Камера сгорания газовой турбины

РЕТЕН ОПИСАНК ПАТЕНТУ сн) Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Асеа Браун Бовери АГ(73) Асеа Браун Бовери АГ(57) Использование: в газность изобретения: во фроровой трубы камеры сгорантановлены воздушные форспо направлению закруткицентральными основными ГАЗОВОЙ ТУРБИНЪ отурбостроении. Сущнтовой стенке (ФС) жаия (КС) через одну усунки (Вф) и одинаковы воздуха горелки (Г) форсунками (ОФ) Сопл(в) КС (и) 2002165 С 1 (51) Вф смещены относительно ФС в сторону выхода КС, а каждые две Г, смежные с ВФ, имееют разную пропускную способность, причем Г с бопьшей пропускной способностью явпяются основными, а Г с меньшей пропускной способностью - вспомогательными. Г могут быть снабжены допопнитепьными топпивными форсунками, размещенными в зоне тангенциапьных щепей Г. Каждая из Г выпопнена в виде изогнутого по конусной поверхности зпемента, установленного симметрично относительно оси сопла форсунки и попого тепа, выпопненного с возрастающим в направлении потока наклоном конуса.2 зп. ф-пы,9 ил.Изобретение относится к камерам сго- по отношению к малым горелкам с предварания. рительным смешиванием (вспомогательныеВ соответствии с чрезвычайно низкими горелки) относительно проходящего там по- нормами эмиссии МОх при работе газовых тока воздуха для горения в таком соотношетурбин используют горелки с предваритель нии размеров, которое определяется от ным смешиванием. Один из недостатков го- случая к случаю. В общем диапазоне нагрузрелок с предварительным смешиванием ки камеры сгорания вспомогательные гозаключается в том, что они гаснут уже при релки работают вкачествесамостоятельных весьма низких величинах соотношения воз- горелок с предварительным смешиванием, духа в зависимости от температуры после 10 причем соотношение воздуха остается почкомпрессора газовой турбины, при коэффи- ти неизменным, Так как вспомогательные циенте избытка воздуха, приблизительно горелки могут.работать во всем диапазоне равном 2. По этой причине такие горелкинагрузки при идеальной смеси (горелки с должны поддерживаться при работе газо- предварительным смешиванием), эмиссия вой турбины в режиме частичной нагрузки с 15 ЙОх является весьма малой и при работе в помощью одной или нескольких вспомога- режиме частичной нагрузки. В соответствии тельных горелок. Для этой цели используют, с этим было установлено, что в интересах как правило, диффузионные горелки. Эта улучшения потенциала для газовых турбин техника позволяет добиться весьма низких с более высокими температурами на входе величин эмиссии ИОх в диапазоне полной 20 часть воздуха, которая не может быть обранагрузки. Впротивоположностьэтомутакая зована горелками, работающими в "бедсистема опорных горелок ведет при работе ном" режиме, не должна вследствие Рапегп газовой турбины в режиме полной нагрузки Гас(огз использоваться исключительно для к существенно более высокой эмиссии ЙО. целей охлаждения. Через предусмотренные Известная попытка, предусматривающая 25 в данном случае воздушные дюзы опредеработу диффузионных опорных горелок в ленная часть воздуха вводится предпочти- более "бедном" режиме или использование тельно в первичную зону сжигания в камере меньших опорных горелок. не дает резуль- сгорания и там используется для обеспечетата, так как в этом случае ухудшается выго- ния точного смешивания. В результате эторание и весьма значительно возрастают 30 го возникает то преимущество, что часть эмиссии СО/СНу, В специальной термина- воздуха, которая обеспечивает улучшение и логии это состояние известно под наимено- которая в соответствии с этим нагнетается ванием ножниц СО/СхНу-МОх непосредственно во вторичную зону сжигаЗадача изобретения заключается в со- ния, препятствует нежелательному "обед- здании камеры сгорания, которая при мини- З 5 нению" первичной зоны, Поскольку мальной эмиссии отработавших газов воздушные дюзы расположены в месте с обеспечивает возможность достижения ши- весьма малой скоростью воздуха и задейстрокого эксплуатационного диапазона с оп- вуют и без того лишь ограниченную ширину тимизацией коэффициента качества фронтальной стенки, их влияние на поле профиля температуры на входе турбины, ко главного потока в первичной зоне является торый в специальной терминологии называ- весьма слабым. В частности, воздушные дюют Рацегп Еастог. зы не ухудшают поперечное поджиганиеС этой целью вдоль всей фронтальной между вспомогательными и главными гостенки камеры сгорания располагают с че- релками, Следующее преимущество этих редованием большие и малые горелки с "5 воздушных дюз вытекает из их положения предварительным смешиванием, т,е. на фронтальной стенке, там без охлаждаю- между двумя большими горелками с щего действия воздушных дюз произошло предварительным смешиванием должна бы весьма существенное нагревание этой располагаться одна малая горелка с предав- эоны. Главное преимущество воздушных рительным смешиванием, Кроме того, меж дюз заключается в том, что обеспечивается ду одной большой и одной малой горелками стабилизация срезающих слоев, которые с предварительным смешиванием предус- возникаютмеждуглавнымиивспомогательматриваются воздушные сопла, которые ными горелками. По этой причине 3.еап вводят определенную часть воздуха.в каме- Я 1 аЫЙу Огл 11 камеры сгорания, при котором ру сгорания. Эта конструкция является оп самостоятельно горят лишь вспомогательтимальной для кольцевой камеры сгорания. ные горелки, решающим образом улучшает- причем в данном случае фронтальная стен- ся с помощью воздушных.дюз,ка являетсякольцевой, Одно предпочтительное исполнениеБольшие горелки с предварительным изобретения достигается втамслучае, если смешиванием (главные горелки) находятся главные горелки и вспомогательные горел 200216510 20 25 30 35 40 45 50 55 ки состоят из имеющих различные размеры, так называемых двухконусных горелок и если они встроены в кольцевую камеру сгорания, Поскольку при таком расположении циркулирующие линии потока в кольцевой камере сгорания приближаются на весьма незначительное расстояние к вихревым центрам вспомогательных горелок, зажигание может осуществляться с помощью этих вспомогательных горелок, При разгоне количество топлива; которое подводится через вспомогательные горелки, увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто управление вспомогательными горелками, т.е. пока в распоряжении.не окажется полное количество топлива. Конфигурация выбирается таким. образомчто эта точка соответствует условию сброса нагрузки газовой турбины. Последующее нарастание мощности осуществляется через главные горелки. При пиковой нагрузке на установку обеспечивается полное управленйе главными горелками, Так как конфигурация малых горячих вихревых центров (вспомогательных горелок) между большими, более холодными вихревыми центрами (главными горелками) является чрезвычайно нестабильной, то при работающих в более "бедном" режиме главных горелках вдиапазоне частичной нагрузки обеспечивается весьма хорошее выгорание с низкими величинами эмиссии СО/СхНу, т,е, горячие вихри вспомогательных горелок незамедлительно проникают в холодные завихрения главных горелок.На фиг, 1 схематически изображена часть фронтальной стенки кольцевой камеры сгорания с главными и вспомогательными горелками, а также воздушными дюзами; на фиг. 2 - схематически показано сечение через кольцевую камеру сгорания в плоскости главной горелки; на фиг, 3 - сечение через кольцевую камеру сгорания в плоскости одной вспомогательной горелки; на фиг.4 - осевое сечение через главную горелку; на фиг. 5 - осевое сечение в области воздушных дюз; на фиг. 6 представлена двухкОнусная горелка в перспективном изображении и с соответствующим сечением; на фиг. 7, 8 и 9 показаны сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 6.На фиг. 1 показан фрагмент сектора фронтальной стенки 1 с расположенными на ней главными В и вспомогательными С горелками. Они равномерно чередуются по периметру кольцевой камеры А сгорания, Различие в размерах между главными горелками В и вспомогательными горелками С носит лишь качественный характер, Эффективный размер отдельных горелок. а также их распределение и количество на периметре фронтальной стенки 1 кольцевой камеры А сгорания зависят от мощности и размера самой камеры сгорания. Главные горелки В и вспомогательные горелки С. которые расположены чередующимися, впадают на одинаковой высоте в кольцевую фронтальную стенку 1, которая образует поверхность входа для кольцевой камеры А сгорания. Между отдельными горелками В, С предусмотрено определенное количество воздушных дюз Р, которые в радиальном направлении занимают приблизительно половину фронтальной стенки 1. Если главные горелки В и вспомогательные горелки С вырабатывают движущиеся в одном направлении завихрения, то в этом случае выше и ниже них возникает циркулирующий, охватывающий горелки В и С поток. Для пояснения этого следует указать с целью сравнения на бесконечный ленточный транспортер, который приводится в движение вращающимися в одном направлении роликами. Роль роликов в данном случае играют горелки, работающие в одном направлении, Вокруг горелок при этом возникает центр завихрения. Вокруг вспомогательных горелок С центры завихрений являются малыми, горячими и неустойчивыми. Последние возникают между большими более холодными, обусловленными главными горелками В вихревыми центрами, Между малыми горячими и большими более холодными вихревь 1 ми центрами действуют воздушные дюзы, которые улучшают стабилизацию обоих центров, Даже если главные горелки В работают в более "бедном" режиме, как это происходит при режиме частичной нагрузки, обеспечивается весьма хорошее выгорание с малой величиной эмиссии СО/СхНу.На фиг, 2 и 3 кольцевая камера А сгорания конически проходит в направлении входа турбины, как это вытекает из изображенной центральной оси Е кольцевой камеры сгорания, Каждой горелке В, С придана индивидуальная дюза 2. Видно, что горелки В, С являются горелками с предварительным смешиванием, т.е. обходятся без необходимых в ином случае зон предварительного смешивания. Эти горелки должны быть вь 1 полнены независимо от их специфической концепции так, чтобы можно было не опасаться обратного поджигания в зоне предварительного смешивания через фронтальную стенку 1, Горелка с предварительным смешиваниел:, которая удовлетворяет этим условиям, изображена на фиг, 6-9, причем конструкция обоих типов горелок (главная горелка В и вспомога 2002165тельная горелка С)может быть одинаковой и различаются только их размеры, В случае кольцевой камеры А сгорания среднего размера соотношение размеров между главной и вспомогательной горелками В и С выбирается таким, что приблизительно 2300 воздуха для горения проходят через вспомогательные горелки С и около 77- через главные горелки В,На фиг, 4 и 5 схематически показань 1 главная горелка В и воздушные дюзы. Следует отметить наличие глубоко входящей относительно фронтальной стенки 1 в камеру сгорания надстройки для воздушных дюз, которая обуславливает вхождение воздуха далее в камеру сгорания вниз по течению относительно фронта пламени горелок ВиС.Горелка 3 в соответствии с фиг. 6, конструктивно может представлять собой как вспомогательную горелку С, так и главную горелку В и состоит из двух полых тел 4 и 5 с частичным конусом, которье наложены друг на друга со смещением. Смещение центральных осей 6, 7 тел 4, 5 относительно друг друга создает на обеих сторонах с зеркальным отображением касательные шлицы 8, 9 для входа воздуха 10 (фиг. 7-9) для горения в коническое полое пространство 11 горелки, Тела 4, 5 с частичным конусом имеют цилиндрические начальные части 12, 13, которые также смещены относительно друг друга, в результате чего касательные шлицы 8, 9 для входа воздуха присутствуют с самого начала, В этол цилиндрической начальной части расположена дюза 2, вьходное отверстие 14 для впрыска топлива которой совпадает с наименьшим поперечным сечением полого пространства 11, образованного телами 4 и 5, Размер дюзы 2 зависит от типа горелки, т.е. от того, идет ли речь о вспомогательной горелке С или о главной горелке В, Горелка может быть выполнена конической без цилиндрических начальных частей, Тела 4, 5 с частичным конусом содержат по одной линии 15, 16 для топлива с отверстиями 17, через которые к газообразному топливу 18 подмешивается проходящий через касательные шлицы 8. 9 необходимый для горения воздух 10. Положение топливных линий выбрано на конце касательных шлицев для ввода воздуха, в результате чего и там осуществляется подмешивание 19 входящего воздуха 10 для горения к топливу 18, На стороне 20 камеры сгорания горелка 3 содержит пластину, которая образует фронтальную стенку 1. Проходящее через дюэу 2 жидкое топливо 21 впрыскивается в коническое полое пространство 11 под острым углом так, что в50 5 1015 20 2530 выходной плоскости горелки обеспечивается по возможности максимально однородный аэрозоль топлива. Применительно к выходному отверстию 14 для впрыска топлива речь может идти о поддерживаемой воздухом дюзе или о механической форсунке, В случае определенных режимов работы камеры сгорания речь может идти и о двойной горелке с подводом газообразного или жидкого топлива, которая известна, например, их ЕР - А 1 210462, Конический профиль 22 жидкого топлива, поступающего из дюзы 2, охватывается касательно входящим, вращающимся потоком воздуха 10 для горения. В осевом направлении концентрация жидкого топлива 21 уменьшается за счет подмешивания воздуха 10 для горения, В случае сжигания газообразного топлива 18/19 формирование смеси с воздухом 10 для горения осуществляется непосредственно в конце шлицев 8, 9 для входа воздуха, При впрыске жидкого топлива 21 в зоне 23 обратного потока достигается оптимальная, однородная концентрация топлива по поперечному сечению. Поджигание осуществляется на острие зоны 23 обратного потока, Только в этом месте может возникать стабильный фронт 24 пламени, В данном случае можно не опасаться обратного ударапламени внутрь горелки, как зто происходитпри использовании известных горелок с предварительным смешиванием, в случае использования которых в качестве вспомогательной меры пытаются применить сложные средства для удерживания пламени. Если воздух 10 для горения предварительно подогрет, то происходит естественное испарение жидкого топлива 21 до того, как на выходе горелки будет достигнута точка, в которой может осуществляться поджигание смеси, Степень испарения зависит от размера горелки, распределения размера капель топлива при использовании жидкого тогглива и температуры воздуха 10 для горения, Однако независимо от того, достигается ли наряду с однородным смешиванием капель с помощью воздуха 10 для горения с более низкой температурой дополнительно лишь частичное или полное испарение капель под воздействием нагретого воздуха 10 для горения, величины эмиссии окиси азота и окиси углерода являются весьма малыми, если избыток воздуха составляет по меньшей мере 600, в результате чего в данном случае в распорякении находится следующая мсра для минимизации эмиссий ИОх. В случае полногоиспарения перед входом в зону сжигания величины эмиссии вредных веществ являются наименьшими.. То же справедливо и для ближнего стехио 2002165 1 Ометрического режима, если избыток воздуха заменяется рециркулирующим отработавшим газом. При определении конфигурации тел 4, 5 с частичным конусом относительно наклона конуса и ширины касательных шлицев 8, 9 для входа воздуха должны соблюдаться узкие границы с тем, чтобы с целью стабилизации пламени обеспечить желаемое поле потока воздуха с его зоной 23 обратного потока в области впадания в горелку. Следует отметить, что уменьшение шлицев 8, 9 для входа воздуха обеспечивает дальнейшее смещение зоны 23 вверх по потоку, в результате чего произошло бы раннее воспламенение смеси. В данном случае однократно геометрически зафиксированная зона 23 обратного потока является стабильной, если количество завихрений тангенциальная скорость (аксиальная скорость) возрастает в направлении потока в области конической части горелки. Конструкция горелки пригодна при заданной конструктивной длине горелки для изменения размера касательных шлицев 8, 9 для входа воздуха, причем тела 4, 5 с частичным конусом могут фиксироваться посредством разьемного соединения с запирающей пластиной, За счет радиального смещения тел 4, 5 с частичным конусом относительно друг друга или в противоположном направлении происходит уменьшение или увеличение расстояния между центральными осями 6, 7 и в соответствии с этим изменяется размер зазора касательФормула и зоб рете ни я1. КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая жаровую трубу и установленные в ряд через одну в ее фронтовой стенке воздушные форсунки с соплами и одинаковые по направлению закрутки воздуха горелки с центральными основными форсунками, причем каждая из горелок выполнена с предварительным смещением в виде изогнутого по конусной поверхности элемента, установленного симметрично относительно оси сопла форсунки с образованием на выходе пооледней камеры смещения, имеющей форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону выхода камеры сгорания, и продольные тангенциальные щели для подвода воздуха, отличающаяся тем, что, с целью повышения полноты сгорания топлива, снижения токсичности продуктов сгорания и обеспечения стабильности температурного поля на выходе камеры сгорания в широком диапазоне режимов ных шлицев для входа воздуха (фиг. 7-9), Тела 4, 5 с частичным конусом могут смещаться относительно друг друга и в другой плоскости, в результате чего может осуще ствляться управление их наложением. Возможно даже спиральное смещение тел с частичным конусом относительно другдруга посредством встречного вращательного движения, Таким образом.обеспечивается 10 возможность любого изменения формы иразмера касательных шлицев 8, 9 для входа воздуха, в результате чего обеспечивается индивидуальное согласование горелки без изменения ее конструктивной длины.15На фиг. 7-9 изображено положение направляющих кожухов 25 и 26. Они выполня. ют функции ввода потока, причем они всоответствии с их длиной удлиняют тот или 20 иной конец тел 4 и 5 с частичным конусом внаправлении набегания потока воздуха 10 для горения, Канализация воздуха для горения в полое коническое пространство 11 может оптимизироваться посредством от крывания или закрывания направляющихкожухов 25, 26 вокруг точки 27 вращения.Это необходимо, в частности, в том случае, если изменяется первоначальный размер зазора касательных шлицев для входа воз духа, Горелка может эксплуатироваться ибез направляющих кожухов.(56) Патент США 1 чг 3512359, кл, 60 - 39.74.опублик. 1970.35работы, сопла воздушных форсунок смещены относительно фронтовой стенки в сторону выхода камеры сгорания, а каждые две горелки, смежные с воздушной 40 форсункой, имеют разную пропускнуюспособность, причем горелки с большей пропускной способностью являются основными, а горелки с меньшей пропускной способностью - вспомогательными.45 2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что горелки снабжены дополнительными топливными форсунками, размещенными в зоне тангенциальных щелей.503. Камера сгорания.по п,1, отличающаяся тем, что горелка снабжена по крайней мере одним полым телом, выполненным с возрастающим в направлении потока на клоном конуса, установленным внутри изогнутого по конусной поворхности элемента, причем центральные оси последнего и полого тела расположены в продольном направлении со смещением одна относительно другой, равным размеру касательных шлицев для входа воздуха расположено между центральными осями и образованием полого конуса, а выходное изогнутого по конусной поверхности элеотверстие центральной основной форсунки мента и полого тела.