HUT56923A - Combustion chamber for gas turbines - Google Patents

Description

Égéskamra gázturbinához

ASEA BROWN BOVERI AG, BAOEN, jsv&őf

Feltaláló: dr.KELLER Jákob, DOTTIKON, CM k bejelentés napja: 1990.06. C»C

Elsőbbsége: 19^*06.06. (2099/89-2) fevtütf Ctf

A találmány gázturbinákhoz olyan égéskamrára vonatkozik, amelyben az égéslevegő belépésének oldalán olyan előkeverős égők vannak, amelyek egymás mellett helyezkednek el és az égéslevegő bevezetéstől függően különböző nagyok olyképpen, hogy a nagy előkeverős égők és a kis előkeverős égők váltakozva követik egymást és az egyes előkeverős égők között levegőfúvókák találhatók.

A gázturbinák üzemeltetésére előírt rendkívül alacsony Ν0_χ emissziós értékre való tekintettel számos gyártó előkeverős égők alkalmazására tért át. Az élőké verős égők egyik hátránya az, hogy ezek már nagyon alacsony levegőértéknél, a gázturbina sörítőjének hőmérsékletétől fUggően körülbelül 2-nél kialszanak. E miatt a gázturbina részleges terhelésű üzeme esetén az ilyen előkeverős égőket egy vagy több segédégővel kell megtámasztani. Rendszerint erre a célra diffúziós égőket alkalmaznak. Ez a technikai megoldás a teljes terhelés tartományában valóban igen alacsony Ν0_χ emissziót biztosít. Részleges terhelésű üzem esetén ezzel szemben ez a támasztóégős megoldás lényegesen nagyobb NO* emissziót eredményez. Az a többféleképpen ismertté vált kísérlet, hogy a diffúziós támasztóégőket soványan táplálva működtessük, vagy hogy kisebb támasztőégőket alkalmazzunk, azáltal hiúsul meg, hogy a kioltás kedvezőtlen és a CO/UHC emisszió nagyon erősen növekszik. Szaknyelven ez a jelenség CO/UHC - Ν0_χ olló elnevezéssel került be a köztudatbao.

A találmány ezen a területen kíván segítséget nyújtani. A találmány az igénypontok szerinti jellemzésnek megfelelően azon a feladaton alapul, hogy olyan égéskamrát biztosítsunk, amely minimálisra csökkentett égéstermék emisszió mellett széles üzemeltetési tartományt tesz lehetővé a turbina belépési oldalán a hőmérséklet profil szerint a minőségi tényező optimálásával, amit a szaknyelven Pattern Factor-ként neveznek.

Ehhez az égéskamra egész homlokfala mentén váltakozó módon nagy- és kis előkeverős égők helyezkednek

el, azaz két nagy előkeverős égő között mindig egy kis előkeverős égő található. Ezen kívül egy nagy- és egy kis előkeverős égő között mindig van egy olyan kis levegőfúvóka, amely bizonyos levegő mennyiséget juttat az égéstérbe. Ez az elrendezés gyűrűs égéskamra esetében optimális, amikor itt következésképpen a homlokfal ilyenkor gyűrűalakú.

A nagy előkeverős égők, amelyeket a következőkben ffiégőknek nevezünk és a kis előkeverős égők, amelyeket a következőkben segédégőknek nevezünk az ott átáramlő égéslevegőre vonatkoztatva olyan méretarányúak, amit esetenként rögzítünk. Az égéskamra teljes terhelési tartományban a segédégők olyképpen működnek, mint előkeverős égők, hogy a levegőértékük gyakorlatilag állandó marad. Mivel tehát az egész terhelési tartományban a segédégők ideális keveréssel (előkeverős égők) üzemelhetnek, az Ν0_χ emissziójuk részleges terhelésnél is nagyon csekély. E közben kitűnik az, hogy a levegőrészt a gázturbinák részére nagyobb belépő hőmérséklettel az „Uprating- potenciál érdekében, amit nem lehet az égővel létrehozni (Lean Blowoff Limit, CO/UHC), kizárólag hűtési célra kell használni a „Pattom Factor következtében. Az itt lévő levegőfúvókákon keresztül bizonyos levegőrészt előnyös módon az égéstér primer égési zónája mögé juttatunk és ott gondoskodunk arról, hogy tökéletes keveredés jöjjön létre. Ennek az az előnye van, hogy az a levegőrész,

ami _wüprating-ot létesít és ennek megfelelően közvetlenül a szekunder égetési zónába kerül beióvásra, a primer zóna nem kívánatos „elszegényedését megakadályozza. Mivel a levegő fúvókáknál az egyes helyeken nagyon kicsi a levegősebesség és egyébként csak a homlokfal korlátozott szélességét töltik ki, befolyásuk a primer tartományban az áramlás fő terére csak nagyon gyenge. A levegőiúvókák lényegében nem befolyásolják hátrányosan a primerégők és a főégők között létrejövő gyújtást. Ezeknek a levegőfúvókáknak további előnyük a homlokfalon az elhelyezkedésükből adódik; ezek a szakaszok ott a levegőtúvókák hűtő hatása nélkül nagyon forróak lennének. A fő előnye a levegőfúvókáknak ezen belül abban látható, hogy a főégők és a segédégők között kialakuló metszeti réteget stabilizálják. Ebből a tényből kiindulva az ún. „Lear) Stability Limit az égéskamrában, amelynél csak a segédégők égnek önállóan, a levegőiúvókák segítségével alapvetően javul.

A találmány előnyös megvalósítása akkor érhető el, ha a főégő és a segédégő különböző nagyságú úgynevezett kettőskúpos égő, és ha ezek gyűrűs égéskamrában vannak egyesítve. Mivel a körbenfutó áramlási vonalak az ilyen elrendezésnél a gyűrűs égéskamrában a segédégők örvényközpontjának közvetlen közelébe kerülnek, a gyújtás csak ezekkel a segédégőkkel is lehetséges. Felfutásnál az az üzemanyag mennyiség, ami a segédégőkön keresztül jut be, addig növekszik, amíg a segéd-

• ·

- 5 égő terhelhető, azaz amíg a teljes tüzelőanyag mennyiség rendelkezésre áll. Az elrendezés úgy van megválasztva, hogy ez a pont a gázturbina terhelésmentesítési feltételeinek felel meg. A további teljesítmény fokozás ezután a főégőkön keresztül történik. A berendezés csúcs terhelésénél a főégők is teljesen igénybe vannak véve. Mivel a „kis forró örvénycentrumok (segédégők) elhelyezkedése a nagy hűvösebb örvénycentrumok (főőgők) között rendkívül instabil, a soványan üzemelő főégők esetében Is a részleges terhelési tartományban nagyon jó égetés érhető el alacsony CO/UHC emisszió mellett, azaz a segédégők forró lángörvénye azonnal behatol a főégők hideg lángörvényébe.

A feladat találmány szerinti megoldásának további előnyös módozatai az igénypontokban vannak jellemezve.

A következőkben a találmány kiviteli példáit rajzok alapján ismertetjük közelebbről. A találmány közvetlen megértéséhez nem szükséges valamennyi részletet elhagytuk. A különböző ábrákon az azonos szerkezeti elemek mindig azonos hivatkozási jellel szerepelnek. A közeg áramlási irányát nyilak jelzik.

Az ábrák a következők:

l.ábra: gyűrűs égéskamra homlokfalának részlete vázlatosan nézetben ábrázolva az ugyancsak vázlatosan ábrázolt segédégőkkel, főégőkkel és levegőiúvókákkal,

2. ábra: a gyűrűs égéskamra vázlatos metszete az egyik főégő síkjában,

3. ábrás a gyűrűs égéskamra egy további metszete az egyik segédégő síkjában,

4. ábra: vázlatos tengelymetszet az egyik égőnél,

5. ábra: vázlatos tengelymetszet a levegőfúvőka kö- zelében,

6.ábra: égő kettőskűpos égőnek megfelelő kivitelben perspektivikus ábrázolásban, megfelelő módon metszetben,

7., 8. és 9. ábra: a VII - VII szerinti síkban (7.ábra), a VIII - VIII szerinti síkban (8.ábra) és a IX - IX szerinti síkban (9. ábra) vett megfelelő metszetek olyképpen, hogy ezek a metszetek a 6. ábra szerinti kettőskűpos égőnek csak vázlatos, egyszerűsített ábrázolásai.

Az 1. ábra a 10 homlokfal egyik szektorának a részletét ábrázolja. Ebből kitűnik az egyes 8 főégők és C segédégők elhelyezése. Ezek az A gyűrűs égéskamra kerületén egyenletesen és váltakozva helyezkednek el. A 8 főégők és a C segédégők között az ábrázolt méretkülönbség csak minőségi természetű. Az egyes égők tényleges nagysága, valamint az A gyűrűs égéskamra 10 homlokfalának kerülete mentén csak ezek elosztása és száma, amint már előbb ismertettük, az • ·

- 7 égéskamra teljesítményéhez és nagyságához Igazodik. A B főégők és a C segédégők, melyek váltakozva helyezkednek el, valamennyien azonos magasságban torkollanak bele abba az egységes gyűrűalakú 10 homlokfalba, amely az A gyűrűs égéskamra belépőfelületét alkotja.

Az egyes B és C égők között vannak a D levegőfúvókák, itt vázlatosan ábrázolva, melyek sugárirányban a 10 homlokfal fele szélességére terjednek ki. Ha a B főégők és a C segédégők egyirányú örvényt keltenek, akkor ezek felett- és alatt körbenhaladő, a B és C égőket körülfogó áramlás jön létre. Ennek az állapotnak a magyarázatához olyan végtelen szállítószalagot képzelhetünk el, amelyet egy irányban forgó görgők tartanak mozgásban. A görgők szerepét itt az egyirányban örvénylő égők veszik át. Az egyes égők körül ezen felül örvényközpontok jönnek létre; a C segédégők körül az örvényközpontok kicsik és forrók és önmagukban instabilok. Ezek a nagy, hűvösebb, a B főégőkből létrejövő örvényközpontok között jönnek létre. Ebben a tartományban a kis, forró- és a nagy hűvösebb örvényközpontok között működnek azok az F levegőfúvókák, amelyek döntően javítják az előbbiek stabilizálását, amint ezt előzőleg már kiemeltük. Ha maguk a B főégők soványabban üzemelnek, amint ez részleges terhelésnél fennáll, nagyon jó kiégési tényezővel lehet számolni alacsony CO/UHC-emiszsziő mellett.

• · · ···· · · • ·· · ··· · · «·· ♦ · · · · * · · ·· ··· ·· · ·

A 2. és a 3. ábra az A gyűrűs égéskamra vázlatos metszetét ábrázolja a 0 főégőnek, illetve a C segédégönek a síkjában. Az itt ábrázolt A gyűrűs égéskamra a 0 turbina belépés irányában kőnikusan halad, amint ez az A gyűrűs égéskamra bejelölt E középtengelyéből kitűnik. Mindegyik B és C égőnek különálló 3 fúvókája van. Már ebből a vázlatos ábrázolásból is látható, hogy a B és C égők egyben előkeverős égők, tehát az egyébként szokásos elökeverő zóna nélkül működnek. Természetesen ezeknek a 0 és C előkeverős égőknek az egyedi kiképzésüktől függetlenül olyanoknak kell lenniük, hogy az előkeverő zónában a mindenkori 10 homlokfalon keresztül a visszagyűjtés kizárt legyen. Egy olyan előkeverős égő, amely ezeket a feltételeket kiváltképpen teljesíti, átfogóan a 6.-9. ábrákon van feltüntetve és ott közelebbről olyképpen van ismertetve, hogy mindkét égőtipusnál (a B főégőnél és a C segédégőnél) a szerkezet azonos lehet, csupán a nagyság különböző. Közepes nagyságú A gyűrűs égéskamra esetében a B főégő és a C segédégő közötti méretviszony úgy választható meg, hogy az égéslevegőnek mintegy 23 %-a a C segédégőn, mintegy 77 % pedig a B főégőn áramlik keresztül.

A 4. és az 5. ábra vázlatosan a B főégőt az

1. ábra IV - IV metszetének megfelelően, illetve az F levegőiúvókát az 1. ábra V - V metszetének megfelelően mutatja be helyzet szerint koordinált tengelyirányú metszetben. Megfigyelhető ebben az összefüggésben az F

levegőiúvókáknak az az égőtérbe a 10 homlokfalhoz képest messze benyúló szerkezete, ami a G levegőt az áramlás irányában az égéstérben a B és C égők lángszélére irányítja.

Azért, hogy a B és C égők szerkezetét jobban megérthessük, előnyös, ha egyidejűleg a 7.-9. ábrának megfelelően az egyes metszeteket vizsgáljuk. Ezen kivül azért, hogy a 6.ábra szükségtelenül ne legyen áttekinthetetlen, a 7.-9. ábrák szerint vázlatosan jelölt 21a és 21b terelőlemezeket csak jelképesen tüntettük fel. A következőkben a 6. ábra leírásánál váltakozva szükség szerint a többi 7.-9. ábrákra is hivatkozni fogunk.

A B illetve C égő a 6. ábrának megfelelően, ami akár a C segédégőre, vagy akár a B főégőre is vonatkozhat, két fél üreges olyan 1 és 2 kúpszelet testrészből áll, amelyek egymáson eltolva illeszkednek egymáshoz * Az 1 és 2 kúpszelet részek megfelelő lb és 2b középtengelyének eltolása egymáshoz képest mindkét oldalon tükörszimmetrikus elrendezést eredményez érintőleges 19 és 20 levegőbelépő rést hagyva szabadon, (7.-9. ábra), amelyen keresztül a 15 égéslevegő beáramlik az égő belsejébe, azaz a 14 kúpüregbe. Mindkét 1 és 2 kúpszelet testrésznek olyan hengeres la és 2a kezdeti szakasza van, amelyek ugyancsak hasonlóan az 1 és 2 kúpszelet testrészekhez egymáshoz képest úgy vannak eltolva, hogy az érintőleges 19 és 20 levegőbelépő rések kezdettől fogva létrejönnek. Az la és 2a hosszanti

szakasz által alkotott hengeres kezdeti szakaszban van az a 3 fúvóka elhelyezve, amelynek a 4 üzemanyagbevezető nyílása egybeesik az 1 és 2 kúpszelet testrészek által alkotott kúpos belső üreg legszűkebb keresztmetszetével. Ennek a 3 nyílásnak a nagysága az égő jellegéhez Igazodik, azaz attól függ, hogy C segédégőről, vagy B főégőről van-e szó. Természetesen az égő tisztán kúpos is lehet, tehát hengeres la és 2a kezdeti szakasz nélkül is elkészíthető. Mindkét 1 és 2 kúpszelet testrésznek egy-egy olyan Θ és 9 üzemanyagvezetéke van, amely olyan 17 nyílásokkal van ellátva, amelyeken keresztül a gáznemú 13 tüzelőanyag hozzákeveredhet az érintőleges 19 és 20 levegőbelépő résen átáramló 15 égéslevegőhöz. Ezek a 8 és 9 üzemanyagvezetékek az érintőleges 19 és 20 levegőbevezető rések végeinél vannak úgy elhelyezve, hogy ott a 13 tüzelőanyag 16-tal jelölt elkeveredése létrejöhet a beáramló 15 égéslevegővel. A 22 égéstér felőli oldalon a B és C égőknek olyan lapja van, amely a 10 homlokfalat alkotja. A 3 fúvókén keresztül áramló folyékony 12 tüzelőanyag a 14 kúpüregbe olyképpen fúvódik be hegyes szögben, hogy az égő kilépési síkjában lehetőleg egyenletes kúpos tüzelőanyagköd jöjjön létre. A 4 üzemanyagbevezető nyílásnál levegővel működő fúvóka, vagy nyomás alatti porlasztó lehet alkalmazva. Magától értetődően az égéskamra bizonyos üzemmódjainál gáz, vagy folyékony

tüzelőanyaggal való táplálásához kettős égő Is lehet ez, amint ez példaképpen a 210 462 számú EP - Al szabadalmi leírásban szerepel. A 3 fúvókéból kilépő kúpos 5 folyékony tüzelőanyagáramot az érintőlegesen beáramló forgó 15 égéslevegőáram veszi körül. Sugárirányban a folyékony 12 tüzelőanyag koncentrációját a hozzá keveredő 15 égéslevegőáram folyamatosan csökkenti. Ha a gázalakú 13 üzemanyag a 16 elkeveredés során elég, a keverékképződés a 15 égéslevegővel közvetlenül a 19 és 20 levegő belépő résnél jön létre. A folyékony 12 tüzelőanyag befúvásánál az örvényképződés tartományában, tehát a 6 visszaáramlási zónának a tartományában az optimális, homogén tüzelőanyagkoncentráció a teljes keresztmetszetben létrejön. A gyújtás a 6 visszaáramlási zóna csúcsánál történik. Csak ezen a helyen lehet stabil 7 lángfrontot létesíteni. Az égő belseje felé a láng visszalobbanása, amint ez az ismert előkeverési szakaszokon lehetőség szerint bekövetkezik és ami ellen ott bonyolult lángfogó segédeszközökkel próbálnak védekezni, itt nem fenyeget. Ha a 15 égéslevegő előhevített, akkor bekövetkezik a folyékony 12 tüzelőanyag természetes előgőzölése, mielőtt ez eljut az égőnek a kimeneténél ahhoz a ponthoz, ahol a keverék meggyulladása bekövetkezik. Az előgőzölés foka magától értetődően az égő nagyságától, a folyékony tüzelőanyagcseppek méreteloszlásától és a 15 égéslevegő hőmérsékletétől függ. Független azonban attól, hogy homogén cseppelegy esetén alacsonyabb hőmérsékletű 15 égéslevegő segítségével vagy kiegészítésként csak részleges, vagy teljes cseppelgőzölgést érünk el előhevített 15 égéslevegővel, a nitrogénoxid és szénmonoxid emisszió alacsony értékűvé válik, ha a légfelesleg legalább 60 %-ot tesz ki, amivel itt a Ν0_χ emisszió minimális értékre történő csökkentéséhez további lehetőség áll rendelkezésre. Az égészónába történő belépés előtt a teljes elgőzölögtetés esetében a legalacsonyabbak a káros anyagok emiszszlő értékei. Hasonló érvényes a közel stöchiometriai arány melletti üzemeltetés esetére, ha a légfelesleget recirkuláltatott égéstermékkel helyettesítjük. A kúp hajlása és az érintőleges 19 és 20 levegőbelépő rések tekintetében az 1 és 2 kúpszelet testrészek kiképzésénél szűk határokat kell betartani, amivel a levegő megkívánt áramlási mezője a láng stabilizálásához az égőtorkolat közelében a 6 visszaáramlást zónájával be van állítva. Általában azt mondhatjuk, hogy a 19 és 20 levegőbelépő rések csökkentése a 6 visszaáramlást zónát az áramlással szemben tolja tovább el, amivel ekkor a keverék minden esetre korábban gyullad meg. Mtndamellett itt meg kell állapítani, hogy az egyszer geometriailag rögzített 6 visszaáramlásl zóna Önmagában állandó helyzetű, ha az impulzus nyomaték értéke az égő kúpalakú terében az áramlás irányában növekszik. Az égő szerkezete alkalmas előnyösen az égő előre megadott szerkezeti hossza esetén az érintőleges • · és 20 levegőbelépő rések nagyságának a változtatására amennyiben az 1 és 2 képszelet testrészek oldható összeköttetés segítségével vannak a 10 homlokfallal együtt rögzítve. A két 1 és 2 képszelet testrész oldalirányé eltolásával a két lb és 2b középtengely távolsága csökken, illetve növekszik és ennek megfelelően az érintőleges 19 és 20 levegőbelépő rések rés-szélessége változik, amint ez különösen jól látható a 7.-9. ábrákon. Magától értetődően az 1 és 2 kúpszelet testrészek egymáshoz képest más síkban is eltolhatók, amivel ezeknek akár az átlapolása is létrehozható. Igaz, akár az is lehetséges, hogy az 1 és 2 kúpszelet testrészeket ellentétes forgásnak megfelelő elmozdítással egymáshoz képest csigaszerűen toljuk el. Ezzel kezünkben van annak lehetősége, hogy az érintőleges 19 és 20 levegőbelépő rések alakját és nagyságát tetszés szerint változtassuk, amivel az égő a szerkezeti hosszának a változtatása nélkül egyedileg illeszthető.

A 7.-9. ábrákból a 21a és 21b terelőlemezek helyzete is kitűnik. Ezeknek a szerepe az áramlás bevezetése olyképpen, hogy ezek a hosszúságuknak megfelelő mértékben az 1 és 2 kúpszelet testrészek megfelelő végeit hosszabbítják meg a 15 égéslevegő beáramlásának irányában. A 14 kúpüregben az égéslevegő csatornáját lehet a 23 forgáspont körül a 21a és 21b terelőlemez nyitásával, illetve zárásával optimalizálni, ez

- 14 különösen akkor szükséges, ha az érintőleges 19 és levegőbelépő rések eredeti résszélességét változtatjuk. Magától értetődően az égőket terelőlemez nélkül is lehet üzemeltetni.

Claims (9)

1. Égéskamra gázturbinához, azzal jellemezve , hogy az égéskamrában (A) az égéslevegő érkezése felőli oldalon bizonyos számú olyan előkeverős égő (B, C) van, amelyek egymás mellett helyezkednek el és az égéslevegő átvezetés szempontjából különböző nagyságúak olyképpen, hogy a nagy előkeverős égők (8) és a kis előkeverős égők (C) váltakozva következnek egymás után és az egyes előkeverős égők (B, C) között levegőfúvókák vannak.

2. Az 1. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy a nagy előkeverős égők (B) és a kis előkeverős égők (C) sodrása megegyezik.

3. Az 1. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy az égéskamrának (A) a főégői a nagy előkeverős égők (8) és segédégői a kis előkeverős égők (C).

4. Az 1. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy a levegő befúvása a levegőiúvókákon (A) keresztül az égéskamra (A) égésterébe (22) van irányítva és tovább, az áramlás irányába, az előkeverö égők (B, C) homlokfala (10) felé történik.

5. Az 1. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy az előkeverős égők (B, C) legalább két olyan, az áramlás irányában növekvő kúphajlású, egymásra helyezett Üreges kúpszelet testrészből (1, 2)

-leállnak, amelyeknek a középtengelyei (1b, 2b) a kúpszelet testrészek (1, 2) hosszanti irányába egymáshoz képest eltolva haladnak olyképpen, hogy a belépési oldalon a kúpszelet testrészek (1, 2) által képzett üreges kúpalakú belső térben (14) legalább egy olyan üzemanyag fúvóka (3) van elhelyezve, amelynek az üzemanyag befúvása a kúpszelet testrészek (1, 2) egymáshoz képest eltolt középtengelyei (lb, 2b) között van olymódon, hogy a középtengelyek (lb, 2b) egymáshoz képesti eltolása a kúpszelet testrészek (1, 2) közötti érintőleges levegőbelépő rések (19, 20) nagyságának a mértékét jelenti.

6. Az 5. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy a tüzelőanyag fúvóka (3) folyékony tüzelőanyaggal működtethető.

7. Az 5. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve , hogy az érintőleges levegőbelépő réseknek (19, 20) a környezetében további tüzelőanyagbevezető fúvókák (17) vannak.

8. A 7. igénypont szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy a tüzelőanyagbevezető fúvókák (17) gáznemű tüzelőanyaggal üzemeltethetők.

9. Az 1.-8. igénypontok bármelyike szerinti égéskamra, azzal jellemezve, hogy az égéskamra (A) olyan gyűrűs égéskamra, amelynek a gyűrűalakú homlokfalába (10) torkollanak a nagy előkeverős égők (B), a kis előkeverős égők (C), valamint a levegőfúvókák (D).