ГОРЕЛКА ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОДОГРЕВА И СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ ТОПЛИВА/ПОТОКА ВОЗДУХА-НОСИТЕЛЯ В ГОРЕЛКЕ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОДОГРЕВА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области стационарных газовых турбин с последовательным сгоранием. В контексте последовательного сгорания форма горелки промежуточного подогрева, в которой смешивание топлива и дополнительного воздуха-носителя проходит с целью получения способной к самовоспламенению смеси топлива/воздуха-носителя, имеет решающее значение.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, газовые турбины с последовательным сгоранием содержат первую горелку, где топливо впрыскивается в струю сжатого воздуха для сжигания, производя горячие газы, которые частично расширяются в турбине высокого давления.

Горячие газы, поступающие из турбины высокого давления, которые все еще богаты кислородом, затем подаются в горелку промежуточного подогрева, что обычно именуется сгоранием второй ступени, на котором в нее впрыскивается еще топливо для смешивания и сжигания в камере сгорания ниже по потоку от горелки промежуточного подогрева; образующиеся горячие газы затем расширяются в турбине низкого давления.

Горелка промежуточного подогрева газовой турбины с последовательным сгоранием имеет канал, который часто имеет квадратную, четырехугольную или трапециевидную форму, которая вмещает статические турбулизаторы, обычно выполненные из тетраэдальных элементов, присоединенных к стенкам в области выше по потоку от канала и продолжающихся частично в канал.

Ниже по потоку от турбулизаторов горелка промежуточного подогрева имеет трубку, выполненную из прямого трубчатого элемента, расположенного перпендикулярно направлению потока горячих газов и снабженную концевым участком, который параллелен направлению потока горячего газа. Концевой участок обычно имеет более одного сопла, которое впрыскивает топливо.

При работе поток горячего газа проходит через генераторы турбулентности, например турбулизаторы, трубку с желобковыми VG, трубку с желобковыми лопастями, посредством увеличения его завихрения, после чего топливо впрыскивается через трубку так, что оно смешивается с потоком горячего газа.

В настоящее время ниже по потоку от трубки смешивание в основном улучшается посредством уменьшения поперечного сечения канала горелки, что уменьшает отношение эффективного диаметра к длине горелки. Для того, чтобы свести к минимуму потерю давления в камере сгорания, поперечное сечение увеличивается снова к концу области смешивания. Такая горелка промежуточного подогрева раскрыта, например, в EP 2,420,730 A2. Это увеличение поперечного сечения в нижней по потоку концевой области канала горелки ограничено потенциальным отрывом потока от стенок каналов внутри области смешивания. Таким образом, существует конфликт между достижимым качеством смешивания и потерей давления.

Предоставление крупномасштабных и/или мелкомасштабных структур вдоль области смешивания для увеличения завихрения не является средством для того, чтобы столкнуться с проблемами, обусловленными риском областей рециркуляции и, следовательно, пламенем, удерживаемым внутри области смешивания. Это также усугубляется тем, что турбулентность, которая была создана турбулизаторами и/или трубками, постоянно уменьшается внутри области смешивания в направлении потока. Таким образом, смешивание происходит не так эффективно в направлении конца области смешивания, как оно происходит вблизи впрыска.

Кроме того, для того, чтобы повысить эффективность и производительность газовой турбины, температура горячих газов, циркулирующих через горелку промежуточного подогрева, должна быть увеличена. Такое увеличение температуры вызывает потерю тонкого равновесия между всеми параметрами, так что горелка промежуточного подогрева, работающая с горячими газами, имеющими более высокую температуру, чем расчетная температура, может иметь проскок пламени, выбросы NOx, CO, потребление воды и проблемы с падением давления.

Для того, чтобы преодолеть частично эти ограничения предлагается горелка промежуточного подогрева, смотри EP 2,420,730 А2, имеющая область смешивания с поперечным сечением, с расходящимися в направлении потока горячего газа боковыми стенками, причем расходящиеся боковые стенки образуют изогнутые поверхности в направлении потока горячего газа, имеющие постоянный радиус.

Еще одно предложение для уменьшения описываемых проблем раскрыто в EP 2,420,731 A1, в котором раскрывается горелка промежуточного подогрева, обеспечивающая область больших скоростей с постоянным поперечным сечением вдоль области смешивания. Вниз по потоку в направлении потока горячего газа к области больших скоростей область диффузора ограничена расширяющимся поперечным сечением.

Известно, что на нижнем по потоку конце области смешивания между областью смешивания и камерой сгорания ступенька в поперечном сечении имеет эффект стабилизатора пламени.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку промежуточного подогрева, содержащую проточный канал для потока горячего газа с трубкой, расположенной вдоль указанного проточного канала, выступающей в проточный канал для впрыска топлива на плоскость впрыска, перпендикулярную продольной оси канала, причем канал и трубка образуют область образования турбулентности выше по потоку от плоскости впрыска и область смешивания ниже по потоку от плоскости впрыска в направлении потока горячего газа, и ступенька в поперечном сечении канала горячего газа между нижним по потоку концом области смешивания и камерой сгорания предусмотрена в качестве стабилизатора пламени, которая обеспечивает возможность работы при более высоких температурах и в то же время достигая уменьшения выбросов NOx, CO и уменьшение проблем с падением давления и риска проскоков пламени. Для решения этих задач дополнительно требуется повышение температуры пламени второго сгорания и увеличения степени смешивания топлива/потока воздуха-носителя.

Задача решается посредством совокупности признаков по п. 1 формулы изобретения. Предмет изобретения по п. 13 формулы изобретения представляет собой способ смешивания топлива и потока воздуха-носителя внутри горелки промежуточного подогрева согласно изобретению. Настоящее изобретение может быть модифицировано преимущественно посредством признаков, раскрытых в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в последующем описании особенно со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления.

Для достижения улучшенного смешивания газовой смеси, далее называемой просто поток, проходящий через область смешивания горелки промежуточного подогрева, предлагается согласно изобретению приложить дополнительное сдвиговое напряжение к потоку при прохождении области смешивания, при котором вдоль области смешивания создаются крупномасштабные структуры потока и увеличенная турбулентность. Это повышает эффективность смешивания, что приводит к более однородному распределению температуры внутри пламени и, следовательно, к снижению выбросов CO и NOx, а также к снижению общего коэффициента распределения температуры на впуске в ступень турбины, которая расположена ниже по потоку от указанной горелки промежуточного подогрева.

Для направления сдвигового напряжения в потоке при пропускании через область смешивания горелки промежуточного подогрева, соответствующий проточный канал области смешивания обеспечивает различные поперечные сечения в направлении потока с постоянно изменяющейся формой и/или обеспечивает некруглые поперечные сечения, изменяющие положение в направлении потока посредством непрерывного вращения вокруг продольной оси проточного канала.

Первый предлагаемый аспект изобретения для образования проточного канала через область смешивания состоит в непрерывном изменении формы поперечного сечения проточного канала вдоль его продольной оси. Изменение формы поперечного сечения не означает только увеличение или уменьшение данной формы поперечного сечения, например только масштабирование круглого поперечного сечения вдоль продольной оси проточного канала, это означает, согласно изобретению, непрерывное изменение геометрической формы. Например, область смешивания имеет в верхние по потоку области с поперечным сечением квадратной формы, которая будет преобразовываться в направлении потока по всей протяженности области смешивания в поперечное сечение круглой формы. Конечно, объем идеи изобретения охватывает все возможные формы поперечных сечений, которые могут непрерывно изменяться, переходя друг в друга по всей осевой протяженности, или по меньшей мере в одной ограниченной аксиальной области смешивания.

Другой аспект согласно изобретению для направления дополнительного сдвигового напряжения в поток, направленный через область смешивания, состоит в предоставлении проточного канала вдоль области смешивания по меньшей мере с одной аксиальной областью, имеющей некруглые поперечные сечения, которые изменяют положение вдоль его продольной оси посредством непрерывного вращения вокруг продольной оси. Тем самым данная форма поперечного сечения области смешивания сохраняется неизменной вдоль осевой координаты области смешивания, в то время как она вращается вокруг продольной оси. Вращение может быть реализовано по часовой стрелке или против часовой стрелки, при перемещении в направлении потока через область смешивания.

Как упоминалось ранее, подход по изменению формы поперечного сечения или вращению данной формы поперечного сечения вдоль области смешивания, в любом из вариантов может быть предпочтительно применено по всей протяженности области смешивания, но и просто в ограниченной аксиально области вдоль области смешивания.

Другой предпочтительный вариант осуществления представляет собой сочетание двух предложенных согласно изобретению аспектов, так что область смешивания разделяется по меньшей мере на две аксиально, первую и вторую, области, которые соединены непосредственно или косвенно. В случае косвенного аксиального объединения дополнительная промежуточная зона, например, постоянного поперечного сечения вдоль ее аксиальной протяженности, соединяет по меньшей мере две аксиальных области. В первой аксиальной области, соответствующий проточный канал имеет различные поперечные сечения вдоль его продольной оси, которые непрерывно изменяют форму. Во второй аксиальной области проточный канал предоставляет поперечное сечение некруглой формы, которое изменяет положение вдоль его продольной оси посредством непрерывного вращения вокруг продольной оси. То же применяется и в обратном порядке.

В дополнительном варианте осуществления проточный канал области смешивания обеспечивает вдоль всей своей аксиальной протяженности некруглые поперечные сечения, имеющие одинаковую геометрическую форму, которые непрерывно вращаются вокруг продольной оси, но по меньшей мере несколько из них отличаются по размеру. Например, поперечное сечение на верхнем по потоку конце области смешивания имеет треугольную форму поперечного сечения в первой ориентации относительно продольной оси. Нижний по потоку конец проточного канала области смешивания также имеет треугольную форму поперечного сечения, которая однако повернута, например, на около 90° вокруг продольной оси по часовой стрелке в направлении потока. Далее треугольное поперечное сечение на нижнем по потоку конце области смешивания уменьшается в размерах по сравнению с поперечным сечением на верхнем по потоку конце области смешивания. Таким образом, промежуточная часть проточного канала между верхним и нижним по потоку концами области смешивания непрерывно преобразует как различно ориентированные, так и имеющие различные размеры поперечные сечения друг в друга.

Все варианты осуществления изобретения предоставляют проточный канал, обхватывающий область смешивания, радиально имеющий внутреннюю стенку канала, которая является ровной, без каких-либо локальных выступов, продолжающихся за внутреннюю поверхность стенки для того, чтобы избежать риска проскоков пламени. Модификация, согласно изобретению, проточного канала в пределах области смешивания горелки промежуточного подогрева, реализованная либо посредством изменения формы поперечных сечений, либо посредством их вращения, приводит к большему распространению смеси горячего газа, выходящего из горелки промежуточного подогрева, что улучшает профиль скорости на входе в ступень турбины, после горелки промежуточного подогрева ниже по потоку проточного канала.

Непрерывное изменение формы поперечного сечения внутри области смешивания является еще более предпочтительным в сочетании с уменьшением поперечного сечения в направлении потока, для того, чтобы избежать отрыва потока от внутренней стенки канала, что приводит к риску пламени, закрепляющегося внутри области смешивания.

Кроме того, раскрытие поперечного сечения к концу области смешивания, что означает что поперечные сечения на нижнем по потоку конце области смешивания увеличиваются в направлении потока, поддерживает достижение минимальной потери давления по протяженности горелки промежуточного подогрева.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение в дальнейшем поясняется более подробно на основе примерных вариантов осуществления в сочетании с чертежами, на которых:

фиг. 1 схематично показывает продольный разрез горелки промежуточного подогрева

фиг. 2а, b, c изображают общий вид внешней формы или области смешивания горелки промежуточного подогрева;

фиг. 3a-g показывают возможные варианты изменения формы поперечного сечения области смешивания и

фиг. 4 показывает вращение поперечного сечения вдоль области смешивания, имеющей квадратную форму поперечного сечения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 схематично представлен продольный разрез горелки промежуточного подогрева, содержащей проточный канал 1 для потока 2 горячего газа с трубкой 3, расположенной вдоль указанного проточного канала 1, выступающей в проточный канал 2 для впрыска топлива 4, например топливного газа и/или топливной нефти, и воздух-носитель над плоскостью впрыска 5, которая перпендикулярна продольной оси 6 канала. Предпочтительными являются желобковый VG или вариант с лопастями.

Проточный канал 1 и трубка 3 образуют область 7 образования завихрений, которая находится выше по потоку от плоскости впрыска 5. Внутри области 7 образования завихрений расположен турбулизатор 8 на внутренней стенке проточного канала 1 для введения завихрений в поток 2 горячего газа, поступающего в горелку промежуточного подогрева. Ниже по потоку от плоскости впрыска 5 в направлении потока (смотри стрелку 2 на фиг. 1) присоединена область 9 смешивания, вдоль которой впрыскиваемое в поток горячего газа топливо 4 будет смешиваться как можно более полно. Для улучшения процесса смешивания форма внутренней стенки проточного канала 2 в области 9 смешивания модифицируется согласно изобретению. Ступенька 11 в поперечном сечении проточного канала 1 расположена на нижнем по потоку конце области 9 смешивания между областью 9 смешивания и камерой 10 сгорания. Ступенька 11 является стабилизатором пламени для пламени 12 (область 12 горения). Согласно настоящему изобретению предусмотрено изменение формы области 9 смешивания, что означает, и части канала 1 горячего газа между впрыском 4 топлива и пламенем 12.

В первом аспекте, согласно изобретению, проточный канал 1 внутри области 9 смешивания имеет различные поперечные сечения вдоль его продольной оси 6, которые непрерывно изменяют форму. Для лучшего понимания этого аспекта изобретения, на фиг. 1 представлена круглая форма ФПС_первая поперечного сечения на входе потока области 9 смешивания, которая находится в или близко к плоскости 5 впрыска. Круглая форма непрерывно изменяется вниз по потоку вдоль всей области 9 смешивания, когда достигается форма ФПС_{последняя} поперечного сечения на нижнем по потоку конце области 9 смешивания, имеющая произвольную форму поперечного сечения.

Благодаря непрерывному изменению формы поперечных сечений области смешивания прилагается дополнительное сдвиговое напряжение к потоку 2, проходящему область смешивания, что создает крупномасштабные структуры потока и увеличивает турбулентность внутри области смешивания. Это улучшает эффективность смешивания, что приводит к более однородному распределению температуры внутри пламени (не показано), что формирует посредством самовоспламенения ниже по потоку область 9 смешивания.

Такой же эффект от приложения дополнительного сдвигового напряжения к потоку 2 достигается посредством области смешивания, имеющей заданную форму поперечного сечения, которая вращается вдоль продольной оси области смешивания. Такой подход проиллюстрирован на фиг. 2а. На фиг. 2а представлен внешний вид горелки промежуточного подогрева, которая показана приблизительно, имеющей прямоугольное сечение вдоль своей области 7 образования завихрений. Форма ФПС_первая поперечного сечения на входе потока в область 9 смешивания является прямоугольной в вертикальном положении по отношению к продольной оси 6 горелки промежуточного подогрева. Форма поперечного сечения проточного канала области 7 смешивания остается прямоугольной на всей своей протяженности, но ориентация формы поперечного сечения вращается вокруг продольной оси 6, например, на 90°. Поэтому форма ФПС_{последняя} поперечно сечения на нижнем по потоку конце области 9 смешивания ориентирована поперек относительно поперечного сечения ФПС_первая на верхнем по потоку конце области 9 смешивания.

На фиг. 2b показан внешний вид горелки промежуточного подогрева, имеющей круглое поперечное сечение вдоль своей области 7 образования завихрений. Форма поперечного сечения ФПС_первая на входе потока в область 9 смешивания является круглой. Форма поперечного сечения проточного канала области 7 смешивания непрерывно изменяется в направлении потока 2 от квадратной к круглой, что является предпочтительным вариантом. Поэтому форма ФПС_{последняя} поперечного сечения на нижнем по потоку конце области 9 смешивания имеет круглую форму и дополнительно площадь при этом уменьшена по сравнению с размером поверхности ФПС_первая.

На фиг. 2с показан внешний вид горелки промежуточного подогрева, имеющей круглое поперечное сечение вдоль своей области 7 образования завихрений. Форма ФПС_первая поперечного сечения на входе потока в область 9 смешивания является круглой. Форма поперечного сечения проточного канала области 7 смешивания непрерывно изменяется в направлении потока 2 от круглой к квадратной непрерывно. Поэтому форма ФПС_{средняя} поперечного сечения на нижнем по потоку конце первой аксиальной области 9" области 9 смешивания имеет квадратную форму и дополнительно площадь при этом уменьшена по сравнению с размером поверхности ФПС_первая. При непосредственном соединении вторая аксиальная область 9' находится рядом с первой аксиальной областью (9"), имеющей постоянное поперечное сечение квадратной формы вдоль области смешивания, которое изменяет положение вдоль своей продольной оси (6) посредством непрерывного вращения вокруг продольной оси (6). В проиллюстрированном случае последняя форма поперечного сечения ФПС_{последняя} повернута на 45° вокруг продольной оси (6) относительно промежуточной формы ФПС_{средняя} поперечного сечения.

На фиг. 3a-3g показаны (не ограничено) возможные варианты конструкции проточного канала области смешивания с различными комбинациями первой и последней форм ФПС_первая, ФПС_{последняя} поперечного сечения. Каждый схематичный чертеж на фиг. 3 является схематичным видом сбоку вдоль продольной оси 6.

Здесь все они изменяют форму вместо того, чтобы вращаться. Конечно, вращение будет вариантом также.

Варианты осуществления, представленные на фиг. 3a-3g, иллюстрируют изменение формы поперечного сечения области смешивания. На фиг. 3c представлена трансформация круглой формы ФПС_первая поперечного сечения в квадратную форму ФПС_{последняя} поперечного сечения. На фиг. 3e представлена трансформация треугольной формы ФПС_первая поперечного сечения в круглую форму ФПС_{последняя} поперечного сечения, и на фиг. 3g представлена трансформация произвольной свободной формы поперечного сечения в другую произвольную свободную форму поперечного сечения.

Иллюстрация, представленная на фиг. 4, должна прояснить основной принцип вращения заданной формы поперечного сечения вдоль области 9 смешивания, показывающий последовательность множества повернутых квадратных поперечных сечений, начиная с первой формы ФПС_первая поперечного сечения превращающейся в последнюю форму ФПС_{последняя} поперечного сечения. Все поперечные сечения между ФПС_первая и ФПС_{последняя} являются промежуточными поперечными сечениями вдоль области 9 смешивания.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - Проточный канал;

2 - Поток горячего газа;

3 - Трубка;

4 - Топливо;

5 - Плоскость впрыска;

6 - Продольная ось;

7 - Область образования завихрений;

8 - Турбулизаторы;

9 - Область смешивания;

10 - Камера сгорания;

11 - Ступенька в поперечном сечении;

12 - Пламя, область сгорания;

ФПС_первая - Форма поперечного сечения на верхнем по потоку конце области смешивания;

ФПС_{средняя} - Форма поперечного сечения в промежуточной секции области смешивания;

ФПС_{последняя} - Форма поперечного сечения на нижнем по потоку конце области смешивания.