Патент на изобретение №2300054

(54) УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ КОМБИНАЦИЯ КАМЕРЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ И КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С МАЛЫМ УРОВНЕМ ВЫБРОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ НА ЖИДКОМ И/ИЛИ ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ

(57) Реферат:

Усовершенствованная комбинация камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, в которой камера сгорания имеет конец в форме усеченного конуса, вблизи которого горит основное центральное пламя, и окружена полостью для охлаждающего воздуха, циркулирующего в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания. Полость проводит воздух горения в камеру предварительного смешивания, в которой воздух горения смешивается с жидким и/или газообразным топливом. Камера предварительного смешивания имеет на ее входе прорези или окна, которые могут суживаться в соответствии с количеством используемого топлива. Камера предварительного смешивания также имеет на ее выходе кольцевую группу горелок, направленных в камеру сгорания для создания соответствующей группы дополнительных факелов, расположенных концентрически относительно основного центрального пламени. В камере предварительного смешивания расположены средства подачи газообразного топлива и устройства для впрыскивания жидкого топлива, и на конце в форме усеченного конуса камеры сгорания расположена группа форсунок для жидкого топлива. Эти форсунки направлены внутрь камеры сгорания. Изобретение обеспечивает устойчивость пламени и уменьшает колебания в камере сгорания и обеспечивает эффективность сгорания. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе.

Как известно, газовая турбина является устройством, состоящим из компрессора и турбины с одной или более ступеней, в котором эти компоненты соединены вращающимся валом, и в котором между компрессором и турбиной расположена камера сгорания.

Воздух из окружающей среды подается в компрессор, где его давление повышается.

Сжатый воздух проходит по каналу, заканчивающемуся суживающейся частью, в которую группа форсунок подает топливо, которое смешивается с воздухом для формирования топливовоздушной смеси для сгорания.

Топливо, требуемое для процесса сгорания, который предназначен для повышения температуры и теплосодержания газа, подается из контура под давлением и впрыскивается в камеру сгорания при помощи одной или более форсунок.

Для улучшения характеристик устойчивости пламени обычно также применяется параллельная система подачи топлива для генерирования пусковых факелов вблизи выхода смесительного канала.

Наконец, газ при высокой температуре и под высоким давлением проходит по пригодным каналам к разным ступеням турбины, которая преобразует теплосодержание газа в механическую энергию, поставляемую пользователю.

Хорошо известно, что основными соображениями, принимаемыми во внимание при конструировании камер сгорания для газовых турбин, являются устойчивость пламени и контроль избыточного воздуха с целью создания идеальных условий для процесса сгорания и сведения к минимальному уровня выброса загрязняющих окружающую среду веществ.

Вторым фактором, который влияет на конструкцию камер сгорания газовых турбин, является тенденция обеспечения сгорания как можно ближе к куполу камеры сгорания.

Более конкретно, известный уровень техники предусматривает использование комбинации предварительного смешивания, другими словами, такой, в которой используется камера предварительного смешивания, расположенная перед (по ходу потока) камерой сгорания и отделенная от последней сужением.

Камера предварительного смешивания и камера сгорания окружены полостью, содержащей сжатый воздух, циркулирующий в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, исходящих из камеры сгорания.

Этот воздух используется в качестве воздуха горения, смешиваемого с топливом в камере предварительного смешивания, и в качестве охлаждающего воздуха для охлаждения как камеры сгорания, так и продуктов сгорания.

Кроме того, в описанной выше комбинации поток воздуха горения из полости в камеру предварительного смешивания через отверстия, выполненные в наружной поверхности последней, может ограничиваться для удерживания на низком уровне выбросов загрязняющей окружающую среду окиси азота при всех уровнях нагрузки турбины.

Ограничение применяется как функция используемого количества топлива таким образом, что соотношение между количеством воздуха горения и количеством топлива поддерживается постоянным на оптимальном уровне.

Для предотвращения гашения или возникновения любой неустойчивости пламени применяют кольцевую группу отверстий для дополнительного впрыскивания топлива таким образом, что область сгорания, расположенная сразу после сужения, обогащена топливом.

Согласно известному уровню техники используют одну или более форсунок для получения возможности использовать жидкое топливо как альтернативу газообразному топливу или в дополнение к нему; эти форсунки производят диффузионные факелы и по причине недостаточного смешивания топлива с воздухом вызывают высокие концентрации загрязняющих окружающую среду веществ.

В настоящее время существует повышенный рыночный спрос на газовые турбины, которые могут одинаково хорошо работать на газообразном топливе и/или жидком топливе.

Эта гибкость использования должна обеспечиваться без ущерба для главной задачи уменьшения до минимума выбросов загрязняющих окружающую среду веществ при одновременном соответствии другим требованиям удовлетворительного сгорания.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является преодоление указанных выше недостатков и, в частности, получение усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая обеспечивает малый уровень выброса загрязняющих окружающую среду веществ.

Другой задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая также обеспечивает хорошую устойчивость пламени и уменьшает колебания давления в камере сгорания.

Еще одной задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая обеспечивает высокую эффективность сгорания.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая может повысить средний срок службы компонентов, подвергающихся воздействию высоких температур.

Другой дополнительной задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая в высокой степени надежна, проста и функциональна, и затраты на производство и обслуживание которой относительно низки.

Эти и другие задачи настоящего изобретения достигнуты с получением усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая описана в п.1 формулы изобретения.

Дополнительные отличительные признаки описаны в последующих пунктах.

Преимущественно то, что усовершенствованная комбинация камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, соответствующая настоящему изобретению, может быть выполнена так, что она довольно легко взаимозаменяема с камерами сгорания, соответствующими известному уровню техники, которые уже смонтированы.

Отличительные признаки и преимущества усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, соответствующей настоящему изобретению, будут понятнее при ознакомлении с нижеследующим описанием, данным для примера и не вносящим ограничений, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых:

фиг.1 изображает продольный вид с частичным сечением комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, соответствующей известному уровню техники;

фиг.2 изображает вид продольного сечения комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, соответствующей настоящему изобретению; и

фиг.3 изображает увеличенный вид продольного сечения детали фиг.2.

На фиг.1 показана обозначенная в целом позицией 10 комбинация камеры 12 предварительного смешивания и камеры 11 сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на газообразном топливе, соответствующая известному уровню техники.

В показанном примере камера 11 сгорания имеет конец 11а в форме усеченного конуса, соединенный с камерой 12 предварительного смешивания суживающейся частью 13, непосредственно после (по ходу потока) которой расположена область 14 фактического сгорания, другими словами, область основного пламени камеры 11.

Весь узел также окружен полостью 15 для охлаждающего воздуха 20, который сжат осевым компрессором, не показанным на чертеже, и который циркулирует в направлении, показанном стрелкой 16, другими словами, в направлении, противоположном направлению потока 17 газообразных продуктов сгорания, исходящих из камеры 11 сгорания.

Камера 12 предварительного смешивания также питается газообразным топливом при помощи каналов 24 и группы перфорированных трубок 25, тогда как воздух 20а горения поступает из полости 15 в камеру 12 предварительного смешивания через группу прорезей 26, выполненных в корпусе 27 камеры 12 предварительного смешивания.

Эти прорези 26 взаимодействуют с соответствующими прорезями в барабане, который может вращаться на корпусе 27. Барабан, который не показан на чертеже, вращается таким образом, чтобы уменьшать площади прорезей 26 в соответствии с количеством используемого топлива.

В камере 12 предварительного смешивания вблизи суживающейся части 13 расположены лопатки 33 для обеспечения заданного направления проходящего через них потока, что, таким образом, способствует стабилизации основного пламени.

Наконец, снаружи от суживающейся части 13 установлена кольцевая группа горелок 34 для создания соответствующей кольцевой группы дополнительных факелов, концентрических относительно центрального основного пламени в области 14 сгорания непосредственно после суживающейся части 13.

Горелки 34 питаются дополнительным топливом через кольцевую камеру 35 и каналы 36, а также воздухом горения.

На фиг.2 и 3 показана комбинация, обозначенная в целом позицией 10, камеры 112 предварительного смешивания и камеры 111 сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовой турбины, работающей на жидком и/или газообразном топливе, соответствующая настоящему изобретению, где компоненты, идентичные и/или эквивалентные показанным на фиг. 1 со ссылками на известный уровень техники, имеют такие же ссылочные номера, увеличенные на 100.

В показанном примере камера 111 сгорания имеет конец 111a в форме усеченного конуса, соединенный с камерой 112 предварительного смешивания.

Эта камера 112 предварительного смешивания содержит центральную структуру 118, имеющую цилиндрическую форму или немного суживающуюся форму усеченного конуса с сужением в направлении камеры 111 сгорания, причем эта структура имеет ось, совпадающую с осью камеры 111 сгорания, и имеет расположенное внутри него устройство 119 для впрыскивания жидкого топлива, расположенное в осевом направлении в форме, например, кольцевой структуры.

Центральная структура 118 соединена ее дальним (по ходу потока) концом с концом 111a в форме усеченного конуса камеры 111 сгорания, при этом она соединена ближним (вверх по потоку) концом соединением 138, проходящим по существу перпендикулярно оси камеры 112 предварительного смешивания и, таким образом, радиально, с кольцевой камерой 137, которая окружает центральную структуру 118.

Конец кольцевой камеры 137, противоположный тому, которым кольцевая камера 137 соединена с соединением 138, имеет кольцевую группу прорезей или окон 126, которые, например, имеют прямоугольную форму с осевой протяженностью, причем предусмотрены двенадцать этих отверстий, которые разнесены с равными интервалами по окружности.

Эти окна 126 взаимодействуют с соответствующими прорезями барабана 139, который может вращаться на части кольцевой камеры 137, где расположены окна 126.

Камера 111 сгорания окружена полостью 115 для охлаждающего воздуха 120, который сжат осевым компрессором (не показан) и который циркулирует в направлении, показанном стрелкой 116, другими словами, в направлении, противоположном направлению потока 117 продуктов сгорания, исходящих из камеры 111 сгорания.

Воздух 120а горения направляется из полости 115 в окна 126 кольцевой камеры 137.

Камера 112 предварительного смешивания также питается газообразным топливом через кольцевую группу питающих средств, таких как перфорированные в боковом направлении трубки 125, которые, например, имеют оси, параллельные оси камеры 112 предварительного смешивания и расположены в соединении 138.

После (по ходу потока) центральной структуры 118 камеры 112 предварительного смешивания установлена кольцевая группа горелок 134, оси которых параллельны оси камеры 112 предварительного смешивания и направлены в сторону камеры 111 сгорания.

Горелки 134 питаются дополнительным газообразным топливом через кольцевую камеру 135 и каналы 136.

Наконец, группа форсунок 140 в количестве, например, четырех штук, разнесенных с одинаковыми интервалами по окружности и питаемых дополнительным жидким топливом, расположена на конце 111a в форме усеченного конуса камеры 111 сгорания. Форсунки 140 направлены внутрь камеры 111 сгорания.

Работа комбинации 110 из камеры 112 предварительного смешивания и камеры 111 сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, соответствующей изобретению, понятна из описанного выше со ссылками на чертежи и, коротко, состоит в следующем.

Охлаждающий воздух 120 сжимается осевым компрессором, не показанным на чертежах, и охлаждает камеру 111 сгорания.

При охлаждении камеры 111 сгорания воздух 120 нагревается и поступает в кольцевую камеру 137 камеры 112 предварительного смешивания через окна 126, таким образом, действуя как воздух 120а горения.

Барабан 139 в таком случае поворачивается таким образом, чтобы уменьшать площадь окон 126 в соответствии с количеством используемого топлива.

Газообразное топливо добавляется в этот воздух 120а при его прохождении через соединение 138.

Устройство 119 для впрыскивания жидкого топлива подает жидкое топливо и, таким образом, создает центральное основное пламя сгорания.

Кольцевая группа горелок 134 создает в камере 111 сгорания непосредственно после конца 111a в форме усеченного конуса соответствующую группу дополнительных пусковых факелов, расположенных концентрически относительно центрального основного пламени.

Наконец, группа форсунок 140 подает дополнительное жидкое топливо с целью дополнительной стабилизации процесса сгорания.

Приведенное выше описание ясно показывает отличительные признаки усовершенствованной комбинации камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, которая является объектом настоящего изобретения, а также поясняет соответствующие преимущества, которые включают:

– сниженные уровни выброса загрязняющих окружающую среду веществ как с газообразным топливом, так и с жидким топливом;

– уменьшенные колебания давления в камере сгорания и хорошую устойчивость пламени;

– высокую эффективность сгорания;

– увеличенный средний срок службы компонентов, подвергаемых воздействию высоких температур;

– простоту и надежность в работе;

– относительно малые производственные затраты и стоимость обслуживания по сравнению с известным уровнем техники;

– хорошую взаимозаменяемость с камерами сгорания известного уровня техники и, следовательно, довольно легкую приспособляемость к газовым турбинам, которые уже установлены и могут быть модернизированы.

Наконец, очевидно, что усовершенствованная комбинация камеры предварительного смешивания и камеры сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, сконструированная таким образом, может быть модифицирована и изменена многими путями в рамках объема изобретения.

Кроме того, все компоненты могут быть заменены технически эквивалентными элементами.

На практике, используемые материалы, а также формы и размеры могут изменяться в соответствии с техническими требованиями.

Объем защиты изобретения, таким образом, ограничен прилагаемой формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Усовершенствованная комбинация (110) камеры (112) предварительного смешивания и камеры (111) сгорания с малым уровнем выброса загрязняющих окружающую среду веществ для газовых турбин, работающих на жидком и/или газообразном топливе, причем указанная камера (111) сгорания имеет конец (111a) в форме усеченного конуса, вблизи которого горит основное центральное пламя, и окружена полостью (115) для охлаждающего воздуха (120), циркулирующего в направлении, противоположном направлению потока продуктов сгорания, указанная полость (115) проводит воздух (120а) горения в камеру (112) предварительного смешивания, в которой воздух горения смешивается с жидким и/или газообразным топливом, камера (112) предварительного смешивания имеет на ее входе прорези или окна (126), которые могут суживаться в соответствии с количеством используемого топлива, и имеет на ее выходе кольцевую группу горелок (134), направленных в камеру (111) сгорания для создания соответствующей группы дополнительных факелов, расположенных концентрически относительно основного центрального пламени, отличающаяся тем, что в камере (112) предварительного смешивания расположены средства (125) подачи газообразного топлива и устройства (119) для впрыскивания жидкого топлива и на конце (111a) в форме усеченного конуса камеры (111) сгорания расположена группа форсунок (140) для жидкого топлива, причем эти форсунки направлены внутрь камеры (111) сгорания.

2. Усовершенствованная комбинация (110) по п.1, отличающаяся тем, что камера (112) предварительного смешивания содержит центральную структуру (118), которая имеет цилиндрическую форму или немного суживается в форме усеченного конуса с сужением в сторону камеры (111) сгорания, причем эта структура имеет ось, совпадающую с осью камеры (111) сгорания, и имеет расположенное внутри нее устройство (119) для впрыскивания жидкого топлива, которое расположено в осевом направлении.

3. Усовершенствованная комбинация (110) по п.2, отличающаяся тем, что центральная структура (118) соединена вниз по потоку с концом (111a) в форме усеченного конуса камеры (111) сгорания, а вверх по потоку соединена соединением (138), проходящим, по существу, перпендикулярно оси камеры (112) предварительного смешивания и, таким образом, в радиальном направлении, с кольцевой камерой (137), которая окружает центральную структуру (118).

4. Усовершенствованная комбинация (110) по п.3, отличающаяся тем, что средство питания содержит перфорированные в боковом направлении трубки (125), оси которых параллельны оси камеры (112) предварительного смешивания и которые расположены в соединении (138).

5. Усовершенствованная комбинация (110) по п.1, отличающаяся тем, что оси горелок (134) параллельны оси камеры (112) предварительного смешивания.

6. Усовершенствованная комбинация (110) по п.1, отличающаяся тем, что горелки (134) питаются дополнительным газообразным топливом через кольцевую камеру (135) и каналы (136), а также воздухом горения.

7. Усовершенствованная комбинация (110) по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрены четыре форсунки (140) для жидкого топлива и они расположены с равными интервалами по окружности.

8. Усовершенствованная комбинация (110) по п.3, отличающаяся тем, что кольцевая группа прорезей или окон (126) сформирована в кольцевой камере (137) на конце, противоположном концу, которым кольцевая камера (137) соединена с соединением (138).

9. Усовершенствованная комбинация (110) по п.8, отличающаяся тем, что указанные прорези имеют прямоугольную форму и проходят вдоль оси камеры (112) предварительного смешивания, что предусмотрено двенадцать этих прорезей и они разнесены с одинаковыми интервалами по окружности.

10. Усовершенствованная комбинация (110) по п.9, отличающаяся тем, что прорези (126) взаимодействуют с соответствующими прорезями барабана (139), который выполнен с возможностью вращения на части кольцевой камеры (137), где расположены прорези (126) камеры (112) предварительного смешивания.

11. Усовершенствованная комбинация (110) по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающий воздух (120), сжатый осевым компрессором, проходит через указанную полость (115).

РИСУНКИ