ЗАВИХРИТЕЛЬ, СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАТНОГО УДАРА ПЛАМЕНИ В ГОРЕЛКЕ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, С ОДНИМ ЗАВИХРИТЕЛЕМ И ГОРЕЛКА
SWIRLER, METHOD FOR PREVENTION OF BACKFIRE OF BURNER AT LEAST WITH ONE SWIRLER, AND BURNER

Изобретение относится к завихрителю с центральным топливораспределительным элементом и к горелке, по меньшей мере, с одним завихрителем. Также изобретение относится к способу предотвращения обратного удара пламени в горелке, содержащей, по меньшей мере, один завихритель с центральным топливораспределительным элементом.
x
Горелки газовых турбин с центральными топливораспределительными элементами и окружающими их завихрителями описаны, например, в DE 102007004394 A1, US 2004/0055306 A1 и US 6082111. В описанных в US 2004/0055306 A1 и US 6082111 горелках завихритель проходит от центрального топливораспределительного элемента до окружающей его стенки, ограничивающей осевой проточный канал для воздуха, предназначенного для горения. При этом горелки включают в себя соответственно несколько таких устройств. В таких горелках профили впрыскиваемого в проточный канал топлива рассчитаны таким образом, что в зону вокруг центрального топливораспределительного элемента подается очень мало топлива, так что в этой зоне образуется очень бедная смесь. Причина этого заключается в том, что следует избегать обратного удара пламени. В вихрях, образующихся со стороны стекающего с центрального распределительного элемента потока, возникает зона с меньшей скоростью течения. Если вблизи центрального распределительного элемента впрыскивается слишком много топлива, то может произойти так, что эта центральная зона с низкой скоростью течения будет снабжена слишком большим количеством топлива, что может привести к обратному удару пламени, с чем при больших нагрузках связаны очень высокие температуры со стороны стекающего с завихрителя потока. Очень бедная смесь в зоне центрального топливораспределительного элемента приводит из-за уменьшения качества смеси к повышению выбросов NO, с которыми, однако, приходится мириться во избежание обратного удара пламени.
Чтобы избежать обратного удара пламени, в DE 102007004394 A1 предложено снабдить завихряющие лопатки вблизи центрального топливораспределительного элемента вырезами, так что завихряющие лопатки вблизи центрального топливораспределительного элемента в осевом направлении короче, чем на удалении от него. Кривизна завихряющих лопаток в направлении периферии вблизи центрального топливораспределительного элемента за счет этого не такая, как на удалении от него.
Таким образом, достигается то, что протекающий по проточному каналу воздух испытывает вблизи центрального топливораспределительного элемента меньшее завихрение и за счет этого течет в осевом направлении быстрее, чем на удалении от него. Кроме того, на обращенных к распределительному элементу внутренних кромках завихряющих лопаток в зоне выреза может быть предусмотрена цилиндрическая стенка, отделяющая участок канала с небольшим вихреобразованием от участка канала с сильным вихреобразованием.
По сравнению с описанным уровнем техники задачей изобретения является создание усовершенствованных завихрителя и горелки. Кроме того, задачей изобретения является усовершенствование способа предотвращения обратного удара пламени в горелке, по меньшей мере, с одним завихрителем.
Поставленные задачи решаются посредством завихрителя согласно пункту 1, горелки согласно пункту 11 и способа согласно пункту 12 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы содержат предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Предложенный завихритель включает в себя центральный топливораспределительный элемент, окружающую центральный топливораспределительный элемент наружную стенку и ограничивающую осевой проточный канал для воздуха, предназначенного для горения, завихряющие лопатки, проходящие в радиальном направлении до наружной стенки и придающие протекающему воздуху для горения тангенциальную составляющую течения, а также окружающую центральный топливораспределительный элемент и перегородку, расположенную радиально внутри наружной стенки. Перегородка разделяет проточный канал на радиально внутренний и радиально внешний участки. При этом перегородка может проходить в осевом направлении завихрителя, по меньшей мере, по осевой длине завихряющих лопаток, в частности, однако, за пределы их осевой длины. Радиально внутренний участок канала позволяет протекать воздуху для горения без придания тангенциальной составляющей течения или с приданием тангенциальной составляющей течения, которая противоположна ориентации тангенциальной составляющей течения на радиально внешнем участке канала.
За счет полного исключения тангенциальной составляющей на внутреннем участке канала вокруг центрального топливораспределительного элемента возникает окружающее его течение с высокой осевой скоростью, которое помогает надежно избежать обратного удара пламени. Однако также создание встречного завихрения на внутреннем участке канала, т.е. завихрения, ориентированного навстречу завихрению на внешнем участке канала, может помочь избежать обратного удара пламени, поскольку за счет этого можно оказать положительное влияние на условия течения в вихре со стороны стекающего с центрального топливораспределительного элемента потока.
Полное исключение тангенциальной составляющей течения на внутреннем участке канала достигается, в частности, за счет того, что на этом участке канала вообще отсутствуют завихряющие лопатки. Чтобы питать топливом завихряющие лопатки на радиально внешнем участке канала, топливопроводы могут проходить к ним через радиально внутренний участок канала. Во избежание отрывов течения на топливопроводах последние имеют предпочтительно круглое или каплевидное сечение.
В случае если на радиально внутреннем участке канала находятся завихряющие лопатки, придающие протекающему через него воздуху для горения тангенциальную составляющую течения, ориентированную навстречу тангенциальной составляющей течения на радиально внешнем участке канала, топливопроводы для находящихся на радиально внешнем участке канала завихряющих лопаток могут проходить через завихряющие лопатки на радиально внутреннем участке канала или в виде отверстий через завихряющие лопатки.
Для достижения особенно равномерного профиля топлива на радиально внутреннем участке канала предпочтительно, если в топливопроводах или в завихряющих лопатках на этом участке канала выполнены топливовыпускные отверстия. Они могут располагаться, в частности, таким образом, что через них впрыскивается топливо в воздух для горения, в основном, перпендикулярно направлению его течения на радиально внутреннем участке канала. Точно так же в завихряющих лопатках на радиально внешнем участке канала могут быть выполнены топливовыпускные отверстия, расположенные, в частности, таким образом, что через них впрыскивается топливо в воздух для горения, в основном, перпендикулярно направлению его течения на радиально внешнем участке канала. За счет этого равномерный профиль топлива может быть достигнут также на радиально внешнем участке канала. Однако направление впрыска необязательно должно быть перпендикулярным направлению течения воздуха для горения. Напротив, направление впрыска может быть выбрано, в принципе, произвольным. Следовательно, например, в качестве альтернативы или дополнительно к подаче перпендикулярно направлению течения воздуха для горения топливо может подаваться также перпендикулярно радиальному направлению и/или навстречу направлению течения воздуха для горения через проточный канал и/или параллельно направлению течения воздуха для горения через проточный канал. Возможны также другие направления и их комбинации. Это относится к топливоподаче как на внутреннем, так и на внешнем участке канала.
Для дальнейшего повышения скорости осевого течения вблизи центрального топливораспределительного элемента перегородка может, по меньшей мере, частично иметь коническую форму, причем сечение отверстия радиально внутреннего участка канала уменьшается в направлении течения воздуха для горения.
В одном варианте выполнения завихрителя перегородка выступает за конец наружной стенки со стороны стекающего потока. Этот вариант может быть реализован как в случае конической, так и неконической перегородки.
Относительно сложная по сравнению с завихрителями, известными из уровня техники, геометрическая форма предлагаемого завихрителя предпочтительно выполняется в виде отливки. Если сначала изготовлена литьевая модель, то затраты на изготовление предложенного завихрителя в виде отливки существенно не отличаются от затрат на изготовление известных завихрителей.
Предложенная горелка оборудована, по меньшей мере, одним предложенным завихрителем. За счет этого описанные преимущества завихрителя могут быть реализованы в горелке, в частности, в горелке для газовой турбины.
Согласно изобретению, предложен способ предотвращения обратного удара пламени в горелке, содержащей, по меньшей мере, один завихритель с центральным топливораспределительным элементом и окружающей центральный топливораспределительный элемент наружной стенкой, ограничивающей осевой проточный канал для воздуха, предназначенного для горения. Протекающему через проточный канал воздуху для горения на радиально внешнем участке канала придается тангенциальная составляющая течения. На радиально внутреннем участке канала протекающему через проточный канал воздуху для горения, напротив, не придается тангенциальная составляющая течения или придается тангенциальная составляющая течения, встречная тангенциальной составляющей течения на радиально внешнем участке канала..
Достигаемые благодаря предложенному способу преимущества в отношении предотвращения обратного удара пламени уже описаны в отношении предложенного завихрителя. Во избежание повторений ссылка дана на это описание.
Особенно равномерный профиль топлива образуется в том случае, если оно подается к протекающему через проточный канал воздуху для горения. При этом топливо может подмешиваться, в частности, перпендикулярно направлению течения воздуха для горения через проточный канал и/или перпендикулярно радиальному направлению. Также подмешивание, в основном, навстречу направлению течения воздуха для горения через проточный канал и/или параллельно этому направлению возможно в качестве альтернативы или дополнительно к уже описанным вариантам.
Другие признаки, свойства и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
- фиг.1 - газовую турбину в сильно схематичном виде;
- фиг.2 - горелку газовой турбины в перспективе;
- фиг.3 - завихритель горелки из фиг.2 в перспективе;
- фиг.4 - завихритель из фиг.3 в частичном разрезе;
- фиг.5 - завихритель из фиг.3 в разрезе вдоль своей продольной оси;
- фиг.6 - альтернативное выполнение завихрителя в частичном разрезе;
- фиг.7 - другое альтернативное выполнение завихрителя в частичном разрезе.
Ниже с помощью фиг.1, на которой в сильно схематичном разрезе изображена газовая турбина, поясняются ее конструкция и функция. Газовая турбина 1 содержит компрессорную секцию 3, секцию 4 сжигания, которая в данном примере может включать в себя несколько трубчатых камер 5 сгорания с расположенными в них горелками 6, однако может включать в себя также одну кольцевую камеру сгорания, и турбинную секцию 7. Через все секции проходит ротор 9, несущий в компрессорной секции 3 компрессорные лопаточные венцы 11, а в турбинной секции 7 - турбинные лопаточные венцы 13. Между соседними компрессорными лопаточными венцами 11 и соседними турбинными лопаточными венцами 13 расположены венцы компрессорных направляющих лопаток 15 и венцы турбинных направляющих лопаток 17 соответственно, проходящие от корпуса 19 газовой турбины 1 радиально в направлении ротора 9.
При работе газовой турбины 1 воздух всасывается через воздуховпускной патрубок 21 в компрессорную секцию 3. Там воздух сжимается вращающимися компрессорными рабочими лопатками 11 и подается к горелкам 6 в секции 4 сжигания. В горелках 6 воздух смешивается с газообразным или жидким топливом, и смесь сжигается в камерах 5 сгорания. Находящиеся под высоким давлением горячие отработавшие газы подаются затем в качестве рабочей среды к турбинной секции 7. На своем пути через турбинную секцию 7 отработавшие газы передают импульс на турбинные рабочие лопатки 13, причем они расширяются и охлаждаются. Наконец, расширенные и охлажденные отработавшие газы покидают турбинную секцию 7 через выхлопной патрубок 23. Переданный импульс вызывает вращательное движение ротора, которое приводит в действие компрессор и потребителя, например генератор для вырабатывания электрического тока или промышленную рабочую машину. Венцы турбинных направляющих лопаток 17 служат при этом соплами для направления рабочей среды, чтобы оптимизировать передачу импульса на турбинные рабочие лопатки 13.
На фиг.2 в перспективе изображена горелка 6 секции 4 сжигания. В качестве основных компонентов горелка 6 содержит распределитель 27 топлива, восемь топливных сопел 29, проходящих от распределителя 27 топлива, и восемь расположенных в зоне остриев топливных сопел 29 завихрителей 31. Распределитель 27 топлива и топливные сопла 29 образуют сообща корпус горелки, через который топливопроводы проходят к впрыскивающим отверстиям, расположенным внутри завихрителей 31 и потому не видимым на фиг.2. Посредством нескольких патрубков (не показаны) горелка может быть присоединена к топливоподводящим трубопроводам. Посредством фланца 35 горелка 6 крепится на трубчатой камере сгорания так, чтобы топливные сопла 29 были направлены внутрь нее.
Представленная на фиг.2 горелка 6 содержит восемь топливных сопел 29, однако можно оборудовать ее также иным количеством топливных сопел 29. Количество топливных сопел может быть при этом больше или меньше восьми, например, их может быть шесть или двенадцать, и каждое из них содержит собственный завихритель. Кроме того, в центре горелки обычно расположено пилотное топливное сопло. Для наглядности оно на фиг.2 не показано.
В процессе горения воздух направляется из компрессора через завихрители 31, где он смешивается с топливом. Затем топливно-воздушная смесь сжигается в зоне сжигания камеры 5 сгорания для получения рабочей среды.
На фиг.3 в перспективе изображен завихритель 31 горелки 6. Он содержит центральный топливораспределительный элемент 37, окруженный наружной стенкой 39, образующей осевой проточный канал 41 для сжатого воздуха. В проточном канале 41 имеется также окружающая центральный топливораспределительный элемент 37 и расположенная радиально внутри наружной стенки 39 перегородка 42, которая делит проточный канал 41 на радиально внутренний 43 и радиально внешний 45 участки. От перегородки 42 в радиальном направлении через радиально внешний участок 45 канала до наружной стенки 39 проходят завихряющие лопатки 47. Они придают протекающему через радиально внешний участок 45 канала сжатому воздуху тангенциальную составляющую течения, так что после прохождения через завихритель 31 воздух образует вихрь.
На радиально внутреннем участке 43 канала завихряющие лопатки отсутствуют. Вместо этого от центрального топливораспределительного элемента 37 в радиальном направлении к перегородке 42 проходят топливопроводы 49. Как видно, в частности, на фиг.4, представляющей частичный разрез завихрителя 31, топливопроводы 49 имеют каплевидное сечение для предотвращения отрыва течения от задней кромки топливопроводов 49. Вместо каплевидного сечения топливопроводы 49 могут иметь также круглое сечение.
Топливопроводы 49 расположены так, что они совпадают с завихряющими лопатками 47 на радиально внешнем участке 45 канала, в результате чего в прямом направлении от центрального топливораспределительного элемента 37 через топливопроводы 49 до завихряющих лопаток 47 может проходить топливный канал 51. Топливные каналы 51 видны, в частности, на фиг.5, представляющей разрез завихрителя 31 вдоль его продольной оси. Посредством топливных каналов 51 выходные отверстия 53 в завихряющих лопатках 47 и выходные отверстия 55 в топливопроводах 49 снабжаются топливом. При этом выходные отверстия 53, 55 расположены так, что топливо впрыскивается в радиально внешний 45 и радиально внутренний 43 участки канала, в основном, перпендикулярно направлению течения сжатого воздуха.
x
Описанная конструкция завихрителя приводит к тому, что протекающему через радиально внутренний участок 43 канала сжатому воздуху не придается завихрение. За счет этого скорость течения сжатого воздуха в осевом направлении выше, чем у протекающего через радиально внешний участок 45 канала сжатого воздуха, часть осевого течения которого преобразуется в тангенциальную составляющую течения. За счет более высокой осевой скорости течения на радиально внутреннем участке канала, т.е. в зоне, примыкающей к центральному топливораспределительному элементу 37, можно избежать возникновения зон с низкой осевой скоростью течения со стороны стекающего с центрального топливораспределительного элемента 37 потока, что, в свою очередь, приводит к предотвращению обратных ударов пламени. По сравнению с уровнем техники это позволяет впрыскивать больше топлива вблизи центрального распределительного элемента 37, что снижает выбросы NO при сжигании.
Перегородка 42 проходит, по меньшей мере, по всей осевой длине завихряющих лопаток 47 на радиально внешнем участке 45 канала, так что можно надежно предотвратить подачу тангенциальной составляющей течения на радиально внутреннем участке 43 канала. В данном примере перегородка 42 проходит, кроме того, в осевом направлении по передней и задней кромкам завихряющих лопаток 47 во избежание воздействия протекающего через радиально внешний участок 45 канала завихренного воздуха на протекающий через радиально внутренний участок 43 канала сжатый воздух.
Альтернативный вариант завихрителя 31 изображен на фиг.6. Элементы, соответствующие завихрителю в первом примере, обозначены на фиг.6 теми же ссылочными позициями, что и в первом примере, и повторно не поясняются.
Завихритель 131 отличается от завихрителя 31 только своей перегородкой 142. В отличие от первого примера перегородка 142 имеет конический участок 144, который приводит к тому, что сечение отверстия радиально внутреннего участка 43 канала уменьшается к выходу завихрителя 131. За счет конического участка 144 скорость течения сжатого воздуха через радиально внутренний участок 43 канала повышается по сравнению с завихрителем 31. Центральный топливораспределительный элемент 37 окружается, таким образом, воздушной рубашкой, которая имеет особенно высокую осевую скорость течения и позволяет особенно надежно избежать образования зон с низкой скоростью течения и, тем самым, образования обратных ударов пламени.
Хотя перегородка 142 имеет конический участок 144 только со стороны стекающего потока, она может быть выполнена конической также по всей своей осевой длине.
Третий вариант завихрителя изображен на фиг.7 в частичном разрезе. Как и у завихрителя во втором варианте, все элементы, не отличающиеся от первого варианта, обозначены теми же ссылочными позициями и еще раз не описаны.
Завихритель 231 в третьем примере отличается от завихрителя в первом примере тем, что завихряющие лопатки 149 есть также на радиально внутреннем участке 43 канала. Однако в отличие от завихряющих лопаток 47 на радиально внешнем участке 45 канала их всасывающая и напорная стороны переставлены, так что сжатому воздуху на радиально внутреннем участке 43 канала компрессорными лопатками 159 придается тангенциальная составляющая, имеющая обратную ориентацию по отношению к осевому направлению течения, чем тангенциальная составляющая, придаваемая сжатому воздуху на радиально внешнем участке 45 канала находящимися там завихряющими лопатками 47. Также эта мера позволяет избежать обратных ударов пламени. Как топливопроводы 49 в первых примерах, завихряющие лопатки 149 имеют на радиально внутреннем участке 43 канала топливные каналы 51 и выходные отверстия 155 для топлива, расположенные так, что они впрыскивают топливо, в основном, перпендикулярно направлению течения воздуха через радиально внутренний участок 43 канала.
Хотя завихритель 231 в третьем примере на фиг.7 изображен с цилиндрической перегородкой 42, он может быть выполнен также с перегородкой, по меньшей мере, частично конической формы, как это описано со ссылкой на второй пример.
В изображенных примерах перегородки не выступают за конец соответствующей наружной стенки со стороны стекающего потока. Однако иначе, нежели это показано на чертежах, перегородки могут быть также удлинены со стороны стекающего потока, так что они выступают за конец наружной стенки со стороны стекающего потока. Это справедливо независимо от того, что выполнена ли перегородка конической или нет.
Относительно сложная геометрическая форма завихрителей в описанных примерах может быть реализована предпочтительным образом, если они изготавливаются в виде отливок.