ГОРЕЛКА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
BURNER FOR GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к горелке для газотурбинного двигателя.
Более конкретно, изобретение относится к горелке для газотурбинного двигателя, содержащей: радиальную центробежную форсунку для создания завихренной топливовоздушной смеси; камеру сгорания, в которой происходит сгорание завихренной топливовоздушной смеси; и предкамеру, расположенную между радиальной центробежной форсункой и камерой сгорания, причем радиальная центробежная форсунка содержит множество лопаток, расположенных по окружности, причем между смежными лопатками по окружности образованы проходящие в целом радиально-внутрь щелевые отверстия для потока, при этом каждое щелевое отверстие для потока имеет радиально-наружный входной конец, радиально-внутренний выходной конец, первую и вторую проходящие в целом радиально-внутрь стороны, образованные смежными лопатками, и основание и вершину, причем при использовании горелки топливо и воздух проходят через щелевые отверстия для потока от их входных концов до их выходных концов таким образом, что вблизи выходных концов создается завихренная топливовоздушная смесь, при этом щелевое отверстие для потока содержит первое отверстие для впрыска газообразного топлива в его основании, и щелевое отверстие для потока содержит второе отверстие для впрыска газообразного топлива в его первой стороне.
Известна горелка этого типа, в которой применено первое отверстие для впрыска газообразного топлива в основании каждого щелевого отверстия для потока и два вторых отверстия для впрыска газообразного топлива в первой стороне каждого щелевого отверстия для потока, (см. 2009147021/06 СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE),опубл. 09.05.2008). В этой известной горелке все первые и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива питаются одним каналом для подачи газообразного топлива коллектора подачи газообразного топлива.
Желательно уменьшить выбросы оксидов азота (NOx) и оксида углерода (СО) этой известной горелкой.
Согласно настоящему изобретению, получена горелка для газотурбинного двигателя, содержащая: радиальную центробежную форсунку для создания завихренной топливовоздушной смеси; камеру сгорания, в которой происходит сгорание завихренной топливовоздушной смеси; и предкамеру, расположенную между радиальной центробежной форсункой и камерой сгорания, причем радиальная центробежная форсунка содержит множество лопаток, расположенных по окружности, проходящие в целом радиально-внутрь щелевые отверстия для потока, образованные между смежными лопатками в окружности, причем каждое щелевое отверстие для потока имеет радиально-наружный входной конец, радиально-внутренний выходной конец, первую и вторую в целом проходящие радиально-внутрь стороны, образуемые смежными лопатками, и основание и вершину, причем при использовании горелки топливо и воздух движутся вдоль щелевых отверстий для потока от их входных концов к их выходным концам для создания вблизи выходных концов завихренной топливовоздушной смеси, причем щелевое отверстие для потока содержит первое отверстие для впрыска газообразного топлива в его основании, и щелевое отверстие для потока содержит второе отверстие для впрыска газообразного топлива в его первой стороне, отличающаяся тем, что количества газообразного топлива, впрыскиваемого через первые и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива, могут независимо изменяться.
Изобретение будет теперь описано для примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическая иллюстрация горелки, соответствующей настоящему изобретению;
Фиг.2 - вид в перспективе радиальной центробежной форсунки горелки, показанной на Фиг.1, вместе с коллектором подачи газообразного топлива для радиальной центробежной форсунки;
Фиг.3 - вид снизу на Фиг.2, как обозначено стрелкой на Фиг.2;
Фиг.4 - вид сечения, выполненного в центральной вертикальной плоскости на Фиг.3, причем на Фиг.4 показана в дополнение часть горелки для подачи в горелку газообразного топлива для дежурного пламени;
Фиг.4a - увеличенный вид части, показанной на Фиг.4;
Фиг.5 - график для известной горелки, упомянутой выше, (i) процентного отношения к полной подаче топлива к горелке для различных подач топлива к горелке относительно (ii) нагрузки газотурбинного двигателя;
Фиг.6 - график для горелки, соответствующей настоящему изобретению, показанной на Фиг.1-4, (i) процентного отношения к полной подаче топлива к горелке для различных подач топлива к горелке относительно (ii) нагрузки газотурбинного двигателя; и
Фиг.7 - график количества выпускаемого NOx и CO относительно нагрузки газотурбинного двигателя для известной горелки и горелки, соответствующей настоящему изобретению.
Как показано на Фиг.1, горелка, соответствующая настоящему изобретению, содержит радиальную центробежную форсунку 1 для создания завихренной топливовоздушной смеси, камеру 3 сгорания, в которой имеет место сгорание завихренной топливовоздушной смеси, и предкамеру 5, расположенную между радиальной центробежной форсункой 1 и камерой 3 сгорания.
Как показано на Фиг.2, радиальная центробежная форсунка 1 содержит множество клиновидных лопаток 7, расположенных по окружности. Тонкие концы клиновидных лопаток направлены в целом радиально-внутрь. Противоположные широкие концы клиновидных лопаток обращены в целом радиально-наружу. Смежные по окружности лопатки 7 образуют между собой проходящие в целом радиально-внутрь прямые щелевые отверстия 9 для потока. Каждое щелевое отверстие 9 для потока имеет радиально-наружный входной конец 11, радиально-внутренний выходной конец 13, первую и вторую проходящие в целом радиально-внутрь стороны 15, 17, образованные смежными лопатками 7, и основание 19 и вершину 21. Основание и вершина отнесены друг от друга в направлении, перпендикулярном плоскости круга, в которой расположены клиновидные лопатки 7. Каждое щелевое отверстие 9 для потока содержит первое отверстие 23 для впрыска газообразного топлива в его основании 19 и два вторых отверстия 25 для впрыска газообразного топлива в первой стороне 15 щелевого отверстия для потока. Первое отверстие 23 для впрыска расположено на входном конце 11 щелевого отверстия для потока. Два вторых отверстия 25 для впрыска расположены одно над другим смежно с входным концом 11 и вершиной 21 щелевого отверстия для потока.
При использовании радиальной центробежной форсунки 1: (i) воздух подают к входным концам 11 щелевых отверстий 9 для потока, (ii) воздух движется в целом радиально-внутрь вдоль щелевых отверстий 9 для потока, где он смешивается с газообразным топливом, поступающим из первых и вторых отверстий 23, 25 для впрыска, и (iii) топливовоздушная смесь выходит из выходных концов 13 щелевых отверстий 9 для потока, создавая вблизи выходных концов завихренную топливовоздушную смесь.
На Фиг.2 также показан коллектор 27 подачи газообразного топлива для радиальной центробежной форсунки 1. Коллектор 27 подачи газообразного топлива имеет кольцевую форму и подает газообразное топливо к первым и вторым отверстиям 23, 25 для впрыска газообразного топлива.
Теперь ссылки будут сделаны на Фиг.3 и 4. На Фиг.3 и 4 радиальная центробежная форсунка 1 показана штриховыми линиями. На Фиг.4 в дополнение к радиальной центробежной форсунке 1 и коллектору 27 подачи газообразного топлива, также показана часть 29 горелки для подачи газообразного топлива для дежурного пламени в горелку. Часть 29 показана штриховой линией.
Коллектор 27 подачи газообразного топлива содержит первый и второй независимые каналы 31, 33 подачи газообразного топлива. Первый и второй каналы 31, 33 имеют кольцевую форму и подают газообразное топливо к первым и вторым отверстиям 23, 25 для впрыска газообразного топлива, соответственно. Первый канал 31 подает газообразное топливо к первым отверстиям 23 для впрыска газообразного топлива при помощи каналов 35 в коллекторе 27 подачи газообразного топлива, которые сообщаются с первыми отверстиями 23 для впрыска. Второй канал 33 подает газообразное топливо ко вторым отверстиям 25 для впрыска газообразного топлива при помощи (i) каналов 37 в коллекторе 27 подачи газообразного топлива и (ii) каналов 39 в лопатках 7 радиальной центробежной форсунки 1, которые сообщаются со вторыми отверстиями 25 для впрыска. Входные отверстия 40, 41 для газообразного топлива по существу равномерно распределены вдоль первого и второго кольцевых каналов 31, 33 подачи газообразного топлива, соответственно, для обеспечения равномерного распределения газообразного топлива по каналам.
Теперь ссылки будут также сделаны на Фиг.4a. Газообразное топливо для дежурного пламени подается к горелке при помощи множества отверстий 45 для впрыска газообразного топлива для дежурного пламени, которые разнесены вокруг окружности круглой поверхности 47 для дежурного пламени части 29 горелки. Одно такое отверстие 45 показано на Фиг.4 и 4a. Каждое отверстие 45 питается соответствующим каналом 43 в части 29 от кольцевого резервуара 42 для подачи газообразного топлива для дежурного пламени части 29. Часть 29 также содержит кольцевую стенку 44, кольцевой край 46 которой находится непосредственно над отверстием в поверхности 47 для дежурного пламени отверстия 45 для впрыска газообразного топлива для дежурного пламени. Край 46 направляет газообразное топливо для дежурного пламени от отверстий 45 на поверхность 47 для дежурного пламени. Круглая поверхность 47 для дежурного пламени и основания 19 щелевых отверстий 9 для потока радиальной центробежной форсунки 1 лежат по существу в одной плоскости.
На Фиг.1 изображено пламя 49, присутствующее в горелке при использовании. Пламя 49 можно рассматривать как занимающее три области пламени: область 51 дежурного пламени, область 53 пламени от впрыска из основания и область 55 пламени от бокового впрыска. Область 51 дежурного пламени расположена непосредственно смежно с круглой поверхностью 47 для дежурного пламени и отцентрирована по центру круглой поверхности 47 для дежурного пламени. Область 51 дежурного пламени преимущественно питается топливом от отверстий 45 для впрыска газообразного топлива для дежурного пламени в круглой поверхности 47 для дежурного пламени. Область 53 пламени от впрыска из основания проходит от области 51 дежурного пламени до центра горелки. Область 53 пламени от впрыска из основания преимущественно питается топливом от первых отверстий 23 для впрыска газообразного топлива в основании 19 щелевых отверстий 9 для потока. Область 55 пламени от бокового впрыска расположена радиально-снаружи от области 53 пламени от впрыска из основания. Область 55 пламени от бокового впрыска преимущественно питается топливом от вторых отверстий 25 для впрыска газообразного топлива в первых сторонах 15 щелевых отверстий 9 для потока.
Горелка, соответствующая настоящему изобретению, показанная на Фиг.1-4, достигает снижения выбросов NOx и CO благодаря большей гибкости в отношении количеств газообразного топлива, которое может впрыскиваться через первые и вторые отверстия 23, 25 для впрыска газообразного топлива, то есть благодаря большей гибкости в отношении количеств газообразного топлива, которое может быть подано для областей 53, 55 пламени от впрыска из основания и бокового впрыска. Эта большая гибкость обеспечена первыми и вторыми отверстиями 23, 25 для впрыска газообразного топлива которые имеют их собственные независимые каналы 31, 33 подачи газообразного топлива, то есть, первые отверстия 23 для впрыска газообразного топлива питаются исключительно газообразным топливом из первого канала 31 подачи газообразного топлива, и вторые отверстия 25 для впрыска газообразного топлива питаются исключительно газообразным топливом из второго канала 33 подачи газообразного топлива. В этом отношении, в известной горелке, упомянутой ранее, и первые, и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива питаются газообразным топливом из одного канала подачи газообразного топлива. Таким образом, в горелке согласно изобретению, показанной на Фиг.1-4, количества газообразного топлива, впрыскиваемого через первые и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива, могут изменяться независимо, тогда как в известной горелке количества всегда находятся в фиксированной пропорции, определенной отношением размеров первых и вторых отверстий (и это отношение обычно выбирают как оптимальное для работы газотурбинного двигателя с полной нагрузкой).
Теперь будет описано, как достигнут пониженный выпуск NOx и CO благодаря возможности независимо изменять количества газообразного топлива, впрыскиваемого первыми и вторыми отверстиями 23, 25 для впрыска газообразного топлива.
На графике на Фиг.5 показаны три кривые, относящиеся к известной горелке: (i) кривая, показывающая, как количество топлива, подаваемого отверстиями для впрыска газообразного топлива для дежурного пламени (выражено в процентах от общего количества топлива, подаваемого к горелке), изменяется в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя (кривая с квадратными точками), (ii) кривая, показывающая, как количество топлива, подаваемого первыми отверстиями для впрыска газообразного топлива (выражено в процентах от общего количества топлива, подаваемого к горелке), изменяется в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя (кривая с треугольными точками), и (iii) кривая, показывающая, как количество топлива, подаваемого вторыми отверстиями для впрыска газообразного топлива (выражено в процентах от общего количества топлива, подаваемого к горелке), изменяется в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя (кривая с круглыми точками).
График на Фиг.5 можно назвать текущим отображением для работы известной горелки. Можно заметить, что количества газообразного топлива, подаваемого в области пламени от впрыска из основания и от бокового впрыска, остаются в одной пропорции друг к другу, несмотря на изменение нагрузки газотурбинного двигателя (количество, подаваемое в область основания, всегда составляет приблизительно 0,25 от количества, подаваемого к боковой области). Это происходит потому, что первые и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива питаются одним каналом подачи газообразного топлива.
График на Фиг.6 соответствует графику на Фиг.5, но дан для горелки согласно изобретению, показанной на Фиг.1-4. Таким образом, на графике на Фиг.6 показаны три кривые относительно горелки, показанной на Фиг.1-4: (i) кривая, показывающая, как количество топлива, подаваемого отверстиями 45 для впрыска газообразного топлива для дежурного пламени (выраженное в процентах от общего количества топлива, подаваемого к горелке), изменяется в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя (кривая с квадратными точками), (ii) кривая, показывающая, как количество топлива, подаваемого первыми отверстиями 23 для впрыска газообразного топлива (выражено в процентах от общего количества топлива, подаваемого к горелке), изменяется в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя (кривая с треугольными точками), и (iii) кривая, показывающая, как количество топлива, подаваемого вторыми отверстиями 25 для впрыска газообразного топлива (выражено в процентах от общего количества топлива, подаваемого к горелке), изменяется в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя (кривая с круглыми точками).
Вновь, график на Фиг.6 можно назвать текущим отображением для работы горелки, показанной на Фиг.1-4. Можно заметить, что количества газообразного топлива, подаваемого к областям 53, 55 пламени от впрыска из основы и от бокового впрыска, больше не остаются в одной пропорции друг к другу, но изменяются независимо друг от друга с изменениями нагрузки газотурбинного двигателя. Эти независимые изменения возможны благодаря тому, что первые и вторые отверстия 23, 25 для впрыска газообразного топлива, питающие области 53, 55 пламени от впрыска из основы и от бокового впрыска, имеют их собственный независимый канал 31, 33 подачи газообразного топлива.
На Фиг.6 можно видеть, что возможность независимо изменять подачу от основы и сбоку использовалась для модифицирования текущего отображения, показанного на Фиг.5, таким образом, который был бы невозможен, если бы подача оставалась в одной пропорции. Модифицирование находится ниже приблизительно 80 процентов нагрузки газотурбинного двигателя, и степень модифицирования тем выше, чем ниже нагрузка. Модифицирование содержит очень существенное увеличение подачи от основания, умеренное уменьшение подачи сбоку и существенное уменьшение подачи для дежурного пламени. Очень существенное увеличение подачи от основания позволяет существенно уменьшать подачу для дежурного пламени. Существенное уменьшение подачи для дежурного пламени приводит к значительному снижению количества NOx и CO.
На Фиг.7 показаны прогнозируемые значительные уменьшения количеств NOx и CO. График на Фиг.7 содержит четыре кривые: (i) кривую количества NOx относительно нагрузки газотурбинного двигателя для известной горелки, работающей согласно текущему отображению на Фиг.5 (пунктирная кривая с белыми квадратами), (ii) кривую количества СО относительно нагрузки газотурбинного двигателя для известной горелки, работающей согласно текущему отображению на Фиг.5 (пунктирна кривая с белыми кружками), (iii) кривую количества NOx относительно нагрузки газотурбинного двигателя для горелки, показанной на Фиг.1-4, работающей согласно текущему отображению на Фиг.6 (сплошная кривая линия с черными квадратами), и (iv) кривая количества СО относительно нагрузки газотурбинного двигателя для горелки, показанной на Фиг.1-4, работающей согласно текущему отображению на Фиг.6 (сплошная кривая линия с черными кружками). Можно видеть, что существует снижение количества NOx и CO для нагрузок двигателя меньше приблизительно 60 процентов, и что величина снижения увеличивается с уменьшением нагрузки.
Каждое щелевое отверстие для потока в кольце щелевых отверстий для потока может не содержать первое отверстие для впрыска газообразного топлива и два вторых отверстия для впрыска газообразного топлива. Возможен вариант, когда только расположенное через одно щелевое отверстие для потока по окружности содержит первое и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива. В альтернативном варианте, может быть так, что каждое расположенное через одно щелевое отверстие для потока содержит только первое отверстие для впрыска газообразного топлива, и щелевые отверстия для потока между этими щелевыми отверстиями для потока содержат только два вторых отверстия для впрыска газообразного топлива. В обоих случаях, первые и вторые отверстия для впрыска газообразного топлива будут питаться их собственным независимым каналом подачи газообразного топлива, таким как каналы 31, 33.
Сравнение графиков на Фиг.5 и 6 показывает, что пропорция подачи для дежурного пламени на Фиг.5 заменена подачей из основания на Фиг.6. Это снижает количество NOx и CO, поскольку питание из основания, по меньшей мере, частично уже смешано с воздухом, когда оно достигает области пламени горелки, тогда как подача для дежурного пламени нет. Замена также увеличивает стабильность сгорания в горелке по этой же причине.