КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
GAS TURBINE COMBUSTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины.
Уровень техники
2
В области тепловых электростанций в качестве средства сокращения выбросов углекислого газа (CO), вызывающего глобальное потепление, изучается повышение эффективности выработки электроэнергии и активное использование водородсодержащего топлива, отличного от ископаемого топлива.
Для повышения эффективности выработки электроэнергии эффективным является повышение температуры на впуске газовой турбины газотурбинной электроэнергетической установки в тепловой электростанции.
Однако, так как с повышением температуры на впуске газовой турбины выбросы оксидов азота (NOx), которые являются загрязнителями окружающей среды, увеличиваются, то в дополнение к повышению эффективности выработки электроэнергии технической проблемой становится сокращение выбросов NOx, и возникает потребность не только в повышении температуры на впуске турбины, но и в системе сгорания с низким образованием NOx для камеры сгорания газовой турбины, которая может работать на водородсодержащем топливе.
В качестве систем сгорания с низким образованием NOx в камере сгорания газовой турбины, как правило, используются диффузионная система сгорания и система сгорания с предварительным смешиванием.
При диффузионной системе сгорания топливо впрыскивается непосредственно в отсек сгорания топлива камеры сгорания газовой турбины, топливо смешивается с воздухом в отсеке сгорания топлива и из области, где эти компоненты смешиваются друг с другом с воздушным коэффициентом, требуемым для полного сгорания топлива (со стехиометрическим соотношением смеси) в отсеке сгорания топлива формируется пламя. Поэтому не возникает возможности обратного проскакивания пламени в сторону вверх по потоку в отсеке сгорания топлива и самовоспламенения в системе подачи топлива, и может быть обеспечена стабильность сгорания. Однако поскольку пламя формируется в области, где топливо и воздух смешиваются друг с другом со стехиометрическим соотношением смеси в отсеке сгорания топлива, то происходит локальное формирование высокотемпературного пламени. Так как в области локального формирования высокотемпературного пламени выбросы NOx являются большими, и для сокращения выбросов NOx требуется впрыскивание инертной среды, такой как азот, вода и пар, то возникает необходимость использования мощности вспомогательной машины, которая может приводить к снижению эффективности выработки электроэнергии.
В то же время в системе сгорания с предварительным смешиванием при которой топливо и воздух смешиваются друг с другом предварительно, а затем подаются в отсек сгорания топлива, возможно сгорание обедненного топлива, позволяющее сократить выбросы NOx. Однако, так как с повышением температуры на впуске турбины повышается и температура воздуха для горения, а также повышается концентрация топлива в аппарате предварительного смешивания, который смешивает топливо с воздухом, то возникает вероятность сгорания конструкции камеры сгорания газовой турбины вследствие обратного проскакивания пламени, что приводит к снижению надежности.
В случае камеры сгорания газовой турбины, которая может работать на указанном выше водородсодержащем топливе, вследствие более высокой адиабатической температуры пламени при стехиометрическом соотношении компонентов смеси по сравнению с природными газами выбросы NOx при диффузионной системе сгорания увеличиваются. В то же время в случае использования водородсодержащего топлива при системе сгорания с предварительным смешиванием вследствие небольшой энергии воспламенения и высокой скорости горения водорода вероятность возникновения обратного проскакивания пламени в аппарат предварительного смешивания и возникновения самовоспламенения в аппарате предварительного смешивания становится высокой.
Для решения таких проблем в нерассмотренной заявке на патент Японии, опубликованной под №2003-148734 (патентный документ 1), была раскрыта камера сгорания газовой турбины, в которой множество топливных форсунок и множество отверстий для воздуха, размещенных с верхней по потоку стороны отсека сгорания топлива, размещены коаксиально, а топливо и воздух подаются в отсек сгорания топлива в виде коаксиального потока. В этой камере сгорания газовой турбины топливо и воздух подвергаются распылению и подаются в виде коаксиального потока, что приводит к быстрому ускорению смешивания и обеспечивает возможность сокращения выбросов NOx. Кроме того, появляется возможность сокращения расстояния смешивания, и предотвращается обратное проскакивание пламени.
Краткое изложение сущности изобретения
Однако в патентном документе 1, описывающем камеру сгорания газовой турбины, позволяющую сократить выбросы NOx для обычного газового топлива, такого как природный газ, не раскрыты вопросы сокращения выбросов NOx и стабильности работы камеры сгорания газовой турбины при использовании водородсодержащего топлива.
Кроме того, в камере сгорания газовой турбины, описываемый в патентном документе 1, в случае, когда водородсодержащее топливо сжигается в отсеке сгорания топлива камеры сгорания газовой турбины, вследствие высокой скорости горения водорода, пламя, формирующееся в отсеке сгорания топлива камеры сгорания газовой турбины, может легко приближаться к конструкции камеры сгорания газовой турбины, что может приводить к снижению надежности. В частности, при высокой кинетической энергии топлива относительно воздуха, проходящего внутри отверстия для воздуха, в некоторых случаях топливо не может следовать за воздухом, который проходит вдоль канала, и со стороны выпускного участка отверстия для воздуха формируется область с низкой скоростью потока топлива, вследствие чего возникает вероятность обратного проскакивания пламени в отверстие для воздуха. Обратное проскакивание пламени в отверстие для воздуха приводит к образованию пламени на концевом участке топливной форсунки, которая впрыскивает топливо, и вызывает перегрев внутренних стенок отверстий для воздуха и топливной форсунки и, следовательно, возникает вероятность снижения надежности.
В настоящем изобретении предлагается камера сгорания газовой турбины, позволяющая сократить выбросы NOx для водородсодержащего топлива, повысить надежность и обеспечить стабильность работы.
Для решения описанных выше технических проблем камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением включает в себя отсек сгорания топлива, который сжигает топливо и воздух, пластину с отверстиями для воздуха, расположенную с верхней по потоку стороны отсека сгорания топлива и имеющую множество отверстий для воздуха, размещенных концентрически в виде множества рядов, и множество топливных форсунок, размещенных в виде множества рядов, причем внутренняя стенка топливной форсунки имеет на концевом участке топливной форсунки конусный участок топливной форсунки расширяющейся формы.
В соответствии с настоящим изобретением появляется возможность создания камеры сгорания газовой турбины, позволяющей сократить выбросы NOx для водородсодержащего топлива, повысить надежность и обеспечить стабильность работы.
Другие проблемы, конструкции и технические эффекты станут очевидными из приводимого ниже описания примеров осуществления.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - общий схематический вид конструкции камеры сгорания газовой турбины, иллюстрирующий первый пример осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид спереди отверстий для воздуха и пластины с отверстиями для воздуха в первом примере осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - вид в разрезе одного отверстия для воздуха в первом примере осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 - вид в разрезе одного отверстия для воздуха в сравнительном примере.
Фиг. 5 - вид в разрезе одного отверстия для воздуха во втором примере осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - вид в разрезе одного отверстия для воздуха в третьем примере осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 - вид спереди горелки камеры сгорания в четвертом примере осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 - вид в разрезе горелки камеры сгорания в четвертом примере осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание примеров осуществления
Ниже со ссылками на чертежи приводится описание примеров осуществления настоящего изобретения. При этом одни и те же элементы конструкции обозначены одними и теми же ссылочными позициями, и в некоторых случаях повторного описания одних и тех же элементов не приводится.
Первый пример осуществления
На фиг. 1 представлен общий схематический вид конструкции камеры сгорания газовой турбины, иллюстрирующий первый пример осуществления настоящего изобретения.
В газотурбинной установке 1 сжатый воздух 102, который был сжат компрессором 2, проходит через диффузор 9 и входит в кожух 13 турбины. Внутри кожуха 13 турбины сжатый воздух 102 проходит через проточный рукав 14 жаровой трубы и входит между внешним кожухом 10 и жаровой трубой 12. Часть сжатого воздуха 102 входит в отсек 5 сгорания топлива в качестве охлаждающего воздуха 103 для жаровой трубы 12.
Между внешним кожухом 10 и жаровой трубой 12 сжатый воздух 102 проходит через пружинное уплотнение 26 и разделяется на охлаждающий воздух 105 для кромки, который проходит по внешней окружной поверхности кромки 25 пластины, и воздух 104 для горения, который входит в отверстия 21 для воздуха в пластине 20 с отверстиями для воздуха и впрыскивается в отсек 5 сгорания топлива.
При этом воздух 104 для горения смешивается с топливом (представляющим собой в рассматриваемом пример осуществления топливо, которое содержит водород, так называемое водородсодержащее топливо), которое впрыскивается из топливных форсунок 22, смесь воздуха 104 для горения и топлива поджигается, и в отсеке 5 сгорания топлива формируется пламя 83.
Газотурбинная установка 1 сжигает топливо в камере 3 сгорания газовой турбины (именуемой ниже как камера сгорания), образующийся в результате этого высокотемпературный газ 110 сгорания, имеющий высокое давление, поступает на турбину 4 и приводит турбину 4 во вращение, мощность которого преобразуется в электрическую мощность.
Система 201 подачи топлива и система 202 подачи топлива, которые подают топливо в топливную форсунку 22, представляют собой разветвления системы 200 подачи топлива, имеющей клапан 60 отсечки топлива.
Кроме того, система подачи топлива 201 и система подачи топлива 202 снабжены, соответственно, клапаном 61а регулирования давления топлива и клапаном 62а регулирования давления топлива, и управление этими системами может осуществляться раздельно. Кроме того, с нижней по потоку стороны этих клапанов в системах (201, 202) подачи топлива установлены, соответственно, клапан 6lb регулирования расхода топлива и клапан 62b регулирования расхода топлива.
Камера 3 сгорания снабжена множеством топливных форсунок 22, которые соединены с топливными головками 23, распределяющими топливо по этим форсункам. Топливные головки 23 установлены в торцевой крышке 7, и в топливные головки 23 из системы 201 подачи топлива и системы 202 подачи топлива подается топливо. В рассматриваемом примере осуществления топливо распределяется по двум системам, однако возможно распределение и по большему числу систем.
Такое разделение системы подачи топлива на множество систем обеспечивает возможность увеличения числа степеней свободы работы за счет увеличения числа систем. При этом в качестве топлива камера 3 сгорания использует водородсодержащее топливо, такое как коксовый газ, отходящий газ нефтепереработки, газ, получаемый при газификации угля и т.д., и может также использовать большое число газов, включая сжиженный природный газ (СПГ). Топливо, используемое в рассматриваемом примере осуществления, представляет собой топливо, содержащее водород, то есть так называемое водородсодержащее топливо.
На фиг. 2 представлен вид спереди отверстий для воздуха и пластины с отверстиями для воздуха в первом примере осуществления настоящего изобретения.
В рассматриваемом примере осуществления множество отверстий 21 для воздуха концентрически размещено вокруг центральной оси пластины 20 с отверстиями для воздуха в виде трех рядов (отверстия 51 для воздуха первого ряда, отверстия 52 для воздуха второго ряда, отверстия 53 для воздуха третьего ряда). Центральная ось 40 каждого отверстия 21 для воздуха наклонена в направлении окружности шага каждого ряда, за счет чего задается угол завихрения, обеспечивающий завихрение впрыскиваемого воздуха 104 горения вокруг центральной оси пластины 20 с отверстиями для воздуха.
То есть пластина 20 с отверстиями для воздуха располагается с верхней по потоку стороны отсека 5 сгорания топлива и имеет множество отверстий 21 для воздуха, которые концентрически размещены в виде множества рядов (число которых в рассматриваемом примере составляет три: первый ряд с шестью отверстиями, второй ряд с двенадцатью отверстиями и третий ряд с восемнадцатью отверстиями).
Так как пластина 20 с отверстиями для воздуха располагается соосно жаровой трубе 12, то придание завихрения воздуху 104 для горения приводит к возникновению завихрения вокруг центральной оси отсека 5 сгорания топлива и формированию циркуляционного потока 80 и позволяет обеспечить стабилизацию пламени 83 (см. фиг. 1).
На фиг. 3 представлен вид в разрезе одного отверстия для воздуха и пластины 20 с отверстиями для воздуха в первом примере осуществления настоящего изобретения с увеличением.
На впускном участке отверстия 21 для воздуха сформирован конусный участок 90 отверстия для воздуха, который уменьшает диаметр отверстия 21 для воздуха. Поэтому диаметр D2 впускного участка отверстия 21 для воздуха не превышает (в предпочтительном примере меньше) диаметра D1 отверстия, уменьшенного за счет конусного участка 90 отверстия для воздуха.
Кроме того, со стороны концевого участка топливной форсунки 22 на внутренней стенке 92 топливной форсунки сформирован конусный участок 91 топливной форсунки, за счет которого на концевом участке топливной форсунки 22 топливный канал расширяется в направлении изнутри наружу. То есть внутренняя стенка 92 топливной форсунки 22 имеет на концевом участке топливной форсунки конусный участок 91 расширяющейся формы. При этом концевой участок этого конусного участка 91 топливной форсунки имеет остроугольную форму. В предпочтительном варианте угол этого конусного участка топливной форсунки составляет порядка 25°-45°.
Воздух 104 для горения проходит к впускному участку отверстия 21 для воздуха и по кольцеобразной траектории огибает внешнюю стенку 93 топливной форсунки. Топливо 100, которое впрыскивается из топливной форсунки 22, проходит через центр потока воздуха 104 для горения, проходящего по кольцеобразной траектории, в результате чего в отсеке 5 сгорания топлива формируется коаксиальный струйный поток.
То есть множество топливных форсунок 22 размещено соосно отверстиям 21 для воздуха в виде множества рядов (число которых в рассматриваемом примере составляет три: первый ряд с шестью отверстиями, второй ряд с двенадцатью отверстиями и третий ряд с восемнадцатью отверстиями). При этом топливные форсунки 22 размещены соосно отверстиям 21 для воздуха, что облегчает смешивание воздуха 104 для горения с топливом.
Отверстие 21 для воздуха имеет наклонный канал, причем канал на выпускном участке отверстия 21 для воздуха выполнен в форме наклонного канала, который имеет угол θ наклона относительно канала на впускном участке, и коаксиальный струйный поток топлива 100 и воздуха 104 для горения проходит вдоль наклонного канала отверстия 21 для воздуха без отклонения от центральной оси 40 отверстия для воздуха и впрыскивается в отсек 5 сгорания топлива через выпускной участок отверстия 21 для воздуха. В отсеке 5 сгорания топлива коаксиальный струйный поток топлива 100 и воздуха 104 для горения, который впрыскивается из отверстия 21 для воздуха, вступает в реакцию горения, в результате которой в отсеке 5 сгорания топлива с нижней по потоку стороны пластины 20 с отверстиями для воздуха формируется пламя 83 (непоказанное).
Кроме того, с нижней по потоку стороны концевого участка топливной форсунки 22 формируется попутный поток 81, и часть топлива 100 и воздух 104 для горения циркулируют в виде газовой смеси.
На фиг. 4 представлен вид отверстия для воздуха и пластины 20 с отверстиями для воздуха в сравнительном примере с увеличением.
Сравнительный пример, показанный на фиг. 4, отличается от примера, показанного на фиг. 3, тем, что конусный участок 90 отверстия для воздуха на впускном участке отверстия 21 для воздуха отсутствует, и поэтому диаметр отверстия не уменьшается, а также тем, что со стороны концевого участка топливной форсунки 22 на внутренней стенке 92 топливной форсунки не сформирован конусный участок 91 топливной форсунки, отсутствие которого приводит к тому, что на концевом участке топливной форсунки 22 топливный канал не расширяется в направлении изнутри наружу.
В рассматриваемом сравнительном примере при высокой кинетической энергии топлива 100 относительно воздуха 104 для горения, проходящего внутри отверстия 21 для воздуха, топливо 100 не может следовать за воздухом 104 для горения, который проходит через наклонный канал отверстия 21 для воздуха, вытесняется в сторону, отклоняясь от центральной оси 40 отверстия для воздуха и со стороны выпускного участка отверстия 21 для воздуха формирует область 82 с низкой скоростью потока топлива.
Так как в области 82 с низкой скоростью потока газовая смесь топлива 100 и воздуха 104 для горения проходит с низкой скоростью, то возникает вероятность формирования пламени. В частности, в случае, когда в камере 3 сгорания используется водородсодержащее топливо, то вследствие небольшой минимальной энергии воспламенения, необходимой для воспламенения, водород легко воспламеняется. Поэтому большая протяженность области возможного воспламенения и высокая скорость горения приводят к тому, что пламя 83, формирующееся в отсеке 5 сгорания топлива камеры сгорания газовой турбины, может легко приближаться к пластине 20 с отверстиями для воздуха, и вероятность формирования пламени в области 82 с низкой скоростью потока является высокой.
При формировании пламени в области 82 с низкой скоростью потока возникает вероятность приближения пламени к топливной форсунке 22 вдоль границы между топливом 100 и воздухом 104 для горения и формирования пламени и в попутном потоке 81, а также вероятность перегрева внутренних стенок топливной форсунки 22 и отверстия 21 для воздуха и, следовательно, снижения надежности камеры 3 сгорания.
В то же время в примере, показанном на фиг.3, на впускном участке отверстия 21 для воздуха сформирован конусный участок 90, уменьшающий диаметр отверстия. Поэтому диаметр D2 впускного участка отверстия 21 для воздуха не превышает (в предпочтительном примере меньше) диаметра D1 отверстия, уменьшенного за счет конусного участка 90 отверстия для воздуха. Таким образом, скорость потока воздуха 104 для горения, который проходит в отверстие 21 для воздуха, увеличивается.
Так как в результате увеличения скорости потока воздуха 104 для горения соотношение между кинетической энергией топлива 100 и кинетической энергией воздуха 104 для горения может быть уменьшено, то образование области 82 с низкой скоростью потока может быть предотвращено. Кроме того, так как при этом в результате уменьшения диаметра отверстия 21 для воздуха скорость потока газовой смеси топлива 100 и воздуха 104 для горения, впрыскиваемой в отсек 5 сгорания топлива, может быть увеличена, то пламя 83, которое формируется в отсеке 5 сгорания топлива, может удерживаться на расстоянии от пластины 20 с отверстиями для воздуха.
Кроме того, в примере, показанном на фиг. 3, конусный участок 91 топливной форсунки сформирован на внутренней стенке топливной форсунки 92 концевого участка топливной форсунки 22, и на концевом участке топливной форсунки 22 топливный канал расширяется в направлении изнутри наружу. То есть на внутренней стенке 92 топливной форсунки на концевом участке топливной форсунки 22 сформирован конусный участок 91 топливной форсунки, имеющий расширяющуюся форму. Таким образом, область формирования попутного потока 81 сокращается.
Даже в случае, когда в результате сокращения области формирования попутного потока 81 пламя 83 проникает в отверстие 21 для воздуха, вероятность формирования пламени в попутном потоке 81 может быть снижена.
Кроме того, как и в примере, показанном на фиг. 3, в результате формирования конусного участка 91 топливной форсунки и расширения площади отверстия впрыскивания топлива (в предпочтительном варианте за счет придания этому отверстию остроугольной формы) скорость потока топлива 100, которое впрыскивается из топливной форсунки 22, может быть снижена, и может быть снижена кинетическая энергия топлива 100, поэтому образование области 82 с низкой скоростью может быть предотвращено.
Так как в рассматриваемом примере осуществления проникновение пламени 83, образующегося с нижней по потоку стороны пластины 20 с отверстиями для воздуха, внутрь отверстия 21 для воздуха может быть предотвращено, и пламя 83 может удерживаться на расстоянии от пластины 20 с отверстиями для воздуха, то надежность камеры 3 сгорания может быть повышена.
При этом, даже в случае отсутствия наклонного канала в отверстии 21 для воздуха, в результате размещения на концевом участке топливной форсунки 22 конусного участка 91 топливной форсунки область формирования попутного потока 81 может быть сокращена, и может быть снижена вероятность образования пламени в попутном потоке 81.
Второй пример осуществления
На фиг. 5 представлен вид в разрезе одного отверстия для воздуха и пластины 20 с отверстиями для воздуха во втором примере осуществления настоящего изобретения с увеличением.
Пример осуществления, показанный на фиг. 5, отличается от примера, показанного на фиг. 3, тем, что конусный участок 90 отверстия для воздуха располагается на заданном расстоянии (на расстоянии L) от впускного участка отверстия 21 для воздуха.
Конусный участок 90 отверстия для воздуха в рассматриваемом примере осуществления располагается в положении, соответствующем положению концевого участка топливной форсунки 22 и, таким образом, в дополнение к тем же техническим эффектам, что и в первом примере осуществления, воздух 104 для горения, который входит в отверстие 21 для воздуха может быть подвергнут на концевом участке топливной форсунки 22 ускорению, поток воздуха 104 для горения может быть направлен в сторону топливной форсунки 22, и поток 104 воздуха для горения может изменить свое направление на обратное. Поток воздуха 104 для горения в сторону топливной форсунки 22 воздействует на попутный поток 81, формируемый на концевом участке топливной форсунки 22 и, таким образом, область формирования попутного потока 81 может быть сокращена, и даже в случае приближения пламени к попутному потоку 81, воздух 104 для горения воздействует на этот поток как сдвиговый поток и, таким образом, образование пламени в попутном потоке 81 может быть предотвращено.
При этом в предпочтительном варианте осуществления конусный участок 90 отверстия для воздуха в рассматриваемом примере осуществления располагается в положении на расстоянии L, причем L<Ln, где Ln - расстояние, на которое топливная форсунка 22 вводится в отверстие 21 для воздуха. То есть конусный участок 90 отверстия для воздуха в рассматриваемом примере осуществления располагается на расстоянии L от впускного участка отверстия 21 для воздуха с верхней по потоку стороны концевого участка топливной форсунки 22, введенной (на расстояние Ln) в отверстие 21 для воздуха.
Третий пример осуществления
На фиг. 6 представлен вид в разрезе одного отверстия для воздуха и пластины 20 с отверстиями для воздуха в третьем примере осуществления настоящего изобретения с увеличением.
Пример осуществления, показанный на фиг. 6, отличается от примера, показанного на фиг. 5, тем, что конусные участки 91 топливной форсунки на концевом участке топливной форсунки 22 сформированы как на внутренней стенке топливной форсунки 92, так и на внешней стенке топливной форсунки.
То есть внутренняя стенка 92 топливной форсунки имеет на концевом участке топливной форсунки 22 конусный участок 91 топливной форсунки расширяющейся формы, а внешняя стенка топливной форсунки 93 имеет на концевом участке топливной форсунки 22 конусный участок 91 топливной форсунки сужающейся формы. При этом в предпочтительном варианте концевой участок этого конусного участка 91 топливной форсунки имеет остроугольную форму.
На концевом участке топливной форсунки 22 конусный участок 91 топливной форсунки располагается и на внешней стенке 93 топливной форсунки и, таким образом, в дополнение к тем же техническим эффектам, что и во втором примере осуществления, внешний диаметр топливной форсунки 22 может быть уменьшен, площадь кольцевого канала, формируемого внутренней стенкой отверстия 21 для воздуха и внешней стенкой топливной форсунки 93, может быть увеличена, и расход воздуха 104 для горения может быть увеличен.
Кроме того, так как концевой участок внешней стенки 93 топливной форсунки 93 имеет форму (конусного участка сужающейся формы), обеспечивающую направление воздуха в сторону центральной оси 40 отверстия для воздуха, за счет конусного участка 90 отверстия для воздуха поток воздуха 104 для горения, который проходит в сторону топливной форсунки 22, может быть направлен непосредственно в попутный поток 81.
При этом в качестве контрольного примера, как и в случае, когда конусный участок 91 топливной форсунки располагается только на внешней стенке 93 топливной форсунки (непоказанного), поток 104 воздуха для горения, который проходит в сторону топливной форсунки 22, может быть направлен непосредственно в попутный поток 81 без снижения скорости потока 100 топлива.
Четвертый пример осуществления
На фиг. 7 представлен вид спереди горелки камеры сгорания и вид спереди пластины 20 с отверстиями со стороны отсека 5 сгорания топлива в четвертом примере осуществления настоящего изобретения.
В камере 3 сгорания, описываемой в рассматриваемом примере осуществления, для обеспечения более высокой выходной мощности генерации и более широкого разнообразия режимов работы горелки 8 камеры сгорания (именуемые ниже как горелки) с тремя рядами отверстий 21 для воздуха и топливных форсунок 22 (непоказанных) размещены так, что одна горелка располагается в центре, а шесть других - вокруг этой горелки.
Камера сгорания, описываемая в рассматриваемом примере осуществления, имеет пусковую топливную форсунку 24 в центре горелки 8, размещенной в центре камеры сгорания. Горелка 8, которая размещена в центре, представляет собой центральную горелку 32, а горелки 8, которые размещены вокруг этой горелки - внешние окружные горелки 33.
То есть камера сгорания, описываемая в рассматриваемом примере осуществления, снабжена одной центральной горелкой 32, располагающейся в центре камеры 3 сгорания, и шестью внешними окружными горелками 33, которые располагаются по периферии центральной горелки 32. Центральная ось каждого отверстия 21 для воздуха имеет наклон в направлении окружности шага каждого ряда, обеспечивающий винтовое завихрение потока, который проходит через отверстие 21 для воздуха, в области с нижней по потоку стороны отверстия 21 для воздуха и, таким образом, формирование завихряющегося потока.
Центральная горелка 32 и внешние окружные горелки 33 подключены к трем топливным системам таким образом, что расход топлива в этих горелках можно регулировать независимо от расположения горелок. В рассматриваемом примере осуществления число внешних окружных горелок 33 составляет шесть, и в предпочтительном варианте эти внешние окружные горелки 33 установлены концентрически относительно центральной горелки 32, причем в предпочтительном варианте число этих горелок составляет три или более. Для каждой горелки 8 выделена отдельная топливная система и, таким образом, управление распределением топлива для каждой горелки 8 может осуществляться в соответствии с рабочим состоянием газотурбинной установки.
Камера 3 сгорания, описываемая в рассматриваемом примере осуществления, имеет центральную горелку 32 и внешние окружные горелки 33.
Центральная горелка 32 размещена в центре одна и имеет пластину с отверстиями для воздуха, имеющую множество отверстий для воздуха, которые концентрически располагаются в виде множества рядов (число которых в рассматриваемом примере осуществления составляет три ряда с пусковой топливной форсункой 24 в центре: первый ряд с пусковой топливной форсункой 24 в центре, второй ряд с восьмью отверстиями и третий ряд с двенадцатью отверстиями), и множество топливных форсунок, которые размещены коаксиально отверстиям для воздуха в виде множества рядов (число которых в рассматриваемом примере составляет три ряда с пусковой топливной форсункой 24 в центре: первый ряд с пусковой топливной форсункой 24 в центре, второй ряд с восьмью топливными форсунками и третий ряд с двенадцатью топливными форсунками).
Множество (шесть в рассматриваемом примере осуществления) внешних окружных горелок 33 размещено концентрически вокруг центральной горелки 32, и каждая из горелок снабжена пластиной с отверстиями для воздуха, которые концентрически располагаются в виде множества рядов (число которых в рассматриваемом примере составляет три: первый ряд с четырьмя отверстиями, второй ряд с восемью отверстиями и третий ряд с двенадцатью отверстиями), а множество топливных форсунок размещено коаксиально отверстиям для воздуха в виде множества рядов (число которых в рассматриваемом примере составляет три: первый ряд с четырьмя топливными форсунками, второй ряд с восьмью топливными форсунками и третий ряд с двенадцатью топливными форсунками).
На фиг. 8 представлен вид в разрезе горелки камеры сгорания и камеры сгорания в четвертом примере осуществления настоящего изобретения в осевом направлении.
В рассматриваемом примере осуществления множество пластин 20 с отверстиями для воздуха образуют одну пластину 20 с отверстиями для воздуха.
К центральной горелке 32 подключены топливная система 203 центральной горелки и пусковая топливная система 206 газовой турбины, используемые в основном для запуска газовой турбины, а при нагрузке - фактически для обеспечения стабильности горения в камере сгорания в целом. При этом в рассматриваемом примере осуществления топливо, которое подается в пусковую топливную систему 206 газовой турбины, представляет собой жидкое топливо, в том числе дизельное масло и тяжелое масло.
В то же время к внешним окружным горелкам 33 подключены внутренняя окружная топливная система 204 внешней окружной горелки и внешняя окружная топливная система 205 внешней окружной горелки. Группа коаксиальных струйных потоков, располагающихся концентрически в первом ряду (с внутренней стороны) внешней окружной горелки 33, формирует точку зажигания пламени и поэтому определяет, в частности, стабильность горения. Следовательно, как и в рассматриваемом примере осуществления, независимое регулирование расхода топлива, подаваемого во внешнюю окружную горелку 33 первого ряда (с внутренней стороны), позволяет стабилизировать точку зажигания пламени и обеспечивает поддержание стабильного горения в более широком диапазоне нагрузок.
В рассматриваемом примере осуществления на пластине 20 с отверстиями для воздуха, снабженной одной центральной горелкой 32 и шестью внешними окружными горелка 33, размещены отверстия 21 для воздуха и топливные форсунки 22, и это позволяет получить от использования центральной горелки 32 и внешних окружных горелок 33 те же технические эффекты, что и в первом примере осуществления.
При этом в рассматриваемом примере осуществления первый пример использован применительно ко всем отверстиям 21 для воздуха и топливным форсункам 22 в центральной горелке 32 и внешних окружных горелках 33. Однако в случае использования первого примера осуществления применительно к одной или нескольким группам отверстий 21 для воздуха и топливных форсунок 22 приближение пламени 83, формируемого на выпускном участке отверстия 21 для воздуха и проникновение пламени 83 в отверстие 21 для воздуха может быть предотвращено на участке использования этого примера.
Кроме того, в рассматриваемом примере осуществления применительно к отверстиям 21 для воздуха и топливным форсункам 22 использованы конструкции первого примера осуществления, однако и использование конструкций второго и третьего примеров осуществления позволяет ожидать получения технических эффектов, соответствующих этим примерам.
Настоящее изобретение не ограничивается описываемыми выше примерами осуществления и включает в себя различные модификации. Например, описываемые выше примеры осуществления носят исключительно иллюстративный характер и служат для исчерпывающего описания настоящего изобретения и не обязательно ограничиваются одним примером, объединяющем в себе все описываемые конструкции.
Список ссылочных позиций
1 - газотурбинная установка,
2 - компрессор,
3 - камеры сгорания газовой турбины,
4 - газовая турбина,
5 - отсек сгорания топлива,
7 - торцевая крышка,
8 - горелка камеры сгорания,
9 - диффузор,
10 - внешний кожух,
12 - жаровая труба,
13 - кожух турбины,
14 - проточный рукав жаровой трубы,
20 - пластина с отверстиями для воздуха,
21 - отверстие для воздуха,
22 - топливная форсунка,
23 - топливная головка,
24 - пусковая топливная форсунка,
25 - кромка пластины,
26 - пружинное уплотнение,
32 - центральная горелка,
33 - внешняя окружная горелка,
40 - центральная ось отверстий для воздуха,
51 - отверстие для воздуха первого ряда,
52 - отверстие для воздуха второго ряда,
53 - отверстия для воздуха третьего ряда,
60 - клапан отсечки топлива,
61а, 62а - клапан регулирования давления топлива,
61b, 62b - клапан регулирования расхода топлива,
80 - циркуляционный поток,
81 - попутный поток,
82 - области с низкой скоростью потока,
83 - пламя,
90 - конусный участок отверстия для воздуха,
91 - конусный участок топливной форсунки,
92 - внутренняя стенка топливной форсунки,
93 - внешняя стенка топливной форсунки,
100 - топливо,
102 - сжатый воздух,
103 - охлаждающий воздух,
104 - воздух для горения,
105 - воздух для охлаждения кромки,
110 - газ сгорания,
200, 201, 202 - система подачи топлива,
203 - топливная система центральной горелки,
204 - внутренняя окружная топливная система внешней окружной горелки,
205 - внешняя окружная топливная система внешней окружной горелки,
206 - пусковая топливная система газовой турбины.