RU1835031C

RU1835031C - Камера сгорани газовой турбины

Info

Publication number: RU1835031C
Application number: SU904743324A
Authority: RU
Inventors: Келлер Якоб; Заттельмайер Томас
Original assignee: Асеа Браун Бовери АГ
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1993-08-15
Also published as: EP0387532B1; US5081844A; JPH02275221A; CH678757A5; CA2011545A1; JP3077763B2; ATE114803T1; EP0387532A1; DE59007789D1

Abstract

Использование: в газотурбинных установках . Сущность изобретени : камера сгорани содержит установленные в р д во фронтовой стенке жароаой трубы горелки (Г), одинаковые по направлению закрутки воздуха, причем каждые две смежные Г имеют разную пропускную способность, причем горелки с большей пропускной способностью вл ютс основными, а горелки с меньшей пропускной способностью - контрольными. 7 ил.

Description

Изобретение относитс к камерам сгорани .

Цель изобретени - минимизаци эмиссий NOx у камеры сгорани названного выше типа.

С этой целью между двум большими горелками с предварительным смешиванием предусмотрена мала горелка с предварительным смешиванием, причем оба типа горелок вырабатывают завихрение, которое задает то же направление вращени потока.

Большие горелки с предварительным смешиванием, которые в последующем называютс основными горелками, наход тс по отношению к малым горелкам с предварительным смешиванием, которые в последующем называютс контрольными горелками, применительно к протекающему через них воздуху дл горени в таком соотношении по размерам, которое определ етс в зависимости от конкретного случа . В общем диапазоне нагрузки камер сгорани контрольные горелки работают как самосто тельные горелки с предварительным смешиванием , причем коэффициент воздуха остаетс почти неизменным. Поскольку отныне контрольные горелки могут эксплуатироватьс в общем диапазоне нагрузки при идеальной смеси (горелки с предварительным смешиванием), эмисси по NOx вл етс весьма незначительной также и при работе в режиме частичной нагрузки. Предпочтительное исполнение изобретени достигаетс в том случае, если основные горелки и контрольные горелки состо т из имеющих различный размер, так называемых двухконусных горелок и если последние встроены в кольцевую камеру сгорани . Поскольку при такой конструкции вращающиес линии потока в кольцевой камере сгорани проход т весьма близко к вихревым центрам контрольных горелок, поджигание возможно только с помощью этих контрольных горелок. При разгоне количество топлива , которое подводитс через контрольные горелки, увеличиваетс до такой величины, пока не будет достигнуто управление контрольными горелками, то есть пока в распосл

с

со

Сл) СЛ

о

GJ

Сл)

р жении не окажетс полное количество топлива. Конфигураци выбираетс таким образом, что эта точка соответствует условию сброса нагрузки газовой турбины. Последующее повышение мощности обеспечиваетс затем с помощью основных горелок. При пиковой нагрузке на установку осуществл етс также полное управление основными горелками. Поскольку конфигураци малых горючих вихревых центров (контрольные горелки) между большими, менее гор чими вихревыми центрами (основные горелки) вл етс чрезвычайно неустойчивой , также и при работающих в более бедном режиме основных горелках в диапазоне частичной нагрузки достигаетс весьма хорошее выгорание с низкой по величине эмиссией CO/UHC, то есть гор чие вихревые потоки контрольных горелок незамедлительно проникают в холодные вихревые потоки основных горелок.

Предпочтительные и целесообразные примеры выполнени соответствующего изобретению решени задачи описаны в последующих зависимых пунктах формулы изобретени .

На фиг. 1а показано схематическое сечение через кольцевую камеру сгорани в плоскости одной основной горелки; на фиг. 1в - следующее схематическое сечение через кольцевую камеру сгорани в плоскости одной контрольной горелки; на фиг. 2 - двухконусна горелка в перспективном отображении с соответствующими сечени ми; на фиг. 3,4,5- соответствующие сечени через плоскости Ill-Ill (фиг. 3), (фиг. 4) и Y-Y (фиг. 5), причем эти сечени представл ют собой лишь схематическое, упрощенное изображение двухконусной горелки согласно фиг. 2; на фиг 6 - фронтальна стенка со схематически изображенными двухконусными горелками; на фиг. 7 - прохождение линий потока с проекцией на фронтальную стенку.

Фиг. 1а и 1в показывают схематическое сечение через кольцевую камеру А сгорани , в плоскости одной контрольной гореЛки С или основной горелки В. Изображенна в данном случае кольцева камера А сгорани проходит конически в направлении входа D в турбину, как.это следует из изображенной центральной оси Е кольцевой камеры А сгорани . Каждой горелке В, С придано индивидуальное сопло 3. Уже из этого схематического представлени видно, .что горелки В. С вл ютс одновременно горелками с предварительным смешиванием, то есть обход тс без обычных в ином случае зон предварительного смешивани . Конечно , эти горелки В, С с предварительным

смешиванием должны быть выполнены независимо от их специфической концепции таким образом, что можно не опасатьс обратного воспламенени в зоне предварительного смешивани через те или иные фронтальные панели 10. Горелка с предварительным смешиванием, котора удовлетвор ет этим требовани м, изображена на фиг. 2-5 и по сн етс ниже более подробно,

причем конструкции обоих типов горелок (основна горелка В/контрольна горелка С) могут быть одинаковыми и различным может быть только их размер. У кольцевой камеры А сгорани среднего размера соот5 ношение по размеру между основной горелкой В и контрольной горелкой С выбираетс таким образом, что приблизительно 23% воздуха дл горени проходит через контрольную горелку С и около 77% - через

0 основную горелку В.

Горелка В/С в соответствии с фиг. 2, котора по своей конструкции может представл ть собой как контрольную горелку С, так и основную горелку В, состоит из двух

5 половинчатых полых частичных конических тел 1, 2, которые размещены друг на друге со смещением. Смещение той или иной средней оси 1в, 2В частичных конических тел 1, 2 относительно друг друга создает на

0 обеих сторонах с зеркальным расположением свободный касательный шлиц 19, 20 дл входа воздуха (фиг. 3-5), через который воздух 15 дл горени входит во внутреннее пространство горелки, то есть в полное ко5 ническое пространство 14. Оба частичных конических тела 1, 2 содержат каждое по одной цилиндрической начальной части 1а, 2а, которые проход т в аналогии к частичным коническим телам 1, 2 смещенными

0 относительно друг друга, в результате чего касательные шлицы 19,20 дл входа воздуха присутствуют с самого начала, В этой цилиндрической начальной части 1а, 2а распо- .ложено сопло 3, ввод 4 топлива которого

5 совпадает с наименьшим поперечным сечением конического полого пространства 14, образованного двум частичными коническими телами 1, 2. Размер этого сопла 3 определ етс типом горелки, то есть зави0 сит от того, идет ли речь о контрольной горелке С или основной горелке В. Само собой разумеетс , горелка может быть выполнена чисто конической, то есть без цилиндрических начальных частей 1а, 2а. Оба частичных

5 конических тела 1, 2 содержат по одной линии 8, 9 дл подвода топлива, которые оснащены отверсти ми 17, через которые газообразное топливо 13 подмачиваетс к воздуху 15 дл горени , который проходит через касательные шлицы 19, 20 дл входа

воздуха. Положение этих линий 8, 9 дл подачи топлива выбрано на конце касательных шлицев 19, 20 дл входа воздуха, в результате чего там осуществл етс также подмешивание 16 этого топлива 13 ко вход щему воздуху 15 дл горени . На стороне камеры сгорани 22 горелка В/С содержит пластину , котора образует фронтальную стенку 10. Протекающее через сопло 3 жидкое топливо 12 вводитс под острым углом в коническое полое пространство 14 таким образом, что в плоскости выхода горелки образуетс максимально однородный, имеющий форму конуса аэрозоль из топлива. При впрыске 4 топлива речь может идти о поддерживаемом воздухом сопле или о напорной форсунке. Само собой разумеетс , при определенных режимах работы камеры сгорани речь может идти также о дуальной горелке с подводом газообразного или жидкого топлива, как это описано, например в Европейской за вке ЕР-А1 № 210462. Конический профиль 5 жидкого топлива из сопла 3 окружен касательно вход щим, вращающимс потоком 15 воздуха дл горени . В осевом направлении концентраци жидкого топлива 12 уменьшаетс под воздействием подмешанного воздуха 15 дл горени , В случае сжигани газообразного топлива 13/16 формирование смеси с воздухом 15 дл горени осуществл етс непосредственно о конце шлицев 19, 20 дл входа воздуха . При вводе жидкого топлива 12 в области зоны 6 обратного потока достигаетс оптимальна , однородна концентраци топлива на прот жении всего поперечного сечени . Поджигание осуществл етс в области остри зоны б обратного потока. Только .на этом участке может возникать устойчивый фронт 7 пламени. В этом случае можно не опасатьс обратного удара пламени во внутрь горелки, как это имеет место при использовании известных участков предварительного смешивани , в результате чего приходитс использовать сложные вспомогательные средства дл удерживани пламени. Если воздух 15 дл горени вл етс нагретым, то о этом случае происходит естественное испарение жидкого топлива 12, прежде чем будет достигнута точка на выходе горелки, в которой может быть произведено поджигание смеси. Степень испарени зависит, само собой разумеетс , от размера горелки, распределени капель по размеру при жидком топливе и от температуры воздуха 15 дл горени . Однако независимо от того, достигнуто ли с помощью подогретого воздуха 15 дл горени нар ду с однородной капельной смесью посредством воздуха 15 дл горени с менее

высокой температурой лишь частичное или полное испарение капель, эмисси окиси азота и окиси углерода имеет меньшую величину , если избыток воздуха составл ет по 5 меньшей мере 60%, в результате чего в распор жении находитс дополнительна мера дл минимизации эмиссии окиси азота (МОх), В случае полного испарени .перед входом в зону сжигани достигаетс мини10 мальна эмисси токсичных веществ. То же справедливо и дл близкого к стехиометри- ческому режима, если избыточный воздух замен етс рециркулирующим отход щим газом. При исполнении частичных кониче5 ских Гел 1,2s отношении конусности и ширины касательных шлицев 19, 20 дл входа воздуха должны соблюдатьс узкие границы с тем, чтобы желаемое поле потока воздуха вместе с ее зоной 6 обратного потока

0 достигалось в области усть горелки с целью стабилизации пламени. Уменьшение шлицев 19, 20 дл входа воздуха смещает зону 6 обратного потока далее вверх, в результате чего, конечно, происходило бы более ран5 нее поджигание смеси, В данном случае все же необходимо констатировать, что однажды геометрически зафиксированна зона 6 обратного потока вл етс по себе стабильной в отношении позиции, так как количество

0 завихрений увеличиваетс в направлении потока в области конической формы горелки . Конструкци горелки отлично пригодна дл изменени размера касательных шлицев 19, 20р дл входа воздуха при заданной

5 конструктивной длине горелки, в то врем как частичные конические тела 1,2 вл ютс зафиксированными в результате разъемного соединени с запирающей пластиной 10. За счет радиального смещени обоих тел 1,

0 2 в направлении друг к другу или друг от друга происходит уменьшение или увеличение рассто ни между обеими средними ос мЧч 1в, 2в и соответствующим образом измен етс также размер зазора касатель5 ных шлицев 19,20 дл вход.э воздуха, как это особенно нагл дно видно из фиг. 3-5. Само собой разумеетс , частичные конические тела 1, 2 могут смещатьс в направлении друг к другу также в другой плоскости, в резуль0 тате чего можно осуществл ть даже управление их наложением. Возможно даже смещение тел 1, 2 за счет встречного вращательного движени друг к другу по типу спирали . Таким образом, обеспечиваетс

5 возможность варьировани любым образом формы и размера касательных шлицев 19, 20 дл входа воздуха, в результате чего может производитьс индивидуальное согласование горелки без изменени ее конструктивной длины.

Из фиг. 3-5 вытекает также положение направл ющих кожухов 21 а, 21 в. Они выполн ют функцию ввода потока, причем они в соответствии со своей длиной удлин ют тот или иной конец частичных конических тел 1 и 2 в направлении набегани потока воздуха 15 дл горени , «анализирование воздуха дл горени в коническом полом пространстве 14 может оптимизироватьс путем открывани или запирани направл ющих кожухов 21 а, 21 в вокруг центра 23 вращени . Это необходимо, в частности, в том случае, если измен етс первоначальный размер щели касательных- шлицев 19, 20 дл ЁХОДЭ воздуха. Само собой разумеетс , горелка может работать также без направл ющих кожухов.

Фиг. 6 показывает фрагмент сектора фронтальной стенки 10. Из него следует расположение отдельных основных В и контрольных С горелок. Последние равномерно и чередующимс образом распределены по периметру кольцевой камеры А сгорани . Показанное различие в размерах между основными горелками В и контрольными горелками С имеет лишь качественную природу.

Эффективный размер отдельных горелок , а также их распределение и количество на периметре фронтальной сети 10 кольцевой камеры А сгорани определ етс , как уже отмечалось выше, мощностью и размером самой камеры сгорани . Основные горелки В и контрольные горелки С, которые расположены чередующимс образом, вход т на одной и той же высоте в единую, имеющую форму кольца фронтальную стенку 10, котора образует поверхность входа кольцевой камеры сгорани .

Фиг. 7 показывает тот же фрагмент, что и фиг. 6, однако в данном случае изображены отдельные вихревые центры, обусловленные той или иной горелкой. Малые, имеющие высокую температуру вихревые центры С1, которые обусловлены контрольными горелками С и которые действуют между большими, имеющими меньшую температуру , вихревыми центрами В1, которые

обусловлены основными горелками В, вл ютс чрезвычайно неустойчивыми, в результате чего они имеют тенденцию к проникновению в более холодные вихревые

центры В сразу же после ввода в эксплуатацию . В результате этого - даже если основные горелки В работают в бедном режиме, как это имеет место при работе в режиме частичной нагрузки - обеспечиваетс весьма хорошее выгорание с низкой величиной эмиссии CO/UHC.

Так как основные горелки В и контрольные горелки С вырабатывают движущиес в одном направлении завихрени , выше и ниже них возникает вращающийс , охватывающий горелки В и С поток, как это показывают линии F1 и F потока. С целью по снени этого состо ни следует указать в качестве сравнени на бесконечный ленточный транспортер, который приводитс в движение движущимис в одном направлении роликами. В данном случае роль роликов выполн ют одинаково направленные горелки.

Claims

Формула из обретени

Камера сгорани газовой турбины, содержаща жаровую трубу и установленные в р д в ее фронтовой стенке одинаковые по направлению закрутки воздуха горелки с

центральными топливными форсунками, причем кажда из горелок выполнена в виде по меньшей мере двух изогнутых по конусной поверхности элементов, установленных симметрично относительно оси сопла форсунки с образованием на выходе последней камеры смешени , имеющей форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону выхода камеры сгорани , и продольные тангенциальные щели дл юдвода воздуха, отличающа с тем, что, с целью повышени полноты сгорани топлива и снижени токсичности продуктов сго- рани в широком диапазоне режимов работы, каждые две смежные горелки имеют

разную пропускную способность, причем горелки с большей пропускной способностью вл ютс основными, а горелки с меньшей пропускной способностью - контрольными.

в

1835031

III

в/с

13 19 2а и

III 9 15 2 16

Фиг. 1й

-10

Фив. i5

Фиг. I

15

1 1b 2Ы9

фиг.Ь

19

Фиг.5

в x zz////////

х

в