ГОРЕЛКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
BURNER OF GAS TURBINE

Изобретение относится к горелке газовой турбины с множеством основных завихрителей, которые имеют, соответственно, образованное кромкой основного завихрителя входное отверстие.
x
x
В газовых турбинах воздух для сгорания обычно сжимается в многоступенчатом компрессоре, а затем подводится к нескольким горелкам газовых турбин, которые расположены на трубе сгорания, проведенной, к примеру, кольцеобразно вокруг оси турбины. В стремлении осуществить сгорание в газовой турбине по возможности с минимальным количеством NO хорошо зарекомендовали себя так называемые DLN-системы (dry low NO). У таких систем в каждой горелке газовой турбины вокруг контрольного конуса расположено несколько основных завихрителей, в которых горючий материал - обычно природный газ - посредством воздуха подвергается сильным завихрениям с целью получения стабильного контрольного пламени. Сжатый воздух протекает через основные завихрители и смешивается в основных завихрителях с горючим материалом, чтобы по течению потока, снаружи основного завихрителя, сгореть в трубе для сгорания. Нагретый за счет сгорания газ подается затем за счет разрежения на рабочую турбину для произведения работ.
Чтобы плотно удерживать горелку газовой турбины, сжатый в компрессоре воздух для горения обычно подается к далее радиально расположенным снаружи горелкам газовой турбины таким образом, что сжатый воздух проводится против направления потока в основных завихрителях, снаружи, вдоль горелок газовой турбины или их корпусов. Чтобы иметь возможность попасть во входные отверстия основных завихрителей, поток сжатого воздуха для горения должен проходить в обратном направлении и при этом обтекать обращенную к трубе сгорания направляющую кромку корпуса горелки и/или основных завихрителей.
Поворот и обтекание направляющей кромки могут приводить к тому, что между основными завихрителями и корпусом горелки появляется обратное течение, которое при известных условиях проникает во все зоны внутри основных завихрителей. Приближение потока к направляющей кромке или удаление от нее может приводить к такому же эффекту. Вследствие этого происходит неравномерное распределение потока через основные завихрители, причем самой проблематичной областью - по отношению к радиально внутреннему контрольному конусу - являются радиально наружные зоны основных завихрителей. За счет неравномерного потока воздуха и низкой скорости потока в результате этого, в этих проблематичных зонах при нагнетании горючего материала в этих зонах образуются сильно обогащенные смеси, для которых существует высокий риск обратной вспышки. Кроме того, за счет наличия зон обратного течения, в которых также всегда имеют место переменные характеристики, возрастает склонность к термоакустическим вибрациям камер сгорания.
В US 4689961 описано оснащение камеры сгорания с завихрителями, а также с имеющим форму чаши выступом с проходом, у которого установлены инжектор и завихрители, а также с впускным средством.
В US 2003/0110774 A1 описана газовая турбина с основными завихрителями, имеющими входное отверстие.
Для решения данной проблемы была предпринята попытка подведения в проблемные зоны внутри основных завихрителей сжатого воздуха для сгорания с целью разрежения насыщенных областей. Аналогично этому, в проблемные зоны подавалось лишь незначительное количество горючего материала, что привело к образованию смеси худшего качества, а тем самым к повышенной эмиссии оксидов азота.
Задачей настоящего изобретения является создание горелки газовой турбины, которая имеет равномерный воздушный поток в основных завихрителях.
Эта задача решается посредством горелки газовой турбины ранее указанного типа, которая имеет впускное направляющее средство с направляющей поток поверхностью, которая проходит от одного из входных отверстий к соседнему входному отверстию, примыкает к образующим входные отверстия кромкам основного завихрителя и оттуда в направлении радиально наружу расширена. Через примыкающую к входным отверстиям направляющую поток поверхность поворот направления потока сжатого воздуха для горения может быть произведен перед входными отверстиями вдоль направляющей поток поверхности, при этом процесс образования завихрений снижается. Благодаря этому, зоны разрежения, способствующие обратному течению внутри основных завихрителей, могут быть небольшими. Это приводит к равномерному распределению потока в основных завихрителях, так что обратное течение может быть существенно уменьшено или даже предотвращено. За счет более равномерного входящего потока достигается, кроме того, улучшенная гибкость отверстий предварительного смешивания, требуется меньше продувочного воздуха, а падение давления в основных завихрителях и на повороте потока уменьшаются.
Направляющая поток поверхность впускного направляющего средства примыкает к образующим входные отверстия кромкам основных завихрителей, причем при этом нет необходимости в непосредственной пристыковке к кромкам основных завихрителей, а более того, может оставаться небольшой монтажный зазор для постепенной установки основных завихрителей и впускного направляющего средства в горелку газовой турбины. За счет расположения впускного направляющего средства от одного входного отверстия до соседнего входного отверстия, в частности за счет его непрерывного расположения, может быть оказано противодействие завихрению воздуха для горения между основными завихрителями. За счет радиального расширения направляющей поток поверхности зона радиально снаружи основных завихрителей может быть закрыта для снижения или предотвращения завихрений. Радиальное направление при этом ориентировано относительно центра, вокруг которого радиально расположены основные завихрители.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения направляющая поток поверхность выгнута в направлении обтекающего воздуха для горения, при этом проходящий по дуге в направлении, обратном к входному отверстию, воздух для горения проводится вдоль изогнутой направляющей поток поверхности.
В другом предпочтительном варианте выполнения направляющая поток поверхность прилегает параллельно по ходу труб основных завихрителей к этим трубам. За счет параллельности присоединения может быть предотвращена резкая перемена направления при проведении воздуха по кромке между направляющей поток поверхностью и трубой основного завихрителя. Место присоединения должно находиться при этом не на самой наружной кромке основного завихрителя, а может располагаться также радиально внутри кромки основного завихрителя.
Основные завихрители расположены центрально симметрично вокруг контрольной горелки, и направляющая поток поверхность проходит радиально снаружи основных завихрителей. Входящий радиально снаружи в основные завихрители горелки газовой турбины поток воздуха для горения в критической зоне может быть проведен с небольшими завихрениями радиально снаружи основных завихрителей. Центральная симметрия может быть круговой симметрией, причем основные завихрители расположены кольцеобразно. Возможны также, к примеру, центрально симметричные многоугольные геометрии или геометрии в форме розетки.
В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения направляющая поток поверхность в радиально наружной зоне центрально симметрична, а в радиально внутренне удаленной зоне имеет отклонение от центральной симметрии и приведена в соответствие с формой кромок основных завихрителей. За счет такой замены центральной симметрии на симметрию отдельных основных завихрителей или кромок основных завихрителей, вокруг всех кромок основных завихрителей может быть получено течение, по меньшей мере, с небольшими завихрениями.
Направляющая поток поверхность в предпочтительном варианте выполнения проведена кольцеобразно, в частности непрерывно кольцеобразно, вокруг основных завихрителей, вследствие чего можно добиться равномерного вхождения со всех сторон в горелку газовой турбины.
Для достижения проведения воздуха для горения с небольшими завихрениями в зоне поворота направления потока направляющая поток поверхность в предпочтительном варианте расположена в виде утолщения в направлении вхождения перед основными завихрителями. Утолщение может быть сформировано в форме U-образной дуги с расположенными - относительно направления течения в основных завихрителях - по ходу течения поперечинами.
В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения направляющая поток поверхность проходит от обращенного радиально наружу участка к обращенному радиально внутрь, расположенному на входном отверстии участку. Поток может проводиться, таким образом, во время общего поворота направления потока от направляющей поток поверхности.
Если обращенный наружу участок образует центрально симметричную поверхность, в частности круглую поверхность, а обращенный внутрь участок имеет поверхность, приведенную в соответствие с круглым профилем основного завихрителя, то может быть получено направленное вокруг основных завихрителей обтекание с небольшими завихрениями.
Целесообразным является то, что направляющая поток поверхность проходит, по меньшей мере, в основном, с равномерным изгибом от обращенного наружу участка к обращенному внутрь участку. Благодаря этому, проходящий в обратном направлении воздух для горения может быть, по меньшей мере, в основном, полностью переориентирован со своего обратного направления течения радиально снаружи основных завихрителей на свое первоначальное направление течения радиально внутри основных завихрителей. Равномерный изгиб передается при этом посредством круговой линии пересечения между направляющей поток поверхностью и ориентированной в радиальном направлении плоскостью, причем радиальное направление соотносится с центром, вокруг которого расположены основные завихрители. Равномерный изгиб не должен наличествовать в каждой плоскости в радиальном направлении. Достаточно, если он реализован в одной единственной, ориентированной в радиальном направлении, плоскости, к примеру в плоскости, которая проходит через указанный ранее центр и между основными завихрителями. В предпочтительном варианте выполнения изобретения каждая из плоскостей, проходящих между основными завихрителями, имеет одинаковый изгиб.
В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения впускное направляющее средство соединяет проходящий вокруг основных завихрителей корпус горелки с основными завихрителями. За счет потока воздуха для горения радиально снаружи горелки газовой турбины вдоль корпуса горелки поток в этой зоне имеет уже меньшее количество завихрений. За счет соединения корпуса горелки с основными завихрителями посредством впускного направляющего средства, в частности посредством направляющей поток поверхности, отсутствие завихрений может сохраняться, по меньшей мере, в основном, до основных завихрителей. Соединение при этом имеет место предпочтительным образом непосредственно на кромке основного завихрителя, или же в непосредственной близости к нему, или же на входном отверстии.
Нежелательное обратное течение между корпусом горелки и основными завихрителями может быть предотвращено, если впускное направляющее средство образует зазор между проходящим вокруг основных завихрителей корпусом горелки и основными завихрителями. При этом может оставаться небольшой монтажный зазор между корпусом горелки и основными завихрителями, к примеру, шириной 2 мм.
В предпочтительном варианте выполнения направляющая поток поверхность проходит между основными завихрителями. Таким образом, и зазор между основными завихрителями или кромками основных завихрителей может, по меньшей мере, частично перекрываться.
В зонах между основными завихрителями изгиб направляющей поток поверхности от обращенного радиально наружу участка до обращенного радиально внутрь участка в целесообразном варианте также равномерен.
Направляющая поток поверхность, предпочтительно, проходит на радиальную глубину осей основных завихрителей между основными завихрителями. Таким образом, зазор между основными завихрителями может быть полностью закрыт, в случае необходимости - до монтажного зазора.
Простой монтаж впускного направляющего средства и основных завихрителей может быть достигнут, если впускное направляющее средство на своем радиально внутреннем участке проходит радиально снаружи мимо кромок основных завихрителей. Направляющее средство, предпочтительно, ориентировано в аксиальном направлении в непосредственной близости от кромок основных завихрителей, так что основные завихрители или впускное направляющее средство для осуществления монтажа могут быть легко сдвинуты в аксиальном направлении.
Кроме того, предлагается, чтобы горелка газовой турбины имела наружный и внутренний, соответственно, окружающие основные завихрители корпусы горелки, к которым, соответственно, в направлении корпуса примыкает впускное направляющее средство. В дополнение к высокой стабильности, которой можно добиться за счет такого варианта выполнения впускного направляющего средства, воздух для горения может быть проведен вдоль большого радиуса кривизны направляющей поток поверхности, чтобы можно было противодействовать сильному разрежению по ходу данного обтекания. Направлением корпуса является при этом направление корпусов в месте присоединения и, в частности, аксиальное направление горелки газовой турбины, так что направляющая поток поверхность в аксиальном направлении ориентирована на место присоединения, по меньшей мере, к наружному корпусу горелки, предпочтительно, к обоим корпусам горелки.
Если впускное направляющее средство имеет две ориентированные в направлении впуска поперечины, которые, в частности, проходят параллельно в стороне от входного отверстия, то может быть получена стабильная конструкция и достигнута возможность облегченного монтажа впускного направляющего средства.
Чтобы иметь возможность легко провести кронштейн горелки газовой турбины через впускное направляющее средство, в случае простого варианта изготовления и монтажа впускного направляющего средства, впускное направляющее средство в зоне направляющей поток поверхности, предпочтительно, выполнено в тангенциальном направлении многосекционным.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - разрез горелки газовой турбины с восемью расположенными вокруг центрального контрольного конуса основными завихрителями;
фиг.2 - разрез модифицированной горелки газовой турбины с модифицированным впускным направляющим средством;
фиг.3 - сформированное в виде утолщения впускное направляющее средство в перспективном детальном изображении;
фиг.4 - впускное направляющее средство по фиг.3, на общем виде в перспективе горелки газовой турбины;
фиг.5 - впускное направляющее средство в продольном разрезе;
фиг.6 - вид сверху разреза направляющей поток поверхности впускного направляющего средства.
Фиг.1 демонстрирует горелку 2 газовой турбины в продольном разрезе с трубой сгорания 4. Горелка 2 газовой турбины содержит контрольную горелку с контрольным конусом 8, вокруг которого кольцеобразно расположено восемь основных завихрителей 10. Каждый из основных завихрителей 10 имеет трубу 12 основного завихрителя, внутри которой расположена смесительная лопатка 14 с несколькими ориентированными радиально наружу лопастями. В каждой из лопастей проходит проводящий горючий материал газосмесительный канал 16, который соединен с не изображенными смесительными отверстиями, через которые горючий материал нагнетается во внутреннее пространство трубы 12 основного завихрителя. Горючий материал через подводы 18 направляется к каждому основному завихрителю 10 и внутри трубы 12 основного завихрителя смешивается со сжатым воздухом для горения.
Ход потока обтекающего горелку 2 газовой турбины воздуха для горения обозначен стрелками 20. Воздух для горения обтекает горелку 2 газовой турбины сначала против направления 22 потока, которое относится к смешанному потоку внутри основных завихрителей 10. Он проходит вдоль корпуса 24 горелки, который огибает все основные завихрители 10 горелки 2 газовой турбины, чтобы затем по дуге, вокруг кромки 26 корпуса 24 горелки, устремиться в направлении входного отверстия 28 каждого основного завихрителя 10. Входное отверстие 28 окружено обращенной от трубы 4 сгорания кромкой 30 соответствующего основного завихрителя 10.
За счет изменения направления потока воздуха для горения в зоне участка кромки 30 основного завихрителя, который располагается радиально наружу относительно контрольного конуса 8, возникает зона пониженного давления, посредством которой создается разрежение, а тем самым обозначенное пунктирной стрелкой обратное течение 32 между основным завихрителем 10 и корпусом 24 горелки. Это обратное течение 32, в случае необходимости, продолжается вплоть до перехода в следующее обратное течение 34 внутри основного завихрителя 10, которое создает там предпосылки для небольшого притока воздуха, а тем самым для образования обогащенной горючей смеси.
Чтобы противодействовать этим обратным течениям 32, 34, горелка 2 газовой турбины в простом варианте выполнения изобретения снабжена впускным направляющим средством 36, которое внутри корпуса 24 горелки кольцеобразно расположено вокруг всех основных завихрителей 10 и, в основном, параллельно примыкает к кромкам 30 основных завихрителей 10. Посредством этого внешнее обратное течение 32 может быть, по меньшей мере, значительно сокращено, вследствие чего внутреннее обратное течение 34 также существенно уменьшается и тем самым поток через основной завихритель 10 выравнивается.
Наиболее эффективный вариант осуществления изобретения представлен на фиг.2. Последующее описание дальнейших предпочтительных вариантов выполнения изобретения ограничивается, в основном, описанием отличий от примера выполнения по фиг.1, на который делаются ссылки в отношении неизменных признаков и функций. Неизменные конструктивные элементы обозначены, в основном, теми же позициями.
Впускное направляющее средство 38 имеет выпуклую направляющую поток поверхность 40, которая в зоне входного отверстия 28, в основном, параллельно прилегает к трубе 12 основного завихрителя. В направлении радиально наружу направляющая поток поверхность 40 расширяется и примыкает к корпусу 24 горелки, чтобы таким образом соединить основной завихритель 10 с корпусом 24 горелки. Кроме того, направляющая поток поверхность 40 изогнута таким образом, что в зоне корпуса 24 горелки она ориентирована радиально, а по отношению к входному отверстию 28 ориентирована, в основном, аксиально. Кроме того, впускное направляющее средство 38 образует зазор 42 между основными завихрителями 10 и корпусом 24 горелки, и для этого оно проходит, как подробно показано на фиг.3-6, между основными завихрителями 10 или их кромками 30. Для осуществления более простого монтажа может, однако, оставаться небольшой зазор между впускным направляющим средством 38 и трубой 12 основного завихрителя.
На фиг.3-6 представлен следующий предпочтительный вариант выполнения горелки 44 газовой турбины с особо эффективным впускным направляющим средством 46. Фиг.4 демонстрирует перспективный вид сверху горелки 44 газовой турбины и впускного направляющего средства 46, фиг.3 и 5 демонстрируют впускное направляющее средство в разрезе, выполненном в аксиальном направлении вдоль горелки 44 газовой турбины, а фиг.6 демонстрирует разрез выпускного направляющего средства 46 на виде сверху в аксиальном направлении или в направлении 22 потока.
Впускное направляющее средство 46 имеет выполненную по типу утолщения, в направлении 22 потока расположенную перед основными завихрителями 10, направляющую поток поверхность 48, которая соединяет кромки 30 основных завихрителей 10 с наружным корпусом 50 горелки, который также огибает основные завихрители 10. Радиально наружный корпус 50 горелки служит для того, чтобы проводить воздух для горения немного дальше снаружи внутреннего корпуса 24 горелки для создания не слишком крутого изгиба при изменении направления потока. Примыкание направляющей поток поверхности 48 к наружному, расположенному в аксиальном направлении корпусу 50 горелки осуществляется в направлении корпуса или в аксиальном направлении, так что поток с наружного корпуса 50 горелки, в основном, плавно переходит на направляющую поток поверхность 48. При следующем ходе потока нагнетаемый воздух проводится без завихрений от обращенного радиально наружу участка 52 к обращенному радиально внутрь участку 54, который заканчивается на входном отверстии 28, через выполненную при данном ходе потока, в основном, с равномерным изгибом направляющую поток поверхность 48, до входного отверстия 28.
Впускное направляющее средство 46 при этом, как показано на фиг.4, кольцеобразно проходит вокруг всех основных завихрителей 10 и заходит между основными завихрителями 10 или их кромками 30 радиально внутрь, чтобы не только образовать зазор 58 между наружным корпусом 50 горелки и трубой 12 основного завихрителя, но и также образовать зазор между внутренним корпусом 24 горелки и трубой 12 основного завихрителя. Обратное течение воздуха для горения через этот зазор 42, 58 в направлении к входному отверстию 28, таким образом, в значительной степени предотвращается, причем между трубой 12 основного завихрителя и впускным направляющим средством 46 может оставаться небольшой монтажный зазор 60.
Как показано на фиг.3, 4 и 6, направляющая поток поверхность 48 проведена радиально внутрь между основными завихрителями 10, а именно, на высоту осей 56 основных завихрителей 10, чтобы препятствовать течению воздуха для горения между основными завихрителями 10.
Для осуществления более легкого монтажа впускное направляющее средство 46 своим радиально внутренним участком 54 проходит радиально снаружи по кромкам 30 основных завихрителей и пролегает там в аксиальном направлении, так что основные завихрители 10 в аксиальном направлении для осуществления монтажа могут вдвигаться в горелку 44 газовой турбины. Аналогичным образом радиально наружный участок 52 проходит радиально внутри наружного корпуса 50 горелки, а там также в направлении корпуса или в аксиальном направлении, при этом впускное направляющее средство 46 может вставляться в корпус 50 горелки. В другом предпочтительном варианте выполнения впускное направляющее средство 46 имеет внутреннюю поперечину 62 и наружную поперечину 64, которые в направлении 22 потока параллельно проведены по внутреннему корпусу 24 горелки и закреплены на корпусе 24 горелки.
Для закрепления горелки 44 в газовой турбине горелка 44 газовой турбины содержит держатель 66 с фиксирующими элементами 68, которые проведены насквозь через направляющую поток поверхность 48 и закреплены на корпусах 24, 50 горелки. Для облегченного изготовления и монтажа впускного направляющего средства 46 оно разделено на несколько сегментов 70, между которыми, соответственно, проходит насквозь фиксирующий элемент 68.