Камера сгорания газовой турбины - RU2002165C1

Код документа: RU2002165C1

Чертежи

Описание

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 образом, что эта точка соответствует условию сброса нагрузки газовой турбины. Последующее нарастание мощности осуществляется через главные горелки. При пиковой нагрузке на установку обеспечивается полное управление 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 в диапазоне 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, t 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 двух- конусная 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

0 сгорания. Между отдельными горелками В, С предусмотрено определенное количество воздушных дюз D, которые в радиальном направлении занимают приблизительно половину фронтальной стенки 1. Если главные

5 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 пояс0 нения этого следует указать с целью сравнения на бесконечный ленточный транспортер, который приводится в движение вращающимися в одном направлении роликами. Роль роликов в данном случае

5 играют горелки, работающие в одном направлении . Вокруг горелок при этом возникает центр завихрения. Вокруг вспомогательных горелок С центры завихрений являются малыми, горячими и не0 устойчивыми. Последние возникают между большими более холодными, обусловленными главными горелками В вихревыми центрами . Между малыми горячими и большими более холодными вихревыми центрами

5 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, обеспечивает0 ся 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 изо5 браженной 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

0 без необходимых в ином случае зон предварительного смешивания. Эти горелки должны быть выполнены независимо от их специфической концепции так, чтобы можно было не опасаться обратного поджигз5 ния в зоне предварительного смешивания через фронтальную стенку 1. Горелка с предварительным смешиванием, которая удовлетворяет этим условиям, изображена на фиг. 6-9, причем конструкция обоих типов горелок (главная горелка В и вспомогательная 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 выби- рается таким, что приблизительно 23% воздуха для горения проходят через вспомогательные горелки С и около 77% - через главные горелки В.

На фиг, 4 и 5 схематически показаны 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 В и С.

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, которые 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 этой цилиндрической на- чальной части расположена дюза 2, выходное 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. Поло- жение 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 дюзу 2 жидкое топливо 21 впрыскивается в коническое полое пространство 11 под острым углом так,

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-Л1 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 удара пламени внутрь горелки, как это происходит при 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 топлива 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 нафетого зоздуха 10 для горения, величины эмиссии окиси азота и окиси углерода являются весьма малыми , если избыток воздуха составляет по меньшей мере 60%, в результате чего в данном случае в распоряжении находится следующая мера для минимизации эмиссий МОх. В случае полного испарения перед входом R зону сжигания величины эмиссии вредных веществ являются наименьшими. То же справедливо и для ближнего стехиометрического 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 впадз- ния 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 го релки. 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 разъемного соединения с запирающей пластиной. За счет радиального смещения тел 4, S 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 изобретения

1. 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 последней 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 осуществляться управление их наложением. Возможно даже спиральное смещение тел с частичным конусом относительно друг друга посредством встречного вращательного движения. Таким образом обеспечивается

0 возможность любого изменения формы и размера касательных шлицев 8, 9 для входа воздуха, в результате чего обеспечивается индивидуальное согласование горелки без изменения ее конструктивной длины.

На фиг. 7-9 изображено положение направляющих кожухов 25 и 26. Они выполняют функции ввода потока( причем они в соответствии с их длиной удлиняют тот или

0 иной конец тел 4 и 5 с частичным конусом в направлении набегания потока воздуха 10 для горения. Канализация воздуха для горения в полое коническое пространство 11 может оптимизироваться посредством от5 крывания или закрывания направляющих кожухов 25, 26 вокруг точки 27 вращения. Это необходимо, в частности, в том случае, если изменяется первоначальный размер зазора касательных шлицев для входа воз0 духа. Горелка может эксплуатироваться и без направляющих кожухов.

(56) Патент США № 3512359, кл. 60-39.74. опублик. 1970.

работы, сопла воздушных форсунок смещены относительно фронтовой стенки в сторону выхода камеры сгорания, а каждые две горелки, смежные с воздушной

0 форсункой, имеют разную пропускную способность, причем горелки с большей пропускной способностью являются основными , а горелки с меньшей пропускной способностью - вспомогательными.

5 2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что горелки снабжены дополнительными топливными форсунками, размещенными в зоне тангенциальных щелей .

3. Камера сгорания-по п.1,-отличающаяся тем, что горелка снабжена по крайней мере одним лолым телом, выполненным с возрастающим в направлении потока на- 5 клоном конуса, установленным внутри изогнутого по конусной поверхности элемента, причем центральные оси последнего и полого тела расположены в продольном направлении со смещением одна относительно другой, равным размеру касательных шлицев для входа воздуха и образованием полого конуса, а выходное отверстие центральной основной форсунки

расположено между центральными осями изогнутого по конусной поверхности элемента и полого тела.