Способ уменьшения выбросов NOx в газовой турбине, смеситель воздуха и топлива, газовая турбина и завихритель
x
METHOD FOR REDUCTION OF EMISSIONS NO IN GAS TURBINE, AIR AND FUEL MIXER, GAS TURBINE AND SWIRLER

Область техники
x
Воплощения описанного в данном документе объекта изобретения главным образом относятся к способам уменьшения выбросов NO в газовой турбине.
Уровень техники
x
В последние годы стало особенно желательным уменьшение загрязняющих выбросов газовых турбин, в особенности, выбросов NO; более подробно такое уменьшение особенно необходимо вследствие все более строгого государственного регулирования по этому предмету.
x
На протяжении времени в этой области были предложены многие решения для уменьшения выброса NO; при этом одно решение, которое, по-видимому, дает хороший результат, представляет собой так называемое «сжигание обедненного топлива» (то есть когда соотношение топлива к воздуху поддерживают намного ниже стехиометрического), которое представляет эффективную стратегию, когда температуру пламени регулируют надлежащим образом.
x
Тем не менее, все еще возможно, что данная смесь топлива и воздуха в камере сгорания не является оптимальной из-за недостаточно оптимальных профилей смешивания, обусловленных оборудованием топливной форсунки: тогда могут возникать области неидеального смешивания и в камере сгорания могут обнаруживаться места перегрева, что приводит к локализованным почти стехиометрическим областям сгорания, таким образом приводя к ухудшению выбросов NO.
В известном уровне техники, чтобы способствовать однородному смешиванию топлива и воздуха, в газотурбинной промышленности были применены смесители топлива и воздуха с вихревой стабилизацией; конкретным видом известного смесителя воздуха и топлива является смеситель, который содержит двойной кольцевой завихритель с противоположным вращением (также обозначаемый как ДКЗПВ), как показано на Фиг. 1, 2 и 3.
Этот смеситель 100 воздуха и топлива содержит две коаксиальные кольцевые камеры, одну внешнюю камеру 101 и одну внутреннюю камеру 102; каждая камера снабжена определенным количеством лопастей 103, 104, образуя таким образом так называемый «завихритель»: внутренний завихритель 105 и внешний завихритель 106.
Благодаря различной форме лопастей 103 и 104 двух завихрителей 105, 106, воздушному потоку 107, поступающему в завихритель, сообщают движение с противоположным вращением.
Поток воздуха затем смешивают с потоком 108 топлива (в частности, газа), впрыскиваемого в камеру 101 внешнего завихрителя 105: сдвиговый слой, созданный завихрителями 105, 106 с противоположным вращением, способствует высоким уровням турбулентности и позволяет улучшить смешивание топлива и воздуха, несмотря на низкую доступную длину канала смешивания.
Поток 108 топлива впрыскивают в поперечном направлении по отношению к оси вращения завихрителя, в направляющие аппараты между смежными лопастями 103 внешнего завихрителя 105, как можно оценить на Фиг. 3.
Другое известное решение описано в патенте США №5251447, в котором используют ДКЗВП, а топливо впрыскивают в осевом направлении (в направлении, параллельном оси вращения завихрителей) внутри внешней камеры.
Другое известное решение показано в патенте США №5351447, в котором в смесителе воздуха и топлива, снабженном ДКЗПВ, топливо подают как во внешнюю камеру, так и, распыленное в осевом направлении, в место сопряжения внутреннего и внешнего завихрителей, ниже по потоку от последнего.
В итоге, основной целью известных решений является улучшение действия смесителя воздуха и топлива в тех областях, в которых присутствуют локализованные области почти стехиометрического сгорания: в этом смысле, критерием, который, по-видимому, является общим в известных решениях, является улучшение этого смешивания во внешней части смесителя, в которой присутствуют нежелательные области неидеального смешивания и места перегрева.
x
Хотя эти известные решения в общем являются эффективными, требуется еще большее уменьшение выброса NO.
Кроме того, эти виды известных смесителей воздуха и топлива особенно чувствительны к изменчивости производственного процесса, так как производственные допуски могут оказывать сильное воздействие на общую технологическую характеристику смесителя; может оказаться, что одна и та же партия смесителей воздуха и топлива, изготовленная одним и тем же производителем, показывает большие различия в технических характеристиках между одним смесителем и другим смесителем, таким образом сильно повышая затраты на восстановление.
Краткое описание изобретения
x
Для достижения дальнейшего лучшего уменьшения выбросов NO при использовании смесителя воздуха и топлива, снабженного двойным кольцевым завихрителем с противоположным вращением, важной идеей является впрыскивание потока топлива во внутреннюю камеру внутреннего завихрителя.
Согласно дополнительному улучшению, другой важной идеей является впрыскивание потока топлива только во внутреннюю камеру внутреннего завихрителя, тем самым, избегая впрыскивания какого-либо топлива (газа) во внешний завихритель.
x
Первое воплощение описанного в данном документе объекта изобретения соответствует способу уменьшения выбросов NO в газовой турбине, в котором поток первичного воздуха и поток топлива подают в двойной кольцевой завихритель с противоположным вращением, причем указанный поток первичного воздуха подают во внутреннюю и внешнюю кольцевые камеры завихрителя, при этом способ дополнительно включает стадию впрыскивания потока топлива во внутреннюю кольцевую камеру.
x
Было обнаружено и испытано, что посредством подачи во внутреннюю камеру двойного кольцевого завихрителя с противоположным вращением усиливают смешивание топлива и воздуха и обеспечивают уменьшение NO.
Второе воплощение описанного в данном документе объекта изобретения соответствует смесителю воздуха и топлива для газовой турбины, содержащему первичный воздуховод для подачи первичного воздуха, канал подвода топлива для подачи топлива, в частности, газа, двойной кольцевой завихритель с противоположным вращением, который, в свою очередь, включает один внутренний завихритель и один внешний завихритель, коаксиальные друг другу; причем указанный смеситель воздуха и топлива также содержит элемент подачи топлива, функционально связанный с указанным каналом подвода топлива, причем указанный элемент подачи топлива предназначен для подачи топлива внутрь указанной внутренней камеры.
x
Таким образом, указанный смеситель воздуха и топлива для газовой турбины подходит для выполнения описанного выше способа, с важными преимуществами, относящимися к уменьшению NO.
Как описано более подробно в последующем описании, другим важным преимуществом, достигаемым с помощью смесителя воздуха и топлива согласно описанному в данном документе объекту изобретения, является то, что такой смеситель менее чувствителен к изменчивости производственного процесса, а различия в технических характеристиках между одним смесителем и другим смесителем из одной партии уменьшаются.
Третье воплощение включает газовую турбину, содержащую смеситель воздуха и топлива согласно второму воплощению.
Четвертое воплощение включает двойной кольцевой завихритель с противоположным вращением, содержащий один внутренний завихритель и один внешний завихритель, коаксиальные друг другу и, соответственно, содержащие внутреннюю камеру, в которой размещены внутренние лопасти, и внешнюю камеру, в которой размещены внешние лопасти, причем завихритель содержит элементы подачи топлива, предназначенные для подачи топлива внутрь указанной внутренней камеры.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены в данный документ и составляют часть технического описания, иллюстрируют примерные воплощения настоящего изобретения и, вместе с подробным описанием, объясняют эти воплощения. На чертежах:
на Фиг. 1 показано поперечное сечение смесителя воздуха и топлива согласно известному уровню техники,
на Фиг. 2 показан вид спереди смесителя воздуха и топлива согласно известному уровню техники,
на Фиг. 3 показано поперечное сечение части смесителя, изображенного на Фиг. 1,
на Фиг. 4 показано поперечное сечение смесителя воздуха и топлива согласно воплощению описанного в данном документе объекта изобретения,
на Фиг. 5 показано перспективное изображение двойного кольцевого завихрителя с противоположным вращением, содержащегося в воплощении смесителя, изображенном на Фиг. 4,
на Фиг. 6 и 7 показаны сечения двойного кольцевого завихрителя с противоположным вращением, изображенного на Фиг. 5, взятые вдоль двух различных плоскостей сечения,
на Фиг. 8 показаны профили сравнения концентрации топлива между смесителем воздуха и топлива, изображенным на Фиг. 4, и известными смесителями, и
x
на Фиг. 9 показано сравнение выброса NO между смесителем воздуха и топлива, изображенным на Фиг. 4, и известными смесителями.
Подробное описание изобретения
Следующее описание примерных воплощений относится к прилагаемым чертежам.
Следующее описание не ограничивает изобретение. Наоборот, область защиты изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.
Во всем техническом описании ссылка на элемент «одного воплощения» или «воплощения», который является конкретным признаком, структурой или характеристикой, описанной в связи с воплощением, включена в по меньшей мере одно воплощение описываемого объекта изобретения. Таким образом, появление выражений «в одном воплощении» или «в воплощении» в различных местах во всем техническом описании не обязательно относится к одному и тому же воплощению. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики можно объединять любым подходящим образом в одном или более воплощениях.
x
Одним воплощением описанного в данном документе объекта изобретения является способ уменьшения выбросов NO в газовой турбине, в котором поток первичного воздуха и поток топлива (газа) подают в двойной кольцевой завихритель с противоположным вращением, причем указанный поток первичного воздуха подают как во внутреннюю, так и во внешнюю кольцевые камеры, и обеспечивают впрыскивание потока топлива во внутреннюю кольцевую камеру.
X)
Этот способ обеспечивает лучшее смешивание и уменьшение NO так как топливо можно впрыскивать во всю массу воздуха, поступающую в завихритель.
Согласно усовершенствованию этого способа, обеспечивают впрыскивание потока топлива внутри двойного кольцевого завихрителя с противоположным вращением только лишь во внутреннюю камеру, тем самым, избегая впрыскивания или подачи какого-либо топлива во внешнюю камеру.
Термин «внутри» завихрителя используют для обозначения области «выше по потоку» от конца завихрителя по отношению к направлению потока воздуха от входа к выходу; термин «конец двойного кольцевого завихрителя с противоположным вращением» обозначает секцию (перпендикулярно оси завихрителя) смесителя, в которой заканчиваются лопасти завихрителя.
Необходимо отметить, что ниже по потоку от конца завихрителя могут присутствовать другие места впрыскивания топлива в поток воздуха, например, если используют пилотное топливо: эти другие впрыскивания топлива в любом случае находятся вне завихрителя, в частности, ниже по потоку от конца самого завихрителя.
x
x
В частности, согласно результату испытания (со ссылкой на Фиг. 8 и 9), показано, что, благодаря впрыскиванию топлива (когда учитывают область выше по потоку от конца самого завихрителя) только лишь во внутреннюю камеру завихрителя, получают даже лучшее смешивание топлива и первичного воздуха, так что можно достичь оптимального профиля концентрации топлива, что предотвращает места перегрева или локализованные области почти стехиометрического сгорания, и, поэтому, уменьшаются выбросы NO: было обнаружено, что богатый пик сдвинут по направлению к оси. Это позволяет иметь обедненную смесь, взаимодействующую с пилотным диффузионным режимом горения, что приводит к положительному влиянию на уменьшение NO.
Было показано, что особенно интересно впрыскивать поток топлива по меньшей мере в месте впрыскивания во внутренней камере, причем указанное место впрыскивания расположено рядом с внешней кольцевой камерой: таким образом, топливо впрыскивают вблизи области сильного сдвига между внутренним и внешним завихрителем, и сильная турбулентность способствует еще лучшему смешиванию топлива и воздуха.
В этом смысле было бы интересно впрыскивать топливо в разделяющую втулку между внутренним завихрителем и внешним завихрителем, на стороне внутреннего завихрителя.
Предпочтительно, существует множество мест впрыскивания, расположенных на этом пути; в частности, очень преимущественным решением является обеспечение двух мест впрыскивания топлива для каждого направляющего аппарата, определенного двумя смежными лопастями внутреннего завихрителя; таким образом, весь поток топлива (для каждого внутреннего направляющего аппарата) можно разделить на две части для лучших результатов при смешивании с воздухом.
В этом случае является возможным и преимущественным обеспечить для каждого направляющего аппарата внутренней камеры впрыскивание первого потока топлива, которое больше впрыскивания второго потока топлива; в частности, для каждого направляющего аппарата внутренней камеры первый поток топлива впрыскивают близи впускной секции завихрителя (то есть там, где начинаются лопасти завихрителя), при этом второй поток топлива впрыскивают близи выпускной секции завихрителя (где заканчиваются лопасти завихрителя).
Хотя, в принципе, можно было бы впрыскивать топливо во внутреннюю камеру многими путями, было обнаружено, что особенно преимущественным решением является впрыскивание потока топлива в поперечном направлении по отношению к оси завихрителя и по направлению к ней. Следовательно, направление потока топлива является центростремительным.
Путь подачи для подачи такого топлива во внутреннюю камеру можно изменять, однако испытания показали, что было бы особенно интересно подавать топливо во внутреннюю камеру по меньшей мере через поперечный путь подачи, проходящий во внешней камере и заканчивающийся во внутренней камере.
Таким образом, можно подавать в каждый внутренний направляющий аппарат, определенный между двумя смежными лопастями внутреннего завихрителя, с помощью по меньшей мере одного поперечного пути подачи, или, при альтернативном решении, с помощью двух поперечных путей подачи.
Необходимо отметить, что, в принципе, также можно было бы иметь три, четыре или более путей подачи и/или мест впрыскивания для каждого направляющего аппарата внутренней камеры, хотя увеличение их числа воздействовало бы на баланс с потребностью в относительно простой конструкции.
Предпочтительно, когда каждая внешняя лопасть 62 снабжена одной подающей трубой (либо первой, либо второй), внешние лопасти 62, имеющие первую подающую трубу 71, чередуются с внешними лопастями, имеющими вторую подающую трубу 72; при этом первые подающие трубы 71 имеют большую площадь проходного сечения, чем вторые подающие трубы 72; все первые подающие трубы 71 ориентированы в первой общей плоскости, а все вторые подающие трубы 72 ориентированы во второй общей плоскости, причем первая плоскость ближе к впуску воздуха завихрителя по сравнению со второй плоскостью. Так как в этом воплощении количество внешних лопастей в два раза больше количества внутренних лопастей, для каждого внутреннего направляющего аппарата обеспечены две подающие трубы, в частности, одна первая подающая труба 71 и одна вторая подающая труба 72.
Другим воплощением описанного в данном документе объекта изобретения является смеситель воздуха и топлива, описанный далее со ссылкой на Фиг. 5-7.
Смеситель 1 воздуха и топлива для газовой турбины содержит канал 2 подвода первичного воздуха для подачи первичного воздуха и канал 3 подвода топлива для подачи топлива, в частности, газа.
Нужно понимать, что на прилагаемых чертежах такие каналы подвода 2 и 3 начерчены только в целях иллюстрации и их форма или положение может изменяться согласно обстоятельствам; например, канал 3 подвода топлива может быть просто в форме патрубка, подходящего для соединения с трубопроводом подачи топлива (не показан) установки.
x
Смеситель 1 воздуха и топлива содержит двойной кольцевой завихритель 4 с противоположным вращением; при этом для степени уменьшения NO не важен тип такого двойного кольцевого завихрителя с противоположным вращением, т.е. является ли он осевым, радиальным или осевым/радиальным.
Такой завихритель 4 содержит один внутренний завихритель 5 и один внешний завихритель 6, коаксиальные друг другу вокруг оси X, как показано на Фиг. 6 и 7.
Внутренний завихритель 5 размещен внутри внешнего завихрителя 6, имея меньший диаметр по отношению к последнему.
Внутренний завихритель содержит одну кольцевую внутреннюю камеру 51 и внутренние лопасти 52, размещенные в указанной внутренней камере 51.
Внешний завихритель 6, концентричный с внутренним завихрителем 5, содержит, в свою очередь, кольцевую внешнюю камеру 61 и внешние лопасти 62, размещенные в указанной внешней камере 61.
Канал 2 подвода первичного воздуха функционально связан (или находится в сообщении по потоку) с внутренним завихрителем 5 и внешним завихрителем 6; поэтому поток первичного воздуха идеально разделяют на два потока с противоположным вращением благодаря различной форме и ориентации внутренних и внешних лопастей 52, 62.
Как внутренняя, так и внешняя камеры 51, 61 частично определены разделяющей втулкой 56; кроме того, внешняя камера 61 также определена внешней втулкой 68, в то время как внутренняя камера 51 также определена внутренней втулкой 58.
Внутренние лопасти 52 поэтому соединены (предпочтительно монолитно) с внутренней втулкой 58 и разделяющейся втулкой 56, в то время как внешние лопасти соединены (предпочтительно монолитно) с разделяющей втулкой 56 и внешней втулкой 68.
Согласно воплощению, описанному в данном документе, смеситель 1 воздуха и топлива дополнительно содержит элемент подачи топлива, функционально связанный с указанным каналом 3 подвода топлива, причем указанный элемент подачи топлива предназначен для подачи топлива внутрь внутренней камеры 51.
Согласно особо предпочтительному воплощению, внешняя камера 61 не содержит какого-либо элемента впрыскивания топлива.
Другими словами, внутри (в смысле «выше по потоку от конца») завихрителя элемент подачи топлива состоит из по меньшей мере одной трубы (или канала), функционально связанной с каналом 3 и оканчивающейся (открытой) во внутренней камере 51, для подачи топлива только в указанную внутреннюю камеру 51; поэтому отверстие элемента подачи топлива во внутренней камере можно считать «местом впрыскивания».
Таким образом, элемент подачи топлива определяет путь подачи топлива для подачи такого топлива во внутреннюю камеру.
В предпочтительном, но не ограничивающем воплощении элемент подачи топлива содержит первую поперечную трубу 71 подачи топлива и вторую поперечную трубу 72 подачи топлива в двух различных и смежных лопастях 62 внешнего завихрителя 6; таким образом получают поперечный путь подачи топлива.
Термин «поперечный» здесь используют для обозначения направления, по существу лежащего в плоскости, которая перпендикулярна оси X завихрителя.
В самых общих чертах, согласно объекту изобретения, может присутствовать различное количество труб подачи топлива для подачи топлива во внутреннюю камеру 51: только одна труба подачи топлива, две, три или более труб подачи топлива, также имеющие формы, отличные от форм труб на чертежах, или даже не помещенные внутрь лопастей 62, но, например, обеспеченные в виде специальных каналов, проходящих вблизи лопастей (или в других положениях, в которых они предпочтительно не мешают вращению, придаваемому потоку первичного воздуха лопастями завихрителя 4).
В предпочтительном воплощении, показанном на прилагаемых чертежах, первая и вторая поперечные трубы 71, 72 подачи топлива размещены по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, внутри внешних лопастей 62, что можно лучше видеть на Фиг. 6 и 7.
Каждая труба 71, 72 подачи топлива снабжена впускным отверстием, расположенным на внешней втулке 68, и выпускным отверстием, расположенным на разделяющей втулке 56 на стороне внутренней камеры последней: таким образом, при использовании, топливо можно подавать в каждую трубу 71, 72 подачи топлива через впускное отверстие (функционально связанное с каналом 3 подвода топлива) и впрыскивать во внутреннюю камеру 51 через выпускное отверстие на разделяющей втулке 56.
Предпочтительно, трубы 71, 72 подачи топлива обеспечивают поперечный путь по отношению к оси X завихрителя (см. Фиг. 6 и 7).
В предпочтительном воплощении, показанном на прилагаемых чертежах, существует множество первых труб 71 подачи топлива (показанных в поперечном сечении на Фиг. 6), все ориентированные в общей первой плоскости, и множество вторых труб 72 подачи топлива (показанных в поперечном сечении на Фиг. 7), все ориентированные в общей второй плоскости. Как первая, так и вторая общие плоскости параллельны друг другу (и отличны друг от друга) и перпендикулярны оси X завихрителя.
Предпочтительно, каждая труба 71, 72 подачи топлива имеет форму цилиндрического отверстия во внешней лопасти, причем ось указанного отверстия по существу направлена по касательной к внутренней втулке 58.
Термин «по существу направлена по касательной» используют в данном документе для обозначения того, что указанное направление не является точно «касательной» к самой втулке, так как выпускное отверстие должно открываться во втулку 56, но имеет ориентацию, очень близкую к касательной, например, образуя угол, составляющий 10-15° с направлением, касательным к внутренней втулке 58.
В другом воплощении каждая труба 71, 72 подачи топлива имеет форму цилиндрического отверстия во внешней лопасти, причем ось указанного отверстия по существу направлена радиально по отношению к разделяющей втулке 56.
Воплощение, в котором труба подачи топлива представляет собой цилиндрическое отверстие во внешней лопасти, показало интересные преимущества в том, что касается чувствительности к способам изготовления: выполнение цилиндрического отверстия с определенным диаметром все же является довольно простой операцией с пониженными ошибками при изготовлении, тем самым, приводя к более предсказуемому результату в показателях окончательной обработки и точного задания размеров.
В предпочтительном воплощении, показанном на прилагаемых чертежах, диаметры первой и второй труб 71, 72 подачи топлива являются различными, один больше другого; в частности, труба 71 подачи топлива, имеющая свое выпускное отверстие ближе к впускному отверстию первичного воздуха, имеет больший диаметр; это обеспечивает подачу большей части потока топлива вблизи впускного отверстия воздуха и получение лучшего смешивания. Диаметры составляют от 1,8 до 2,0 мм, предпочтительно 1,4 мм.
В самых общих чертах можно сказать, что, если первая и вторая поперечная труба 71, 72 подачи топлива имеют не круглое сечение, тогда первая поперечная труба 71 подачи топлива имеет площадь проходного сечения большую, чем площадь проходного сечения второй поперечной трубы подачи топлива.
Смеситель 1 воздуха и топлива может дополнительно содержать, как показано, сужающийся канал 19, а также коаксиальную направляющую (pilot) на тонком конце смесителя воздуха и топлива.
Дополнительным, хотя и необязательным, признаком является обеспечение, сразу ниже по потоку от конца завихрителя 4, цилиндрической части канала 21, сразу выше по потоку от сужающегося канала 19, как показано на Фиг. 4.
Так как направляющую обеспечивают на тонком конце смесителя воздуха и топлива (в конце сужающегося канала 19), действие цилиндрической части канала 21 заключается в обеспечении определенного времени пребывания для смеси воздуха и топлива, так чтобы дополнительно усилить смешивание этих двух компонентов перед их поступлением в направляющую и сгоранием.
x
x
В заключение, рассматривая результаты испытаний, представленные на Фиг. 8, можно сразу заметить разницу в профиле концентрации топлива между одним известным решением (непрерывная черная линия) и решением, описанным в данном документе (белые квадраты); вкратце, это позволяет получить преимущества в показателях уменьшения NO, которое ясно видно из Фиг. 9; на последнем чертеже визуальное сравнение известного решения (черные точки) и настоящего решения (белые квадраты) выбросов NO в зависимости от температуры пламени ясно показывает достигнутое уменьшение.