Топливная форсунка для двух видов топлива

Изобретение относится к энергетике. Топливная форсунка 2 для двух видов топлива с внутренней трубой 5 с радиально ориентированными выходными отверстиями для первого вида топлива и с окружающей внутреннюю трубу внешней трубой 6 с ориентированными по оси выходными отверстиями 10 для второго вида топлива. При этом канавка, проходящая по оси на наружной поверхности внутренней трубы, и выступ внешней трубы, входящий в качестве предохранителя от проворачивания в зацепление с канавкой, расположены между двумя осевыми выходными отверстиями 10. Также представлены горелка и газовая турбина. Изобретение позволяет улучшить конструкцию и работу газовой турбины. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Изобретение относится к топливной форсунке для двух видов топлива для газовой турбины для горелки, в частности реактивной горелки газовой турбины.

Для лучшего коэффициента использования видов топлива и использования альтернативных видов топлива в газовых турбинах комбинируется впрыскивание различных видов топлива. Это осуществляется с помощью сдвоенной топливной форсунки, которая состоит из двух вставляемых друг в друга труб. Через внешнюю трубу с помощью лопастного смесителя впрыскивается первый вид топлива. Через внутреннюю трубу перпендикулярно к потоку воздуха примешивается второй вид топлива. Для стабильной работы решающим является положение лопастного смесителя по отношению к внутренней форсунке.

Задачей изобретения является улучшение конструкции и работы газовой турбины.

Эта задача решается с помощью признаков пунктов 1, 8, соответственно 10. Предпочтительные усовершенствования изобретения определены в зависимых пунктах.

Согласно первому аспекту изобретения топливная горелка для двух видов топлива с внутренней трубой с радиально ориентированными выходными отверстиями для первого вида топлива и с окружающей внутреннюю трубу внешней трубой с ориентированными по оси выходными отверстиями для второго вида топлива включает канавку, проходящую по оси на наружной поверхности внутренней трубы, и выступ внешней трубы, входящий в зацепление в качестве предохранителя от проворачивания с канавкой, расположенный между двумя осевыми выходными отверстиями. Второй вид топлива может быть одного типа или идентичен с первым видом топлива. Обозначения первый и второй вид топлива выбрано для лучшего различия и не имеют обязательного функционального основания. Ориентированные по оси выходные отверстия могут быть выполнены в качестве так называемого лопастного смесителя, в котором выходные отверстия образованы между вдавленными или продавленными по периметру областями внешней трубы, так что образуются напоминающие своей формой булаву области для впрыскивания.

Предохранитель от проворачивания предотвращает проворачивание обеих форсунок и обеспечивает таким образом длительное стабильное позиционирование обеих форсунок или выходных отверстий относительно друг друга и стабильную работу с двумя видами топлива, как, например, природный газ и синтез-газ. Простая конструкция и простой монтаж позволяют реализацию, благоприятную в экономическом отношении.

Могут быть предусмотрены несколько канавок и выступов, что повышает жесткость и безаварийность. Может быть предусмотрено, что между всеми осевыми выходными отверстиями расположены выступы и соответствующие канавки.

Канавка может быть образована в виде кругового сегмента, а выступ может иметь соответствующее канавке закругление. Это благоприятно сказывается на естественной форме лопастного смесителя и обеспечивает простую реализацию и хорошую интеграцию в существующие системы.

Внешняя труба в области радиальных выходных отверстий может иметь радиальные выемки. Эти выемки, имеющие, к примеру, форму кругового сегмента, предотвращают то, что из-за теплового расширения при работе радиальные выходные отверстия будут перекрываться внешней трубой соответственно лопастным смесителем. Выемки могут быть расположены соответственно между двумя осевыми выходными отверстиями, преимущественно в середине.

Осевые выходные отверстия могут быть закручены и канавка может простираться от одного осевого отверстия до соседнего осевого отверстия. Такая закрученная конструкция обозначается также как смеситель с закрученными лопастями. Так как выступ внешней трубы вследствие закручивания простирается на большую область периметра, соответственно увеличивается и канавка, чтобы и в этом случае обеспечить оптимальное предохранение от проворачивания.

Осевые выходные отверстия могут быть закручены и канавка может быть закручена с идентичным или подобным углом подъема, что и осевые выходные отверстия. Таким образом канавка и выступ и при смесителе с закрученными лопастями входят непосредственно в зацепление друг с другом.

Осевое позиционирование внутренней трубы относительно внешней трубы может осуществляться с помощью резьбового трубного соединения или подобного резьбового соединения. При осевом позиционировании устанавливается расстояние между радиальными выходными отверстиями и внешней трубой соответственно лопастным смесителем, чтобы при работе компенсировать тепловое расширение.

Согласно второму аспекту изобретения топливная форсунка для двух видов топлива с внутренней трубой с радиально ориентированными выходными отверстиями для первого вида топлива и с окружающей внутреннюю трубу внешней трубой с ориентированными по оси выходными отверстиями для второго вида топлива включает выступ, проходящий по оси выступ на наружной поверхности внутренней трубы, который в качестве предохранителя от проворачивания входит в зацепление с ориентированным по оси выходным отверстием. При такой конструкции выступ выполнен на внутренней трубе и входит в зацепление с ориентированным по оси выходным отверстием. При определенном применении эта конструкция может быть проще. В остальном действительны те же преимущества и модификации, как описано выше.

Может быть предусмотрено несколько выступов. Это может повысить жесткость и безаварийность. Может быть предусмотрено, что для всех осевых выходных отверстий будут иметься выступы.

Согласно другому аспекту изобретение направлено на горелку, в частности реактивную горелку для газовой турбины, причем горелка имеет описанную выше топливную форсунку. Для нее действительны те же преимущества и модификации, как описано выше.

Согласно еще другому аспекту изобретение направлено на газовую турбину с камерой сгорания и направлением потока, имеющей описанную выше горелку. Для нее действительны те же преимущества и модификации, как описано выше.

Ниже изобретение более подробно описывается с помощью чертежей, на которых показывают:

фиг. 1 - упрощенное изображение топливной форсунки согласно изобретению;

фиг. 2-6 - первый пример топливной форсунки с прямыми лопастями согласно изобретению;

фиг. 7-11 - второй пример топливной форсунки с изогнутыми лопастями согласно изобретению;

фиг. 12-16 - третий пример топливной форсунки с изогнутыми лопастями согласно изобретению;

фиг. 17 - пример монтажа топливной форсунки согласно изобретению.

Чертежи служат только для пояснения изобретения и не ограничивают его. Чертежи и отдельные детали не обязательно соответствуют масштабу. Одинаковыми позициями обозначены одинаковые или подобные детали.

Фиг. 1 показывает упрощенное изображение части газовой турбины 1 с топливной форсункой 2. Несколько топливных форсунок 2, к примеру, двенадцать или шестнадцать, расположены концентрично к направлению потока S газовой турбины 1.

Топливная форсунка 2 пригодна для одновременного впрыскивания двух видов топлива, к примеру, природного газа и синтез-газа. Топливная форсунка 2 установлена в камере сгорания или в зоне подогрева 3 газовой турбины. Впуск воздуха 4 может окружать топливную форсунку 2, так что ниже по течению или в области топливной форсунки 2, то есть в направлении направления потока S, происходит смешивание топлива с воздухом.

На фиг. 2-6 детализировано изображено первое осуществление топливной форсунки 2. Топливная форсунка 2 представлена типом смесителя с прямыми лопастями и состоит из внутренней трубы 5 и окружающей внутреннюю трубу 5 внешней трубы 6. Фиг. 2, 4 и 6 показывают вид топливной форсунки 2 в смонтированном состоянии, на фиг. 3 и 5 внешняя труба 6 и внутренняя труба 5 изображены раздельно.

Внутренняя труба 5 имеет радиально ориентированные выходные отверстия 7 для первого вида топлива, к примеру, природного газа, которые распределены по периметру преимущественно на равном расстоянии друг от друга. Здесь предусмотрены шесть выходных отверстий 7, в зависимости от применения количество может выбираться другим.

Радиально ориентированные выходные отверстия 7 расположены ниже по течению наконечника форсунки 8, в котором оканчивается внутренняя труба 5. В качестве внутренней трубы 5 может обозначаться либо концевая область, установленная на подводящей трубе 9, которая включает наконечник форсунки 8 и радиально ориентированные выходные отверстия 7, либо концевая область плюс подводящая труба 9 или часть ее.

Внешняя труба 6 имеет ориентированные по оси выходные отверстия 10 для второго вида топлива, к примеру, синтез-газа. Понятия по оси и радиально относятся к продольному направлению или осям вращения обеих труб 5 и 6 соответственно направлению потока S.

На расположенном ниже по течению конце внешняя труба 6 имеет так называемый смеситель 11 с лопастями. Смеситель 11 с лопастями, соответственно ориентированные по оси выходные отверстия 10 впрыскивают топливо в осевом направлении, так что происходит перемешивание с топливом, радиально вспрыскиваемым из внутренней трубы 5. В качестве внешней трубы 6 может обозначаться либо концевая область, установленная на подводящей трубе 12, которая включает смеситель 11 с лопастями и ориентированные по оси выходные отверстия 10, либо концевая область плюс подводящая труба 12 или часть ее.

Ориентированные по оси выходные отверстия 10 проходят от наружного периметра внешней трубы 6, соответственно несколько уменьшенного в части периметра лопастного смесителя 11, до открытой центральной области 13, через которую проведена внутренняя труба 5. Ориентированные по оси выходные отверстия 10 соединены с центральной областью 13, так что образуется имеющее форму звезды, если смотреть сверху, отверстие (фиг.6). Ориентированные по оси выходные отверстия могут быть также отделены от центральной области 13.

Ориентированные по оси выходные отверстия 10 расположены между вдавленными или полученными с помощью глубокой вытяжки в радиальном направлении участками 14. Участки 14 начинаются в находящейся выше по течению области на наружной поверхности периметра и проходят в направлении расположенной ниже по течению торцевой стороны до центральной средней области 13.

Участки 14 имеют на своем радиально лежащем внутри конце или на внутренней стороне закругления 15. В области этих закруглений 15 предусмотрены радиальные отверстия или выемки 16, которые, начинаясь от расположенной ниже по течению торцевой стороны, образованы в форме полукруга. Эти отверстия 16 расположены таким образом, что они при скомпонованной топливной форсунке 2 лежат в области радиально ориентированных выходных отверстий 7. Таким образом, обеспечено, что при тепловом расширении при работе топливной форсунки 2 топливо может беспрепятственно выходить из внутренней трубы 5 через радиально ориентированные выходные отверстия 7.

Топливная горелка 2 снабжена предохранителем 17 от проворачивания, благодаря которому внутренняя труба 5 и внешняя труба 6 не могут проворачиваться относительно друг друга, то есть постоянно находятся в оптимальном положении, так что радиально ориентированные выходные отверстия 7 и ориентированные по оси выходные отверстия 10 постоянно оптимально ориентированы друг к другу.

Предохранитель от проворачивания имеет выступ или шпонку и канавку или выемку, которые входят в зацепление друг с другом и таким образом предотвращают проворачивание в направлении периметра. Часть предохранителя 17 от проворачивания предусмотрена на внутренней трубе 5, а другая часть предусмотрена на внешней трубе 6.

Здесь предусмотрены канавка 18, проходящая по оси на наружной поверхности внутренней трубы 5, и выступ 19 внешней трубы 6, входящий в зацепление с канавкой 18 в качестве предохранителя от проворачивания. Выступ 19 расположен между двумя осевыми выходными отверстия 10 и является составной частью участка 14, соответственно закругления 15. Выступ 19 может также соответствовать закруглению 15. Канавка 18 имеет форму кругового сегмента, причем радиус канавки 18 приведен в соответствие с радиусом выступа 19. В качестве альтернативы радиус выступа 19 может быть приведен в соответствие с радиусом канавки 18. Глубина, то есть простирание в радиальном направлении, канавки 18 и выступа 19 имеет такие размеры, что при работе топливной форсунки 2 блокировано проворачивание в направлении периметра обеих труб 5, 6 по отношению друг к другу.

Осевая длина канавки 18 больше, чем осевая длина выступа 19, так что даже при тепловом расширении при работе будет реализовано центрирование, введение и предохранение от проворачивания внутренней трубы 5 по отношению к внешней трубе 6. Таким образом, автоматически осуществляется ориентирование обеих труб, соответственно проход топлива в направлении периметра.

По периметру с распределением предусмотрены несколько канавок 18 и выступов 19. В этом случае количество канавок 18 и выступов 19 соответствует количеству выходных отверстий, то есть предусмотрены шесть канавок 18 и шесть выступов 19. Количество канавок 18 и выступов 19 может выбираться произвольным, однако оно не должно превышать количество выходных отверстий.

Между канавками 18 образованы выступы или возвышения 20, которые входят в зацепление с ориентированными по оси выходными отверстиями 10. Это может быть точно так же составной частью предохранителя 17 от проворачивания. В качестве альтернативы возможно предусмотреть на внутренней трубе 5 вместо канавок выступы или возвышения 20, которые входят в зацепление с ориентированными по оси выходными отверстиями 10. Также и здесь возможно предусмотреть только одно или несколько возвышений 20.

На фиг. 7-11 показан другой пример топливной форсунки 2 с предохранителем 17 от проворачивания. Как и в топливной форсунке, представленной на фигурах 2-6, внутренняя труба 5 предусмотрена с радиально ориентированными выходными отверстиями 7, а внешняя труба предусмотрена с ориентированными по оси выходными отверстиями 10.

Точно так же на внешней трубе 6 предусмотрен лопастной смеситель 11, однако предусмотрен не лопастной смеситель с прямыми лопастями, а так называемый лопастной смеситель с изогнутыми лопастями. Здесь осевые выходные отверстия 10 закручены в направлении периметра, так что открытые по оси осевые выходные отверстия 10 проходят не полностью в осевом направлении, имеют периметрическую компоненту. Это равным образом действительно для участков 14 между осевыми выходными отверстиями 10 с закруглениями 15, соответственно выступами 19.

Канавки 18 теперь простираются от одного осевого выходного отверстия 10 до соседнего осевого выходного отверстия 10. Или, выражаясь иначе, канавка 18 теперь включает большую область периметра в сравнении с показанным на фиг. 2-6 примером. В то время как у топливной форсунки, представленной на фиг. 2-6, на наружной поверхности внутренней трубы 5 выполнены отдельные канавки 18, между которыми находится соответственно поверхность периметра, у топливной форсунки, представленной на фиг. 7-11, одна канавка 18 непосредственно присоединяется к другой канавке 18. Это позволяет ввести внутреннюю трубу 5 во внешнюю трубу 6 в осевом направлении.

Между канавками 18 образованы выступы или возвышения 20, которые входят в зацепление с ориентированными по оси выходными отверстиями 10. Это точно так же может являться составной частью предохранителя 17 от проворачивания. В качестве альтернативы возможно предусмотреть на внутренней трубе 5 вместо канавок выступы или возвышения 20, которые входят в зацепление с ориентированными по оси выходными отверстиями 10. Также и здесь возможно предусмотреть только одно или несколько возвышений 20.

Относительно выходных отверстий 7, 10 и отверстий 16, которые компенсируют тепловое расширение, топливная форсунка 2 на фиг. 7-11 идентична или подобна топливной форсунке 2 на фиг. 2-6.

На фиг. 12-16 показан другой пример топливной форсунки 2. Здесь опять же, как изображено на фиг. 7-11, осевые выходные отверстия 10 закручены, то есть применяется так называемый смеситель с изогнутыми лопастями.

Теперь канавки 18 закручены с идентичным или подобным углом подъема, как осевые выходные отверстия 10. В остальном показанный здесь пример полностью или в основном соответствует примеру, показанному на фиг. 7-11. При монтаже топливной форсунки 2, то есть при сборке внутренней трубы 5 и внешней трубы 6, внутренняя труба 5 известным способом ввинчивается во внешнюю трубу 6.

Между канавками 18 образованы выступы или возвышения 20, которые входят в зацепление с ориентированными по оси выходными отверстиями 10. Это точно так же может быть составной частью предохранителя 17 от проворачивания. В качестве альтернативы возможно вместо канавок предусмотреть выступы или возвышения 20, которые входят в зацепление с ориентированными по оси выходными отверстиями 10. Также и здесь возможно предусмотреть только одно или несколько возвышений 20.

На фиг. 17 показан монтаж или сборка топливной форсунки 2. После окончательного изготовления внутренней трубы 5 (слева на чертеже) и внешней трубы 6 (этап дальше), что может реализоваться с помощью процессов сварки, обе трубы 5, 6 на третьем этапе вдвигаются одна в другую, причем предохранитель 17 от проворачивания входит в зацепление внутри, чтобы определить положение обеих труб в направлении периметра.

После этого устанавливается расстояние в осевом направлении между внутренней трубой 5, соответственно радиально ориентированными выходными отверстиями 7, и внешней трубой 6. Благодаря этому при работе может компенсироваться тепловое расширение.

Затем производится соединение между обеими трубами 5, 6 с помощью резьбового соединения 21, к примеру, трубного резьбового соединения. После этого топливная форсунка устанавливается в газовую турбину 1.

1. Топливная форсунка для двух видов топлива, содержащая внутреннюю трубу (5) с радиально ориентированными выходными отверстиями (7) для первого вида топлива и окружающую внутреннюю трубу (5) внешнюю трубу (6) с ориентированными по оси выходными отверстиями (10) для второго вида топлива, отличающаяся тем, что имеется канавка (18), проходящая по оси на наружной поверхности внутренней трубы (5), и выступ (19) внешней трубы (6), входящий в качестве предохранителя от проворачивания (17) в зацепление с канавкой (18), расположенный между двумя осевыми выходными отверстиями (10) и являющийся составной частью вдавленного или полученного глубокой вытяжкой в радиальном направлении участка (14) соответственно закругления (15) внешней трубы (6).

2. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что предусмотрены несколько канавок (18) и выступов (19).

3. Топливная форсунка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что канавка (18) имеет форму кругового сегмента, причем радиус канавки 18 соответствует радиусу выступа (19).

4. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что внешняя труба (6) в области радиальных выходных отверстий (7) имеет радиальные выемки (16).

5. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что осевые выходные отверстия (10) имеют скрученный вид и канавка (18) проходит от одного осевого выходного отверстия (10) до соседнего осевого выходного отверстия (10).

6. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что осевые выходные отверстия (10) имеют скрученный вид и канавка (18) имеет скрученный вид с идентичным углом подъема, что и осевые выходные отверстия (10).

7. Топливная форсунка по любому из пп. 1-2, 4-6, отличающаяся тем, что осевое позиционирование внутренней трубы (5) по отношению к внешней трубе (6) осуществляется с помощью резьбового трубного соединения (21).

8. Горелка, имеющая по меньшей мере одну топливную форсунку (2) по любому из пп. 1-7.

9. Горелка по п. 8, отличающаяся тем, что она является реактивной горелкой.

10. Газовая турбина с камерой сгорания (3), имеющая по меньшей мере одну горелку по п. 8 или 9.