивают изобретение. Фактически, специалистам должно быть очевидно, что возможно выполнение модификаций и изменений в данном изобретении без отклонения от его сущности и объема. Например, характерные особенности, изображенные или описанные как часть одного варианта выполнения, могут быть применены в другом варианте выполнения с получением в результате еще одного варианта выполнения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение охватывает такие модификации и изменения, как находящиеся в рамках объема пунктов прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.
[0018] Различные варианты выполнения данного изобретения относятся к топке и способу распределения топлива в топке. Указанная топка в целом содержит набор трубок, расположенных с образованием пучка, сформированного с помощью по меньшей мере одной пластины. Указанные трубки в целом обеспечивают возможность тщательного смешивания газообразного и/или жидкого топлива и рабочей текучей среды перед поступлением в топочную камеру. В конкретных вариантах выполнения указанная топка также может содержать стабилизатор потока, предназначенный для создания радиального завихрения в рабочей текучей среде при ее поступлении в указанные трубки с обеспечением улучшения смешивания рабочей текучей среды и топлива. В другом варианте выполнения топка может дополнительно содержать кольцевой вкладыш, по меньшей мере частично окруженный указанным стабилизатором потока. Несмотря на то, что в иллюстративных целях типичные варианты выполнения данного изобретения в целом описаны ниже применительно к топке, входящей в состав газовой турбины, специалистам должно быть понятно, что варианты выполнения данного изобретения применимы к любой топке и не ограничены топкой газовой турбины, если это не отмечено особо в формуле изобретения.
[0019] Фиг.1 изображает упрощенный разрез иллюстративной топки 10, входящей в состав газовой турбины, в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения, а фиг.4 изображает увеличенный разрез одной трубки топки, показанной на фиг.1. Топка 10 может быть окружена торцевой крышкой 12 и корпусом 14 для вмещения рабочей текучей среды 16, например воздуха, проходящей к топке 10. При достижении торцевой крышки 12 рабочая текучая среда 16 может изменять направление своего перемещения на обратное и может проходить через стабилизатор 18 потока, проходящий выше по потоку от по меньшей мере одной из набора трубок 20, расположенных в целом с образованием одного или более пучков 22 трубок и поддерживаемых по меньшей мере одной пластиной 24, проходящей по существу в радиальном направлении внутри топки 10. Как показано на фиг.1 и 4, стабилизатор 18 потока может содержать кольцевой вкладыш 50, который имеет нижний по потоку конец 52 и может быть по меньшей мере частично окружен указанным стабилизатором 18 и расположен в целом концентрично с ним. Как показано на фиг.4, указанный кольцевой вкладыш может иметь внутреннюю поверхность 54, отстоящую в радиальном направлении от наружной поверхности 56. Кольцевой вкладыш 50 может обеспечивать прохождение текучей среды из топки 10 через стабилизатор 18 потока в по меньшей мере одну из трубок 20.
[0020] Как показано на фиг.1, топка 10 также может содержать один или более трубопроводов 30. Указанные один или более трубопроводов 30 могут быть проточно соединены с торцевой крышкой 12 и могут быть выполнены с обеспечением проведения жидкого топлива LF или газообразного топлива GF. Указанные один или более трубопроводов 30 могут в целом проходить ниже по потоку от крышки 12 и могут обеспечивать проточное сообщение между крышкой 12 и одной или более трубками 20 и/или вкладышем 50. В конкретных вариантах выполнения от указанных одного или более трубопроводов 30 может проходить распылитель 32, который может подавать по меньшей мере частично распыленную струю жидкого топлива LF к топке 10. В целом распылитель 32 может впрыскивать жидкое топливо, эмульсию или газообразное топливо в топку 10 и/или в одну или более трубок 20.
[0021] Как показано на фиг.1, каждая трубка 20 в наборе трубок 20 может иметь верхний по потоку конец 34, отстоящий в осевом направлении от нижнего по потоку конца 36, и может обеспечивать проточное сообщение через указанные один или более пучков 22 трубок. Как показано на фиг.1 и 4, каждая трубка может иметь внутреннюю поверхность 62 и наружную поверхность 64. В конкретных вариантах выполнения, как показано на фиг.1 и 4, одна или более трубок 20 могут ограничивать одно или более топливных отверстий 38, проходящих в радиальном направлении через одну или более трубок 20.
Указанные одно или более топливных отверстий 38 могут быть расположены между верхним по потоку концом 34 и нижним по потоку концом 36 одной или более трубок 20.
[0022] Указанные одно или более отверстий 38 могут быть по меньшей мере частично окружены по меньшей мере одной топливной полостью 60 и могут обеспечивать проточное сообщение между указанной полостью 60 и одной или более трубок 20. Указанная топливная полость может быть выполнена с возможностью проведения жидкого топлива LF и/или газообразного топлива GF. Указанные одно или более отверстий 38 могут быть наклонены в радиальном, осевом и/или азимутальном направлении с обеспечением их выступания и/или создания завихрения в жидком или газообразном топливе и/или рабочей текучей среде 16, проходящей через указанные одно или более отверстий 38 в одну или более трубок 20. Таким образом, жидкое топливо LF и/или газообразное топливо GF могут проходить через указанные одно или более топливных отверстий 38 в одну или более трубок 20 с обеспечением смешивания с рабочей текучей средой 16 и образования, таким образом, смеси 26 из топлива и рабочей текучей среды в одной или более трубках 20. В результате указанная смесь 26 может затем проходить через одну или более из набор трубок 20 в зону 28 горения, как показано на фиг.1.
[0023] Фиг.2 изображает увеличенный вид сверху по потоку в аксонометрии пучка 22 трубок, показанного на фиг.1. Как показано на фиг.1 и 2, трубки 20 могут быть расположены с образованием одного или более пучков 22 и могут удерживаться на месте по меньшей мере одной пластиной 24. Как показано на фиг.2, набор трубок 20 может быть расположен в круговой конфигурации. Однако конкретная форма, размер и количество трубок 20 и пучков 22 трубок могут изменяться в соответствии с конкретными вариантами выполнения. Например, показанные трубки 20 имеют по существу цилиндрическую форму, однако в других вариантах выполнения в рамках объема данного изобретения одна или более трубок 20 могут иметь сечение практически любой геометрической формы. Аналогичным образом, топка 10 может содержать один пучок 22 трубок, проходящий в радиальном направлении через всю топку 10, или топка 10 может содержать множество круговых, треугольных, квадратных, овальных или секторообразных пучков 22, расположенных в топке 10 различным образом. Специалисту должно быть понятно, что форма, размер и количество трубок 20 и пучков 22 не ограничивают данное изобретение, если это не отмечено особо в формуле изобретения.
[0024] Фиг.3 изображает увеличенный вид снизу по потоку в аксонометрии пучка 22 трубок, показанного на фиг.1, а фиг.5 изображает увеличенный разрез одной из трубок 20 по линии А-А на фиг.4. Как показано на фиг.3, стабилизатор 18 потока может проходить в целом выше по потоку от верхнего по потоку конца 34 одной или более трубок 20 и может иметь верхнюю по потоку поверхность 48. Как показано на фиг.4 и 5, через стабилизатор 18 могут проходить один или более радиальных каналов 40. Как показано на фиг.5, указанные один или более радиальных каналов 40 могут быть наклонены с обеспечением создания радиального завихрения в рабочей текучей среде 16 при ее прохождении через указанные один или более каналов 40 в стабилизатор 18 потока.
[0025] В конкретных вариантах выполнения по меньшей мере один из указанных одного или более радиальных каналов 40 может быть выполнен с обеспечением создания радиального завихрения в первом направлении, например по часовой стрелке, а второй радиальный канал 40 может быть выполнен с обеспечением создания радиального завихрения во втором направлении, например против часовой стрелки. Указанные один или более каналов 40 могут иметь одинаковые или различные проходные сечения. Таким образом, возможно регулирование скорости потока рабочей текучей среды, проходящей через указанные один или более каналов 40, и/или степени завихрения в отдельных стабилизаторах 18 по всей топке 10. Указанные стабилизаторы 18 также могут иметь внутреннюю поверхность 42 и наружную поверхность 44. Внутренняя поверхность 42 стабилизатора и наружная поверхность 56 кольцевого вкладыша 50 могут ограничивать радиальную проточную область 46, которая может обеспечивать прохождение текучей среды через стабилизатор 18 в одну или более трубок 20. Таким образом, поскольку рабочая текучая среда 16 поступает в стабилизатор 18 через указанные один или более радиальных каналов 40, она может препятствовать контакту жидкого топлива LF и/или газообразного топлива GF с внутренней поверхностью 62 одной или более трубок 20 и/или образованию ими пленки вдоль указанной поверхности 62. В результате может быть получена более тщательно перемешанная смесь 26 топлива и рабочей текучей среды, используемая для сжигания. Кроме того, может быть уменьшена вероятность удерживания или проскока пламени у нижней по потоку поверхности 36 одной или более трубок 20.
[0026] Как показано на фиг.3 и 4, внутренняя поверхность 54 и наружная поверхность 56 кольцевого вкладыша 50 могут в целом ограничивать осевую проточную область 58, проходящую через вкладыш 50. Указанная область 58 может проходить в целом ниже по потоку от нижнего по потоку конца 52 кольцевого вкладыша. Таким образом, осевая проточная область 58 может препятствовать образованию центральной зоны рециркуляции и/или может улучшать сдвиговое смешение топлива и рабочей текучей среды в одной или более трубках 20. В конкретных вариантах выполнения нижняя по потоку поверхность 52 вкладыша 50 может оканчиваться острым концом. Например, вдоль поверхности 52 на указанном конце может быть образована острая или ножеобразная кромка. В конкретных вариантах выполнения внутренняя поверхность 54 кольцевого вкладыша 50 может сходиться в радиально внутреннем и/или радиально наружном направлении к нижнему по потоку концу 52 указанного вкладыша 50. В конкретных вариантах выполнения наружная поверхность 56 кольцевого вкладыша 50 может сходиться в радиально внутреннем направлении к нижнему по потоку концу 52 указанного вкладыша и может дополнительно ограничивать указанную радиальную проточную область 40 между наружной поверхностью 54 кольцевого вкладыша и внутренней поверхностью 42 стабилизатора потока. В конкретных вариантах выполнения наружная поверхность 56 кольцевого вкладыша может иметь по меньшей мере один из следующих элементов: выступы, пазы и лопатки - для создания завихрения в рабочей текучей среде 16 при ее прохождении через указанную осевую область 58.
[0027] В конкретных вариантах выполнения данного изобретения рабочая текучая среда 16 может поступать в радиальную проточную область 46 через кольцевой вкладыш 50 и/или указанные один или более радиальных каналов 40, а газообразное топливо GF может впрыскиваться через указанные одно или более топливных отверстий 38. Таким образом, рабочая текучая среда 16 может смешиваться с газообразным топливом GF с получением смеси 26 из предварительно смешанных топлива и рабочей текучей среды, предназначенной для сжигания в зоне 28 горения. В результате обеспечивается возможность улучшения смешивания газообразного топлива GF и рабочей текучей среды 16 и возможность использования более коротких трубок 20 с большими диаметрами с уменьшением тем самым количества отдельных трубок 20, приходящихся на пучок 22, и, следовательно, с уменьшением общего веса топки 10 и связанных с ней затрат. Кроме того, при выходе указанной смеси 26 из нижнего по потоку конца 36 одной или более трубок 20 завихренная смесь может улучшать турбулентное перемешивание высокотемпературных продуктов горения с вновь поступающими реагентами в зоне 28 сгорания с повышением тем самым стабильности пламени при горении. Соответственно, может быть получен больший диапазон работоспособности для низкореакционного газообразного топлива, например метана.
[0028] В других вариантах выполнения, как показано на фиг.4, жидкое топливо LF может быть впрыснуто через распылитель 32 в осевую проточную область 58 кольцевого вкладыша 50. По меньшей мере часть жидкого топлива LF может смешиваться с рабочей текучей средой 16 при ее поступлении во вкладыш 50. Однако оставшееся жидкое топливо LF может образовывать первичную пленку вдоль внутренней поверхности 54 вкладыша 50. Так как смесь 26 сдвигает жидкое топливо LF в виде первичной пленки вниз по потоку по острому краю нижнего по потоку конца 52 вкладыша 50, то по меньшей мере часть указанного топлива может распыляться с образованием тонкодисперсного аэрозоля и может более эффективно смешиваться с рабочей текучей средой, проходящей через осевую проточную область, и/или с рабочей текучей средой 16, проходящей из радиальной проточной области 46. Таким образом, может быть существенно улучшено предварительное смешивание топлива и рабочей текучей среды с уменьшением тем самым использования добавок в топке 10, таких как вода, обычно необходимых для получения требуемых уровней содержания NOx. Кроме того, внутренняя поверхность 54 кольцевого вкладыша может создавать барьер между радиальной областью 46 и жидким топливом LF с уменьшением, таким образом, вероятности приставания жидкого топлива LF к внутренней поверхности 62 одной или более трубок 20.
[0029] Различные варианты выполнения, изображенные и описанные в отношении фиг.1-5, также могут обеспечивать способ распределения жидкого топлива LF и/или газообразного топлива GF в топке 10. Например, указанный способ может включать проведение рабочей текучей среды через стабилизатор 18 потока, проходящий выше по потоку от верхнего по потоку конца 34 трубки 20, расположенной в пучке 22, содержащем набор трубок 20 и поддерживаемом по меньшей мере одной пластиной 24. Указанный стабилизатор 18 может иметь по меньшей мере один радиальный канал 40 для создания завихрения в рабочей текучей среде 16. Указанный способ может дополнительно включать проведение топлива через кольцевой вкладыш 50, который по меньшей мере частично окружен стабилизатором 18 потока. Кроме того, указанный способ может включать проведение топлива и рабочей текучей среды 16 по нижнему по потоку концу 52 вкладыша 50. Указанный способ также может включать впрыскивание газообразного топлива GF через топливное отверстие 38, смешивание рабочей текучей среды 16 и газообразного топлива GF в одной или более трубках из указанного набора трубок 20 и проведение смеси 26 топлива и рабочей текучей среды через одну или более трубок 20 в зону 28 горения. Указанный способ может дополнительно включать создание первого радиального завихрения в первом направлении в первом стабилизаторе 18 потока и создание второго радиального завихрения во втором направлении во втором стабилизаторе 18 потока. Указанный способ также может включать проведение рабочей текучей среды 16 через стабилизаторы 18 и/или через кольцевой вкладыш 50 и впрыскивание жидкого топлива LF в кольцевой вкладыш 50. Указанный способ может дополнительно включать смешивание рабочей текучей среды 16 с жидким топливом LF внутри кольцевого вкладыша 50 и образование первичной пленки из жидкого топлива LF вдоль внутренней поверхности 54 кольцевого вкладыша. Кроме того, указанный способ может включать распыление жидкого топлива LF при его прохождении вниз по потоку от нижнего по потоку конца 52 кольцевого вкладыша. Указанный способ также может включать создание радиального завихрения в рабочей текучей среде 16, поступающей в радиальную проточную область 46, и сдвигание распыленного жидкого топлива LF при его прохождении через нижний по потоку конец 52 кольцевого вкладыша.
[0030] В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.