Трубчатый инжектор с двойным соплом для газовой турбины, газотурбинная установка и способ питания газовой турбины - RU2672009C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к трубчатому инжектору с двойным соплом для впрыска нефтяного топлива в камеру сгорания газовой турбины, газотурбинной установке и способу питания газовой турбины.

Уровень техники

Как известно, газовые турбины, в особенности, если они используются в установках для производства электроэнергии, могут питаться различными типами топлива. В частности, известна работа газовых турбин с газообразными топливами различной природы и характеристик (природный газ, синтез-газ) или с нефтяными топливами, такими как дизельное топливо. По этой причине газовые турбины обеспечены узлами горелок, которые включают в себя инжекторы, обычно трубчатого типа, специально разработанные с возможностью подачи управляемого потока нефтяного топлива диффузии.

Трубчатые инжекторы обычно содержат множество коаксиальных трубчатых корпусов, на одном конце которых установлен концевой элемент, обеспеченный соплом. Трубчатые корпусы образуют между ними по меньшей мере одну линию подачи между впуском и соплом и возвратную линию, которая обеспечивает извлечение избыточного топлива, поданного к соплу. Возможно, также может быть предусмотрена подающая линия воды.

Использование возвратной линии позволяет правильно подавать нефтяное топливо к инжекторам в очень широких диапазонах потоков, как требуется при нормальной работе газовых турбин. На практике, линия подачи принимает поток нефтяного топлива при давлении намного выше, чем в камере сгорания, и впрыскиваемый поток накладывается путем регулирования регулирующего клапана возвратной линии. Когда регулирующий клапан полностью закрыт, скорость потока, впрыскиваемого в камеру сгорания, является максимальной. Наоборот, когда регулирующий клапан полностью открыт, имеется максимальное извлечение топлива посредством возвратной линии, и скорость потока, впрыскиваемого в камеру сгорания, является минимальной.

Этот тип решений, как указано, позволяет получать допустимые условия подачи, как в отношении давления, так и в отношении распыления топлива, в диапазоне ширины потока, достаточном для удовлетворения требования оборудования во всех условиях нагрузки. К тому же, расход нефтяного топлива диффузии растет по существу линейно при низких нагрузках, имеет высокое пиковое значение при промежуточных нагрузках, во время перехода к режиму подачи с предварительным смешиванием и далее уменьшается при высоких нагрузках, когда преобладает режим подачи с предварительным смешиванием. Разница в расходе между пиковым значением при промежуточных нагрузках и минимальными потоками является значительной и требует таких мер, как подача при высоком избыточном давлении и использование возвратной линии.

Однако с конструктивной точки зрения дополнительная линия является значительным усложнением, так как необходимо обеспечивать трубопровод на машине, распределительный коллектор и соединительный трубопровод.

Другие решения требуют сложных систем распыления посредством воздуха.

В любом случае, конструкция системы подачи энергии нефтяного топлива в известных установках является сложной, требует большого количества компонентов и оказывает негативное влияние на сроки и затраты, как при разработке, так и на конструкцию и обслуживание.

Раскрытие изобретения

В связи с этим задача настоящего изобретения заключается в обеспечении трубчатого инжектора для впрыска нефтяного топлива в камеру сгорания газовой турбины, газотурбинной установки и способа питания газовой турбины, которые позволяют исключать или по меньшей мере ограничивать вышеуказанные недостатки.

Согласно настоящему изобретению обеспечены трубчатый инжектор для впрыска нефтяного топлива в камеру сгорания газовой турбины, газотурбинная установка и способ питания камеры сгорания газовой турбины, которые определены в пунктах 1, 10 и 18 формулы изобретения соответственно.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые показывают его некоторые не ограничивающие примеры вариантов осуществления, на которых:

Фигура 1 показывает упрощенную блок-схему установки для производства электроэнергии;

Фигура 2 показывает вид сбоку в сечении по аксиальной продольной плоскости, с частями, удаленными для ясности, горелки газовой турбины, включающей трубчатый инжектор согласно варианту осуществления настоящего изобретения, включенной в установку на фиг.1;

Фигура 3 показывает увеличенный фрагмент трубчатого инжектора на фиг.1;

Фигура 4 показывает более подробную блок-схему части установки на фиг.1;

Фигура 5 показывает более подробную блок-схему части установки на фиг.1 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения; и

Фигура 6 показывает график, показывающий количественные показатели, относящиеся к установке на фиг.1.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 ссылочная позиция 1 указывает газотурбинную установку 1 в целом, в частности, установку для производства электроэнергии. Установка 1 является избирательно соединяемой с известной распределительной сетью 2 и включает в себя газотурбинный узел 3 и устройство 5 управления. Установка 1 дополнительно содержит генератор 4 переменного тока известного типа, который механически соединен с валом 7 газотурбинного узла 3 и таким образом приводится в действие.

Устройство 5 управления использует измеряемые количественные показатели установки (здесь подробно не показаны) и устанавливает опорные значения для создания управляющих сигналов, чтобы управлять работой установки 1.

Газотурбинный узел 3 содержит компрессор 8, камеру 9 сгорания и газовую турбину 10.

Компрессор 8 имеет многоступенчатый аксиальный тип и обеспечен ступенью входных регулируемых направляющих лопаток или ступенью 11 IGV (входных направляющих лопаток), приводимой в движение приводом 12 IGV и соответствующими управляющими сигналами (не показаны), обеспечиваемыми устройством 5 управления.

Камера 9 сгорания получает топливо от системы 15 подачи, которая управляется устройством 5 управления, как объяснено более подробно далее.

Камера 9 сгорания содержит множество горелочных узлов 20, один из которых показана на фиг.2, это означает, что другие имеют идентичную конструкцию.

Горелочный узел 20 продолжается вдоль главной оси А и содержит периферийную основную горелку 21, центральную запальную горелку 22 и трубчатый инжектор 23 для впрыска нефтяного топлива в камеру 9 сгорания.

Основная горелка 21 относится к типу с предварительным смешиванием, расположена вокруг запальной горелки 22 и обеспечена диагональным завихрителем 25, который содержит множество лопаток 26, образующих между ними соответствующие каналы для потока для перемещения с наклонным рисунком относительно главной оси А потока воздуха для горения и топливного газа по направлению к камере 9 сгорания. В одном варианте осуществления топливо подается через сопла 27, расположенные на лопатках 26.

Запальная горелка 22 расположена коаксиально к основной горелке 21 и обеспечена аксиальным завихрителем 30, который содержит множество лопаток 31, образующих между ними соответствующие каналы для потока для перемещения по существу вдоль главной оси А дополнительного потока воздуха для горения по направлению к камере 9 сгорания.

Трубчатый инжектор 23 продолжается вдоль главной оси А и имеет один конец, вставленный внутри запальной горелки 22.

Трубчатый инжектор 23 содержит трубчатый корпус 33, первый внутренний подающий трубопровод 35, второй внутренний подающий трубопровод 36 и концевой элемент 38, обеспеченный первым соплом 40 и вторым соплом 41 для первого внутреннего подающего трубопровода 35 и второго внутреннего подающего трубопровода 36 соответственно. Более того, трубчатый инжектор 23 обеспечен установочным фланцем 42.

Трубчатый корпус 33 продолжается от установочного фланца 42 вдоль главной оси А инжектора и вмещает в себя оба первый внутренний подающий трубопровод 35 и второй внутренний подающий трубопровод 36.

Первый внутренний подающий трубопровод 35 и второй внутренний подающий трубопровод 36, в свою очередь, продолжаются вдоль главной оси А, вокруг которой они закручены. В одном варианте осуществления, в частности, первый внутренний подающий трубопровод 35 и второй внутренний подающий трубопровод 36 продолжаются вдоль соответствующих спиральных траекторий, имеющих главную ось А в качестве оси спирали, и имеют одинаковую длину и одинаковое поперечное сечение потока.

Подающий конец 35a первого внутреннего подающего трубопровода 35 соединен с первым подающим впуском 44, образованным в установочном фланце 42, тогда как впрыскивающий конец 35b соединен с первым соплом 40.

Подобным образом, подающий конец 36a второго внутреннего подающего трубопровода 36 соединен со вторым подающим впуском 45, образованным в установочном фланце 42, тогда как впрыскивающий конец 36b соединен со вторым соплом 41. Второй подающий впуск 45 доступен снаружи независимо от первого подающего впуска 44. Таким образом, два внутренних трубопровода 35, 36 подачи и соответствующие сопла 40, 41 могут питаться независимо, так как отсутствуют взаимные соединения по текучей среде внутри трубчатого инжектора 23.

Как показано более подробно на фиг.3, концевой элемент 38, в котором образованы первое сопло 40 и второе сопло 41, установлен на впрыскивающих концах 35b, 36b первого внутреннего подающего трубопровода 35 и второго внутреннего подающего трубопровода 36 и прикреплен к одному концу концевого корпуса посредством крепежной втулки 47. Крепление получается посредством резьбового соединения или горячей посадки на стороне трубчатого корпуса 33 и посредством противоположных периферийных выступов 48, 49 на стороне концевого элемента 38. Направляющая втулка 50, вставленная с натягом внутри трубчатого корпуса 33 и приваренная к нему, расположена в соответствующих местах и удерживает на месте впрыскивающие концы 35b, 36b первого внутреннего подающего трубопровода 35 и второго внутреннего подающего трубопровода 36. Более того, направляющая втулка 50 действует в качестве разделительного элемента между концом трубчатого корпуса 33 и концевым элементом 38. Последний удерживается в упоре в направляющую втулку 50 крепежной втулкой 47.

Впрыскивающие концы 35b, 36b первого внутреннего подающего трубопровода 35 и второго внутреннего подающего трубопровода 36 сообщаются с первым соплом 40 и вторым соплом 41 соответственно через первый выпускной канал 51 и второй выпускной канал 52, по существу прямые, продолжающиеся параллельно внутри концевого элемента 38 и расположенные симметрично относительно главной оси А.

Первое сопло 40 и второе сопло 41 являются идентичными и расположены симметрично относительно главной оси А, и, более того, они имеют соответствующие оси B₁, B₂ впрыска, параллельные главной оси А.

Первый завихритель 51a и второй завихритель 52a расположены внутри первого выпускного канала 51 и второго выпускного канала 52 соответственно. Первый завихритель 51a и второй завихритель 52a выполнены так, чтобы создавать сильную турбулентность и вращать транзитные потоки вокруг осей B₁, B₂ впрыска сопел 40, 41.

Фигура 4 схематично показывает систему 15 подачи, некоторые из горелочных узлов 20 и устройство 5 управления. Более того, показана линия 53 подачи воды с соответствующим насосом 54 подачи, используемым в определенных рабочих условиях для промывки или охлаждения.

Система 15 подачи содержит линию 55 подачи предварительного смешивания и линию 56 подачи диффузии, обе соединенные с узлом 57 топливного насоса для получения соответствующих расходов нефтяного топлива.

Линия 55 подачи предварительного смешивания дополнительно соединена с участком предварительного смешивания горелочного узла 20, т.е. с основной горелкой 21 и запальной горелкой 22 через коллектор 58 предварительного смешивания и фитинги 59 предварительного смешивания. Запорный клапан 60 и регулирующий клапан 61 предварительного смешивания обеспечивают регулирование расхода Q_FP топлива для основной горелки 21 и запальной горелки 22. Запорный клапан 60 и регулирующий клапан 61 предварительного смешивания обеспечены соответствующими приводами 60a, 61a, которые управляются устройством 5 управления посредством сигнала S_SP остановки предварительного смешивания и управляющего сигнала S_RP предварительного смешивания соответственно. Для простоты, линия 55 подачи предварительного смешивания показана здесь в виде одной линии. Однако понятно, что независимые линии управления и/или элементы могут быть обеспечены для основной горелки 21 и запальной горелки 22. В другом варианте осуществления, здесь не показанном, участок предварительного смешивания горелочного узла 20 получает топливный газ вместо нефтяного топлива и, таким образом, питается отдельными и независимыми линиями относительно линии 56 подачи диффузии.

Линия 56 подачи диффузии имеет первую ветвь 56a, которая питает первое сопло 40 через первый коллектор 63 диффузии, соответствующие первые фитинги 64 диффузии и соответствующие первые внутренние трубопроводы 35 подачи, и вторую ветвь 56b, которая питает второе сопло 41 через второго коллектор 65 диффузии, соответствующие вторые фитинги 66 диффузии и соответствующие вторые внутренние трубопроводы 36 подачи.

Запорный клапан 68, первый регулирующий клапан 69 диффузии и второй регулирующий клапан 70 диффузии, управляемые устройством 5 управления, как описано далее, обеспечивают регулирование первого расхода нефтяного топлива Q_FD1 для первого сопла 40 и второго расхода нефтяного топлива Q_FD2 для второго сопла 41 каждого трубчатого инжектора 23 в зависимости от рабочих условий. Регулирование первого расхода нефтяного топлива Q_FD1 для первого сопла 40 является независимым от регулирования второго расхода нефтяного топлива Q_FD2.

Запорный клапан 68 и первый регулирующий клапан 69 диффузии расположены в линии 56 подачи диффузии перед разветвлением между первой ветвью 56a и второй ветвью 56b, тогда как второй регулирующий клапан 70 диффузии расположен во второй ветви 56b.

В другом варианте осуществления, показанном на фиг.5, первый регулирующий клапан 69 диффузии расположен в первой ветви 56a, а второй регулирующий клапан 70 диффузии расположен во второй ветви 56b.

Запорный клапан 68, первый регулирующий клапан 69 диффузии и второй регулирующий клапан 70 диффузии обеспечены соответствующими приводами 68a, 69a, 70a, которые управляются устройством 5 управления посредством сигнала S_SD остановки диффузии, первого управляющего сигнала S_RD1 диффузии и второго управляющего сигнала S_RD2 диффузии соответственно.

В частности, устройство 5 управления выполнено с возможностью непрерывного питания первого сопла 40 трубчатых инжекторов 23 в течение всего рабочего периода газовой турбины 10 и с возможностью питания второго сопла 41 избирательно в условии промежуточной нагрузки между условием низкой нагрузки, например, при запуске или при операции предварительного смешивания, и условием высокой нагрузки, в котором газовая турбина 10 по существу обеспечивает номинальную мощность. Условие промежуточной нагрузки соответствует, например, диапазону нагрузки между 30% и 55% от максимальной нагрузки, которая может быть обеспечена газовой турбиной 10.

Графики на фиг.6 показывают расходы топлива, подаваемого к трубчатым инжекторам 23 в соответствии с нагрузкой.

Верхний участок на фиг.6 показывает полный расход топлива Q_FD1+Q_FD2; нижний участок отдельно показывает первый расход нефтяного топлива Q_FD1, подаваемого к первым соплам 40, и второй расход нефтяного топлива Q_FD2, подаваемого ко вторым соплам 41. Как может быть видно, устройство 5 управления останавливает подачу нефтяного топлива ко вторым соплам 41 в условиях низкой нагрузки и в условиях высокой нагрузки, когда система находится в условиях операции предварительного смешивания.

Таким образом, условия впрыска являются всегда оптимальными и для первых сопел 40 и для вторых сопел 41, когда они используются, и требуемые расходы могут быть правильно распылены даже при отсутствии возвратной линии или распыления воздухом. Трубчатые инжекторы 23 всегда работают эффективным образом, при этом обеспечивая получение общего диапазона потоков, достаточно широкого, чтобы соответствовать всем условиям нагрузки. Установка упрощена, благодаря конструкции трубчатых инжекторов 23, так как отсутствует необходимость обеспечивать специальные коллектор и фитинги.

Со ссылкой на фиг.4, в одном варианте осуществления линия 53 подачи воды соединена со второй ветвью 56a линии 56 подачи диффузии, например, со вторым коллектором 65 диффузии. Запорный клапан 71 и регулирующий клапан 72 воды, расположенные в линии подачи воды и обеспеченные соответствующими приводами 71a, 72a, используются для подачи потока воды ко вторым соплам 41 горелок. Приводы 71a, 72a управляются устройством 5 управления посредством сигнала S_SW остановки воды и управляющего сигнала S_RW воды. В частности, поток воды подается, когда подача нефтяного топлива ко вторым соплам 41 отключена, т.е. в условии низкой нагрузки или в условии высокой нагрузки.

Наконец, понятно, что модификации и изменения могут быть выполнены для описанного трубчатого инжектора, установки и способа без отклонения от объема охраны настоящего изобретения, как определено в приложенной формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к трубчатому инжектору с двойным соплом для впрыска нефтяного топлива в камеру сгорания газовой турбины, газотурбинной установке и способу питания газовой турбины. Трубчатый инжектор для впрыска нефтяного топлива в камеру сгорания газовой турбины включает в себя: трубчатый корпус, продолжающийся вдоль главной оси; первый внутренний подающий трубопровод, расположенный в корпусе и соединенный на соответствующем подающем конце с первым подающим впуском; первое сопло (40) на соответствующем впрыскивающем конце первого внутреннего подающего трубопровода; второй внутренний подающий трубопровод, расположенный в корпусе и соединенный на соответствующем подающем конце со вторым подающим впуском, доступным снаружи независимо от первого подающего впуска; и второе сопло (41) на соответствующем впрыскивающем конце второго внутреннего подающего трубопровода. Изобретение позволяет упростить конструкцию, а также при этом обеспечивает получение общего диапазона потоков, достаточно широкого, чтобы соответствовать всем условиям нагрузки. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула