Патент на изобретение №2315913

(54) МАЛОЭМИССИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

(57) Реферат:

Малоэмиссионная камера сгорания газовой турбины, работающая преимущественно на сжатом газе с низкими выбросами окислов азота и углерода, содержит фронтовое устройство и цилиндрическую жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, расположенными по окружности жаровой трубы. Фронтовое устройство состоит по меньшей мере из двух модулей с полостями предварительного перемешивания топлива с воздухом. Отношение расстояния между осями соседних модулей к внутреннему диаметру жаровой трубы составляет 0,4-0,5. Отношение длины полости предварительного перемешивания каждого модуля к диаметру его выходного сопла равно 0,6-0,8. Жаровая труба включает полость горения топливовоздушной смеси и полость смешения горячих газов с воздухом. Жаровая труба содержит сплошную внутреннюю стенку и наружную перфорированную оболочку, кольцевой канал между которыми выполнен с возможностью подвода охлаждающего воздуха в полость смешения. Отношение длины полости горения к внутреннему диаметру жаровой трубы составляет 0,9-1,1. Отверстия для подачи воздуха выполнены в полости смешения. Изобретение снижает эмиссию вредных веществ за счет организации “богато-бедного” горения топлива путем осуществления предварительного перемешивания топлива с воздухом во фронтовом устройстве и исключения подачи охлаждающего воздуха в зону горения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к конструкциям камер сгорания газовых турбин, работающих преимущественно на сжатом газе с низкими выбросами окислов азота и углерода.

Известна камера сгорания, включающая жаровую цилиндрическую трубу с несколькими рядами отверстий для подачи воздуха в зону горения, расположенными на разном расстоянии от конического фронтового устройства и выполненными с соответствующей суммарной проходной площадью, а коническое фронтовое устройство выполнено с расположенной по его оси газовой горелкой, имеющей газораздающие отверстия. Такую конструкцию, в частности, имеют камеры сгорания газотурбинных установок Frame-3 и Frame-5 фирмы «Дженерал Электрик» (A.V.Soudarev, Yu.l.Zakharov, E.D.Vinogradov, G.N.Polyakov, K.F.Ott, V.F.Usenko. Update of Enviromental Record of Gas Pumping Units of Frame-5 Run on Gas Pipelines of Tyumen Region, Russia, 12-th Turbomachinery Maintenance Congress (TMC’96) Bangkok, Thailand. Fig. FRAME-5 unit combustor ode design venison scheme).

Недостатком известной камеры сгорания является высокая эмиссия вредных веществ, прежде всего оксида азота и углерода, не удовлетворяющая современным экологическим требованиям, что обусловлено не оптимальными с точки зрения эмиссионных характеристик камеры сгорания размерами и расположением отверстий для подачи воздуха в зону горения.

Наиболее близкой по конструкции к заявляемой является камера сгорания, включающая жаровую цилиндрическую трубу с отверстиями для подачи воздуха в зону горения, которые расположены равномерно по окружности жаровой трубы с суммарной проходной площадью, определяемой по математической формуле. Эти отверстия разделены на большие и малые и расположены на расстоянии, равном 0,2-0,4 диаметра жаровой трубы от фронтового устройства (патент РФ № 2162194, F23R 3/06, 2001 г.).

В известной конструкции предварительная подготовка смеси топлива с воздухом не производится, а воздух подается в зону горения, что не обеспечивает необходимую эмиссию вредных веществ в процессе работы камеры сгорания и не позволяет выполнить экологические требования по выбросам оксидов азота и углерода.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении эмиссии вредных веществ за счет организации “богато-бедного” горения топлива путем осуществления предварительного перемешивания топлива с воздухом во фронтовом устройстве и исключения подачи охлаждающего воздуха в зону горения.

Сущность изобретения заключается в том, что в малоэмиссионной камере сгорания, содержащей фронтовое устройство и цилиндрическую жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, расположенными по окружности жаровой трубы, согласно изобретению, фронтовое устройство состоит по меньшей мере из двух модулей с полостями предварительного перемешивания топлива с воздухом, при этом отношение расстояния между осями соседних модулей к внутреннему диаметру жаровой трубы (a/D) составляет 0,4-0,5, а отношение длины полости предварительного смешивания каждого модуля к диаметру его выходного сопла (L/D₁) равно 0,6-0,8.

Жаровая труба включает полость горения топливовоздушной смеси и полость смешения горячих газов с воздухом, при этом жаровая труба включает сплошную внутреннюю стенку и наружную перфорированную оболочку, кольцевой канал между которыми выполнен с возможностью подвода охлаждающего воздуха в полость смешения, причем L₁/D=0,9-1,1, где L₁ – длина полости горения, а отверстия для подачи воздуха выполнены в полости смешения.

Кроме того, отверстия для подачи воздуха выполнены с разными диаметрами d₁, d₂, d₃, при этом d₁/D=0,17-0,20, d₂/D=0,12-0,15, d₃/D=0,07-0,10.

Выполнение фронтового устройства многомодульным (по меньшей мере, двухмодульным) и с полостями предварительного перемешивания топлива с воздухом позволяет повышать качество смесеобразования, однородность топливовоздушной смеси и полноту ее сгорания.

Соотношение расстояния между осями соседних модулей к внутреннему диаметру жаровой трубы (a/D) должно составлять 0,4-0,5. В случае, когда a/D>0,5, зона горения будет смещаться к стенке жаровой трубы, что вызовет повышение ее температуры, необходимость подачи дополнительного количества охлаждающего воздуха и приведет к снижению ресурса жаровой трубы и ее прогару. При a/D<0,4 ухудшается предварительное перемешивание топлива с воздухом, что приводит к повышению эмиссии вредных веществ.

Отношение длины полости предварительного перемешивания каждого модуля к диаметру его выходного сопла (L/D₁) составляет 0,6-0,8. При L/D₁<0,6 будет снижаться время смесеобразования, степень и однородность перемешивания будут недостаточными, что приведет к повышению эмиссии вредных веществ.

Если отношение L/D₁ превышает 0,8, то перемешивание будет более качественным, однако будет возможен «проскок» пламени во внутреннюю полость модуля.

Жаровая труба включает сплошную внутреннюю стенку и наружную перфорированную оболочку, кольцевой канал между которыми выполнен с возможностью подвода охлаждающего воздуха в зону смешения, что позволяет осуществлять охлаждение нагретой внутренней стенки и отводить воздух из зоны горения, тем самым обеспечивая процесс «богатого» горения топливовоздушной смеси.

Размещение отверстий для подачи воздуха в зоне смешения, а не в зоне горения, обеспечивает быстрое перемешивание продуктов сгорания зоны «богатого» горения с воздухом, снижает температуру горения топлива и сокращает время пребывания продуктов сгорания в зоне повышенных температур, снижая эмиссию вредных веществ.

Отношение длины полости горения L₁ к внутреннему диаметру жаровой трубы D составляет 0,9-1,1. При L₁/D<0,9 в процессе горения топливовоздушной смеси будет наблюдаться выброс несгоревших углеводородных составляющих топлива. При L₁/D>1,1 в процессе горения топливовоздушной смеси в выхлопных газах количество азотсодержащих веществ будет увеличенным.

Кроме того, отверстия для подачи воздуха, выполненные в зоне смешения, позволяют оптимизировать поле температур на выходе из жаровой трубы при удовлетворительном состоянии жаровой трубы. Заявляемые соотношения диаметров отверстий к внутреннему диаметру жаровой трубы обеспечивают максимальную «пробивную» способность воздушной струи, и, соответственно, самую низкую эмиссию вредных веществ выхлопных газов.

На фиг.1 изображена камера сгорания газовой турбины; на фиг.2 дан разрез А-А на фиг.1.

Малоэмиссионная камера сгорания содержит жаровую трубу 1 с фронтовым устройством, включающим модули 2, 3, а также форсунку 4, имеющую распылители 5, 6 с отверстиями 7 для подачи топлива 8 (жидкого или газообразного). Модули 2, 3 снабжены тангенциальными завихрителями 9, через которые поступает сжатый компрессором поток воздуха 10. Отношение расстояния а между осями соседних модулей 2, 3 к внутреннему диаметру d жаровой трубы 1 составляет 0,4-0,5.

Модули 2, 3 выполнены с полостями 11 предварительного перемешивания воздуха 10 с топливом 8 с образованием топливовоздушной смеси. Полость 11 имеет длину L от отверстий 7 подачи топлива 8 до торца 12 выходного сопла модулей 2, 3 с диаметром D₁. Отношение L/D₁ составляет 0,6-0,8. Жаровая труба 1 включает цилиндрическую внутреннюю стенку 13 и перфорированную наружную оболочку 14 с отверстиями 15 для подачи охлаждающего воздуха 16. Между стенками 13, 14 выполнен кольцевой канал 17, по которому проходит охлаждающий воздух 16, не попадая в полость горения 18 длиной L₁. Полость горения 18 расположена между торцом 12 выходного сопла модулей 2, 3 и отверстиями подачи воздуха 19, 20, 21, выполненными в полости смешения 22.

Отверстия 19 имеют диаметр d₁, отверстия 20 – диаметр d₃, отверстия 21 – диаметр d₂. Отверстия 21 могут располагаться по периметру между двумя соседними отверстиями 20, а отверстия 19 и 20 – через одно.

Малоэмиссионная камера сгорания работает следующим образом.

Топливо 8 через форсунку 4 подают к отверстиям 7 распылителей 5, 6 и далее в полость 11. Одновременно сжатый компрессором поток воздуха 10, обтекая форсунку 4, поступает на вход тангенциальных завихрителей 9, в которых он закручивается. Закрученный поток воздуха 10 разбивает встречные струи топлива 8, выходящие из отверстий 7. При этом в полости 11 модулей 2, 3 происходит предварительное перемешивание воздуха 10 с топливом 8 с образованием топливовоздушной смеси. Смесь поступает в полость горения 18 жаровой трубы 1 полностью перемешанной и с однородным составом, где происходит процесс его горения.

Поток охлаждающего воздуха 16, проходя через отверстия 15 перфорированной стенки 14 жаровой трубы 1, ударяется о внутреннюю стенку 13, охлаждая ее. Далее поток воздуха 16 отводится по кольцевому каналу 17 в зону смешения 22, где осуществляется быстрое перемешивание продуктов сгорания топливовоздушной смеси с воздухом, поступающим в жаровую трубу 1 сквозь отверстия 19, 20, 21, обеспечивая высокую однородность этой смеси. Результатом является снижение эмиссии вредных веществ, а также оптимальное поле температур на выходе из жаровой трубы.

Формула изобретения

1. Малоэмиссионная камера сгорания газовой турбины, содержащая фронтовое устройство и цилиндрическую жаровую трубу с отверстиями для подачи воздуха, расположенными по окружности жаровой трубы, отличающаяся тем, что фронтовое устройство состоит по меньшей мере из двух модулей с полостями предварительного перемешивания топлива с воздухом, при этом отношение расстояния между осями соседних модулей к внутреннему диаметру жаровой трубы (a/D) составляет 0,4-0,5, а отношение длины полости предварительного перемешивания каждого модуля к диаметру его выходного сопла (L/D₁) равно 0,6-0,8, жаровая труба включает полость горения топливовоздушной смеси и полость смешения горячих газов с воздухом, при этом жаровая труба включает сплошную внутреннюю стенку и наружную перфорированную оболочку, кольцевой канал между которыми выполнен с возможностью подвода охлаждающего воздуха в полость смешения, причем L₁/D=0,9-1,1, где L₁ – длина полости горения, а отверстия для подачи воздуха выполнены в полости смешения.

2. Малоэмиссионная камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что отверстия для подачи воздуха выполнены с разными диаметрами d₁, d₂, d₃, при этом d₁/D=0,17-0,20, d₂/D=0,12-0,15, d₃/D=0,07-0,10.

РИСУНКИ