Топливная трубка для горелки
Топливная трубка для горелки, в частности для горелки газовой турбины, содержит конец, который имеет поверхность под форсунки, а также, по меньшей мере, две топливные форсунки. Поверхность под форсунки снабжена шлицами между топливными форсунками и выполнена в виде конической кольцевой поверхности. Шлицы проходят через нее перпендикулярно окружному направлению кольцевой поверхности. Конец выполнен в виде усеченного конуса. Боковая поверхность усеченного конуса образует поверхность под форсунки. Изобретение направлено на увеличение срока службы форсунки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к топливной трубке, например, для горелки газовой турбины, в частности топливной трубке для жидкого топлива.
Подобные топливные трубки применяются, например, в горелках, которые могут работать как на жидком, так и на газообразном топливе. Как правило, трубка предусмотрена для работы на жидком топливе, например нефти. В этом случае нефть течет через трубку и на ее конце через нефтяные форсунки поступает в камеру сгорания. После выхода из форсунки нефть сжигается в камере сгорания, в которую подается также сжатый воздух. Напротив, газообразное топливо часто подается через насадки в подводящий воздух канал, окружающий форсуночную трубку, и там смешивается со сжатым воздухом, прежде чем смесь поступит в камеру сгорания.
При работе на газообразном топливе конец трубки из-за близкого пламени, как правило, нагревается до высоких температур в диапазоне до примерно 1000°C. Эти высокие температуры могут вести к коксованию остатков жидкого топлива в топливной трубке. Поэтому перед переключением на работу с жидким топливом, как правило, осуществляется промывка топливных проходов в топливной трубке охлаждающей водой, чтобы размыть возможные отложения. Однако температура охлаждающей воды составляет только около 25°C, что может привести к тепловому удару в горячей топливной трубке. При этом в области форсунок образуются высокие температурные градиенты, так что на конце трубки могут возникнуть высокие тепловые напряжения. Вследствие повторяющегося возникновения таких тепловых напряжений в области форсунок могут появиться трещины, из-за чего уменьшаются количество запусков и таким образом срок службы топливной форсунки.
US 2006/0027232 А1 (МПК F23Q 9/00, 2006) раскрывает топливную трубку со шлицами.
ЕР 1760403 А2 (МПК F23D 11/38, 2007) раскрывает топливные форсунки для газовых турбин.
US 2001/0042798 А1 (МПК В05В 1/14, 2001, ближайший аналог) раскрывает топливную трубку с концом, который имеет поверхность под форсунки с двумя топливными форсунками, причем поверхность под форсунки между топливными форсунками снабжена шлицами.
В связи с этим задачей настоящего изобретения является создание топливной трубки для применения в горелке, в частности горелки газовой турбины, которая поможет преодолеть названные недостатки. Другой задачей изобретения является создание горелки, в частности горелки газовой турбины.
Первая задача решается с помощью топливной трубки для горелки, в частности для горелки газовой турбины, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения, вторая задача решается с помощью горелки, в частности горелки газовой турбины, охарактеризованной признаками пункта 7 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты выполнения изобретения.
Топливная трубка для горелки, в частности для горелки газовой турбины, включает конец, который имеет поверхность под форсунки с, по меньшей мере, двумя топливными форсунками. Поверхность под форсунки между топливными форсунками снабжена шлицами. Она может быть сформирована, в частности, в виде кольцевой поверхности, примерно в виде конической кольцевой поверхности, причем шлицы проходят через нее перпендикулярно к направлению периметра кольцевой поверхности.
Шлицы в поверхности под форсунки позволяют благодаря свободному деформированию конца уменьшать тепловые напряжения в конце, так что тепловые градиенты меньше нагружают топливную трубку. Шлицы не оказывают никакого существенного аэродинамического влияния на воздух, проходящий вдоль топливной трубки, или на топливо, которое через топливные форсунки вдувается в воздушный поток. Шлицы означают также только весьма незначительную модификацию топливной трубки, которая может быть осуществлена с очень небольшими затратами. Следовательно, существующие топливные трубки могут дооборудоваться с небольшими затратами, вследствие чего повышается возможное количество запусков и срок службы этой топливной трубки.
В конце могут быть выполнены каналы для охлаждающего воздуха, которые проходят между топливными форсунками ниже поверхности под форсунки. Например, с помощью сжатого воздуха, проходящего через каналы для охлаждающего воздуха, может во время работы горелки охлаждаться конец топливной трубки, чтобы удержать температуру конца на низком уровне, и таким образом еще больше уменьшить возникновение тепловых напряжений во время промывки топливной трубки. В этом случае шлицы идеальным образом простираются от поверхности под форсунки до соответствующего канала для охлаждающей среды. Другими словами, шлицы образуют пропускные отверстия от поверхности под форсунки до канала для охлаждающей среды. Такой вариант выполнения обеспечивает особенно высокую упругость соответствующей области материала для снижения тепловых напряжений.
Если кольцевая поверхность представлена конической кольцевой поверхностью, конец топливной трубки может иметь форму усеченного конуса. В этом случае боковая поверхность усеченного конуса образует поверхность под форсунки и каналы для охлаждающей среды имеют выходные отверстия открытые по направлению к перекрывающей поверхности усеченного конуса. В качестве альтернативы или дополнительно к упомянутым выходным отверстиям вокруг топливных форсунок по кругу могут быть выполнены пропускные отверстия, которые с каналами для подвода воздуха находятся в аэрогидродинамическом соединении. Сжатый воздух, выходящий через эти отверстия, в этом случае может найти применение для охлаждения конца трубки, в частности, в области форсунок, которые подлежат промывке. При наличии таких пропускных отверстий между пропускными отверстиями соседних топливных горелок может быть расположен, в частности, соответственно один шлиц.
Предложенная согласно изобретению горелка, которая, в частности, может быть горелкой газовой турбины, оборудована предложенной согласно изобретению топливной трубкой. При этом топливная трубка может найти применение для подвода жидкого топлива, причем дополнительно к топливной трубке могут быть установлены топливные форсунки для газообразного топлива.
Применение предложенной согласно изобретению топливной трубки в горелке ведет благодаря повышенному сроку службы топливной трубки к тому, что может увеличиваться периодичность технического обслуживания, что снижает эксплуатационные расходы.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - фрагмент горелки, предложенной согласно изобретению, в разрезе;
фиг.2 - вид в перспективе конца форсуночной трубки, предложенной согласно изобретению горелки, по фиг.1;
фиг.3 - передняя сторона конца по фиг.2.
В качестве предпочтительного варианта выполнения предложенной согласно изобретению горелки на фиг.1 показана горелка газовой турбины. Она имеет канал 3 для подвода воздуха, ограниченный в основном имеющей форму цилиндра стенкой 1, в центре которого проходит топливная трубка 5. На конце топливной трубки расположены топливные форсунки 7 для подачи топлива в воздух, подведенный по каналу 3 для подвода воздуха. В данном варианте выполнения топливная трубка 5 представлена трубкой для подвода жидкого топлива.
Кроме топливной трубки горелка содержит вторую систему 9 для подвода топлива, которая имеет осевой ввод 11, через который пропущена топливная трубка 5, так что из системы 9 для подвода топлива выступает только концевой участок 13 топливной трубки 5. Система 9 для подвода топлива соединена с лопатками, создающими завихрения, которые находятся на конце системы 9 для подвода топлива, расположенном ниже по течению, и простираются через канал 3 для подвода воздуха. С помощью каналов 17 для подвода топлива топливо, в данном примере газообразное топливо, направляется на лопатки 15, создающие завихрения, откуда оно через форсуночные отверстия 19 вдувается в воздух, идущий по каналу 3 для подвода воздуха.
В случае показанной на фиг.1 горелки речь идет о так называемой "Dual Fuel Brenner", т.е. о горелке, которая может работать как на газообразном топливе, так и на жидком топливе. Однако изобретение может быть реализовано также в рамках горелок, в которых как через систему подвода топлива, так и через топливную трубку соответственно подводится топливо в том самом агрегатном состоянии, т.е., например, в рамках горелки, в которой как через систему подвода топлива, так и через топливную трубку соответственно подводится газообразное топливо. Например, в этом случае топливная трубка может найти применение в качестве пилотной горелки.
Вид в перспективе концевого участка 13 топливной трубки 5 показан на фиг.2. Фиг.3, кроме того, показывает фронтальный вид концевого участка в направлении взгляда вдоль осевого направления топливной трубки 5.
Со ссылкой на фиг.1-3 концевой участок 13 описывается более подробно. Концевой участок 13 включает в основном имеющий цилиндрическую форму участок 20, к которому примыкает имеющий в основном форму усеченного конуса конец 21. На боковой поверхности 23 имеющего форму усеченного конуса конца 21 с равномерным распределением в направлении периметра расположены три топливные форсунки 7, как, в частности, можно видеть на фиг.3. Следует учесть, что конец с тремя топливными форсунками представляет только предпочтительный вариант выполнения и что возможно большее или меньшее количество топливных форсунок или другое распределение форсунок на боковой поверхности.
Для охлаждения конца 21 в нем выполнены каналы 25 для охлаждающего воздуха, которые впадают в центральное отверстие 27. Они находятся там, где проходит перекрывающая поверхность усеченного конуса. Каналы 25 для охлаждающего воздуха снабжаются через подающие отверстия 29 в имеющем цилиндрическую форму участке 20 концевого участка 13 форсуночной трубки 5. При работе горелки часть воздуха, идущего через канал 3 для подвода воздуха, через подающие отверстия 29 попадает в каналы 25 для охлаждающего воздуха. Этот воздух имеет температуру, которая ниже температуры конца 21. Тем не менее конец 21 при работе на газе изображенной горелки благодаря пламени, имеющем место в камере сгорания, нагревается до температуры от около 800 до 1000°С.
Когда с режима работы на газе, при котором газообразное топливо подводится через систему 9 для подвода топлива, нужно перейти на режим работы на жидком топливе, при котором топливо подводится через топливную трубку, осуществляется промывка топливных проходов 31 и топливных форсунок 7 топливной трубки 5, чтобы предотвратить коксование. Эта промывка обычно проводится водой, которая имеет температуру около 25°C. Вследствие высокой разницы температуры промывочной воды с одной стороны и конца 21 с другой стороны в конце возникают тепловые напряжения, которые определенным образом должны быть снижены. Чтобы сделать возможным определенное снижение этих тепловых напряжений, боковая поверхность 23 конца 21, образующая поверхность под форсунки, снабжена шлицами 33. В данном варианте выполнения шлицы 33 простираются через боковую поверхность 23 до каналов 25 для охлаждающего воздуха, так что при работе горелки охлаждающий воздух может выходить через шлицы 33, чтобы блокировать их от поступления горячих газообразных продуктов сгорания.
В данном варианте выполнения шлицы 33 к тому же простираются до подающих отверстий 29. Но они могут располагаться также только на боковой поверхности 23 усеченного конуса, так что никакой участок шлица не проходит через имеющий форму цилиндра участок 20.
Шлицы 33 в данном варианте выполнения расположены соответственно в середине между двумя топливными форсунками 7. В зависимости от аэрогидродинамических данных в области конца (например, с учетом завихрения, созданного завихрителем), однако, шлицы 33 могут быть смещены по часовой стрелке или против часовой стрелки. Кроме того, возможно предусмотреть несколько шлицев, если они простираются только через боковую поверхность 23 усеченного конуса 21, но не через имеющий форму цилиндра участок 20. Становящаяся возможной благодаря шлицам 33 деформация боковой поверхности 23 усеченного конуса в области каналов 25 для охлаждающего воздуха в этом случае делает возможным снижение тепловых напряжений, возникающих во время процесса промывки.
В данном варианте выполнения вокруг топливных форсунок, кроме того, предусмотрены в качестве опции пропускные отверстия 30, которые простираются до каналов 25 для охлаждающего воздуха и которые делают возможным проход охлаждающей среды. Вследствие этого может достигаться особенно эффективное охлаждение материала конца трубки в области подлежащих промывке форсуночных отверстий 7, благодаря чему уменьшается тепловой удар при промывке и таким образом снижаются также подлежащие снижению тепловые напряжения.
Наличие шлицев 33 в топливной трубке предложенной согласно изобретению горелки позволяет предпочтительным образом снижение тепловых напряжений во время промывки топливной трубки промывочной водой, при этом не оказывая отрицательного воздействия шлицами на аэродинамику в области конца топливной трубки. Благодаря улучшенному снижению тепловых напряжений увеличивается срок службы топливной трубки. Формирование шлицев в существующих топливных трубках без шлицев может реализоваться к тому же без больших издержек, так что уже имеющиеся топливные трубки могут быть переоборудованы с небольшими затратами.
1. Топливная трубка (5) для горелки, в частности для горелки газовой турбины, содержащая конец (21), который имеет поверхность (23) под форсунки, а также, по меньшей мере, две топливные форсунки (7), причем поверхность под форсунки снабжена шлицами (33) между топливными форсунками, отличающаяся тем, что поверхность под форсунки выполнена в виде конической кольцевой поверхности (23) и шлицы (33) проходят через нее перпендикулярно окружному направлению кольцевой поверхности (23), причем конец (21) выполнен в виде усеченного конуса, при этом боковая поверхность (23) усеченного конуса образует поверхность под форсунки.
2. Топливная трубка по п.1, отличающаяся тем, что на конце (21) выполнены каналы (25) для охлаждающего воздуха, которые проходят между топливными форсунками (7) ниже поверхности (23) под форсунки, причем шлицы (33) простираются от поверхности (23) под форсунки до соответствующего канала (25) для охлаждающего воздуха.
3. Топливная трубка по п.2, отличающаяся тем, что каналы (25) для охлаждающего воздуха имеют, по меньшей мере, отверстия (27) по направлению к перекрывающей поверхности усеченного конуса.
4. Топливная трубка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что вокруг топливных форсунок (7) по кругу расположены пропускные отверстия (30), которые находятся в аэрогидродинамическом соединении с каналами (25) для охлаждающего воздуха.
5. Топливная трубка по п.4, отличающаяся тем, что между пропускными отверстиями (30) соседних топливных форсунок (7) расположен соответственно один шлиц (33).
6. Горелка, в частности горелка газовой турбины, содержащая топливную трубку (5) по любому из пп.1-5.
7. Горелка по п.6, в которой топливная трубка (5) предназначена для подвода жидкого топлива и содержит топливные форсунки (19) для газообразного топлива.
