устройство для сжигания жидкого и/или газообразного топлива в газовой турбине

Формула изобретения

Устройство для сжигания жидкого и/или газообразного топлива в газовой турбине, содержащее жаровую трубу с коническим входным диффузором, цилиндрической средней частью и сужающейся выходной частью, переходящей в сопло или сопловой аппарат газовой турбины, установленные последовательно перед входом камеры сгорания, устройство подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что сопло или горло соплового аппарата выполнены с критическим сечением, завихритель потока расположен между гомогенизатором и коническим диффузором жаровой трубы, стабилизатор пламени установлен в коническом диффузоре с образованием кольцеобразного канала, с соотношением площадей на выходе и на входе этого канала F_вых/F _вх, отнесенным к его относительной длине L/H и не превышающим 0,3, причем отношение площади поперечного сечения F _к цилиндрического участка камеры сгорания к площади F _кр критического сечения сопла F_к/F _кр превышает или равно 36, а угол поворота лопаток завихрителя составляет не менее 30°.

где F_вх - площадь на входе в кольцеобразный канал;

F _вых - площадь на выходе из кольцеобразного канала;

L - длина кольцеобразного канала;

Н - высота кольцеобразного канала на середине его длины;

F_к - площадь поперечного сечения цилиндрического участка;

F_кр - площадь критического сечения сопла.

Описание изобретения к патенту

Устройство для сжигания жидкого и/или газообразного топлива в газовой турбине предназначено для эффективного и экологичного сжигания газообразного и/или жидкого топлива и может быть использовано в энергетических и/или теплофикационных установках или комплексах.

Известно устройство для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине, содержащее жаровую трубу с входным каналом, цилиндрической средней частью и выходной частью, переходящей в сопло или сопловой аппарат газовой турбины, установленные последовательно перед входом камеры сгорания устройство подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени (см. патент США №5943866, МПК F23R 3/28, опубл 31.08.99, авторы Джефри Алан Ловет (Jeffery Alan Lovett) и Джордж Гобел (Georg Goebel). Установленный перед топливными форсунками завихритель потока не позволит эффективно раздробить капли жидкого топлива или смешать воздух с газообразным топливом, так как закрученный им поток не имеет мелких интенсивных вихрей, которые были бы в состоянии достаточно мелко раздробить капли топлива, или изменить послойное закрученное движение потока, или усилить диффузию газообразного топлива и воздуха. Такие явления и вихри возможны только на поверхности твердых тел. Послойному и параллельному движению слоев потока будет способствовать постоянная площадь канала смешения (гомогенизатора), что усугубит указанные ранее явления. Выполнение стабилизатора пламени в виде кольца, расположенного концентрично выходу канала смешения, увеличит объем и площадь соприкосновения горячих газов из зоны рециркуляции с поверхностью жаровой трубы, что увеличит подогрев и неравномерность распределения температур в канале смешения и облегчит возможность воспламенения топливовоздушной смеси в указанном канале (то есть появление проскока пламени в канал смешения или гомогенизатор).

Известно устройство для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине, содержащее жаровую трубу с входным каналом, цилиндрической средней частью и выходной частью, переходящей в сопло или сопловой аппарат газовой турбины, установленные последовательно перед входом камеры сгорания устройство подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени (см. патент США №6056538, МПК F23C 9/00, опубл. 02.05.2000, автор Хорст Бюхнер (Horst Büchner) и др.). Завихритель потока, установленный на выходе канала смешения, позволит достаточно эффективно раздробить капли жидкого топлива и перемешать за счет трения потока о его поверхность газообразное топливо с воздухом. Наличие кольцеобразного ограждения создаст излишнюю по объему зону рециркуляции и вызовет ранее указанные недостатки кольцеобразного стабилизатора пламени до такой степени, что, по утверждению автора, для уменьшения влияния вихря зоны рециркуляции необходимо установить разделительную стенку.

Известно также устройство для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине, содержащее жаровую трубу с коническим входным диффузором, цилиндрической средней частью и сужающейся выходной частью, переходящей в сопло или сопловой аппарат газовой турбины, установленные последовательно перед входом камеры сгорания устройство подачи жидкого или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени (см. патент США №6880340, МПК F02C 1/00, опубл. 19.04.2005, автор Кейджиро Сайто (KeiJiro Saitoh)). Известное устройство позволяет эффективно гомогенизировать топливовоздушную смесь, что, по мнению автора, позволит избежать местных неравномерностей распределения топлива, следовательно, и возможности возникновения локальных зон перегрева (повышения температуры), и соответственно условий для появления окислов азота и автоколебаний давления. Малая конусность расширяющегося канала смешения не создает значительного аэрогидравлического сопротивления в нем, но при этом и не может достаточно эффективно перемешать топливо и воздух, из-за чего автор вынужден перед топливными форсунками устанавливать перфорированную перегородку, дополнительно турбулизирующую поток воздуха мелкими по размеру, но высокоинтенсивными вихрями, и соответственно улучшающую из-за этого смешение топлива и воздуха. Указанная конструкция смесителя позволит эффективно смешивать газообразное топливо или дробить на капли и испарять их, если оно жидкое, так как торможение потока в указанном канале будет также незначительным. Но как уже указывалось, все устройства, позволяющие создавать высокоинтенсивные вихри, имеют значительные аэрогидравлические сопротивления, которые для сохранения расхода воздуха требуют повышенного напора от его источника, например осевого или центробежного компрессора, но это также требует дополнительных затрат энергии на их привод, что снижает эффективность работы устройств для сжигания топлива.

Но при этом малого объема центральной зоны, в которую подается пилотное топливо и которая в последующем используется как стабилизатор пламени, и соответственно малой массы горячих газов, циркулирующих в указанной зоне, явно недостаточно для надежного, подогрева смеси, поддержания постоянного теплообмена с ней и достижения соответствующей температуры газов в торообразном вихре зоны рециркуляции и соответственно надежного подогрева, воспламенения и постоянного горения топливовоздушной смеси в кольцевом пространстве вокруг указанного центрального стабилизатора пламени, и, по-видимому, из-за этого в камере сгорания сделан дополнительный страхующий кольцевой уступ, на котором создается вторая зона рециркуляции, стабилизирующая подогрев, воспламенение и горение топливовоздушной смеси путем увеличения массы циркулирующих в указанной зоне горячих газов.

Технической задачей, решаемой предложенной конструкцией, является повышение эффективности ее работы путем организации высокоэффективного низкоэмиссионного сжигания бедных, заранее гомогенно перемешанных топливовоздушных смесей с обеспечением стабильного и устойчивого горения (без пульсаций давления или с их низким уровнем), что позволяет снизить удельные затраты энергии и топлива на производство высокоэнергетического газа для турбины и повысить экологичность устройства из-за снижения выбросов оксидов азота и более полного окисления углеводородов топлива. Экологичность устройства улучшается и из-за того, что уменьшены удельные затраты топлива на единицу выработанной механической или тепловой энергии, при которых соответственно снижены выбросы углекислого газа, вызывающего парниковый эффект в окружающей среде.

Указанная задача решается тем, что устройство для сжигания жидкого и/или газообразного топлива в газовой турбине содержит жаровую трубу с коническим входным диффузором, с цилиндрической средней частью и с сужающейся выходной частью, переходящей в сопло или сопловой аппарат газовой турбины, установленные последовательно перед входом камеры сгорания устройство подачи жидкого и/или газообразного топлива, гомогенизатор, завихритель потока и стабилизатор пламени. При этом сопло или горло соплового аппарата выполнены с критическим сечением, завихритель потока расположен между гомогенизатором и коническим диффузором жаровой трубы, стабилизатор пламени установлен в коническом диффузоре с образованием кольцеобразного канала с соотношением площадей на выходе и на входе этого канала F _вых/F_вх, отнесенным к его относительной длине L/H, не превышающим 0,3. Причем отношение площади поперечного сечения F_к цилиндрического участка камеры сгорания к площади F_кр критического сечения сопла F_к/F_кр превышает или равно 36. Угол поворота лопаток завихрителя составляет не менее 30°.

где F_вх - площадь на входе в кольцеобразный канал;

F_вых - площадь на выходе из кольцеобразного канала;

L - длина кольцеобразного канала;

Н - высота кольцеобразного канала на середине его длины;

F_к - площадь поперечного сечения цилиндрического участка камеры сгорания;

F_кр - площадь критического сечения сопла.

Высокая эффективность работы устройства для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине достигается за счет оптимального соотношения минимизированного его аэрогидродинамического сопротивления и всей камеры сгорания к максимализированному эффекту турбулизации и улучшенному перемешиванию потока воздуха как с жидким, так и с газообразным топливом. Вследствие этого получается высокогомогенизированная "бедная" топливовоздушная смесь, которая сгорает стабильно, создавая равномерное поле температур, что повышает долговечность самого устройства и турбины, работающей на вырабатываемом им высокоэнергетическом газе.

Снижение максимальной температуры горения смеси уменьшает содержание оксидов азота в горячих газах, а следовательно, уменьшает или исключает их разрушающее воздействие на камеру сгорания, тракт движения горячих газов и турбину, повышает долговечность и работоспособность устройства и турбины, работающей совместно с ним. Стабильное горение топливовоздушной смеси значительно уменьшает или даже исключает возникновение автоколебаний давления в камере сгорания, которое обычно происходит вследствие возникновения неравномерности выгорания топлива в ней. Явления флуктуации давления при горении обычно возникают из-за неравномерного распределения топлива в смеси. В результате их воздействия на топливные форсунки, путем создания изменяющегося перепада давления на впрыске топлива, меняется его расход через них, что в свою очередь должно вызывать увеличение перепада концентрации топлива в смеси, изменение концентрации топлива в ее потоке и условий ее горения, а в результате дополнительного увеличения амплитуд колебаний давления в камере сгорания, замыкающего указанную связь, это должно вызвать увеличение амплитуды колебаний всех процессов во всей описанной цепи взаимосвязанных явлений, которые многократно описывались в технической литературе. При действии этих явлений обычно снижается срок службы устройства для сжигания жидкого или газообразного топлива и газовой турбины вплоть до их полного аварийного разрушения. При этом соответственно ухудшаются экологические и экономические характеристики сгорания топлива и работы устройства, связанные с местными переобеднением или переобогащением смеси.

Снижение аэрогидравлического сопротивления устройства и камеры сгорания при высокоэффективном перемешивании слоев потока достигается за счет оптимизации формы и сопряжения местных сопротивлений тракта движения воздуха в устройстве для сжигания жидкого и/или газообразного топлива в камере сгорания путем многократного плавного совмещения постоянно изменяющейся траектории перемещения потока смеси и формы тракта для его движения, при условии исключения резких изменений направления движения воздуха и топлива в топливовоздушной смеси, вследствие несовпадения этих форм с учетом оптимизации интенсивности закручивания и турбулизации потока смеси завихрителем. При этом поток смеси постоянно закручивается в разных плоскостях, взаимодействует с поверхностями канала гомогенизатора, завихрителя и кольцеобразного канала со стабилизатором пламени и за счет кориолисовых сил отдельные объемы смеси перемещаются от середины потока к периферии и наоборот, таким образом достигается высокая эффективность перемешивания при малых аэрогидравлических потерях. Из-за этого уменьшается возможность генерации местных постоянно расположенных или периодически перемещающихся паразитных вихрей, возникающих на указанных несопряженных с потоком составляющих элементов устройства, генерируемых ими, например, в местах отрыва потока от поверхности тракта или на перепадах этой поверхности, способствующих бесполезным потерям кинетической энергии потока и не приводящих к улучшению смесеобразования, из-за малого объема воздействия на поток этих малых паразитных вихрей. При этом также улучшается смесеобразование за счет исключения из процесса перемешивания центральной низкоскоростной части потока путем размещения в ней стабилизатора пламени, увеличивается осредненная скорость потока и исключается возникновение его вращающегося ядра с малой относительной скоростью движения газов, так как на месте этого ядра располагается стабилизатор пламени, повторяющий его по форме. При этом достигается максимализация осредненной скорости движения потока и его турбулизации при минимальных потерях кинетической энергии на создание указанной траектории движения потока, а также - минимализация затрат энергии на создание и поддерживание оптимальной по относительному размеру и объему зоны рециркуляции, вмещающей массу горячих газов, достаточную для необходимого подогрева и воспламенения смеси.

На чертеже схематично показан разрез устройства.

Устройство 1 для сжигания жидкого или газообразного топлива в газовой турбине содержит устройство 2 подачи жидкого и/или газообразного топлива, гомогенизатор 3, завихритель потока 4, конический входной диффузор 5 жаровой трубы, стабилизатор пламени 6, цилиндрическую среднюю часть 7 жаровой трубы с площадью поперечного сечения F _к и сужающейся выходной частью 8 с критическим сечением 9 сопла, имеющим площадь поперечного сечения F _кр. Для зажигания смеси при пуске имеется воспламенитель 10. Гомогенизатор 3, завихритель потока 4 и стабилизатор пламени 6 установлены последовательно перед входом в камеру сгорания. Сопло или горло соплового аппарата выполнены с критическим сечением 9. Завихритель потока 4 расположен между гомогенизатором 3 и коническим входным диффузором 5 жаровой трубы, стабилизатор пламени 6 установлен в коническом диффузоре 5 с образованием кольцеобразного канала.

Конический входной диффузор 5 и стабилизатор пламени 6 могут иметь различную форму, например коническую, выполняться в виде однополостного гиперболоида или быть другой более сложной конфигурации. Стабилизатор пламени 6 и конический входной диффузор 5 жаровой трубы камеры сгорания расположены с возможностью образования кольцеобразного канала с соотношением площадей на выходе и на входе указанного (этого) канала F_вых/F _вх, отнесенным к относительной длине кольцеобразного канала L/H, не превышающим 0,3. Причем отношение площади поперечного сечения цилиндрической части 7 камеры сгорания к площади критического сечения 9 сопла или соплового аппарата жаровой трубы камеры сгорания и/или турбины F_к/F_кр равно или превышает 36.

Угол поворота лопаток завихрителя относительно направления потока смеси в гомогенизаторе 3 составляет не менее 30°.

Устройство для сжигания жидкого и/или газообразного топлива работает следующим образом.

Воздух подается на вход гомогенизотора 3, куда через устройство 2 подачи жидкого или газообразного топлива поступает соответственно жидкое и/или газообразное топливо, которое смешивается с воздухом и создает к концу гомогенизатора 3 гомогенизированную "бедную" топливовоздушную смесь (ТВС).

Эта смесь закручивается с помощью лопаток завихрителя 4 и, протекая между поверхностями стабилизатора пламени 6 и входного конического диффузора 5 жаровой трубы камеры сгорания, совместно образующих кольцеобразный канал, формирует кольцевую равномерно закрученную струю ТВС, далее равномерно перемещающуюся вдоль стенок цилиндрического и суживающегося участка 8 камеры сгорания. Поток смеси постоянно и непрерывно без скачков изменяет скорость и/или направление движения, то ускоряясь, то замедляясь. При этом в приосевой зоне за стабилизатором пламени 6 формируется зона рециркуляции. В конце камеры сгорания размещается ее критическое сопло и/или сопловой аппарат турбины, в котором реализуется критический звуковой перепад давления.

После воспламенения ТВС с помощью воспламенителя 10 в камере сгорания, начиная от среза турбулизирующей кромки стабилизатора 6 пламени, формируется фронт горения, развивающийся в кольцевой струе, подогреваемый и подпитываемый высокотемпературными газами продуктов сгорания, поступающими из зоны рециркуляции.

При указанном соотношении конечную площадь задней торцевой поверхности стабилизатора пламени 6, определяющей объем зоны рециркуляции, можно выбрать практически любой, незначительно увеличивая радиальные габариты камеры сгорания, то есть можно подобрать ее так, чтобы объем зоны рециркуляции и масса газов в нем были необходимы и достаточны для подогрева, воспламенения и постоянного горения "обедненной" смеси на всех режимах работы устройства. При этом будет меняться только конусность стабилизатора пламени.

Отношение соотношения площадей F_вых/F_вх кольцевого канала, к его относительной длине L/H, не превышающее 0,3, является оптимальным и определяет условие безотрывности течения газа, то есть отсутствия периодического образования и отрыва вихрей, а следовательно, и отсутствия пульсаций скоростей и давления на входе в камеру сгорания.

При этом указанная интенсивная закрутка потока топливовоздушной смеси, определяемая углом установки лопаток завихрителя, приводит (из-за возникающих центробежных сил) к отбрасыванию неиспарившихся капель топлива к внешней стенке камеры сгорания и к исключению возможности их попадания на горячую часть стабилизатора пламени, при которой, за счет их быстрого испарения на нем, может возникнуть местное обогащение ТВС и преждевременное ее воспламенение, то есть это приведет к появлению условий для возникновения проскока пламени в гомогенизатор 3 или к образованию зон с повышенными содержанием топлива и соответственно температурой его горения, приводящих к появлению возможности неполного высокотемпературного горения обогащенной области смеси, то есть к возникновению условий образования окислов азота и/или не догоревших углеводородов или монооксида углерода.

Отношение площадей сечений цилиндрической части 7 камеры сгорания к площади критического сечения F _к/F_кр 36 при ранее указанных соотношениях размеров кольцеобразного канала создает оптимальное отношение объема (и массы) рециркулирующего газа к общему объему камеры сгорания, обеспечивая устойчивость и стабильность процесса горения "бедной" топливовоздушной смеси.