ГОРЕЛКА, ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ПЕЧЬ С ТАКОЙ ГОРЕЛКОЙ
BURNER, TURBINE ENGINE AND FURNACE WITH SUCH BURNER

Данное изобретение относится к горелке, в частности горелке газовой турбины, имеющей воздушный входной канал и, по меньшей мере, один завихритель, расположенный в указанном воздушном входном канале.
x
В горелке газовой турбины сжигается топливо для создания сжатых отработавших газов, которые затем направляются в турбинную ступень, где они при одновременном расширении и охлаждении передают кинетическую энергию на турбинные лопатки, вызывая тем самым крутящий момент на роторе турбины. Затем механическую энергию турбинного ротора можно использовать для привода генератора для генерирования электрической энергии или для привода машины. Однако сгорание топлива приводит к образованию многочисленных загрязняющих окружающую среду веществ в отработавших газах, которые могут наносить вред окружающей среде. Поэтому прилагаются значительные усилия для возможного уменьшения содержания загрязняющих веществ. Одним видом загрязняющих веществ является оксид азота (NO). Степень образования оксида азота экспоненциально зависит от температуры пламени сгорания. Поэтому предпринимались попытки уменьшения температуры пламени сгорания с целью возможного сдерживания образования оксида азота.
Имеются две основных меры, с помощью которых достигается уменьшение температуры пламени сгорания. Первая мера состоит в использовании бедной стехиометрии, т.е. смеси топлива и воздуха с малой долей топлива. Относительно небольшая доля топлива приводит к образованию пламени сгорания с низкой температурой. Вторая мера состоит в обеспечении тщательного смешивания топлива и воздуха перед сгоранием. Чем лучше смешивание, тем более равномерно топливо распределяется в зоне сгорания. Это помогает предотвращать горячие пятна в зоне сгорания, которые могут возникать вследствие локальных максимумов в отношении смешивания топлива и воздуха.
Поэтому в современных газовых турбинах используют концепцию предварительного смешивания воздуха и топлива с бедной стехиометрией перед сжиганием смеси топлива и воздуха. Обычно предварительное смешивание происходит посредством впрыска топлива в воздушный поток в зоне завихрения камеры сгорания по потоку перед зоной сгорания. Завихрение приводит к смешиванию топлива и воздуха перед входом смеси в зону сгорания.
В US 6513329 В1 приведено описание предварительного смешивания топлива и воздуха в смесительной камере камеры сгорания. Смесительная камера проходит вдоль и, по меньшей мере, частично закручивается вокруг продольной оси горелки. Два ряда каналов впрыска топлива расположены в наружной стенке по оси смесительной камеры. Выходное отверстие смесительной камеры образовано в виде щелей, проходящих параллельно продольной оси горелки. За счет такой конструкции топливовоздушная смесь, покидающая смесительную камеру, имеет дополнительно к осевой составляющей потока относительно оси горелки радиальную составляющую потока.
В US 2001/0052229 А1 приведено описание горелки с равномерным предварительным смешиванием топлива и воздуха для сгорания с низким уровнем выбросов. Горелка содержит воздушный входной канал и завихритель, расположенный в воздушном входном канале. Завихритель содержит завихрительные лопасти с первичными и вторичными газовыми проходами и соответствующими газовыми входными отверстиями. Управление потоком топлива через два газовых прохода к входным отверстиям осуществляется независимо и обеспечивает управление профилем радиального распределения топлива и воздуха от ступицы завихрителя до желоба завихрителя. Вторичные газовые входные отверстия расположены по потоку ниже первичных газовых входных отверстий.
С учетом указанного уровня техники задачей изобретения является создание горелки, в частности горелки газовой турбины, обеспечивающей возможность тонкой настройки смешивания топлива и воздуха для получения гомогенной топливовоздушной смеси.
Задача решена с помощью горелки согласно пункту 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны предпочтительные модификации изобретения.
Горелка, согласно изобретению, содержит воздушный входной канал и, по меньшей мере, один завихритель, расположенный в указанном воздушном входном канале. Завихритель имеет, по меньшей мере, одно воздушное входное отверстие, по меньшей мере, одно воздушное выходное отверстие, расположенное по потоку ниже воздушного входного отверстия относительно направления потока воздуха, проходящего через воздушный входной канал, и, по меньшей мере, один воздушный проход завихрителя, проходящий, по меньшей мере, от одного воздушного входного отверстия, по меньшей мере, к одному воздушному выходному отверстию. Завихритель ограничен стенками воздушного прохода завихрителя, которые могут быть образованы стенкой воздушного входного канала и/или лопастями завихрителя. При этом стенки воздушного прохода содержат нижние по потоку секции стенок, примыкающие, по меньшей мере, к одному воздушному выходному отверстию. Дополнительно к этому, горелка, согласно изобретению, содержит систему впрыска топлива. Система впрыска топлива, которая в целом может быть предназначена для впрыска газообразного или жидкого топлива, содержит отверстия впрыска топлива, например сопла, которые расположены, по меньшей мере, в одной стенке воздушного прохода завихрителя, для впрыска топлива в воздушный проход завихрителя. По меньшей мере, нижняя по потоку секция стенки воздушного прохода выполнена волнистой.
x
За счет такой конструкции нижней по потоку секции стенки воздушного прохода обеспечивается управляемое расположение топлива у выхода воздушного прохода. За счет этого обеспечивается возможность тонкой настройки смешивания топлива и воздуха для улучшения выброса NO. В частности, достигается лучшее распределение впрыскиваемого топлива в воздушном проходе завихрителя. Дополнительно к этому, можно увеличивать гомогенность топливовоздушной смеси на выходном конце завихрительного воздушного прохода.
В частном варианте выполнения горелки стенка воздушного прохода завихрительной лопасти имеет дольчатый профиль, который дополняет соседнюю стенку воздушного прохода соседней завихрительной лопасти. За счет этого топливовоздушную смесь можно направлять в заданном направлении и можно создавать заданные завихрения.
Особенно предпочтительно, когда, по меньшей мере, одно первое отверстие впрыска топлива расположено у входной секции завихрительной лопасти, которая примыкает к воздушному входному отверстию. Это обеспечивает длинный путь смешивания в воздушном проходе. Отверстие может быть соплом.
В другом предпочтительном варианте выполнения горелки, согласно изобретению, по меньшей мере, одно второе отверстие впрыска топлива расположено в опоре завихрителя. Отверстие может быть соплом. При таком расположении можно создавать завихрения с помощью входного потока воздуха в завихрителе, так что топливо смешивается с воздухом улучшенным образом.
Предпочтительно, опора завихрителя имеет круговую форму, и, по меньшей мере, одно первое отверстие впрыска топлива воздушного прохода завихрителя расположено на определенном радиусе круговой опоры завихрителя. Кроме того, по меньшей мере, одно второе отверстие воздушного прохода расположено, по меньшей мере, почти на том же радиусе, что и первое отверстие впрыска топлива. За счет этого распределения отверстий можно оптимизировать образование завихрений и, следовательно, смешивание топлива и воздуха.
В частном варианте выполнения горелки, согласно изобретению, стенка воздушного прохода каждой завихрительной лопасти сужается в направлении центрального отверстия в опоре завихрителя.
В другой модификации горелки, согласно изобретению, по меньшей мере, одно первое отверстие впрыска топлива и, по меньшей мере, одно второе отверстие впрыска топлива расположены вблизи воздушного входного отверстия. То есть отверстия впрыска топлива расположены вблизи верхнего по потоку конца воздушных проходов завихрителя, обеспечивая тем самым возможность раннего смешивания топлива и воздуха. За счет этого оптимизируется смешивание топлива и воздуха.
Горелку, согласно изобретению, можно использовать в турбинном двигателе, в частности в газотурбинном двигателе или в печи. Горелка, согласно изобретению, помогает уменьшать долю оксида азота в отработавших газах турбинного двигателя или печи, соответственно.
Другие признаки, свойства и преимущества данного изобретения следуют из приведенного ниже описания вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез камеры сгорания;
фиг.2 - завихритель, согласно изобретению, в изометрической проекции;
фиг.3 - часть завихрителя, согласно фиг.2, на виде сверху;
фиг.4А - схема распределения топлива в воздушном потоке, проходящем через воздушный проход завихрителя, для горелки, согласно уровню техники, в сечении, перпендикулярном направлению потока;
фиг.4В - схема распределения топлива, согласно фиг.4А, для горелки, согласно изобретению, в первой конфигурации;
фиг.4С - схема распределения топлива, согласно фиг.4А, для горелки, согласно изобретению, во второй конфигурации;
фиг.4D - схема распределения топлива, согласно фиг.4А, для горелки, согласно изобретению, в третьей конфигурации;
фиг.4Е - схема распределения топлива, согласно фиг.4А, для горелки, согласно изобретению, в четвертой конфигурации.
На фиг.1 показана в продольном разрезе камера сгорания. Камера сгорания содержит в направлении потока последовательно горелку с завихрительной частью 2 и часть 1 головки горелки, прикрепленную к завихрительной части 2, переходную часть, называемую предварительной камерой 3 камеры сгорания, и основную камеру 4 сгорания. Основная камера 4 сгорания имеет диаметр, превышающий диаметр предварительной камеры 3. Основная камера 4 сгорания соединена с предварительной камерой через куполообразную часть 10, содержащую куполообразную пластину 11. В целом, переходная часть 3 может быть выполнена в виде одной части в продолжение горелки 1 в направлении камеры 4 сгорания, в виде одной части в продолжение камеры сгорания в направлении горелки 1 или же в виде отдельной части между горелкой 1 и камерой 4 сгорания. Узел горелки и камеры сгорания имеет вращательную симметрию вокруг продольной оси S симметрии.
Предусмотрен топливный канал 5 для направления газообразного или жидкого топлива к горелке, которое подлежит смешиванию с входным потоком воздуха в завихрителе 2. Затем топливовоздушная смесь 7 направляется в первичную зону 9 сгорания, где она сгорает с образованием горячих, сжатых отработавших газов, протекающих в направлении 8, обозначенном стрелкой, к турбине газотурбинного двигателя (не изображен).
Завихритель 2, согласно изобретению, детально показан на фиг.2. Он содержит двенадцать завихрительных лопастей, расположенных на опоре 13 для завихрительных лопастей. Завихрительные лопасти 12 могут быть закреплены на головке горелки (не изображена) с помощью их сторон, противоположных опоре 13 для завихрительных лопастей.
Между смежными завихрительными лопастями 12 образованы воздушные проходы 14. Воздушные проходы 14 проходят между воздушным входным отверстием 16 и воздушным выходным отверстием 18. Воздушные проходы 14 ограничены противоположными боковыми поверхностями 20, 22 смежных завихрительных лопастей 12, поверхностью 24 опоры 13 для завихрительных лопастей, которая обращена к головке горелки (не изображена), и поверхностью головки горелки, на которой закреплены завихрительные лопасти 12. Боковые поверхности 20, 22, поверхности опоры 13 для завихрительных лопастей и головка горелки образуют стенки воздушных проходов, ограничивающие воздушные проходы 14.
Боковые поверхности 20, 22 выполнены волнистыми в их нижних по потоку секциях для образования смесительных лепестков 23 на завихрительных лопастях 12. Волнистость на противоположных боковых поверхностях 20, 22 выполнена дополняющим друг друга образом для создания дополнительного завихрения в потоке топливовоздушной смеси и для управляемого расположения топлива в конце воздушного прохода.
Отверстия 26 впрыска топлива расположены в боковых поверхностях 20. Кроме того, отверстия 28 впрыска топлива расположены в опоре 13 завихрителя. Во время работы горелки воздух проходит в воздушные проходы 14 через воздушные входные отверстия 16. Внутри воздушных проходов 14 топливо впрыскивается в воздушный поток с использованием отверстий 26, 28 впрыска топлива. Затем топливовоздушная смесь покидает воздушные проходы 14 через воздушные выходные отверстия 18 и протекает через центральное отверстие 30 опоры 13 для завихрительных лопастей в предварительную камеру 3 (см. фиг.1). Из предварительной камеры 3 она протекает в зону 9 сгорания основной камеры 4 сгорания, где она сгорает. Как показано на фиг.2, в боковых поверхностях 20 завихрительных лопастей расположены два отверстия впрыска топлива для образования нижних и верхних первых отверстий впрыска топлива.
На фиг.3 показаны на виде сверху две завихрительные лопасти 12. Входной поток воздуха показан стрелками 32. Топливо впрыскивается в воздушный проход 14 через первые отверстия 26 впрыска топлива и вторые отверстия 28 впрыска топлива, где оно затем протекает вместе с входным воздушным потоком 32. За счет завихрений происходит смешивание топлива и воздуха в воздушном проходе 14.
x
Подходящую конфигурацию боковых поверхностей 20, 22 вместе с подходящим расположением отверстий впрыска топлива можно использовать для создания дополнительного завихрения в проходящем потоке топливовоздушной смеси и для управления характером смешивания топлива на выходе воздушного прохода 14 и, следовательно, уменьшением выброса NO. Кроме того, можно улучшать динамические характеристики и управление шумами, в частности, для топлива, впрыскиваемого с помощью отверстий 28. На характеристики смешивания топлива оказывают влияние лепестковый профиль и положение отверстий впрыска топлива. Управление расположением топлива за счет использования этих параметров поясняется ниже.
На фиг.4А схематично показано распределение топлива в потоке воздуха через воздушный проход завихрителя для горелки, согласно уровню техники, в которой нижние по потоку секции завихрительных лопастей не выполнены волнистыми, в сечении, перпендикулярном направлению течения. Доля 40 топлива верхнего первого отверстия 26 впрыска топлива не смешивается с долей 42а топлива нижнего первого отверстия 26 впрыска топлива, в то время как доля 44а топлива второго отверстия впрыска топлива имеет большое распределение в воздухе, проходящем через воздушный проход.
На фиг.4В схематично показано распределение топлива в потоке воздуха через воздушный проход 14 завихрителя 2 для горелки, согласно изобретению, в первой конфигурации, которая соответствует показанной на фиг.2 конфигурации. Распределение показано в сечении, перпендикулярном направлению потока. Доля 40b топлива верхнего первого отверстия 26 впрыска топлива смешивается с долей 42b топлива нижнего первого отверстия 26 впрыска топлива. Доля 44b топлива второго отверстия 28 впрыска топлива распределена меньше в воздухе, проходящем через воздушный проход 14, чем на фиг.4А.
На фиг.4С схематично показано распределение топлива в потоке воздуха через воздушный проход 14 завихрителя 2 для горелки, согласно изобретению, во второй конфигурации. Распределение показано в сечении, перпендикулярном направлению потока. В противоположность показанной на фиг.4В конфигурации, отверстия впрыска топлива расположены на левой боковой поверхности вместо правой боковой поверхности. Аналогично фиг.4В, доля 40с топлива верхнего первого отверстия 26 впрыска топлива смешивается с долей 42с топлива нижнего первого отверстия 26 впрыска топлива, но на левой стороне воздушного прохода, а не на правой стороне. Смешанные доли топлива не смещаются так далеко в направлении дна воздушного прохода, как на фиг.4В, поскольку лепесток препятствует такому смещению. Доля 44с топлива второго отверстия 28 впрыска топлива соответствует доле топлива, показанной на фиг.4В.
На фиг.4D схематично показано распределение топлива в потоке воздуха через воздушный проход 14 завихрителя 2 для горелки, согласно изобретению, в третьей конфигурации. Распределение показано в сечении, перпендикулярном направлению потока. Лепесток повернут вправо, а не влево. Отверстия впрыска топлива расположены на той же боковой поверхности, что и на фиг.4В. Аналогично фиг.4В, доля 40d топлива верхнего первого отверстия 26 впрыска топлива смешивается с долей 42d топлива нижнего первого отверстия 26 впрыска топлива. Однако смешанные доли 40d, 42d топлива не смещаются так далеко в направлении дна воздушного прохода, как на фиг.4В, поскольку лепесток препятствует такому смещению. Кроме того, доля 44d топлива второго отверстия 28 впрыска топлива смещается дальше вверх на левой стороне воздушного прохода, чем на фиг.4В, поскольку лепесток не препятствует такому смещению, как он это делает на фиг.4В. Доля 44d топлива второго отверстия впрыска топлива не смешивается с долями 40d, 42d топлива первых отверстий 26 впрыска топлива.
На фиг.4Е схематично показано распределение топлива в потоке воздуха через воздушный проход 14 завихрителя 2 для горелки, согласно изобретению, в четвертой конфигурации. Распределение показано в сечении, перпендикулярном направлению потока. Аналогично фиг.4D, лепесток повернут вправо, а не влево. Первые отверстия 26 впрыска топлива расположены в левой боковой стенке, как и на фиг.4С. Доля 40е топлива верхнего первого отверстия 26 впрыска топлива смешивается с долей 42е топлива нижнего первого отверстия 26 впрыска топлива. Дополнительно к этому, смесь смещается дальше в направлении дна воздушного прохода, чем на фиг.4С, поскольку лепесток не препятствует такому смещению. Кроме того, доля 44е топлива второго отверстия 28 впрыска топлива смещается дальше вверх на левой стороне воздушного прохода, чем на фиг.4В, поскольку лепесток не препятствует такому смещению, как он это делает на фиг.4В и 4С. Как следствие, все доли 40е, 42е, 44е топлива соединяются вместе.
Из указанного выше можно видеть, что с помощью изменения лепестка и положения отверстий впрыска топлива можно сильно влиять на расположение топлива на выходе воздушного прохода 14. Это повышает возможности выбора места подачи топлива в горелку.
Хотя завихритель, согласно данному варианту выполнения изобретения, имеет двенадцать завихрительных лопастей и двенадцать воздушных проходов завихрителя, изобретение может быть реализовано с помощью завихрителя, имеющего другое число завихрительных лопастей и воздушных проходов завихрителя. Дополнительно к этому, можно изменять не только положения первых и вторых отверстий впрыска топлива, но также число первых и вторых отверстий впрыска топлива.
Первые отверстия впрыска топлива в показанном варианте выполнения расположены на одной боковой поверхности завихрительной лопасти. Однако можно располагать первые отверстия впрыска топлива также на обеих боковых поверхностях завихрительной лопасти.
Хотя в показанном варианте выполнения волнистая стенка воздушного прохода имеет лишь один лепесток, возможно также большее число лепестков в волнистой стенке воздушного прохода.