CZ200493A3

CZ200493A3 - Spalovací vložka s nízkými emisemi NOx využívající nasavače chladícího vzduchu s prolisy

Info

Publication number: CZ200493A3
Application number: CZ200493A
Authority: CZ
Inventors: Kraftárobertáj; Martlingávincentác; Mackábrianár; Minnichámarkáa
Original assignee: Powerásystemsámfg@Źállc
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2004-05-12
Also published as: KR20040018480A; CA2454309A1; PL366615A1; EP1415078A2; SK1042004A3; WO2003008791A3; HUP0401114A2; EA200400201A1; US6430932B1; JP2004536273A; BR0211283A; IL159938A0; WO2003008791A2

Description

(57) Anotace:

Spalovací vložka (30) využívá nasavač (31) pro sběr chladícího vzduchu ajeho vstup do spalovacího prostoru (35). Nasavač (31) je rozšířen, aby se zvýšilo V něm obsažené množství vzduchu. Prolisy (32) dovolují spalovací vložce (30) projít mezi upevňovacími kolíky (19) při její montáži do hořáku. Následně je vložkou pootočeno tak, aby výstupky (18) zapadly do kolíků (19).

CM

N

O • · »· ····

NÁZEV VYNÁLEZU ’ PCT/US02/13032

Spalovací vložka s nízkými emisemi NO_X využívající nasavače chladícího vzduchu s prolisy

POPIS VYNÁLEZU ,

I

Tento vynález se týká plynových turbín, přesněji zařízení pro snižování emisí oxidů dusíku (NO_X) a chlazení spalovací vložky pro válcově-prstencovitý spalovací systém plynové turbíny.

Popis související technologie

Spalovací vložky jsou běžně používány ve spalovacích sekcích většiny plynových turbín.

Slouží k ochraně pouzdra hořáku a okolních zařízení před extrémně vysokými provozními teplotami tím, že ohraničují prostor, kde probíhá chemická reakce mezi vzduchem a palivem.

Nedávno se začaly jak výrobců, tak provozovatelů vážně dotýkat vládní regulace emisí. Zvláštního významu nabývají emise oxidů dusíku (N0_x) a jejich příspěvek ke znečištění ovzduší, neboť technická zařízení mají vládní povolení, která omezují přípustná množství emisí N0_x za rok. Je tudíž žádoucí mít turbíny s nižšími emisemi, obzvláště N0_x, jelikož ty mohou být v provozu po delší dobu a ve výsledku tak přinášet provozovateli větší zisk.

Je známo, že tvorba N0_x závisí na teplotě plamene, teplotě vstupujícího vzduchu, doby setrvání a poměru palivo/vzduch. Bylo zjištěno, že nižší teplota plamene, kratší doba setrvání a nižší poměr palivo/vzduch vedou ke sníženým emisím N0_x.

Nižší teploty plamene a poměru palivo/vzduch je možné dosáhnout zvýšením množství vzduchu přiváděného do spalovacího procesu při daném množství paliva.

• ·

V důsledku vysokých provozních teplot plynové turbíny je však zapotřebí, aby značná část vzduchu dodávaného kompresorem byla použita na chlazení součástí turbíny a zabránilo se tak jejich předčasnému selhání. Protože většina vzduchu používaného pro chlazení spalovací vložku obtéká, zvýšené požadavky na chlazení snižují množství vzduchu použitelného pro spalování a tím se zvyšuje poměr palivo/vzduch pro daný přítok paliva, což vede k vyšší teplotě plamene, která zhoršuje problémy s emisí N0_x.

Je tedy zapotřebí zařízení, které zvyšuje množství vzduchu použitelného pro spalování využitím vzduchu původně určeného pouze pro chlazení, aby se snížil poměr palivo/vzduch a potažmo i emise N0_x.

Shrnutí a předmět vynálezu

Předmětem předkládaného vynálezu je prostředek pro zvýšení množství vzduchu pro spalovací prostor dvoustupňového-dvourežimového hořáku.

Dalším předmětem předkládaného vynálezu je opatření pro montáž a demontáž spalovací vložky do spalovacího systému.

V souladu s tím je zveřejněna konstrukce spalovací vložky určené pro suché plynové turbíny s nízkými emisemi N0_x, které obvykle slouží k pohonu elektrických generátorů. Spalovací vložka sestává z protiproudé předsměšovací komory a dopředně neboli sekundární spalovací komory, které jsou navzájem odděleny difuzérem. Pro nasměrování chladícího vzduchu z difuzéru do předsměšovací komory je použit nasavač, který tak snižuje úroveň emisí N0_x.

V závislosti na rozměrech spalovací vložky a sousedních součástí, jako je tokový tubus či tepelný štít, jsou omezeny rozměry nasavače a tedy • ·

i množství vzduchu, které je schopen do předsměšovací komory dodávat. Vynález zveřejněný v této přihlášce dovoluje částečně překonat toto omezení zavedením konstrukčních zahloubení či prolisů v nasavači, které umožňují montáž spalovací vložky se zvětšeným nasavačem do tubusu hořáku.

Ve shodě s těmito a dalšími předměty, jež budou ozřejměny níže, bude předkládaný vynález nyní popsán s příslušnými odkazy na doprovodná vyobrazení.

Stručný popis vyobrazení

Obrázek 1 je boční pohled na řez částí typického hořáku pro plynovou turbínu.

Obrázek 2 je izometrický pohled na vylepšenou spalovací vložku využívající předkládaný vynález. Obrázek 3 je boční pohled na řez částí hořáku ve kterém je aplikován předkládaný vynález.

Obrázek 4 je čelní pohled na řez částí hořáku ve kterém je aplikován předkládaný vynález.

Obrázek 5 je zvětšený detail Obrázku 4, tj. čelní pohled na řez zobrazující předkládaný vynález.

Podrobný popis preferovaného provedení

Obrázek 1 představuje typický hořák 10 plynové turbíny. Hořák sestává z vnějšího pouzdra 11, tepelného štítu či tokového tubusu 12 a spalovací vložky 13. Pro přehlednost byly odstraněny součásti palivového systému. Spalovací vložka 13 má dvě spalovací komory 14 a 15, oddělené difuzérem 16. Součástí spalovací vložky 13 je také její hlava 17, která nese různé palivové trysky (není vyobrazeno) .

Spalovací vložka 13 je upevněna v tubusu 12 sadou výstupků 18, nacházejících se na spalovací vložce 13, a sadou kolíků 19, připevněných k tubusu 12.

• ·

Při instalaci spalovací vložky zapadnou výstupky 18 do drážek v kolících 19 a tím fixují spalovací vložku 13 v hořáku 10.

Na Obrázku 2 je v perspektivě vyobrazena alternativní spalovací vložka 30 používající předkládaný vynález. Tato spalovací vložka disponuje nasavačem 31 pro přívod předehřátého chladícího vzduchu do protiproudé komory. Spalovací vložka obsahuje také sadu výstupků 18, ústrojí hlavy 33 a difuzér oddělující protiproudou a dopřednou spalovací komoru (není vyobrazen). Ve vzduchovém nasavači 31 je několik prolisů 32, které mají menší průměr vzhledem k ose A-A spalovací vložky než nasavač 31. Vzduchový nasavač a chladící okruh jsou v detailu zobrazeny na Obrázku 3, který je řezem spalovací vložkou 30.

Obrázek 3 je detailním řezem spalovací vložkou 30 instalovanou do tubusu 12. Spalovací vložka 30 má sadu výstupků 18, jež zapadnou do odpovídající sady kolíků 19 upevněných v tubusu 12, když je spalovací vložka instalována do zmíněného tubusu. Na tomto obrázku je také zobrazeno ústrojí hlavy 33 a difuzér 34, který odděluje protiproudou a dopřednou spalovací komoru 35, resp. 36. Jak je rozebíráno v současně projednávaných U.S. patentových přihláškách č. 09/664,898 a 09/605,765 převedených stejnému nabyvateli jako předkládaný vynález, chladící vzduch vstupuje do kanálu 37 ve dvouplášťovém difuzéru otvory 38, postupuje ve směru vyznačeném šipkami a vystupuje z difuzéru otvory 39 do nasavače 31. Tento vzduch je poté přiveden otvory 40 a 41 do procesu míšení a spalování v protiproudé komoře 35. Dodatečné přimíšení chladícího vzduchu snižuje poměr palivo/vzduch a teplotu plamene, což dle citované literatury vede ke snížení emisí NO_X.

Průměr vzduchového nasavače 31 je limitován překážkami, jako jsou kolíky 19 tubusu. Předkládaný

V

4 • · · 4 4 44 · 4 · ·

4444 44 4 4444

4 44444 4 4 44 44444

44 444444 44 4 vynález řeší tyto montážní obtíže pomocí prolisů 32 (viz. Obrázek 2) v nasavači, díky kterým může spalovací vložka 30 s nasavačem 31 projít skrze kolíky 19 a zapadnout do správné pozice v hořáku.

Na Obrázku 4 je čelní pohled na spalovací vložku 30 instalovanou v tubusu 12 tak, že výstupky 18 jsou umístěny v kolících 19. Z tohoto obrázku je patrné, že nasavač 31' má průměr větší než je radiální vzdálenost mezi vrcholy kolíků 19. V nasavači 31 jsou za účelem instalace spalovací vložky 30 do tubusu 12 bez nutnosti zkrácení kolíků 19 zhotoveny prolisy 32. To činí spalovací vložku běžně vyměnitelnou součástí kompatibilní s různými tubusy bez potřeby kompromisu v konstrukční integritě upevňovacího systému výstupků 18 a kolíků 19.

Detailní pohled na·tento střet při instalaci je na Obrázku 5. Přítomnost prolisů 32 v nasavači 31 umožňuje zvýšit množství vzduchu dodávaného nasavačem pro proces spalování. Poloměr A nasavače 31, měřený od osy A-A, je větší než vnitřní poloměr kolíků 19 tubusu a zabraňuje tak průchodu nasavače kolem těchto kolíků. Použití prolisů 32 však umožňuje instalaci spalovací vložky 30 do tubusu 12 bez ohledu na délku kolíků 19. Rozměr prolisů 32 je volen tak, že poloměr C je menší než poloměr B a šířka E je větší než šířka D, což zajišťuje dostatečný světlý profil pro podélný průchod spalovací vložky 30 přes kolíky 19, pokud je každý z kolíků radiálně zarovnán s jedním z prolisů 32.' Prolisy 32 jsou rozmístěny po obvodu nasavače 31 tak, aby, když je spalovací vložka 30 instalována do tubusu 12, mohla být tato natočena tím způsobem, že každý z kolíků 19 tubusu je axiálně zarovnán s jedním z prolisů 32, což umožní zasunout spalovací vložku podélně do tubusu beze střetu mezi nasavačem 31 a kolíky 19 tubusu. Jakmile nasavač 31 mine kolíky 19, poloměr spalovací vložky, který je podstatně menší než poloměr B, dovolí její • · Φ Φ Φ 9 9 · * · 9

ΦΦΦ· 9 9 · φφφφ

Φ Φ φφφ ΦΦ 9 9 9 9 · 999

ΦΦ φφΦφ φφφ

ΦΦ φφ ΦΦ ΦΦΦΦ ΦΦ 9 pootočení tak, aby výstupky 18 spalovací vložky mohly’zapadnout do kolíků 19 tubusu.

Ačkoli vynález byl popsán na, jak známo, v současnosti preferovaném provedení, je třeba chápat, že se neomezuje pouze na toto zveřejněné provedení, ale naopak je určen i pro různé modifikace a ekvivalentní provedení ve smyslu následujících nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Ústrojí spalovací vložky pro použití v průmyslových plynových turbínách zahrnující: vnější plášť válcovitého tvaru se vstupním a výstupním koncem a tím definovanou podélnou osu, předsměšovací komoru pro míšení paliva se vzduchem umístěnou při zmíněném vstupním konci, spalovací komoru umístěnou mezi zmíněnou předsměšovací komorou a zmíněným výstupním koncem a komunikaci mezi nimi, sadu výstupků umístěných poblíž zmíněného vstupního konce složící k fixaci zmíněného pláště uvnitř hořáku, sadu děr rozmístěných po obvodu zmíněného pláště pro vstup vzduchu do tohoto pláště, ústrojí hlavy spalovací vložky umístěné při zmíněném vstupním konci pláště pro regulaci množství vzduchu vstupujícího do zmíněné předsměšovací komory, zmíněné ústrojí hlavy spalovací vložky s lůžky pro sadu palivových trysek, ústrojí difuzéru s chladícím kanálem majícím alespoň jeden otvor umožňující vstup vstup chladícího vzduchu do zmíněného difuzéru a alespoň jeden otvor pro výstup vzduchu ze zmíněného difuzéru, nasavač mající vnější poloměr vzhledem ke zmíněné ose větší než zmíněný vnější plášť a připevněný ke zmíněnému vnějšímu plášti v místě mezi zmíněným vstupním koncem pláště a zmíněnou sadou děr a v místě mezi zmíněným alespoň jedním výstupním otvorem difuzéru a zmíněným výstupním koncem pláště sloužící k vedení vzduchu vystupujícího ze zmíněného alespoň jednoho výstupního otvoru difuzéru do zmíněné sady děr, sadu prolisů rozmístěných po obvodu vnějšího povrchu zmíněného nasavače.

2. Spalovací vložka dle nároku 1, kde zmíněné prolisy jsou vedeny po celé axiální délce zmíněného nasavače.

3. Spalovací vložka dle nároku 2, kde každý ze zmíněných výstupků spalovací vložky je axiálně zarovnán s jedním ze zmíněných prolisů.

4. Spalovací vložka dle nároku 2, kde zmíněné prolisy jsou po obvodu posunuty vůči zmíněným výstupkům spalovací vložky.

4 4 :í

5. Spalovací vložka dle nároku 2, kde zmíněný nasavač a prolisy jsou zhotoveny z podobného materiálu jako zmíněný vnější plášť.

6. Spalovací vložka dle nároku 2, kde zmíněný nasavač vyčnívá radiálně nad povrch zmíněného vnějšího pláště do vzdálenosti větší, než je radiální vzdálenost mezi zmíněným vnějším pláštěm a nejvzdálenějším vnějším povrchem zmíněných výstupků spalovací vložky.

7. Spalovací vložka dle nároku 2, kde zmíněný nasavač má v průřezu obecně lichoběžníkový tvar.