Топливная форсунка с изолирующей воздушной завесой
Топливная форсунка для газотурбинного двигателя, содержит корпус, ствол, окружающий ствол кольцевой кожух и изолирующую воздушную завесу. Корпус имеет первый и второй участки, расположенные вдоль продольной оси. Второй участок корпуса соединен с камерой сгорания газотурбинного двигателя. В корпусе выполнен канал для жидкого топлива, кольцеобразно размещенный вокруг продольной оси. Ствол расположен продольно от первого участка корпуса до третьего участка, при этом ствол включает трубу для жидкого топлива для доставки жидкого топлива к топливной форсунке. Окружающий ствол кольцевой кожух расположен вдоль продольной оси от первого участка до третьего участка. Изолирующая воздушная завеса образована внутри между кожухом и стволом и содержит слой воздуха. Изобретение направлено на предотвращение коксования жидкого топлива. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится, в основном, к топливной форсунке для газотурбинного двигателя и, в частности, к топливной форсунке газовой турбины с изолирующей воздушной завесой.
Уровень техники
Газотурбинный двигатель вырабатывает мощность посредством преобразования энергии потока горячего газа, созданного при сгорании топлива в потоке сжатого воздуха. Вообще, турбинные двигатели имеют расположенный впереди воздушный компрессор, соединенный с расположенной позади турбиной, и камеру сгорания, расположенную между ними. Энергия высвобождается, когда смесь сжатого воздуха и топлива воспламеняется в камере сгорания. Образующиеся в результате горячие газы направляются на лопатки турбины, раскручивая ее, за счет чего вырабатывается механическая энергия. В типичных турбинных двигателях одна или более топливных форсунок направляет определенный тип жидкого или газообразного углеводородного топлива (такого как дизельное топливо или природный газ) в камеру сгорания для сжигания. В некоторых вариантах конструкции топливные форсунки сконструированы таким образом, чтобы направлять как жидкое, так и газообразное топливо в камеру сгорания. В этих вариантах конструкции турбинный двигатель может работать на одном топливе в качестве основного и на другом топливе, используемом в период отсутствия основного топлива. Например, некоторые газотурбинные двигатели могут нормально работать с использованием природного газа в качестве топлива. В этих турбинных двигателях дизельное топливо может быть использовано в период отсутствия природного газа. Топливо смешивается со сжатым воздухом (из воздушного компрессора) в топливной форсунке и подается в камеру сгорания для сжигания. Этот сжатый воздух, температура которого может превышать 425°С, окружает участки топливной форсунки и создает горячую окружающую среду для топливной форсунки. При сжигании топлива в камере сгорания создаются горячие газы с температурой, превышающей 10000°С, которые могут нагревать окружающие поверхности. Тепло, выделяющееся благодаря сгоранию, может также нагревать топливные форсунки, которые соединены с камерой сгорания.
Топливные форсунки включают топливные магистрали и топливные каналы, которые используются для того, чтобы направлять топливо по топливным форсункам и доставлять его к камере сгорания. В топливной форсунке, которая выполнена для доставки как жидкого, так и газообразного топлива к камере сгорания, разные топливные магистрали доставляют жидкое и газообразное топливо к топливной форсунке. Когда турбинный двигатель работает на газообразном топливе, жидкое топливо может находиться в топливных магистралях и каналах. В некоторых вариантах конструкции жидкое топливо может выдуваться из топливных магистралей и каналов. Однако даже в этих вариантах конструкции жидкое топливо может присутствовать как покрывающий слой на продутых магистралях и каналах. В процессе эксплуатации топливной форсунки жидкое топливо в магистралях для жидкого топлива и каналах может подвергаться температуре окружающей среды в диапазоне от около 260°С до 426,7°С, а температура поверхности форсунки может достигать от около 540°С до около 1000°С. Эта высокая температура может приводить к коксованию жидкого топлива в магистралях и каналах. Со временем кокс может осаждаться на магистралях и каналах и приводить к ограничению потока и неработоспособности двигателя.
В патенте США 7117675, опубликованном Kaplan и др. 10 октября 2006 г., описывается устройство охлаждения элементов с жидким топливом в газотурбинном двигателе с целью предотвращения коксования. В устройстве согласно патенту №7117675 элемент с жидким топливом окружает рукав и устройство используется для того, чтобы доставить поток охлаждающего воздуха в пространство между элементом с жидким топливом и рукавом. В устройстве охлаждения согласно патенту №7117675 рукав, окружающий элемент с жидким топливом, включает множество распорных деталей для центрирования рукава вокруг элемента с жидким топливом, чтобы создать кольцевое пространство между рукавом и элементом с жидким топливом, через которое протекает поток охлаждающего воздуха. Поток охлаждающего воздуха, который используется для охлаждения элемента с жидким топливом, направляется к кольцевому пространству по трубопроводу, соединяющему устройство охлаждения воздухом с рукавом. Хотя охлаждающее устройство согласно патенту №7117675 может предотвратить коксование жидкого топлива в элементе с жидким топливом, оно имеет некоторые недостатки. К примеру, использование устройства охлаждения воздухом для того, чтобы продуть охлаждающий воздух вокруг элемента с жидким топливом, может увеличить конструктивные сложности и стоимость эксплуатации турбинного двигателя. Кроме того, использование отдельных рукавов, чтобы создать кольцевое пространство вокруг каждого элемента с жидким топливом, может привести к конструктивным сложностям в условиях ограниченного пространства.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним аспектом изобретения представлена топливная форсунка для газотурбинного двигателя. Топливная форсунка включает корпус форсунки, расположенный от первого участка до второго участка вдоль продольной оси. Второй участок корпуса присоединен к камере сгорания турбинного двигателя и включает канал для жидкого топлива, кольцеобразно размещенный вокруг продольной оси. Топливная форсунка также включает ствол, расположенный продольно от первого участка корпуса до третьего участка. Ствол включает трубу для жидкого топлива для доставки жидкого топлива к топливной форсунке. Топливная форсунка также включает кольцевой кожух, расположенный вдоль продольной оси от первого участка до третьего участка, и окружающий ствол. Топливная форсунка, кроме того, включает изолирующую воздушную завесу, сформированную внутри кожуха. Воздушная завеса включает слой воздуха между кожухом и стволом.
В соответствии с другим аспектом изобретения, раскрыт способ работы газотурбинного двигателя. Способ включает доставку жидкого топлива к камере сгорания газотурбинного двигателя через один или более элементов для транспортировки жидкого топлива топливной форсунки, присоединенной к камере сгорания, и сжигание жидкого топлива в камере сгорания. Способ также включает создание изолирующей воздушной завесы вокруг одного или более элементов для транспортировки жидкого топлива и формирование вихревых воздушных потоков в изолирующей воздушной завесе в процессе горения. Вихревые воздушные потоки удаляют нагретый воздух из изолирующей воздушной завесы и затягивают охлаждающий воздух в изолирующую воздушную завесу. Способ, кроме того, включает поддержание температуры одного или более элементов для транспортировки жидкого топлива ниже пороговой температуры в результате формирования вихревых воздушных потоков.
В соответствии с еще другим аспектом изобретения, раскрыт способ монтажа топливной форсунки на газотурбинном двигателе. Способ включает присоединение второго участка корпуса форсунки к камере сгорания турбинного двигателя. Корпус расположен от первого участка до второго участка вдоль продольной оси и включает ствол, который расположен продольно от первого участка корпуса до третьего участка. Ствол включает трубу для жидкого топлива, сформированную, чтобы доставлять жидкое топливо к топливной форсунке. Способ также включает присоединение кольцевого кожуха к корпусу на первом участке. Кожух расположен вдоль продольной оси от первого участка до третьего участка и окружает ствол, чтобы сформировать изолирующую воздушную завесу внутри кожуха. Воздушная завеса включает слой воздуха между кожухом и стволом. Способ, кроме того, включает присоединение кольцевого кожуха к внешней оболочке газотурбинного двигателя на третьем участке для того, чтобы сформировать пространство сжатого воздуха вне кожуха. Кожух предотвращает поток воздуха между пространством сжатого воздуха и воздушной завесой.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано устройство газотурбинного двигателя.
На фиг.2 представлен вид в сечении топливной форсунки, газотурбинного двигателя, показанного на фиг.1.
На фиг.3А и 3В показаны виды в сечении, соответственно, первого и второго участков топливной форсунки, показанной на фиг.2; и
На фиг.4 представлен вид в сечении кожуха топливной форсунки, показанной на фиг.2.
Раскрытие изобретения
На фиг.1 показан вид в разрезе газотурбинного двигателя (турбинного двигателя) 100. Турбинный двигатель 100 может иметь наряду с другими устройствами компрессорную часть 10, камеру сгорания 20, турбинную часть 70 и систему выпуска 90. Компрессорная часть 10 сжимает входящий воздух до высокого давления, в камере сгорания 20 сжатый воздух смешивается с топливом и полученная смесь сжигается для создания высокоскоростного потока газа высокого давления, а турбинная часть 70 преобразует энергию высокоскоростного газа потока высокого давления, вытекающего из камеры сгорания 20.
Компрессорная часть 10 может включать любое устройство, способное сжимать воздух. В некоторых вариантах конструкции она может включать осевой компрессор, который создает непрерывный поток сжатого воздуха. Осевой компрессор может содержать вращающиеся и неподвижные элементы, которые взаимодействуют так, чтобы сжать воздух до требуемого давления. Центральный вал 12, размещенный вдоль продольной оси 88, приводит во вращение центральный ротор 14 компрессорной части 10. Центральный ротор 14 имеет аэродинамические поверхности 16, расположенные на нем рядами вдоль продольной оси 88. Эти аэродинамические поверхности 16 вращаются между аналогичными рядами неподвижных аэродинамических поверхностей 16, установленных в неподвижном трубчатом корпусе компрессорной части 10. Обычно вращающиеся аэродинамические поверхности 16 называют «роторами» и неподвижные аэродинамические поверхности 16 называют «статорами». Атмосферный воздух входит в компрессорную установку 10 и проходит через эти аэродинамические поверхности 16. Так как воздух проходит через аэродинамические поверхности 16, то он сжимается и его давление возрастает. Наряду с увеличением давления сжатый воздух за аэродинамическими поверхностями 16 имеет высокую температуру. Воздух высокого давления и высокой температуры вытекает из компрессорной части 10 через выпускной канал 18. Пара вращающихся и неподвижных аэродинамических поверхностей называется ступенью. В общем, давление и температура воздуха, покидающего выпускной канал 18, могут зависеть, наряду с прочим, от количества ступеней компрессорной части 10. В некоторых вариантах конструкции давление и температура воздуха, покидающего компрессорную часть 10, может превышать 1,4 МПа и 425°С, соответственно.
Камера сгорания 20 соединена с выпускным каналом 18 компрессорной части 10. Камера сгорания 20 содержит кольцевую камеру 50, размещенную вдоль продольной оси 88. В некоторых вариантах конструкции камера сгорания 20 может содержать несколько цилиндрических камер сгорания (называемых камерами сгорания трубчатого типа), расположенных в концентрично продольной оси 88. В некоторых вариантах конструкции камера сгорания 20 может являться гибридом кольцевых камер сгорания и камер сгорания трубчатого типа (камеры сгорания комбинированного типа). Несмотря на то, что на фиг.1 изображена кольцевая камера сгорания, топливная форсунка с изолирующей воздушной завесой, раскрытая в изобретении, может быть применима для любого типа камер сгорания. Выпускной канал 18 компрессорной части 10 направляет сжатый воздух в камеру 22, образованную внешней оболочкой 24 вокруг центрального вала 12. Сжатый воздух из камеры 22 направляется к одной или более топливных форсунок 30, связанных с камерой 50 и расположенных кольцеобразно вокруг продольной оси 88.
На фиг.2 показан вид в сечении топливной форсунки 30, связанной с камерой 50. Топливная форсунка 30 может быть размещена в камере 22, при этом первым участком 45 она соединена с камерой 50, а вторым участком 35 соединена с внешней оболочкой 24. Сжатый воздух высокого давления и высокой температуры, выходящий из компрессорной части 10, окружает топливную форсунку 30 в камере 22. В некоторых случаях температура сжатого воздуха в камере 22 может превышать 425°С. Этот высокотемпературный сжатый воздух нагревает внешние поверхности топливной форсунки 30.
В камере 22 сжатый воздух может быть направлен в топливную форсунку 30 через завихритель 42 воздуха. Завихритель 42 воздуха может включать множество прямых или изогнутых лопаток, закрепленных на корпусе 30а топливной форсунки 30 для завихрения потока входящего сжатого воздуха. Количество лопаток в завихрителе 42 воздуха может меняться в зависимости от особенностей применения. Несмотря на то, что показанный на фиг.2 завихритель 42 воздуха является радиальным завихрителем, вообще, завихритель 42 воздуха может быть радиальной или осевой конфигурации. Радиальный завихритель является завихрителем воздуха, в котором сжатый воздух из компрессорной части 10 может быть направлен к изогнутым лопаткам радиально, тогда как осевой завихритель является завихрителем воздуха, в котором сжатый воздух может быть направлен к изогнутым лопаткам в осевом направлении.
Множество жиклеров 58 для жидкого топлива, расположенных в корпусе 30а, впрыскивают топливо в поток завихренного воздуха, выходящего из завихрителя 42 воздуха. Жиклеры 58 для жидкого топлива размещены впереди завихрителя 42 воздуха, как изображено на фиг.2, но в других вариантах осуществления изобретения эти жиклеры 58 для жидкого топлива могут иметь форму малых трубок, закрепленных на завихрителе 42 воздуха. Топливная форсунка 30 может также содержать газовые каналы (не показаны) для доставки газообразного топлива к камере 50. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти газовые каналы могут быть выполнены в виде малых отверстий, расположенных на завихрителе 42 воздуха. Когда турбинный двигатель 100 работает с использованием газообразного топлива, оно может впрыскиваться в поток завихренного воздуха через эти газовые каналы. Завихрение входящего воздуха в топливной форсунке 30, при использовании завихрителя 42 воздуха, смешивает топливо со сжатым воздухом и доставляет предварительно смешанную смесь топлива и воздуха к камере 50. Эта предварительно смешанная смесь топливо - воздух может быть доставлена к камере 50 через гильзу 32 для предварительного смешивания, размещенной в топливной форсунке 30, присоединяемой к камере 50.
Топливная форсунка 30 может также включать выпрыскивающее устройство 40, размещенное радиально внутри гильзы 32 для предварительного смешивания. В некоторых вариантах осуществления изобретения выпрыскивающее устройство 40 и гильза 32 для предварительного смешивания могут быть ориентированы вдоль второй продольной оси 98 топливной форсунки 30. Выпрыскивающее устройство 40 включает элементы, обеспечивающие впрыск топлива в камеру 50 под давлением. В вариантах конструкции топливной форсунки 30 она выполнена так, чтобы доставлять как жидкое, так и газообразное топливо к камере 50, причем выпрыскивающее устройство 40 может обеспечивать впрыск в камеру 50 под давлением как жидкого, так и газообразного топлива. Выпрыскивающее устройство 40 содержит также элементы, обеспечивающие доставку потока сжатого воздуха наряду с топливом под давлением в камеру 50. Кроме того, детали завихрителя (не показаны) могут также быть расположены внутри выпрыскивающего устройства 40, чтобы завихрять сжатый воздух, доставляемый к выпрыскивающему устройству 40.
Камера 50 включает устройство зажигания (не показано), такое как факельный воспламенитель для воспламенения топлива. Предварительно смешанная смесь топливо - воздух, доставленная через гильзу 32, и поток топлива и воздуха под давлением, доставленный посредством выпрыскивающего устройства 40, воспламеняется в камере 50, образуя горящие факелы. Как только произошло зажигание, непрерывный поток топлива, доставленный посредством топливной форсунки 30, поддерживает пламя. Средняя температура пламени может, в некоторых случаях, превышать 1000°С. Пламя нагревает поверхность камеры 50 и первый участок 45 топливной форсунки 30, ближайший к пламени. Это тепло передается к относительно более холодным областям топливной форсунки 30 обычным способ теплопередачи (такими, как проводимость, конвекция и излучение). Поток охлаждающего воздуха может протекать через пространство между многочисленными стенками (не показано) камеры 50 для поддержания на поверхности камеры сгорания безопасной рабочей температуры.
Топливная форсунка 30 включает каналы подачи топлива. Эти каналы формируют ствол 34, расположенный продольно от второго участка 35 вдоль второй продольной оси 98. Ствол 34 включает магистральную газовую трубу 48, направляющую газовую трубу, магистральную трубу 54 для жидкого топлива и направляющую трубу 44 для жидкого топлива. Предполагается, что в некоторых вариантах осуществления изобретения ствол 34 может включать больше или меньше каналов, чем упомянуто выше. В некоторых вариантах осуществления изобретения ствол 34 может пролегать вдоль второй продольной оси 98 от второго участка 35 к корпусу 30а. Магистральная газовая труба 48 подает газообразное топливо от коллектора газообразного топлива (не показан) к магистральному газовому каналу 52 в корпусе 30а топливной форсунки. Магистральный газовый канал 52, кольцеобразно расположенный вокруг второй продольной оси 98, подает газообразное топливо к завихренному воздушному потоку в гильзе 32 для предварительного смешивания. Магистральный газовый канал 52 может также подавать газообразное топливо к выпрыскивающему устройству 40. В некоторых вариантах осуществления изобретения отдельная направляющая газовая труба, включенная в ствол 34, может подавать газообразное топливо к выпрыскивающему устройству 40.
Труба 54 для жидкого топлива подает жидкое топливо от системы топливоподачи жидкого топлива (не показана) к магистральному каналу 56 в корпусе 30а. Магистральный канал 56 для жидкого топлива может включать кольцевой канал, охватывающий вторую продольную ось 98. Магистральный канал 56 для жидкого топлива соединен с жиклером 58 для жидкого топлива и доставляет жидкое топливо к потоку завихренного воздуха в гильзе 32 для предварительного смешивания, чтобы создать предварительно смешанную смесь топливо - воздух.
Направляющая труба 44 для жидкого топлива может направлять жидкое топливо от внешней части топливной форсунки 30 к впрыскивающему устройству 40. Направляющая труба 44 для жидкого топлива может быть удлинена и пролегать от второго участка 35 к первому участку 45 вдоль второй продольной оси 98. Жидкое топливо, доставленное к выпрыскивающему устройству 40 через направляющую трубу 44 для жидкого топлива, распыляется в камере 50 посредством жиклера, соединенного с первым участком 45 направляющей трубы 44. Сжатый воздух также поступает в камеру 50 вдоль факела распыла топлива через отверстия вокруг направляющей трубы 44 для жидкого топлива. Это распыленное жидкое топливо и сжатый воздух формирует поток топлива и воздуха под давлением, который доставляется к камере 50 через выпрыскивающее устройство 40.
Тепло, передающееся от горящего пламени (в камере 50) и сжатого воздуха (в камере 22) к относительно более холодным областям топливной форсунки 30 нагревает элементы для транспортировки жидкого топлива топливной форсунки 30. Термин «элементы для транспортировки жидкого топлива», в общем, используется, чтобы охватить любой элемент топливной форсунки 30, который сформирован для доставки жидкого топлива к камере 50. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти элементы для транспортировки жидкого топлива могут включать трубу 54 для жидкого топлива, магистральный канал 56 для жидкого топлива, жиклер 58 для жидкого топлива и направляющую трубу 44 для жидкого топлива. Предполагается, что в некоторых вариантах осуществления изобретения элементы для транспортировки жидкого топлива могут включать дополнительные элементы для транспортировки жидкого топлива или не все вышеупомянутые элементы для транспортировки жидкого топлива. Может быть желательным поддержание температуры некоторых (или всех) из этих элементов для транспортировки жидкого топлива ниже пороговой температуры во время работы турбинного двигателя 100. В общем, эта пороговая температура может иметь любое значение. В некоторых вариантах конструкции пороговая температура может составлять около 200°С. Поддержание температуры элементов для транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже может предотвратить коксование жидкого топлива в элементах для него.
К топливной форсунке 30 присоединен кожух 72 для образования изолирующей воздушной завесы 74 вокруг элементов для транспортировки жидкого топлива, чтобы поддержать их температуру около 200°С и ниже. Кожух 72 расположен продольно от второго участка 35 топливной форсунки 30 до третьего участка 65, ближайшего к завихрителю 42 воздуха. Кожух 72 присоединен к корпусу 30а на третьем участке 65 и к круглому диску 62 на втором участке 35. В некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 72 может быть припаян к корпусу 30а на третьем участке 35. Однако также возможны и другие способы присоединения кожуха 72 к корпусу 30а. На фиг.3А и 3В показаны сечения топливной форсунки 30 на третьем участке 65 и втором участке 35, соответственно. В нижеследующем описании будет сделана ссылка как на фиг.3А, так и на фиг.3В. Диск 62 присоединен к стволу 34 и включает проходное отверстие для ствола 34. Воздушные зазоры 76 (показаны на фиг.3В) образованы между стволом 34 и диском 62. Эти воздушные зазоры 76 вентилируют изолирующую воздушную завесу 74 в атмосферу вне внешней оболочки 24.
Изолирующая воздушная завеса 74 образована пространством, ограниченным кожухом 72 и стволом 34 топливной форсунки 30. Изолирующая воздушная завеса 74 содержит слой воздуха, который защищает элементы транспортировки жидкого топлива от температуры камеры 50 и температуры сжатого воздуха в камере 22. Воздух в изолирующей воздушной завесе 74 нагревается теплом, передающимся от камеры 50 и камеры 22. Нагретый воздух вблизи третьего участка 65 может взаимодействовать с охлаждающим воздухом в направлении второго участка 35. Взаимодействие нагретого воздуха с охлаждающим воздухом может создавать естественные вихревые потоки внутри пространства. Эти вихревые потоки могут давать возможность нагретому воздуху в пространстве вытекать через воздушный зазор 76. Эти вихревые потоки могут также затягивать охлаждающий воздух из атмосферного воздуха (из атмосферы вне внешнего кожуха 24) в изолирующую воздушную завесу 74 через воздушный зазор 76. Вихревые потоки могут поддерживать воздух в изолирующей воздушной завесе 74 относительно холодным и поддерживать температуру элементов для транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже.
На фиг.4 показан в качестве примера вид в сечении кожуха 72. Кожух 72 может быть изготовлена из любого материала, который будет выдерживать температуры и напряжения, создаваемые во время работы турбинного двигателя 100. В некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 72 может быть изготовлен из нержавеющей стали, такой как, например, нержавеющая сталь 316L. Кожух 72 образует изолирующую воздушную завесу 74 по существу для всех элементов транспортировки жидкого топлива. Несмотря на то, что размер и форма кожуха 72 зависят от особенностей применения, в некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 72 может иметь длину 82 от около 22,9 до 25,9 см. Кожух 72 имеет, в основном, трубчатую форму диаметром 84 на втором участке 35 и диаметром 86 на третьем участке 65, соответственно. Между вторым участком 35 и третьим участком 65 кожух 72 имеет диаметр 92 меньший, чем диаметр 84 и диаметр 86. Несмотря на то, что эти диаметры зависят от особенностей применения, в некоторых вариантах осуществления изобретения кожух 72 может иметь диаметр 84 от около 8,9 до 11,4 см, диаметр 86 от около 10,2 до 12,7 см и диаметр 92 от около 3,8 до около 6,4 см. Такая форма кожуха 72 обеспечивает изолирующую воздушную завесу 74, где могут быть созданы вихревые потоки, чтобы поддерживать температуру элементов для транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже, наряду с этим уменьшается общий размер кожуха 72.
Кожух 72 включает фланцевый участок 78 на втором участке 35 топливной форсунки 30. Фланцевый участок 78 располагается практически перпендикулярно второй продольной оси 98. В некоторых вариантах осуществления изобретения фланцевый участок 78 может содержать отверстия 78А для крепежных деталей, расположенные кольцеобразно вокруг второй продольной оси 98. Фланцевый участок 78 используется для соединения топливной форсунки 30 внешней оболочкой 24 турбинного двигателя 100 (показан на фиг.2). В некоторых вариантах осуществления изобретения крепежные детали (не показаны), проходящие через отверстия 78А для крепежных деталей на фланцевом участке 78 могут быть использованы для крепления топливной форсунки 30 к внешней оболочке 24. Нагрузки на конструкцию от топливной форсунки 30 могут передаваться внешней оболочке 24 главным образом через кожух 72. Хотя в вариантах осуществления изобретения, описанных здесь в качестве примера, изолирующая воздушная завеса 74 образована для поддержания температуры элементов для транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже, в общем, изолирующая воздушная завеса согласно настоящему описанию изобретения может быть образована для поддержания температуры любого элемента топливной форсунки турбинного двигателя ниже любой пороговой температуры.
Промышленная применимость
Раскрытая в изобретении топливная форсунка газовой турбины с изолирующей воздушной завесой может быть применена для любого турбинного двигателя, где требуется поддерживать температуру выбранных областей топливной форсунки ниже заданной. Согласно изобретению в одном варианте конструкции топливной форсунки для доставки жидкого топлива к турбинному двигателю, изолирующая воздушная завеса может быть использована для поддержания температуры всех или выбранных элементов для транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже и, тем самым, для предотвращения коксования жидкого топлива. Далее будет описана работа газотурбинного двигателя с топливной форсункой, имеющей элементы для транспортировки жидкого топлива, поддерживаемые при температуре около 200°С и ниже.
Во время работы турбинного двигателя 100 воздух затягивается в турбинный двигатель 100 и сжимается в компрессорной части 10 (см. фиг.1). Сжатие воздуха может повысить температуру сжатого воздуха до около 425°С. Сжатый воздух направляется к камере 22 турбинного двигателя 100. Горячий сжатый воздух в камере 22 нагревает топливную форсунку 30, размещенную в камере 22. Сжатый воздух из камеры 22 направляется к камере 50 камеры сгорания 20 через топливную форсунку 30. Топливо смешивается со сжатым воздухом, когда он протекает через топливную форсунку 30 в камеру 50. Смесь топливо - воздух воспламеняется в камере сгорания до температуры около 1200°С.
Кожух 72 соединен с топливной форсункой 30 для защиты элементов транспортировки жидкого топлива (трубы 54 для жидкого топлива, магистрального канала 56 для жидкого топлива, жиклера 58 для жидкого топлива и направляющей трубы 44 для жидкого топлива, показанных на фиг.2) топливной форсунки 30 от тепла в результате горения в камере 22. Кожух 72 соединятся с корпусом 30а топливной форсунки 30 для образования изолирующей воздушной завесы 74 вокруг элементов транспортировки жидкого топлива. Воздух в изолирующей воздушной завесе 74 вблизи третьего участка 65 может нагреваться при горении смеси топливо - воздух в камере сгорания. Этот нагретый воздух в изолирующей воздушной завесе взаимодействует с охлаждающим воздухом вблизи второго участка 35 и создает вихревые потоки в изолирующей воздушной завесе 74. Эти вихревые потоки вытесняют горячий воздух из изолирующей воздушной завесы 74 и затягивают охлаждающий воздух в изолирующую воздушную завесу 74, чтобы поддержать температуру элементов для транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже.
Создание изолирующей воздушной завесы вокруг элементов транспортировки жидкого топлива топливной форсунки дает возможность поддерживать температуру этих элементов около 200°С и ниже и, тем самым, предотвращать коксование. Хотя температура областей в непосредственной близости от элементов для транспортировки жидкого топлива может быть значительно более высокой, изолирующая воздушная завеса поддерживает элементы транспортировки жидкого топлива относительно холодными. Поскольку охлаждение элементов транспортировки жидкого топлива происходит естественным путем благодаря воздуху внутри изолирующей воздушной завесы (т.е. без помощи внешних средств перемещения воздуха), затраты, связанные с предотвращением коксообразования в элементах транспортировки жидкого топлива в турбинном двигателе, могут быть низкими. Кроме того, кожух, который создает изолирующую воздушную завесу, может быть сконструирован таким образом, чтобы отвечать требованиям по размещению топливных форсунок 30.
Для специалистов в данной области очевидно, что различные модификации и изменения могут быть выполнены в раскрытой в изобретении топливной форсунке с изолирующей воздушной завесой. Другие варианты осуществления изобретения будут очевидны специалистам в данной области из рассмотрения описания и практики применения раскрытой в изобретении топливной форсунки с изолирующей воздушной завесой. Подразумевается, что описание и примеры следует рассматривать только как иллюстративные в рамках соответствующего объема изобретения, определенного в нижеследующих пунктах формулы изобретения и их эквивалентах.
1. Топливная форсунка для газотурбинного двигателя, содержащая:
корпус, имеющий первый и второй участки, расположенные вдоль продольной оси, причем второй участок корпуса соединен с камерой сгорания газотурбинного двигателя, при этом в корпусе выполнен канал для жидкого топлива, кольцеобразно размещенный вокруг продольной оси;
ствол, расположенный продольно от первого участка корпуса до третьего участка, при этом ствол включает трубу для жидкого топлива для доставки жидкого топлива к топливной форсунке;
окружающий ствол кольцевой кожух, расположенный вдоль продольной оси от первого участка до третьего участка; и
изолирующую воздушную завесу, образованную внутри между кожухом и стволом, содержащую слой воздуха.
2. Топливная форсунка по п.1, содержащая диск, соединенный с кожухом на третьем участке с образованием воздушных зазоров между стволом и диском, при этом кожух содержит на третьем участке расположенный радиально фланец для соединения с внешней оболочкой газотурбинного двигателя.
3. Топливная форсунка по п.1, характеризующаяся тем, что кожух соединен с внешней оболочкой газотурбинного двигателя с образованием вне кожуха пространства для сжатого воздуха, при этом кожух практически предотвращает поток воздуха между пространством для сжатого воздуха и воздушной завесой.
4. Топливная форсунка по п.3, характеризующаяся тем, что воздушные зазоры между кожухом и стволом сообщают воздушную завесу со стороной внешней оболочки, противоположной пространству для сжатого воздуха.
5. Топливная форсунка по п.1, характеризующаяся тем, что кожух имеет, в основном, трубчатую форму, имеющую первый диаметр на третьем участке, второй диаметр на первом участке и третий диаметр между первым и третьим участками, причем третий диаметр меньше первого диаметра и второго диаметра.
6. Топливная форсунка по п.5, характеризующаяся тем, что длина кожуха между первым участком и третьим участком составляет от около 22,9 см до около 25,4 см, первый диаметр составляет от около 8,9 см до около 11,4 см, второй диаметр от около 10,2 см до около 12,7 см и третий диаметр от около 3,8 см до около 6,4 см.
7. Способ работы газотурбинного двигателя, включающий:
доставку жидкого топлива к камере сгорания турбинного двигателя через один или более элементов транспортировки жидкого топлива в топливной форсунке, связанной с камерой сгорания;
сжигание жидкого топлива в камере сгорания;
создание изолирующей воздушной завесы вокруг одного или более элементов для транспортировки жидкого топлива;
создание вихревых воздушных потоков в изолирующей воздушной завесе вследствие горения, причем вихревые воздушные потоки вытесняют нагретый воздух из изолирующей воздушной завесы и затягивают охлаждающий воздух в изолирующую воздушную завесу; и
поддержание температуры одного или более элементов для транспортировки жидкого топлива ниже пороговой температуры в результате создания вихревых воздушных потоков.
8. Способ работы по п.7, характеризующийся тем, что образование изолирующей воздушной завесы осуществляют путем снабжения топливной форсунки изолирующим кожухом и доставляют жидкое топливо по топливной форсунке посредством трубы для жидкого топлива, связанной с топливной форсункой.
9. Способ по п.8, характеризующийся тем, что вытеснение нагретого воздуха из изолирующей воздушной завесы осуществляют через один или более воздушных зазоров между изолирующим кожухом и трубой для жидкого топлива, а затягивание охлаждающего воздуха в изолирующую воздушную завесу осуществляют через воздушные зазоры.
10. Способ по п.7, характеризующийся тем, что образование изолирующей воздушной завесы осуществляют между одним или более элементов для транспортировки жидкого топлива и камерой, содержащей сжатый воздух, и поддержание температуры осуществляют, по меньшей мере, для одного из элементов транспортировки жидкого топлива около 200°С и ниже.
