кольцевая камера сгорания газовой турбины и способ ее эксплуатации

Формула изобретения

1. Кольцевая камера сгорания газовой турбины, содержащая группу горелок, расположенных в одной плоскости на передней стенке камеры по меньшей мере двумя кольцами и выполненных в пределах одного кольца с одинаковым направлением закрутки, противоположным направлению закрутки горелок соседнего кольца, отличающаяся тем, что горелки одного кольца расположены с поочередным смещением к центру и периферии, а вся группа образована пилотируемыми и пилотирующими горелками.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что пилотирующие горелки составляют 5/6 всей группы.

3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что каждая горелка выполнена по меньшей мере из двух расположенных друг на друге с образованием внутренней полости конусообразных тел со смещенными продольными осями для образования тангенциальных щелей ввода воздуха на сжигание, в которых установлены главные ступени впрыска газообразного топлива, а в упомянутой полости размещена по меньшей мере одна головная ступень впрыска жидкого топлива.

4. Способ эксплуатации кольцевой камеры сгорания газовой турбины с группой горелок на передней стенке камеры, заключающийся в том, что подачу топлива при запуске и увеличении нагрузки до заданной величины осуществляют через главные ступени вдоль тангенциальных щелей входа воздуха и головные ступени пилотирующих горелок, а подвод топлива при последующем увеличении нагрузки через пилотируемые горелки, отличающийся тем, что при 40-55% нагрузке головные ступени выводят из работы, а топливо продолжают подавать через главные ступени пилотирующих горелок, причем в интервале между 40-55% нагрузки расход топлива не меняют, а при увеличении нагрузки выше 65-80% вводят в действие пилотируемые горелки.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при работе с впрыском воды или пара в зону горения увеличивают расход топлива через головные ступени горелок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается кольцевой камеры сгорания газовой турбины и способа ее эксплуатации. Переход от обычных чашеобразных камер сгорания к кольцевым, приносящий с собой несомненные преимущества по крайней мере в отношении занимаемого места, поскольку они равномерно в виде кольца окружают среднюю часть ротора турбины, не являются при нынешнем состоянии техники в желательной мере оптимальным в отношении процедуры прохождения цикла. Не удается подобрать эффективную процедуру прохождения цикла для газообразного топлива, количество которого находилось бы в распоряжении в зависимости от конкретной рабочей точки, особенно когда ставится требование достигнуть минимального выброса вредных веществ. Иными словами, преимущества в отношении занимаемого места, которые бесспорно дает кольцевая камера сгорания, не должны в то же время приводить к увеличению выброса вредных веществ.

Из патента EP N 0378505 известна кольцевая камера сгорания газовой турбины, содержащая совокупность горелок, расположенных в одной плоскости, на передней стенке камеры сгорания, по меньшей мере, двумя кольцами, причем горелки в пределах одного кольца имеют одинаковое направление закрутки потока, противоположное направлению закрутки для горелок соседнего кольца.

Для достижения поставленной задачи горелки в пределах одного кольца поочередно смещены к центру и периферии, а вся совокупность состоит из пилотирующих и пилотируемых горелок.

Предпочтительным является также то, что пилотирующие горелки составляют 5/6 всей совокупности горелок.

Целесообразным является то, что каждая из горелок выполнена, по меньшей мере, из двух расположенных друг на друге с образованием внутренней полости полых конусообразных тел со смешенными продольными осями для образования тангенциальных щелей ввода воздуха для сжигания топлива, в которых расположены главные ступени для впрыска газообразного топлива, а во внутренней полости предусмотрена, по меньшей мере, одна головная ступень для впрыска жидкого топлива.

Из патента EP N 0401529 известен способ эксплуатации кольцевой камеры сгорания газовой турбины с совокупностью горелок, расположенных на передней стенке камеры, включающий подачу топлива при запуске и увеличении нагрузки до заданной величины через главные ступени, расположенные вдоль тангенциальных щелей входа воздуха, и через головные ступени пилотирующих горелок и подвод топлива при последующем увеличении нагрузки через пилотируемые горелки.

Для достижения поставленной в способе задачи при 40-55% нагрузки головные ступени выводят из работы, а топливо продолжают подавать через главные ступени пилотирующих горелок, причем в интервале между 40-55% и 65-80% нагрузки расход топлива не меняют, а при увеличении нагрузки свыше 65-80% вводят в действие пилотируемые горелки.

Предпочтительным в способе является также то, что в случае впрыска воды или пара в пламя увеличивают расход топлива через головную ступень горелки.

Существенно важным преимуществом изобретения следует считать то, что независимо о величины кольцевой камеры сгорания и количества установленных в ней горелок можно осуществлять оптимизированную процедуру прохождения цикла.

Другим существенно важным преимуществом изобретения следует считать то, что для увеличения мощности газовой турбины часто в пламя впрыскивают воду или пар. Это при применении горелок с чисто предварительным смешением часто приводит к гашению пламени или к вибрационным проблемам. При выбранной конструкции по мере роста расхода воды или пара в горелку через головочную ступень впрыскивается возрастающее количество топлива таким образом, что устраняется гашение пламени или появление вибрационных проблем.

Другое важное преимущество изобретения заключается в благоприятных общих свойствах горелок как при зажигании, так и во время эксплуатации. Сами горелки находятся в головке кольцевой камеры сгорания, образуя в принципе двойное кольцо на передней стенке. Каждый раз две горелки поочередно смещены наружу или к центру, чтобы получить благоприятное для сгорания поле потоков. В каждом кольце горелки имеют одинаковое направление закрутки потока, противоположное направлению закрутки в горелках другого кольца для того, чтобы достигнуть интенсивного поперечного потока вдоль стенок камеры сгорания и в центре. Что же касается самих горелок, то они разделяются на пилотирующие и пилотируемые, причем последних меньше чем первых. Положение пилотируемых горелок следует предпочтительно выбирать так, чтобы они хорошо окружались пилотирующим; это приводит к хорошему сгоранию смеси в том этапе эксплуатации, когда пилотируемые горелки не могут создать собственное пламя и вместо этого вдувают очень тощую смесь в горячие выходные газы пилотирующих горелок.

Сущность изобретения поясняется ниже чертежами, на которых показано: на фиг. 1 схематический частичный разрез по передней стенке кольцевой камеры сгорания; на фиг. 2 оснащенная горелками передняя стенка кольцевой камеры сгорания, причем схематическое изображение горелок соответствует варианту исполнения согласно фиг. 4-7; на фиг. 3 имитированное изображение линий потока на передней стенке; на фиг. 4 горелка в аксонометрической проекции; на фиг. 5-7 соответствующие разрезы по плоскостям (соответствует фиг. 5), VI-VI (соответствует фиг. 6), VII-VII (соответствует фиг. 7), причем на этих разрезах даны лишь схематизированные изображения горелки согласно фиг. 4.

На фиг. 1 показан частичный разрез по передней стенке 10 кольцевой камеры сгорания. Для лучшего понимания других подробностей конструкции кольцевой камеры сгорания следует обратиться к патенту EP-AI-0401529. Кольцевая камера сгорания содержит ряд горелок, число которых зависит от величины турбины и горелок. Головные ступени всех горелок, предпочтительная конструкция которых схематически представлена на фиг. 4, подключены к единому органу подвода топлива. Главные ступени сведены в 2 группы, в каждой из которых число горелок в принципе согласовывается с конкретной турбиной. Группы различаются между собой тем, что одна группа содержит пилотирующие горелки А1, А2, а вторая - пилотируемые горелки В1, В2. В принципе соблюдается правило, что число пилотирующих горелок А1, А2 заметно превышает число пилотируемых горелок В1, В2. Процедура включения рассматриваемой кольцевой камеры сгорания исходит из того, что компрессор газотурбинной установки оснащен регулируемыми входными направляющими аппаратами, благодаря чему можно уменьшить расход воздуха по сравнению с расходом при полной нагрузке по крайней мере на 15% При пуске и разгоне газовой турбины топливо распределяется на головные ступени пилотирующих горелок А1, А2, что иллюстрируется на фиг. 4-7. При этом положение входного направляющего аппарата может быть любым. Позднее, как только произойдет синхронизация с сетью, входной направляющий аппарат необходимо закрыть. Вплоть до нагрузки около 65-80% входной направляющий аппарат сначала остается закрытым. Затем его непрерывно открывают. По мере роста нагрузки топливо подводят в пилотирующие горелки А1, А2 во все увеличивающейся части главной ступени. При нагрузке около 40-55% головные ступени постепенно выводятся из работ, а пилотирующие горелки А1, А2 работают в режиме чисто предварительного смещения. Между 40-55% и 65-80% мощности турбины расход топлива в пилотирующих горелках А1, А2 остается в основном неизменным. Мощность повышают путем увеличения расхода топлива к главным ступеням пилотируемых горелок В1, В2. Как только расход топлива во всех горелках станет одинаковым, достигается та рабочая точка, начиная с которой все горелки кольцевой камеры сгорания работают в режиме предварительного смешения. Затем расход топлива и воздуха увеличивают в основном пропорционально для того, чтобы поддерживать оптимальное значение коэффициента воздуха. Как пилотирующие, так пилотируемые горелки образуют в принципе двойное кольцо 10а, 10с на передней стенке 10 кольцевой камеры сгорания, как это ясно из линии симметрии 10а. Каждые две горелки смещены поочередно наружу или к центру для того, чтобы получать благоприятное для сгорания поле потоков. В каждом кольце горелки имеют одинаковое направление закрутки потока, противоположное направлению закрутки в соседнем кольце, как для наглядности отмечено знаками "плюс" и "минус" в изображениях горелок. Благодаря такой конфигурации достигается интенсивный поток вдоль стенок камеры сгорания и в центре. При этом важное значение имеет положение пилотируемых горелок В1, В2; их надо по возможности хорошо окружить другими горелками, т.е. пилотирующими горелками А1, А2. Это приводит к хорошему сгоранию на том этапе эксплуатации, когда пилотируемые горелки В1, В2 не могут создавать своего собственного пламени, что имеет место на этапе эксплуатации от 40-55% до 65-80% нагрузки, и вместо этого только вдувается очень тощая смесь в горячие отходящие газы пилотирующих горелок А1, А2.

На фиг. 2 показана вся передняя стенка 10 кольцевой камеры сгорания, причем доля пилотируемых горелок В1, В2 составляет лишь 1/6 от общего числа. Соответственно доля пилотирующих горелок А1, А2 составляет 5/6. Такое распределение является предпочтительным вариантом. Разумеется, в зависимости от типа кольцевой камеры сгорания можно представить себе и другие распределения.

На фиг. 3 на передней стенке 10 показаны линии потока 10d, образующиеся согласно экспериментам во время эксплуатации. Конфигурация линий потока 10d оказывает большое влияние на общие свойства камеры сгорания, особенно во время зажигания; взаимная плотность линий потока 10d указывает на высокую скорость, которая особенно хорошо устанавливается в зоне линии симметрии (см. фиг. 1) и приводит в к тому, что зажигание пилотирующих горелок может переноситься на пилотируемые.

Для того, чтобы лучше понять конструкцию горелки, целесообразно воспользоваться одновременно с фиг. 4 отдельными отмеченными на нем разрезами, помещенными на фиг. 5-7. Кроме того, чтобы придать фиг. 4 наибольшую наглядность, на нем направляющие щитки 21а, 21б, изображенные схематически на фиг. 5-7, показаны лишь условно. В дальнейшем при описании фиг. 4 в случае надобности будет делаться ссылка на фиг. 5-7.

На фиг. 4 показана в аксонометрической проекции горелка, которая имеет встроенную зону предварительного смешения. Сама горелка состоит из двух полых полуконусов 1,2, расположенных рядом так, что их продольные оси симметрии радиально смещены одна относительно другой. Это взаимное смещение продольных осей симметрии 1б, 2б (см. фиг. 5-7) создает на обеих сторонах полуконусов 1,2 свободные тангенциальные входные щели 19, 20 с противоположным направлением втекания (см. фиг. 5-7), через которые во внутреннее пространство горелки, т.е. в образованное обоими полуконусами 1, 2 коническое полое пространство 14, втекает воздух для сжигания топлива. Коническая форма изображенных полуконусов 1,2 имеет в направлении потока определенный постоянный угол расхождения. Разумеется, полуконусы 1, 2 могут иметь в направлении потока прогрессивный или дегрессивный наклон конуса. Оба последние формы исполнения на чертеже не показаны, вследствие чего они без сомнений могут стать предметом последующих изобретения. Какая форма окажется в конце концов предпочтительной, зависит в основном от конкретных заданных параметров сгорания. Оба полуконуса тела 1, 2 имеют цилиндрическую начальную часть 1а, 2а, которая образует продолжение полуконусов 1, 2, что относится и к тангенциальной входной щели 19, 20, которая поэтому простирается по всей длине горелки. Разумеется, горелка может быть выполнена и чисто конической, т.е. без цилиндрической начальной части; кроме того, эта начальная часть может быть выполнена и не цилиндрической. В этой начальной части 1а, 2а, которая в данном случае является цилиндрической, размещается насадка 3, так называемая головная ступень, подвод топлива в которую осуществляется при помощи центрального сопла 4, через которое поступает жидкое топливо, предпочтительно нефть, и в основном соосной системы подачи газообразного топлива 13. Газообразное топливо 13 поступает через ряд сопл 13а, которые окружают в виде венца центральное сопло 4. Упомянутые сопла для поступления топлива могут представлять собой сопла с воздушной примесью или сопла для распыления под давлением. Таким образом, топливо поступает примерно на участке наиболее узкого поперечного сечения полого конического пространства 14, образованного двумя полуконусами 1, 2. Оба полуконуса 1, 2 имеют в зоне тангенциальной щели 19, 20 для ввода воздуха трубопроводы 8, 9 для топлива, снабженные сбоку рядом отверстий 17, через которые впрыскивается газообразное и (или) жидкое топливо 13, причем предпочтительнее применять газ; топливо смешивается с воздухом 15, втекающим в коническое полое пространство 14 через тангенциальные щели 19, 20, как показывают стрелки 16. Топливные трубопроводы 8, 9, образующие так называемую главную ступень горелки, целесообразно размещать в конце тангенциального ввода перед входом в полое коническое пространство 14, чтобы получить оптимальную топливо-воздушную топливную смесь прежде, чем она проникает в полое коническое пространство 14. Само собой разумеется, что применение смешанной струи возможно и с использованием обоих видов подвода топлива, т. е. как через центральную насадку 3, так и через топливные трубопроводы 8, 9. Со стороны камеры сгорания 22 выходное отверстие горелки переходит в переднюю стенку 10, в которой имеется ряд отверстий 11. Они служат для охлаждения торца горелки. Возможны и другие способы охлаждения. Протекающее через насадку 3 жидкое топливо 12 впрыскивается в коническое полое пространство 14 под острым углом таким образом, чтобы в выходной плоскости горелки создавалось возможно более однородная коническая зона распыления, что возможно только в том случае, если внутренние стенки полуконусов 1, 2 не орошаются впрыском из сопла 4. Для этого коническую струю 5, состоящую из жидкого топлива, окружают тангенциально вдуваемым воздухом 15 для сжигания топлива или другим не показанном на рисунке потоком воздуха, подводимым вдоль оси. В осевом направлении концентрация жидкого топлива 12 постепенно разбавляется подмешиваемыми потоками воздуха для сжигания. Если например, через топливные трубопроводы 8, 9 вводится газообразное топливо 13, то образование смеси с воздухом 15 происходит прямо в щели 19, 20 для ввода воздуха. При применении жидкого топлива сопло соответствующим образом смещают. Минимальное выделение вредных веществ может быть достигнуто тогда, когда перед входом в зону сгорания происходит полное испарение. То же происходит и при работе в режиме, близком к стохиометрическому, когда избыточный воздух заменяется рециркулирующим отходящим газом. При выборе формы полуконусов 1, 2 с точки зрения угла при вершине конуса и ширины тангенциальных входных щелей 19, 20 надо выдерживать узкие допустимые пределы для того, чтобы получилось желательное поле потоков воздуха с зоной 6 обратного потока на участке выхода из горелки. Вообще можно сказать, что уменьшение щелей 19, 20 сдвигает зону 6 обратного потока дальше по ходу потока, что приводит к более раннему зажиганию топливовоздушной смеси. Однако следует отметить, что однажды установленная зона 6 обратного потока сама по себе занимает стабильное положение, ибо степень закрутки потока возрастает в направлении потока на участке конической струи в горелке. На осевую скорость смеси можно к тому же повлиять путем упомянутого ранее осевого подвода потока воздуха для сжигания топлива. Конструкция горелки вполне пригодна для того, чтобы при заданной габаритной длине изменять величину тангенциальных щелей 19, 20 для подвода воздуха, сближая или раздвигая полуконусы 1, 2, в результате чего уменьшается или увеличивается расстояние между обеими центральными осями 1б, 2б и соответственно изменяется ширина щелей 19, 20, как видно из фиг. 5-7. Разумеется, полуконусы 1, 2 можно смещать и в другой плоскости, причем можно задать и их перекрытие. Можно даже смещать полуконусы 1, 2 спиралеобразно путем взаимного противоположного поворота или передвигать их продольном направлении один относительного другого. Тем самым имеется возможность простейшими средствами варьировать по желанию форму и величину тангенциальных щелей 19, 20 для ввода воздуха, благодаря чему можно индивидуально приспосабливать горелку без изменения ее габаритной длины в определенном рабочем диапазоне.

Из фиг. 5-7 вытекает геометрическая конфигурация направляющих щитков 21а, 21б. Они выполняют функцию ввода потока, удлиняя в соответствии с их длиной соответствующий конец полуконусов 1, 2 в направлении притекания воздуха 15 для сжигания топлива. Упорядоченное направление воздуха 15 в полое коническое пространство 14 можно оптимизировать путем открывания или закрывания направляющих щитков 21а, 21б вокруг оси поворота 23, расположенной на участке входа в полое коническое пространство 14; это может оказаться особенно целесообразным, когда требуется изменить первоначальную ширину тангенциальных щелей 19, 20 или ввода воздуха. Разумеется, горелка может работать и без направляющих щитков или для этого могут быть использованы иные вспомогательные средства. 2