ГОРЕЛКА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
BURNER FOR GAS TURBINE

Изобретение относится к горелочным устройствам газовых турбин и может быть применено в любой области народного хозяйства, где требуется обеспечить сжигание углеводородных топлив с высоким качеством и низким уровнем эмиссии вредных веществ, дыма и высокой полнотой сгорания.
Один из основных способов повышения качества горения углеводородных топлив заключается в подготовке топливовоздушной смеси путем тщательного перемешивания топлива и воздуха перед началом горения. Чем лучше произведено перемешивание и чем равномернее распределено топливо в объеме воздушного потока перед фронтом горения, тем меньше образуется зон с повышенной, относительно средней, концентрацией топлива и, следовательно, с повышенной, относительно средней, температурой горения, которые и являются источниками повышенной эмиссии вредных веществ - оксидов азота.
Исключение составляют, так называемые, частичные режимы работы газовых турбин, когда средняя концентрация топлива в смеси настолько низка, что возникает другие проблемы, связанные со снижением полноты горения, повышенной эмиссией другого вредного вещества - моноксида углерода и риском погасания пламени из-за низкой средней температуры горения. В этих случаях для достижения высокого качества горения необходимо не улучшать, а ухудшать смесеобразование, тогда наличие в смеси зон с повышенной, относительно средней, концентрацией топлива и повышенных, относительно средних, температур горения поспособствует стабилизации горения, повышению полноты сгорания и снижению эмиссии моноксида углерода.
Поэтому, основной целью при проектировании систем впрыска топлива в воздушный поток горелки является обеспечение возможности управления качеством смесеобразования на разных режимах работы газовой турбины. Чаще всего это выполняется путем подачи топлива многочисленными струями через систему отверстий определенным образом, расположенных на поверхностях стенок воздушных каналов горелки.
Как следует из многочисленных исследований процессов взаимодействия топливных струй со сносящими потоками воздуха, наилучшее смесеобразование топлива с воздухом достигается при обеспечение наибольшей глубины проникновения топливных струй в поток воздуха при минимальном соотношении импульсов топливной струи и воздушного потока, например, монография «Газогорелочные устройства», Иванов Ю.В., Москва, издательство «Недра», 1972 г. Соотношение импульсов топливных струй и воздушного потока называется гидродинамическим параметром и рассчитывается по формуле, приведенной на странице 207 указанной монографии:
1
2
где ρ и ρ - плотности воздуха и газа, соответственно,
1
2
ν и ν - скорости воздуха и газа, соответственно.
Из уровня техники известна горелка для впрыска топлива в газовую турбину, являющаяся аналогом (Патент ЕР 2314923, МПК F23R 3/14, публ. 24.07.2011), выполненная с множеством сегментов, между которыми образованы каналы для подачи закрученного воздуха в камеру сгорания газовой турбины и с топливными вставками для впрыска топлива в каналы, для предварительного смешивания воздуха и топлива, причем эти вставки находятся в сегментах горелки и впрыск топлива в канал определяется расположением вставки впрыска топлива в сегменте. Недостатком аналога является то, что топливо впрыскивается в зоне высоких скоростей потока воздуха, поэтому не может проникнуть достаточно глубоко в поток для создания равномерной смеси. Кроме того, дополнительным недостатком этой горелки является отсутствие возможности управления качеством перемешивания топлива с воздухом. Качество горения в этой горелке будет высоким только на ограниченных режимах работы.
Из уровня техники известна горелка для газовой турбины (Патент RU2189532, МПК F23R 3/20, публ. 20.09.2002). Кроме указанных выше недостатков патента ЕР 2314923, дополнительно содержит еще штыри, установленные в месте, где у воздуха наибольшие скорости, что приводит к дополнительному загромождению воздушного потока, следовательно, создаются дополнительные потери напора воздуха и, в конечном итоге, снижается КПД газовой турбины.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности является горелка для газовой турбины (Патент RU 2429413, МПК: F23D 14/02, F23C 7/00, F23R 3/14, публ. 20.09.2011), которая содержит завихритель, имеющий по меньшей мере одно входное воздушное отверстие, по меньшей мере одно выходное воздушное отверстие, расположенное ниже по потоку относительно входного воздушного отверстия, 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 и ограниченный стенками воздушный канал завихрителя, а также отверстия для впрыскивания топлива. Предусмотрено выполнение отверстий, по меньшей мере, в одной стенке воздушного канала завихрителя, чтобы впрыскивать топливо в воздушный канал завихрителя и выполнение отверстий для впрыскивания воздуха, по меньшей мере, в одной стенке воздушного канала завихрителя ниже по потоку относительно отверстий для впрыскивания топлива.
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что отверстия для впрыскивания топлива выполнены в стенке воздушного канала завихрителя в зоне максимальных скоростей сносящего воздушного потока, где глубина проникновения топливных струй в воздушный поток минимальна, и поэтому топливо прижимается воздушным потоком к стенкам канала, что в конечном итоге ухудшает его перемешивание с воздухом. Следующим недостатком горелки для газовой турбины является то, что ее применение значительно усложняет конструкцию газовой турбины из-за необходимости дополнительного источника высоконапорного воздуха для впрыска его в основной воздушный поток завихрителя с целью турбулизации последнего для управления степенью перемешивания топлива и воздуха на определенных режимах работы газовой турбины. Дополнительным недостатком горелки является то, что воздух, дополнительно впрыскиваемый в каналы завихрителя, загромождает проходное сечение каналов, следовательно, создает дополнительные потери напора основного воздуха и, в конечном итоге, из-за этого снижается КПД газовой турбины.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является улучшенное смесеобразование, упрощение способа управления качеством перемешивания топлива с воздухом в горелке газовой турбины и исключение снижения КПД газовой турбины.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного смесеобразования и регулирования степени перемешивания топлива с воздухом в горелке, повышение КПД, снижение эмиссии вредных веществ, повышение устойчивости горения и полноты сгорания топлива в газовой турбине.
Техническая задача решается тем, что в горелке газовой турбины, содержащей завихритель, имеющий по меньшей мере одно входное воздушное отверстие, по меньшей мере одно выходное воздушное отверстие, расположенное ниже по потоку относительно входного воздушного отверстия, 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 и ограниченный стенками воздушного канала завихрителя, а также отверстия для впрыскивания топлива, согласно изобретению, на входе в завихритель дополнительно установлен воздуховод, проходная площадь S1 которого больше, чем суммарная площадь S2 воздушных каналов завихрителя, основные отверстия для впрыскивания топлива выполнены перед входными воздушными отверстиями завихрителя, а ниже по потоку выполнены дополнительные отверстия для впрыскивания топлива, при этом магистрали подвода топлива к основным и дополнительным отверстиям выполнены изолированными.
Кроме того, согласно изобретению, форма поперечного сечения воздуховода выполнена такой же, как форма поперечного сечения завихрителя.
Кроме того, согласно изобретению, форма поперечного сечения воздуховода выполнена иной, чем форма поперечного сечения завихрителя.
Кроме того, согласно изобретению, основные отверстия для впрыскивания топлива выполнены с одинаковыми диаметрами.
Кроме того, согласно изобретению, основные отверстия для впрыскивания топлива выполнены с разными диаметрами.
В предлагаемом изобретении завихритель, имеющий по меньшей мере одно входное воздушное отверстие, по меньшей мере одно выходное воздушное отверстие, расположенное ниже по потоку (воздушному потоку) относительно входного воздушного отверстия, 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 и ограниченный стенками воздушный канал завихрителя, а также отверстия для впрыскивания топлива, что известно из технического решения, реализованного в выбранном прототипе и в ограничительной части формулы предлагаемого изобретения.
В отличие от прототипа, на входе в завихритель дополнительно установлен воздуховод, проходная площадь S1 которого больше, чем суммарная площадь S2 воздушных каналов завихрителя, что позволяет снизить скорости воздушного потока перед каналами завихрителя для обеспечения необходимой глубины проникновения топливных струй в низкоскоростной воздушный поток, выровнять наполнение воздушных каналов воздухом, и предотвратить вылет топливных струй за пределы воздушного потока, направленного в завихритель. В предлагаемом изобретении отверстия для впрыскивания топлива выполнены в виде основных и дополнительных отверстий.
В отличие от прототипа, основные отверстия для впрыскивания топлива выполнены перед входными воздушными отверстиями завихрителя, где скорости воздушного потока существенно меньше скоростей потока в каналах завихрителя, что позволяет топливным струям глубже проникать в воздушный поток и лучше с ним перемешаться.
В отличие от прототипа, ниже по потоку (воздушному потоку), где скорости воздушного потока близки к своему максимуму, выполнены дополнительные отверстия для впрыскивания топлива, что позволяет при необходимости управлять суммарной степенью перемешивания, перераспределяя в них часть топлива для впрыска его в зону, где перемешивание затруднено из-за высоких скоростей воздушного потока.
В отличие от прототипа, магистрали подвода топлива к основным и дополнительным отверстиям для впрыскивания топлива выполнены изолированными, что позволяет регулировать долю топлива, поданную через основные отверстия для лучшего перемешивания и долю топлива, поданную через дополнительные отверстия в зону ухудшенного перемешивания.
Форма поперечного сечения воздуховода может быть такой же, как и форма поперечного сечения завихрителя (Фиг. 5), а может быть выполнена иной, чем форма поперечного сечения завихрителя, например, лепестковой формы (Фиг. 6), в зависимости от требуемой «картины» взаимодействия топливных струй и воздушного потока.
Основные отверстий для впрыскивания топлива могут быть выполнены с одинаковыми диаметрами (Фиг. 4) или могут быть выполнены с разными диаметрами (Фиг. 5, Фиг. 6) с целью оптимизации степени заполнения поперечного сечения воздуховода струями топлива, т.к. большие диаметры отверстий дают большую дальнобойность топливным струям, и они заполнят отдаленные области воздушного потока, а отверстия маленького диаметра, соответственно, заполнят ближайшие области.
Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить улучшенное смесеобразование и регулирование степени перемешивания топлива с воздухом в горелке, снизить эмиссию вредных веществ и, в целом, повысить устойчивость горения и полноту сгорания топлива в газовой турбине.
На Фиг. 1 представлен продольный разрез горелки для газовой турбины.
На Фиг. 2 представлен поперечный разрез горелки.
На Фиг. 3 представлен продольный разрез горелки.
На Фиг. 4 представлен поперечный вид горелки с круглой формой поперечного сечения воздуховода и основными отверстиями с одинаковыми диаметрами.
На Фиг. 5 представлен поперечный вид горелки с круглой формой поперечного сечения воздуховода и основными отверстиями с разными диаметрами.
На Фиг. 6 представлен поперечный вид горелки с лепестковой формой поперечного сечения воздуховода и основными отверстиями с разными диаметрами.
Горелка 11 газовой турбины (Фиг. 1÷Фиг. 6) содержит завихритель 1 имеющий по меньшей мере одно входное воздушное отверстие 2, по меньшей мере одно выходное воздушное отверстие 3, расположенное ниже по потоку относительно входного воздушного отверстия, и по меньшей мере один воздушный канал 4 завихрителя 1, проходящий от указанного по меньшей мере одного входного воздушного отверстия 2 до указанного по меньшей мере одного выходного воздушного отверстия 3 и ограниченный стенками 5 воздушного канала 4 завихрителя 1. На входе в завихритель 1 установлен воздуховод 6. Проходная площадь S1 воздуховода 6 больше, чем суммарная площадь S2 воздушных каналов 4 завихрителя 1. Воздуховод 6 может быть выполнен, например, цилиндрическим, как приведено на Фиг. 2, Фиг. 5, когда форма поперечного сечения воздуховода 6 может быть такой же, как и форма завихрителя 1, то есть круглой 12. На Фиг. 6 приведен воздуховод 6 с поперечным сечением лепестковой формы 13. Отверстия для впрыскивания топлива выполнены в виде основных отверстий 7 и дополнительных отверстий 8. Основные отверстия 7 для впрыскивания топлива выполнены перед входными воздушными отверстиями 2 завихрителя 1, а ниже по потоку выполнены дополнительные отверстия 8 для впрыскивания топлива. Основные отверстия 7 для впрыскивания топлива могут быть выполнены с одинаковыми диаметрами 14 (Фиг. 4), или с разными диаметрами 15, 16 (Фиг. 5, Фиг. 6). Магистрали подвода топлива 9, 10 к основным 7 и дополнительным 8 отверстиям для впрыскивания топлива выполнены изолированными.
Работа горелки 11 газовой турбины осуществляется следующим образом. Воздушный поток (поток) (без позиции), попавший в воздуховод 6, тормозится в воздуховоде на входе в воздушные каналы 4 завихрителя 1, так как суммарная площадь S2 воздушных каналов 4 меньше проходной площади S1 воздуховода 6. Струи топлива, впрыскиваемые через основные отверстия 7 в воздушный поток, пронизывают его на всю толщину, поскольку скорость потока мала и поток не способен прижать струи к поверхности стенок 5. В результате этого топливные струи быстрее перемешиваются с воздушным потоком, потому что имеют большую поверхность контакта с ним. На частичных режимах работы газовой турбины, когда температура горения не превышает порог образования вредных выбросов и улучшенное смесеобразование вредно, так как может привести к неустойчивому горению или даже к погасанию пламени, часть топлива перераспределяется в дополнительные отверстия 8, которые впрыскивают его в зону высоких скоростей воздушного потока, где смесеобразование менее интенсивное, но зато при этом растет устойчивость работы камеры сгорания, повышается полнота сгорания топлива и снижается риск погасания пламени.
Предлагаемое техническое решение горелки для газовой турбины заявляемой конструкции в качестве изобретения успешно прошло экспериментальные испытания и готовится к производству, обеспечивая большую степень смесеобразования и регулирования перемешивания топлива с воздухом, устойчивости горения и полноты сгорания топлива, по сравнению с наиболее близким аналогом (прототипом).
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет улучшить смесеобразование и упрощает регулирование качества перемешивания топлива с воздухом в горелке, не снижая КПД газовой турбины, что в целом позволяет снизить эмиссию вредных веществ, повысить устойчивость горения и полноту сгорания топлива в газовой турбине и упростить ее конструкцию.