ГОРЕЛКА, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
BURNER, NAMELY FOR GAS TURBINES

Данное изобретение относится к горелке и, в частности, к горелке для газовых турбин с центральной компоновкой подачи топлива. Наряду с этим изобретение относится к газовой турбине,
Учитывая усилия, предпринимаемые во всем мире для снижения выброса вредных веществ из топочных устройств, в частности из газовых турбин, в течение последних лет разрабатывались горелки, имеющие особенно незначительные выбросы угарного газа (NOx). При этом часто особое значение придают тому, чтобы такие горелки можно было выборочно соответственно эксплуатировать не только с одним топливом, а по возможности с различным топливом, например с нефтью и природным газом, или приводить в действие комбинированно для повышения надежности снабжения и эксплуатационной гибкости. Такие горелки описаны, например, в документе ЕР 0 276 696 B1.
Описанная в документе ЕР 0 276 696 B1 горелка является гибридной горелкой для эксплуатации с предварительным смешиванием с газом и/или нефтью, как ее применяют, в частности, для газотурбинных установок. Горелка содержит центральную компоновку подачи топлива, в которую также интегрирована пилотная горелочная система, которую можно приводить в действие газом и/или нефтью, как так называемую диффузионную горелку или как отдельную горелку с предварительным смешиванием. Дополнительно предусмотрена возможность для подачи питания инертными веществами. Центральная компоновка подачи топлива охвачена главной горелочной системой, имеющей кольцевую систему подачи-воздуха с находящейся в ней системой вихревых лопаток с множеством лопаток и расположенными выше по потоку от лопаток перфорированным трубами для эксплуатации с предварительным смешиванием с газом. Дополнительно в компоновке подачи топлива установлены впускные форсунки для нефти на участке системы вихревых лопаток, которые делают возможным предварительное смешивание основного воздушного потока с нефтью.
Вместо впрыскивания посредством находящихся, как описано в документе ЕР 0 276 696 Bl выше по потоку от вихревых лопаток перфорированных труб горючий газ может быть впрыснут в воздушный канал также посредством отдельно расположенных в вихревых лопатках отверстий форсунок, как это описано, например, в документе ЕР 0 580 683 Bl.
Для большего повышения в будущем контроля за выбросами и устойчивости горения, дополнительно к впрыскиванию газа через лопатки, как это известно из документа ЕР 0 580 683 В1, следует использовать другое впрыскивание газа через лопатки. Это дополнительное впрыскивание газа должно иметь возможность отдельного от основной ступени газа регулирование, т.е. в центральное устройство подачи топлива к горелке следует устанавливать дополнительный второй газоотводный канал дополнительно к существующим до настоящего времени каналам подачи газа и нефти. Сложность состоит теперь только в том, чтобы снабжать этот дополнительный газоотводный канал топливом, не изменяя при этом прежний дизайн горелки в аэродинамическом плане. Это относится, прежде всего, к внешнему профилю центральной компоновки подачи топлива или вихревых лопаток, образующих проточный канал для подведенного топочного воздуха.
Поэтому задача данного изобретения - предоставить в распоряжение горелку, в частности горелку для газовой турбины, делающей возможной подачу горючего газа ко второму газоотводному каналу без существенного изменения внешнего профиля центральной компоновки подачи топлива.
Второй задачей данного изобретения является предоставление в распоряжение предпочтительной газовой турбины.
Первая задача решена посредством горелки, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения, а вторая задача решена посредством газовой турбины, охарактеризованной признаками пункта 15 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения раскрыты предпочтительные варианты выполнения изобретения.
Соответствующая изобретению горелка имеет центральную компоновку подачи топлива и охватывающий центральную компоновку подачи топлива кольцевой воздушный канал для подачи топочного воздуха. В кольцевом воздушном канале расположены вихревые лопатки, имеющие первые газовые форсунки для впрыскивания газообразного топлива в топочный воздух и вторые газовые форсунки для впрыскивания газообразного топлива в топочный воздух. Первые газовые форсунки питаются от первого газораспределительного канала в компоновке подачи топлива, вторые газовые форсунки - от второго газораспределительного канала в компоновке подачи топлива. Первый газораспределительный канал и второй газораспределительный канал снабжаются горючим газом от трубы подачи газа, имеющей первый канал подачи газа и второй канал подачи газа, причем первый канал подачи газа соединен с первым газораспределительным каналом, а второй канал подачи газа - со вторым газораспределительным каналом.
В частности, согласно изобретению оба газораспределительных канала снабжаются топливом вместо двух разделенных труб подачи газа посредством единственной для обоих каналов общей трубы подачи газа, причем в трубе подачи газа для каждого газораспределительного канала выполнен собственный канал подачи газа. Вследствие этого имеется возможность сохранять контур центральной компоновки подачи топлива, какой она известна для единственного газораспределительного канала, примерно соответствующей горелке из документа ЕР 0 580 683 В1, также при наличии двух газораспределительных каналов. Каналы подачи газа могут быть расположены либо соосно друг к другу в трубе подачи газа, либо рядом.
Если оба канала подачи газа согласно первому варианту выполнения проходят соосно друг к другу в трубе подачи газа, они могут образовываться посредством того, что труба подачи газа содержит внешнюю трубу и внутреннюю трубу, причем первый канал подачи газа образован зазором между внешней трубой и внутренней трубой, а второй канал подачи газа - внутренней полостью внутренней трубы.
Так как внутренняя труба охлаждается протекающим топливом, а внешняя труба нагревается воздухом компрессора, в обоих трубах может возникать различное тепловое расширение. Его можно уравновесить, если внутренняя труба и/или внешняя труба имеет или имеют эластичный компенсирующий элемент, который или которые делают возможным или возможными осевое растяжение или сжатие внутренней трубы. В частности, для этого внутреннюю трубу и/или внешнюю трубу можно разделить на два осевых элемента, соединенных друг с другом посредством гармошки. При этом принимают по существу в расчет гармошки или гофрированные кожухи. Они дают возможность соответствующей трубе растягиваться или сжиматься, а вследствие этого выравнивать различия теплового расширения.
В описанном варианте выполнения трубы подачи газа первый канал подачи газа имеет кольцеобразное поперечное сечение потока, а второй канал подачи газа - круглое поперечное сечение потока. Для оптимизации поступления газа от каналов подачи газа в газораспределительные каналы между трубой подачи газа и газораспределительными каналами может располагаться переходной элемент, переводящий кольцеобразное поперечное сечение потока и круглое поперечное сечение потока в поперечные сечения с максимальными для поступающего в газораспределительные каналы газа поверхностями потока. Если переходной элемент образует часть внешней окружности внешней трубы, а внешняя труба имеет соответствующий вырез в стенке окружности, то переходной элемент можно сваривать вместе с внутренней трубой и внешней трубой, при этом каналы газа изолированы друг от друга.
Если согласно второму варианту выполнения трубы подачи газа первый канал подачи газа и второй канал подачи газа проходят рядом в трубе подачи газа, то первый канал подачи газа и второй канал подачи газа могут иметь, по меньшей мере, на их обращенных к газораспределительным каналам концах соответственно поперечное сечение потока с максимальной для поступающего газа поверхностью потока. Вследствие этого можно обеспечивать оптимальное втекание газа, подведенного через каналы подачи газа, в газораспределительные каналы.
В варианте выполнения с двумя проходящими рядом каналами подачи газа первый канал подачи газа можно снабжать топливом через первое соединение подачи газа, в то время как второй канал подачи газа снабжают топливом через второе соединение подачи газа. В этом случае они расположены рядом друг с другом и соединены посредством переходного участка с каналами подачи газа. В частности, при этом прямая соединительная линия между первым соединением подачи газа и вторым соединением подачи газа образует угол к прямой соединительной линии между первым каналом подачи газа и вторым каналом подачи газа, в частности угол 90°.
Кроме того, соединения подачи газа могут иметь, соответственно, круглое поперечное сечение потока. В этом случае переходный участок может переводить также круглые поперечные сечения потока в поперечные сечения с максимальными для поступающего газа поверхностями потока. Таким образом, соединения газа можно выполнять так, что они соответствуют прежнему стандарту, пожалуй, за исключением их габаритных размеров.
Труба подачи газа с расположенными рядом каналами подачи газа может быть выполнена, предпочтительно, в виде литого элемента, что делает возможным, в частности, уже описанный угловой разворот прямых соединительных линий и позволяет выполнять, кроме того, постоянную толщину стенки всего элемента.
Соответствующая изобретению газовая турбина содержит, по меньшей мере, одну горелку. При помощи соответствующей изобретению горелки можно повысить гибкость при эксплуатации газовой турбины, так как становится возможным двухступенчатое впрыскивание газа в канал подачи воздуха, без необходимости существенных изменений в аэродинамике горелки.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - горелка, соответствующая изобретению, схематично;
фиг.2 - фрагмент первого предпочтительного варианта выполнения горелки, согласно изобретению;
фиг.3 - переходный элемент для первого предпочтительного варианта выполнения горелки;
фиг.4 - поперечные сечения потока первого предпочтительного варианта выполнения;
фиг.5 - деталь, согласно первому предпочтительному варианту;
фиг.6 - вид в перспективе горелки, согласно второму предпочтительному
варианту выполнения;
фиг.7 - вид в перспективе трубы подачи газа, согласно второму
предпочтительному варианту выполнения;
фиг.8 - соединения газа трубы подачи газа по фиг.7 на виде в перспективе.
Далее описывается решение задачи, лежащее в основе изобретения со ссылкой на фиг.1, на которой схематично представлена соответствующая изобретению горелка.
Соответствующая изобретению горелка, при необходимости в сочетании с несколькими аналогичными горелками, которую можно использовать, например, в камере сгорания газотурбинной установки, содержит внутреннюю пилотную горелочную систему и главную горелочную систему, концентрически охватывающую пилотную горелочную систему. Как пилотную горелочную систему, так и главную горелочную систему можно выборочно эксплуатировать с газообразным и/или жидким топливом, например с природным газом или котельным топливом.
Пилотная горелочная система содержит внутренний канал 1 подачи нефтяного топлива, концентрически охваченный внутренним кольцеобразным каналом 3 подачи газа. Последний опять же концентрически охвачен внутренним каналом подачи воздуха или каналом 5 подачи инертного вещества. Кроме того, в этом или на этом канале подачи воздуха может быть расположена подходящая система зажигания (на чертеже не показана). Пилотная горелочная система имеет обращенное к камере 7 сгорания выходное отверстие 9, на участке которого, в канале подачи воздуха, расположена система 11 вихревых лопаток. Посредством отверстий 13 форсунок газ впрыскивают из внутреннего канала 3 подачи газа на участке системы вихревых лопаток или выше по потоку системы вихревых лопаток в канал 5 подачи воздуха. Нефть из канала подачи нефтяного топлива - впрыскивают посредством нефтяных форсунок 15 ниже по потоку системы вихревых лопаток в подведенный воздух или в подведенное инертное вещество.
Пилотную горелочную систему можно эксплуатировать известным способом с нефтью и/или газом в качестве диффузионной горелки, в которой топливо непосредственно впрыскивают в огонь. Однако существует возможность эксплуатировать пилотную горелочную систему как горелку с предварительным смешиванием, в которой топливо основательно смешивают с воздухом, прежде чем подводить смесь в огонь.
Охватывающая пилотную горелочную систему главная горелочная система содержит радиальный внешний канал 17 подачи воздуха, называемый также кольцевым воздушным каналом, через который простираются вихревые лопатки 19 системы вихревых лопаток. Эти вихревые лопатки 19 имеют первые газовые форсунки 21 и вторые газовые форсунки 23, через которые горючий газ впрыскивают в воздух, втекающий по радиальному каналу 17 подачи воздуха. Кроме того, в воздух, поступающий по каналу 17 подачи воздуха, посредством нефтяных форсунок 25 впрыскивают нефть. Хотя в данном варианте выполнения речь идет о нефти и о нефтяных форсунках, однако это следует рассматривать только лишь в виде замещения подходящего жидкого топлива и соответствующих форсунок.
Расположенные в вихревых лопатках 19 первые газовые форсунки 21 и вторые газовые форсунки 23, а также нефтяные форсунки 25 снабжаются топливом через радиально расположенную внутри компоновку подачи топлива, через так называемую втулку 27. В ней расположены первые и вторые кольцеобразные газораспределительные каналы 29 и 31, снабжающие газовые форсунки 21 или 23 газом. Кроме того, во втулке 27 расположен кольцеобразный нефтераспределительный канал 33, снабжающий нефтяные форсунки 25 нефтью. Газораспределительные каналы 29, 31, а также нефтераспределительный канал 33 снабжаются соответствующим топливом через каналы 35, 37 подачи газа или через канал 39 подачи нефтяного топлива. Каналы 35, 37 подачи газа, снабжающие газораспределительные каналы 29, 31 топливом, интегрированы в общую трубу 41 подачи газа. Для канала 39 подачи нефтяного топлива имеется собственная труба 43 подачи нефтяного топлива.
При этом интеграция обоих каналов 35, 37 подачи газа в общую трубу 41 подачи газа имеет преимущество, заключающееся в том, что не изменяется аэродинамика горелки в отношении втекающего воздуха в каналы 5, 17 подачи воздуха по сравнению с горелкой только с одним единственным каналом подачи газа и единственным комплектом газовых форсунок. Поэтому соответствующая изобретению горелка может подходить в существующих системах сжигания вместо прежних горелок, без изменения вследствие этого аэродинамики системы сжигания.
Далее со ссылкой на фиг.2-5 описан первый конкретный предпочтительный вариант выполнения соответствующей изобретению горелки, в частности трубы 41 подачи газа с каналами 35, 37 подачи газа. В этом варианте выполнения соответствующей изобретению горелки каналы 35, 37 подачи газа расположены в трубе 41 подачи газа соосно друг к другу. Второй канал 37 подачи газа, снабжающий газом кольцеобразный газораспределительный канал 31, образован центральной полостью внутренней трубы 45, тогда как канал 35 подачи газа, снабжающий газом первый кольцеобразный газораспределительный канал 29, образован полостью между внешней поверхностью внутренней трубы 45 и внутренней поверхностью внешней трубы 46. При этом внешняя труба 46 образует наружную стенку трубы 41 подачи газа.
Так как внутренняя труба 45 охлаждается протекающим газом, а внешняя труба 46 нагревается протекающим через нее теплым воздухом компрессора, обе трубы 45, 46 получают разные тепловые расширения. Для их выравнивания внутреннюю трубу 45 выполняют из двух элементов, причем между элементами 45, 45 трубы располагают эластичный компенсирующий элемент 47. В данном варианте выполнения эластичный компенсирующий элемент выполнен в виде гармошки, создающей возможность для осевого перемещения обоих элементов 45, 45' трубы относительно друг друга. Это позволяет компенсировать разные тепловые расширения между внешней трубой 46 и внутренней трубой 45. Вместо расположения как в данном варианте выполнения компенсирующего элемента на внутренней трубе 45 он может быть расположен также на внешней трубе 46. Также можно предусматривать два компенсирующих элемента, один на внутренней трубе 45 и один на внешней трубе 46. Для компенсирующего элемента на внешней трубе 46, в отношении его вида, имеет силу такое же выполнение, компенсирующего элемента, как и на внутренней трубе 45.
Для оптимизации перехода каналов 35, 37 подачи газа в кольцеобразные газораспределительные каналы 29, 31 имеется переходной элемент 49, переводящий кольцеобразное поперечное сечение потока первого канала 35 подачи газа и круглое поперечное сечение потока второго канала 37 подачи газа в поперечные сечения потока с максимальными для протекающего газа поверхностями потока. Вследствие этого можно оптимизировать поток из каналов подачи газа в соответствующие кольцеобразные газораспределительные каналы, что позволяет достигать более равномерных коэффициентов теплоотдачи и увеличивать срок службы, а также улучшить прогноз срока службы горелки.
На фиг.3 показан переходной элемент 49 в перспективном изображении. Он имеет почти полукруглый согнутый участок 51 кромки с внешней поверхностью 53, согласованный по своему радиусу кривизны со стенкой внешней трубы 46. Кроме того, он имеет круглый выступ 55, с возможностью его соединения с внутренней трубой 45. Внутри переходного элемента 49 круглое поперечное сечение потока и кольцеобразное поперечное сечение потока преобразуются в оптимизированные в отношении создания максимальных поверхностей потока поперечные сечения потока. Оптимизированные поперечные сечения потока, получаемые при помощи переходного элемента на выходе трубы 41 подачи газа, показаны на фиг.4. На ней показаны снабженные поперечными сечениями потока, соответствующими максимальным поверхностям потока, входные отверстия 57, 59 в кольцеобразные газораспределительные каналы 29, 31.
На фиг.5 показан увеличенный фрагмент по фиг.2, на котором предусмотрены компоновка переходного элемента 49 и соединение с внутренней трубой 45 и внешней трубой 46. Переходной элемент 49 соединен посредством сварочных соединений, с одной стороны, с втулкой 27, а с другой стороны, - с внутренней трубой 45, а также внешней трубой 46. Вследствие выполнения переходного элемента 49 только в форме частичной окружности, являющейся в данном варианте выполнения полукругом, становится возможным сначала сваривать переходной элемент 49 с втулкой 27, затем приваривать внутреннюю трубу 45 к переходному элементу 49 и, наконец, надевать внешнюю трубу 46 и сваривать с переходным элементом 49. Если бы переходной элемент 49 имел полностью кольцеобразный элемент стенки, то было бы очень трудно производить, в частности, герметичное сваривание образующего внутренний канал подачи газа элемента переходного элемента 49 с втулкой 27.
Описанное со ссылкой на фиг.2-5 первое конкретное выполнение соответствующей изобретению горелки имеет преимущество, заключающееся в том, что оно позволяет избегать отрицательного влияния на воздушный поток, в частности, в радиальном канале 17 подачи воздуха, так как не требует изменения внешней геометрии втулки или трубы 41 подачи газа по сравнению с горелкой только с одним газораспределительным каналом. Кроме того, при помощи переходного элемента можно оптимально использовать поперечные сечения потока, и избегать вследствие этого ненужных потерь давления. Кроме того, выполнение согласно первому конкретному варианту выполнения позволяет создавать прочную конструкцию, предоставляющую к тому же возможность простой сборки.
Далее описывается второй конкретный вариант выполнения соответствующей изобретению горелки со ссылкой на фиг.6 - 8. На фиг.6 показана втулка 27 соответствующей изобретению горелки с расположенной в ее центре пилотной горелкой 63, а также с трубой 141 подачи газа на виде в перспективе. Кроме того, можно видеть несущий элемент 65 горелки, в котором расположены два соединения 67, 69 для обоих находящихся в трубе 141 подачи газа каналов 135, 137 подачи газа.
Труба 141 подачи газа второго предпочтительного варианта выполнения показана на фиг.7 на виде в перспективе. Она отличается от трубы 41 подачи газа первого предпочтительного варианта выполнения тем, что каналы 135, 137 подачи газа вместо концентрического расположения расположены рядом друг с другом. При этом геометрия каналов 135, 137 выбрана такой, что, по меньшей мере, на конце 71 выхода со стороны втулки трубы подачи газа существуют поперечные сечения потока с максимальными поверхностями потока.
На отвернутом от конца 71 со стороны втулки конце трубы 141 подачи газа расположены оба соединения газа для трубы 141 подачи газа. Они расположены также рядом друг с другом, причем, тем не менее, соединительная линия А, соединяющая центры обоих соединений 67, 69 газа друг с другом, повернута на 90° относительно соединительной линии В, соединяющей друг с другом центры каналов 135, 137 подачи газа на конце со стороны втулки трубы 141 подачи газа. На переходном участке 73 трубы подачи газа происходит перекручивание выходящих из соединений 67, 69 газа каналов 135, 137 подачи газа, благодаря которому производят поворот соединительных линий А, В. Одновременно в этом переходном участке 73 происходит переход круглого поперечного сечения потока соединений 67, 69 в оптимизированные в отношении к поверхностям потока поперечные сечения потока на конце 71 со стороны втулки трубы 141 подачи газа. На фиг.8 представлен вид соединений 67, 69 газа трубы 141 подачи газа.
Хотя во втором предпочтительном варианте выполнения каналы 35, 37 подачи газа перекручены на 90° от соединений 67, 69 газа вплоть до конца 71 со стороны втулки трубы 141 подачи газа, перекручивание можно осуществлять также на другой угол, чем 90°, если в несущем элементе 65 горелки требуется другая компоновка соединений 67, 69 газа.
Труба 141 подачи газа второго предпочтительного варианта выполнения для соответствующей изобретению горелки может быть выполнена, в частности, как литая конструкция. В такой трубе можно достигать, в частности, при перекручивании каналов в трубе на 90° постоянной толщины стенки всего конструктивного элемента.
Выполнение трубы 141 подачи газа согласно второму предпочтительному варианту выполнения имеет, в частности, преимущество в том, что разделение каналов подачи газа на два отдельных соединения газа происходит между несущим элементом горелки и втулкой. Это упрощает монтаж горелки. В этом случае фланец несущего элемента горелки нужно снабжать тогда только двумя калибровыми отверстиями. К тому же трубчатая конструкция едва ли изменяет аэродинамику по сравнению с горелкой только с одним газораспределительным каналом во втулке. Так как переходный участок расположен рядом с несущим элементом горелки, а вследствие этого, далеко от воздушных каналов пилотной горелки и основной горелки, - такое изменение трубы подачи газа не приводит к существенному изменению аэродинамики горелки по сравнению с трубой подачи газа только с одним каналом подачи газа.