Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением

Авторы патента:


Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением
Завихритель, камера сгорания и газовая турбина с улучшенным завихрением

 


Владельцы патента RU 2509957:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Завихритель для смешивания топлива и воздуха содержит множество лопастей, расположенных радиально вокруг центральной оси завихрителя, множество смешивающих каналов для смешивания топлива и воздуха. По меньшей мере, один смешивающий канал из множества смешивающих каналов задан противоположными стенками двух соседних лопастей из множества лопастей и содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива, размещенное в секции выше по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала, и содержит осевой завихритель. Завихритель, в частности, проходит между стенками двух соседних лопастей и размещен в секции ниже по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала. Изобретение направлено на улучшение смешивания топлива с воздухом посредством предоставления гомогенной топливо-воздушной смеси при различных нагрузках газовой турбины. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к завихрителю, в частности, газовой турбины, и улучшениям для дальнейшего уменьшения загрязнителей воздуха, таких как оксиды азота (NOx).

Уровень техники изобретения

В камере сгорания газовой турбины топливо сжигается, чтобы производить горячие выхлопные газы с повышенным давлением, которые затем подаются в ступень турбины, где они, во время расширения и охлаждения, передают момент лопастям турбины, таким образом, задавая вращательное движение ротора турбины. Механическая энергия ротора турбины затем может быть использована, чтобы приводить генератор для производства электрической энергии, или чтобы приводить в движение машину. Однако, сгорание топлива ведет к множеству нежелательных загрязняющих веществ в выхлопном газе, которые могут наносить вред окружающей среде. Следовательно, предпринимаются значительные усилия, чтобы удерживать загрязняющие вещества настолько низкими, насколько возможно. Одним видом загрязняющего вещества является оксид азота (NOx). Степень образования оксида азота экспоненциально зависит от температуры пламени сгорания. Следовательно, предпринимается попытка уменьшить температуру над пламенем сгорания для того, чтобы удерживать образование оксида азота настолько низким, насколько возможно.

Существуют два основных способа, посредством которых достижимо уменьшение температуры пламени сгорания. Первым является использование обедненного стехиометрического состава с мелкодисперсным распределением топлива в воздухе, образование воздушно-топливной смеси с низкой долей топлива. Относительно небольшая доля топлива ведет к пламени сгорания с низкой температурой. Вторым способом является обеспечение полного смешивания топлива и воздуха перед тем, как происходит сгорание. Чем лучше смешивание, тем более однообразно распределенное топливо находится в зоне сгорания, и существует меньше областей, где концентрация топлива значительно выше, чем средняя. Это помогает предотвращать возникновение горячих точек в зоне сгорания, которые будут возникать из локальных максимумов в соотношении компонентов топливно-воздушной смеси. С высокой локальной концентрацией топливо/воздух температура будет расти в этой локальной области и, таким образом, как результат, также и NOx в выхлопном газе.

Современные газотурбинные двигатели, следовательно, используют концепцию предварительного смешивания воздуха и топлива в обедненный стехиометрический состав перед сгоранием топливно-воздушной смеси. Обычно, предварительное смешивание происходит посредством впрыска топлива в воздушный поток в зоне завихрения камеры сгорания, которая располагается выше по потоку от зоны сгорания. Завихрение приводит к смешиванию топлива и воздуха, прежде чем смесь поступает в зону сгорания.

GB 2334087 A обращается к конкретной проблеме улучшения соотношения топлива к воздуху во время запуска "экономичной" камеры сгорания. Камера сгорания содержит завихритель, по меньшей мере, с одним ограничителем, чтобы ограничивать поток жидкости или газа через камеру сгорания. Предпочтительно, ограничитель может быть смещен или переключен между ограничивающей и неограничивающей позициями в зависимости от давления воздушного потока. Это может оптимизировать топливно-воздушную смесь. С другой стороны, ограничители могут вызывать мертвые зоны, в которых воздушный поток неустойчив и инертен с вероятностью возникновения обратных вспышек.

Из патента США US 6192669 BI известно о размещении множества топливных форсунок, функционально соединенных друг с другом, таким образом, что закрученный поток инициируется в общей камере сгорания, что гарантирует устойчивость передней границы пламени. Это полезно, поскольку это может снижать выбросы загрязняющих веществ, например, NOx при неполной нагрузке.

Патентная заявка США US 2006/0257807 A1 раскрывает камеру сгорания с завихрителем. Трубки для кругового смешивания могут применяться к завихрителю радиального типа. Это полезно по причине отсутствия углов, где избыточное топливо может задерживаться.

Относительно упомянутого состояния уровня техники целью изобретения является предоставление завихрителя, в частности, завихрителя в камере сгорания газовой турбины, камеры сгорания, оборудованной таким завихрителем, и газовой турбины, имеющей множество таких камер сгорания, так что смешивание топлива и воздуха в области завихрения улучшается посредством предоставления гомогенной топливно-воздушной смеси, в частности, при всех возможных нагрузках газовой турбины.

Сущность изобретения

Эта цель достигается посредством независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают полезные усовершенствования и модификации изобретения.

В соответствии с изобретением предоставляется завихритель для смешивания топлива и воздуха, содержащий множество лопастей, расположенных радиально вокруг центральной оси завихрителя, и содержащий множество смешивающих каналов для смешивания топлива и воздуха. По меньшей мере, один смешивающий канал из множества смешивающих каналов определяется противоположными стенками двух соседних лопастей из множества лопастей. По меньшей мере, один из множества смешивающих каналов содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива, расположенное в секциях выше по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала, и содержит осевой завихритель, расположенный в секции ниже по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала.

Кроме того, изобретение также направлено на компоненты, содержащие такой завихритель, в частности, на камеру сгорания газовой турбины. Кроме того, изобретение также направлено на газовую турбину, содержащую, по меньшей мере, одну из таких камер сгорания.

Изобретенный завихритель является полезным, поскольку осевой завихритель обеспечивает дополнительное завихрение, так что топливно-воздушная смесь является более гомогенной.

Преимущественно, множество аэродинамических профилей завихрителя могут быть выполнены с возможностью обеспечения отдельно вращающегося воздушного потока смешивающего канала, по меньшей мере, для одного из множества смешивающих каналов.

В частности, множество лопастей могут быть сконфигурированы таким образом, что смешанная воздушно-топливная смесь создает завихрение вокруг центральной оси завихрителя. Осевой завихритель предпочтительно обеспечивает вращательное движение вокруг поперечной оси смешивающего канала, к которому применяется осевой завихритель. В результате, для каждого смешивающего канала такая вращающаяся топливно-воздушная смесь поступает по радиусу во внутреннюю часть завихрителя, в котором инициируется вращение вокруг оси завихрителя. Таким образом, несколько топливно-воздушных потоков с вращательным движением - созданных посредством осевых завихрителей - с поперечным движением в направлении смешивающих каналов, становятся дополнительно смешанными посредством завихрителя, приводя в результате общим к вращательному движению вдоль центральной оси завихрителя. Это дает в результате улучшенную топливно-воздушную смесь.

Смешивающий канал - это канал для топлива и воздуха. Направление этого канала определяется ориентацией двух соседних противоположных стенок. Предпочтительно, ориентацией стенок таким способом, что - также игнорируя влияние осевых завихрителей, которые расположены в смешивающих каналах - топливо и воздух будут двигаться вперед к центральной области завихрителя или форсунки и подаваться в эту центральную область слегка смещенными от точного центра, так что общее движение топлива и воздуха будет заканчиваться в результате спиралевидным движением вокруг центральной оси завихрителя или форсунки. Предпочтительно, центральная ось завихрителя может быть такой же, что и центральная ось форсунки, к которой применяется завихритель.

Все еще игнорируя влияние осевых завихрителей, которые располагаются в смешивающих каналах, вращение этого спиралевидного движения может, однако, быть более медленным, чем средняя скорость, с которой движется поток. Это явление вызывается тем фактом, что поток поворачивает, обеспечивая более касательную траекторию вокруг центральной оси форсунки, что обеспечивает рост перепада давлений между соседними двумя лопастями завихрителя в канале.

В предпочтительном варианте осуществления осевой завихритель может протягиваться между стенками двух соседних лопастей. Предпочтительно осевой завихритель простирается над полным поперечным сечением смешивающего канала, через который течет топливно-воздушная смесь, так что преимущественно вся топливно-воздушная смесь будет проходить через осевой завихритель. В альтернативном варианте осуществления часть топливно-воздушной смеси может обходить осевые завихрители. Это может происходить, если осевой завихритель не простирается над полным поперечным сечением смешивающего канала.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления осевой завихритель может быть размещен, по существу, перпендикулярно стенкам двух соседних лопастей. Это может приводить в результате к более симметричному завихрению без какой-либо неоднородной турбулентности. В альтернативной конструкции осевой завихритель может быть под углом, отличным от 90 градусов относительно стенок двух соседних лопастей. Если стенки двух соседних лопастей не являются параллельными, осевой завихритель может быть размещен так, что он, по существу, перпендикулярен относительно основного направления потока в смешивающем канале. Опять же, в альтернативном решении, угол может также быть отличным от 90 градусов относительно основного направления потока в смешивающем канале.

В другом предпочтительном варианте осуществления осевой завихритель может иметь множество аэродинамических профилей завихрителя. Аэродинамические профили могут быть отражательными лопатками, чтобы ограничивать поток топлива/воздуха и обеспечивать дополнительное вращательное движение потоку топлива/воздуха, проходящему через смешивающий канал. Это может приводить в результате к спиралевидному движению в конце смешивающего канала.

В дополнительном варианте осуществления осевой завихритель может иметь прямоугольную сплошную раму, окружающую множество аэродинамических профилей завихрителя. Преимущественно форма рамы совпадает с поперечным сечением смешивающего канала.

В еще одном варианте осуществления множество аэродинамических профилей завихрителя могут иметь эллиптический, в частности, круглый, внешний периметр, соединяясь со сплошной рамой через этот внешний периметр. Альтернативно, множество аэродинамических профилей завихрителя могут иметь прямоугольный, в частности, квадратный, внешний периметр, соединяясь со сплошной рамой через этот внешний периметр.

Форма аэродинамических профилей завихрителя может быть оптимизирована, чтобы обеспечивать лучшее смешивание, в отношении данного размещения стенок и в отношении положения отверстий для впрыска топлива. В одном варианте осуществления каждый из множества аэродинамических профилей завихрителя может иметь прямую переднюю кромку. Альтернативно, каждый из множества аэродинамических профилей завихрителя может иметь изогнутую переднюю кромку. Кроме того, каждый из множества аэродинамических профилей завихрителя может иметь плоскую или искривленную поверхность.

Завихритель может применяться к камере сгорания, работающей с жидким и/или газообразным топливом. В одном предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива может быть выполнено с возможностью впрыска жидкого топлива в воздушный поток, протекающий, по меньшей мере, через один из множества смешивающих каналов. В альтернативном варианте осуществления, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива может быть выполнено с возможностью впрыска газообразного топлива в воздушный поток, протекающий, по меньшей мере, через один из множества смешивающих каналов.

Как дополнительный вариант, отверстия для впрыска топлива предусматриваются как для жидкого, так и для газообразного топлива. Отверстия для впрыска топлива могут быть размещены в одном и том же, по меньшей мере, из одного из множества смешивающих каналов для обоих типов топлива. Альтернативно, множество смешивающих каналов могут быть оборудованы отверстиями для впрыска топлива для жидкого и газообразного топлива в чередующемся или любом другом полезном порядке.

Отверстия для впрыска топлива могут быть размещены различными способами. Предпочтительно они располагаются на опорной пластине завихрителя, каждое располагается, по существу, в центре соответствующего смешивающего канала. Альтернативно отверстия для впрыска топлива могут быть расположены в стенках лопастей. Отверстия для впрыска топлива для газообразного топлива могут быть отделены от отверстий для впрыска топлива для жидкого топлива. Альтернативно, они могут быть размещены соосно. Отверстия для впрыска топлива для газообразного топлива могут быть расположены выше по потоку от отверстий для впрыска топлива для жидкого топлива.

Касаясь их форм, ориентаций и позиций, сам завихритель, лопасти, смешивающие каналы, отверстия для впрыска топлива и осевые завихрители могут предпочтительно быть размещены однородным и, по существу, симметричным образом, так что создается также симметричный и однообразный поток смешанного воздуха и топлива.

В дополнительном варианте осуществления завихритель или головка форсунки может содержать, по меньшей мере, одно дополнительное отверстие для впрыска топлива для предоставления пробного топлива - жидкости или газа - размещенное в секции ниже по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала, далее ниже по потоку от осевого завихрителя. Преимущественно пробное топливо может управляться отдельно, по меньшей мере, от одного отверстия для впрыска топлива, которое может рассматриваться как "основное топливо".

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения сейчас будут описаны, только посредством примера, со ссылкой на сопутствующие чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает схематически продольное сечение камеры сгорания,

Фиг.2 показывает схематически вид в перспективе завихрителя предшествующего уровня техники,

Фиг.3 иллюстрирует схематически вид в перспективе завихрителя согласно изобретению,

Фиг.4 иллюстрирует распределение топлива и воздуха в канале завихрителя,

Фиг.5 показывает часть завихрителя в виде в перспективе с осевым завихрителем в канале завихрителя,

Фиг.6 показывает схематически вид в плане со стороны ниже по потоку от камеры сгорания, как указано на фиг.1 стрелками A-A.

Фиг.7 показывает схематически первую форму осевого завихрителя, применимого к завихрителю на фиг.3,

Фиг.8 показывает схематически вторую форму осевого завихрителя, применимого к завихрителю на фиг.3.

Иллюстрация на чертежах является схематичной. Отметим, что для похожих или идентичных элементов на разных чертежах будут использоваться одинаковые ссылочные указатели.

Подробное описание изобретения

Не показано, газотурбинный двигатель содержит секцию компрессора, секцию камеры сгорания и секцию турбины, которые размещены примыкающими друг к другу. При работе газотурбинного двигателя воздух сжимается секцией компрессора и выводится в секцию сгорания с одной или более камерами сгорания.

Фиг.1 показывает продольное сечение камеры сгорания, в частности, камеры сгорания в газотурбинном двигателе (не показан). Камера сгорания содержит относительно направления потока: форсунку, содержащую головку 1 форсунки и завихритель 2, присоединенный к головке 1 форсунки, переходный отсек, называемый пусковой камерой 3 сгорания, и основную камеру 4 сгорания. Основная камера 4 сгорания имеет диаметр, больший, чем диаметр пусковой камеры 3 сгорания. Основная камера 4 сгорания соединяется с пусковой камерой 3 сгорания через куполообразную часть 10, содержащую куполообразную пластину 11. В целом, переходный отсек 3 может быть реализован как однофрагментное продолжение форсунки в направлении камеры 4 сгорания, как однофрагментное продолжение камеры 4 сгорания в направлении форсунки или как отдельная часть между форсункой и камерой 4 сгорания. Узел форсунки и камеры сгорания показывает, по существу, осевую симметрию вокруг продольной оси 12 симметрии.

Подвод 5 топлива предусматривается для подведения газообразного и/или жидкого топлива к форсунке, которое должно быть смешано с всасываемым воздухом 6 - в частности, сжатым воздухом из компрессора (не показан) - в завихрителе 2. Посредством завихрителя 2 топливо и воздух смешиваются, как будет объяснено позже. Получающаяся в результате топливно-воздушная смесь 7 затем направляется в первичную зону 9 сгорания, где она сжигается, чтобы создавать тепло, выхлопные газы 8 с повышенным давлением, протекающие в направлении, указанном стрелками, к турбине (не показана) газотурбинного двигателя (не показан).

Вид в перспективе завихрителя 2 предшествующего уровня техники показан на фиг.2. Завихритель 2, который является радиальным завихрителем, содержит кольцеобразную опору 13 лопастей завихрителя или опорную пластину с центральным отверстием 14, которое оставляет пространство для верхней поверхности форсунки головки 1 форсунки после сборки в качестве целой форсунки (головка 1 форсунки не показана на фиг.2). В качестве примера, шесть лопастей 15 завихрителя, каждая с ассиметричной формой сектора диаграммы или в форме ассиметричного куска сыра, располагаются вокруг центральной оси 12 и размещаются на опоре 13 лопастей завихрителя. Лопасти 15 завихрителя могут быть закреплены на головке 1 форсунки (см. фиг.1) со своими боковыми поверхностями, показанными в направлении от опоры 13 лопастей завихрителя. Каналы 16 завихрителя в качестве смешивающих каналов определяются и ограничиваются противоположными боковыми поверхностями 17 в качестве стенок лопастей 15 завихрителя, поверхностью опоры 13 лопастей завихрителя, которая указывает на головку 1 форсунки, и поверхностью (не показана) форсунки, к которой прикрепляются лопасти 15 завихрителя. Воздух 6 компрессора течет радиально снаружи в эти каналы 16 завихрителя, направленные внутрь, и смешивается с топливом, которое добавляется через отверстия для впрыска топлива (не показаны).

Каналы 16 завихрителя размещаются таким образом, что жидкость или газ, проходящая через каналы 16, направляется в радиальную внешнюю секцию центрального отверстия 14. Кроме того, каналы 16 завихрителя, по существу, направлены по касательной к радиальной внешней секции центрального отверстия 14. В этом варианте осуществления изобретения противоположные боковые поверхности 17 конкретного одного из каналов 16 завихрителя, по существу, плоские и параллельные друг другу.

Обращаясь теперь к фиг.3, на основе завихрителя, показанного на фиг.2, описывается изобретенный завихритель. Объяснение формы и компонентов завихрителя 2, данное относительно фиг.2, все еще применяется также и для фиг.3.

Для каждого из каналов 16 завихрителя, на фиг.3 осевого завихрителя 20, показан инжектор 22 жидкого топлива и инжектор 21 газообразного топлива. Несколько топливных инжекторов, главный и дополнительные, могут быть предусмотрены. В этом случае показанные топливные инжекторы 22, 21 должны представлять главные инжекторы. Инжектор 21 газообразного топлива располагается на радиально внешнем конце каналов 16 завихрителя, т.е., на конце выше по потоку протекающего воздуха 6. Газовое сопло может быть плоским в поверхности опоры 13 лопастей завихрителя. Следом за инжектором 21 газообразного топлива, далее ниже по потоку, может быть расположен инжектор 22 жидкого топлива с соплом, которое выступает из поверхности опоры 13 лопастей завихрителя.

Далее ниже по потоку, на фиг.3 ближе к краю одной из боковых поверхностей 17, располагается осевой завихритель 20 в каждом канале 16 завихрителя. Осевой завихритель 20 - это устройство, которое обеспечивает вращательное движение жидкости, протекающей через канал 16 завихрителя. Следовательно, смешивание топлива и воздуха улучшается, что также может вести к уменьшению выбросов загрязняющих веществ.

На фиг.3 осевой завихритель 20 протягивается перпендикулярно боковым поверхностям 17 по всей ширине канала 16 завихрителя. Осевой завихритель 20 также имеет такую же высоту, что и лопасти 15 завихрителя. Осевой завихритель 20 размещается со структурой, создающей осевое завихрение, защищенной посредством рамы 23, структура, создающая осевое завихрение содержит множество аэродинамических профилей 24, каждый из которых спроектирован, чтобы перенаправлять обогащенный топливом воздушный поток и применять вращательное или закручивающее движение к этому первоначально поперечному потоку в направлении канала 16 завихрителя.

Обращаясь теперь к фиг.4, показано распределение топлива и воздуха в канале 16 завихрителя, когда осевой завихритель предусмотрен для дополнительного смешивания. Канал 16 завихрителя определяется стенками 17 (одна из них только указана одной линией). Одна из лопастей 15 завихрителя показана вместе с инжектором 22 жидкого топлива и инжектором 21 газообразного топлива в соседнем канале 16 завихрителя. Направление основного воздуха 6 указывается широкой стрелкой, ведущей прямо в канал 16 завихрителя от верхнего по потоку конца канала 16 завихрителя. Направления жидкого топлива 26 и газообразного топлива 25 являются изогнутыми стрелками, чтобы указывать, что жидкое топливо 26 и газообразное топливо 25 увлекаются воздухом 6 вниз по потоку.

Топливо 25, 26, смешивается с воздухом 6, давая в результате примерное распределение, указанное стрелками 40, 41 и 42, которые являются потоком со сдвигом в канале 16 завихрителя. Поток 41 может иметь требуемое соотношение топливо-воздух, которое является оптимальным касательно стабилизации пламени и выхлопов. Поток 40 может быть обогащенной воздухом топливно-воздушной смесью, тогда как поток 42 может быть обогащенной топливом топливно-воздушной смесью, которые обе могут вести к уменьшенной стабилизации пламени в случае обедненной топливно-воздушной смеси или могут вести к более высоким выбросам NOx при необедненной работе.

Это преодолевается посредством применения осевого завихрителя 20 в канале 16 завихрителя, как может быть видно на фиг.3 и фиг.5. С ним воздух 6, жидкое топливо 26 и газообразное топливо 25, все проходят через осевой завихритель 20 и перенаправляются и смешиваются.

Фиг.6 показывает схематически вид в плане со стороны ниже по потоку от камеры сгорания, как указано на фиг.1 стрелками A-A. Завихритель 2 показан и поверхность 53 форсунки головки 1 форсунки. Для одного конкретного канала 16 завихрителя показано, что воздух 6, всасываемый в канал 16 завихрителя, будет течь через канал 16 завихрителя - указано двумя более мелкими стрелками со ссылочным указателем 6 - и жидкое топливо 26 и газообразное топливо 25 будут впрыскиваться в канал 16 завихрителя. Все эти потоки, частично смешанные, затем текут вниз по потоку и дополнительно смешиваются осевым завихрителем 20, который присутствует в канале 16 завихрителя. Более однородная воздушно-топливная смесь 43 покидает отдельные каналы 16 завихрителя и будет поступать в центральную зону завихрителя 2. Наконец, отдельные воздушно-топливные смеси 43 всех этих каналов будут испытывать завихрение, как указано стрелкой 44, вокруг центральной оси завихрителя 2.

Дополнительными компонентами, которые могут быть видны на фиг.6, являются запальная свеча 50 в области поверхности 53 форсунки, первое отверстие 51 для впрыска пробного топлива для жидкого топлива и второе отверстие 52 для впрыска пробного топлива для газообразного топлива. Оба отверстия 51 и 52 для впрыска топлива будут считаться "дополнительным отверстием для впрыска топлива" или "вспомогательным отверстием для впрыска топлива" согласно пунктам формулы изобретения.

Отверстия для впрыска пробного топлива могут необязательно присутствовать во всех вариантах осуществления изобретения. Первое отверстие 51 для впрыска пробного топлива для жидкого топлива существует в форме клапана. Только одно первое отверстие 51 для впрыска пробного топлива показано на чертеже, но могут присутствовать несколько, предпочтительно рядом с центром форсунки. Второе отверстие 52 для впрыска пробного топлива показано в форме кольца, так что пробный газ может впрыскиваться по кругу на концах каналов 16 завихрителя. Должно быть отмечено, что также другие формы и местоположения отверстий для впрыска топлива могут быть возможными. И как и во всех вариантах осуществления изобретения форсунка может быть ограничена только форсункой для жидкого топлива или форсункой только для газообразного топлива.

Преимущественно первое отверстие 51 для впрыска пробного топлива для жидкого топлива и второе отверстие 52 для впрыска пробного топлива для газообразного топлива располагаются ниже по потоку от осевого завихрителя 20. Во время работы газовой турбины топливо - либо газ, либо жидкость - вводится в два этапа: с основным впрыском через инжектор 22 жидкого топлива и/или инжектор 21 газообразного топлива, что дает в результате высокую степень предварительного смешивания и, следовательно, низкие выбросы NOx, и пробным впрыском через первое отверстие 51 для впрыска пробного топлива для жидкого топлива и/или второе отверстие 52 для впрыска пробного топлива для газообразного топлива. Пробный впрыск может непрерывно увеличиваться, когда требуемая нагрузка уменьшается, для того, чтобы обеспечивать стабильность пламени, которая может не гарантироваться при более низких нагрузках. Первое отверстие 51 для впрыска пробного топлива для жидкого топлива и/или второе отверстие 52 впрыска пробного топлива для газообразного топлива размещаются так, что, когда разделение пробного топлива увеличивается, топливо смещается по направлению к оси - оси 12, которая указана на фиг.1 - камеры сгорания. Это обходит проблемы с неустойчивостью сгорания при более низких нагрузках.

В рабочем режиме со сгоранием бедной предварительной смеси, который может быть выбран для уменьшения NOx, впрыск пробного топлива может быть даже полезен, чтобы стабилизировать пламя даже при полной нагрузке, однако, процент топлива, впрыснутого через отверстия 51 и 52 для впрыска пробного топлива, по сравнению с общим впрыском топлива может быть небольшим для полной нагрузки, например, 5%.

С отверстием для впрыска пробного топлива строгих динамических характеристик сгорания можно избежать, которые иначе могут иметь место из-за сгорания почти на пределе воспламеняемости.

На фиг.7 и 8 схематически показаны примерные формы осевого завихрителя 20, видимые с направления, которое указано стрелкой 6 на фиг.5.

На фиг.7 осевой завихритель 20 имеет прямоугольную раму 23 и центральную структуру с трубообразным круглым периметром 30, центральная структура содержит множество аэродинамических профилей 24, из которых могут быть видны только передние кромки 33 и часть передних поверхностей. Аэродинамические профили 24 наклонены и перекрывают друг друга, так что каналы создаются, чтобы пропускать предварительно смешанный поток воздуха и топлива (указанный на фиг.6 ссылочными указателями 6, 25 и 26), придавая ему вращательное движение.

В примере аэродинамические профили 24 закреплены в особой позиции между периметром 30 и внутренним кольцом 32. Размеры периметра 30 и внутреннего кольца 32 на чертеже могут рассматриваться только в качестве примеров.

Фиг.8 показывает альтернативу варианту осуществления на фиг.7, в которой внешний периметр 31 является прямоугольным, если смотреть со стороны выше по потоку. Он может также быть виден как кубоид с отсутствующими боковыми поверхностями на верхней и нижней по потоку сторонах. Аэродинамические профили 24 будут протягиваться до периметра 31. Помимо этого они могут не отличаться значительно от аэродинамических профилей 24 на фиг.7.

Осевой завихритель 20 может быть сконструирован несколькими способами. Помимо двух примеров на фиг.7 и 8 также возможны несколько модификаций. Например, передние кромки 33 могут не быть прямыми, а быть изогнутыми. Передние кромки 33 могут быть закруглены или острыми. Поверхности аэродинамических профилей 24 могут быть плоскими или изогнутыми. Внутреннее кольцо 32 и внешняя рама 23 могут быть разных размеров и форм в разных вариантах осуществления. Все эти возможности должны быть оптимизированы так, что поток со сдвигом в канале 16 завихрителя ослабляется, и смешивание является более совершенным. Это тогда ведет к более стабилизированному пламени, также и при обеденной работе и, следовательно, также к меньшим выбросам NOx.

1. Завихритель (2) для смешивания топлива (25, 26) и воздуха (6), содержащий: множество лопастей (15), расположенных радиально вокруг центральной оси (12) завихрителя (2);
- множество смешивающих каналов для смешивания топлива (25, 26) и воздуха (6),
- при этом, по меньшей мере, один смешивающий канал (16) из множества смешивающих каналов задан противоположными стенками (17) двух соседних лопастей из множества лопастей (15) и содержит, по меньшей мере, одно отверстие (21, 22) для впрыска топлива, размещенное в секции выше по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала (16) и содержит осевой завихритель (20), в частности, проходящий между стенками (17) двух соседних лопастей, размещенный в секции ниже по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала (16).

2. Завихритель (2) по п.1, отличающийся тем, что осевой завихритель (20) размещен, по существу, перпендикулярно стенкам (17) двух соседних лопастей.

3. Завихритель (2) по п.1 или 2, отличающийся тем, что осевой завихритель (20) имеет множество аэродинамических профилей (24) завихрителя.

4. Завихритель (2) по п.3, отличающийся тем, что осевой завихритель (20) имеет прямоугольную сплошную раму (23), окружающую множество аэродинамических профилей (24) завихрителя.

5. Завихритель (2) по п.4, отличающийся тем, что множество аэродинамических профилей (24) завихрителя имеют эллиптический, в частности круглый, внешний периметр (30), соединяясь со сплошной рамой (23) через этот внешний периметр (30).

6. Завихритель (2) по п.4, отличающийся тем, что множество аэродинамических профилей (24) завихрителя имеют прямоугольный, в частности квадратный, внешний периметр (31), соединяясь со сплошной рамой (23) через этот внешний периметр (31).

7. Завихритель (2) по п.3, отличающийся тем, что множество аэродинамических профилей (24) завихрителя размещены, чтобы предоставлять отдельный вращающийся воздушный поток (43), по меньшей мере, для одного смешивающего канала (16).

8. Завихритель (2) по п.3, отличающийся тем, что каждый из множества аэродинамических профилей (24) завихрителя имеет прямую переднюю кромку (33).

9. Завихритель (2) по п.3, отличающийся тем, что каждый из множества аэродинамических профилей (24) завихрителя имеет изогнутую переднюю кромку.

10. Завихритель (2) по п.1 или 2, отличающийся тем, что
- первое, по меньшей мере, из одного отверстия (21, 22) для впрыска топлива выполнено с возможностью впрыска жидкого топлива (26) в поток воздуха (6), протекающий, по меньшей мере, через один смешивающий канал (16) или через любой другой из смешивающих каналов, и/или
- второе, по меньшей мере, из одного отверстия (21, 22) для впрыска топлива выполнено с возможностью впрыска газообразного топлива (25) в поток воздуха (6), протекающий через тот же, по меньшей мере, из одного смешивающего канала (16) или через любой другой из множества смешивающих каналов.

11. Завихритель (2) по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одно дополнительное отверстие (51, 52) для впрыска топлива, размещенное в секции ниже по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала (16), дальше ниже по потоку от осевого завихрителя (20).

12. Завихритель (2) по п.11, отличающийся тем, что дополнительное отверстие (51, 52) для впрыска топлива выполнено так, что впрыск топлива управляется отдельно, по меньшей мере, от одного отверстия (21, 22) для впрыска топлива.

13. Камера сгорания, содержащая завихритель (2) по любому из пп.1-12.

14. Камера сгорания по п.13, дополнительно содержащая головку (1) форсунки, причем головка (1) форсунки содержит, по меньшей мере, одно дополнительное отверстие (51, 52) для впрыска топлива, размещенное ниже по потоку от множества смешивающих каналов для смешивания топлива (25, 26) и воздуха (6).

15. Газовая турбина, содержащая, по меньшей мере, одну камеру сгорания, причем, по меньшей мере, одна камера сгорания содержит завихритель (2) по любому из пп.1-12.



 

Похожие патенты:

Завихритель для смешивания топлива и воздуха, содержащий множество лопаток, расположенных на делительной окружности, которые, вместе с первой стенкой, расположенной на первой продольной торцевой поверхности лопаток, и второй стенкой, расположенной на противоположной второй продольной торцевой поверхности лопаток, образуют канал потока.

Завихряющее устройство для впрыска среды в турбину имеет центральную ось, центральный канал, проходящий в осевом направлении вдоль центральной оси, и наружный периметр.

Изобретение может быть использовано при изготовлении котлов для сжигания низкосортных видов топлива с повышенной влажностью. Топливо подается в камеру горения, первичный воздух поступает из камеры предварительного розжига, а вторичный воздух поступает в камеру дожигания.

Одноконтурная горелка предназначена для сжигания газа в тепловырабатывающих устройствах, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей, где требуется низкая окружная неравномерность температурного поля и его регулировка без съема горелки с установки и частичной ее разборки.

Изобретение относится к горелке газовой турбины с множеством основных завихрителей, которые имеют, соответственно, образованное кромкой основного завихрителя входное отверстие.

Изобретение относится к области инжекторно-топливных систем. .

Изобретение относится к средствам и способу регулирования температуры в камере сгорания. .

Изобретение относится к распределителю топлива, в частности, для горелки и завихрителя. .

Изобретение относится к энергетике. Завихритель (31, 131, 231) содержит центральный топливораспределительный элемент (37), наружную стенку (39), окружающую центральный топливораспределительный элемент (37) и ограничивающую осевой проточный канал (41) для воздуха, предназначенного для горения, завихряющие лопатки (47), проходящие в радиальном направлении до наружной стенки (39) и придающие протекающему воздуху для горения тангенциальную составляющую течения, а также окружающую центральный топливораспределительный элемент (37) и расположенную радиально внутри наружной стенки (39) перегородку (42, 142), разделяющую проточный канал (41) на радиально внутренний участок (43) и радиально внешний участок (45), радиально внутренний участок (43) канала обеспечивает протекание воздуха для горения без придания тангенциальной составляющей течения, причем через радиально внутренний участок (43) канала к завихряющим лопаткам (47) на радиально внешнем участке (45) канала проходят топливопроводы (49). Изобретение позволяет предотвратить обратный удар пламени в горелке. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Завихритель для перемешивания топлива и воздуха, расположенный в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержит множество лопаток, расположенных в радиальном направлении вокруг центральной оси завихрителя, множество смесительных каналов для перемешивания топлива и воздуха. По меньшей мере, один смесительный канал из множества смесительных каналов образован противоположными стенками двух соседних лопаток из множества лопаток и содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива и, по меньшей мере, одно углубление для образования вихря воздуха. По меньшей мере, одно углубление расположено, по меньшей мере, в одном смесительном канале перед отверстием для впрыска топлива относительно направления потока воздуха для обеспечения индивидуальной турбулентности для соответствующего смесительного канала. Изобретение направлено на улучшение перемешивания топлива и воздуха в зоне завихрения за счет обеспечения однородной воздушно-топливной смеси при всех возможных нагрузках на газовую турбину. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

Трубчатая камера сгорания для газотурбинного двигателя, работающая на газообразном топливе, содержит цилиндрический кожух, имеющий внутреннюю полость, ось и закрытый осевой конец, цилиндрический вкладыш камеры сгорания, смесительное устройство, рукав ударного охлаждения и каналирующее устройство. Цилиндрический вкладыш камеры сгорания размещен коаксиально внутри полости кожуха и выполнен так, что в комбинации с кожухом задает границы радиально внешнего канала для потока воздуха для горения. Цилиндрический вкладыш также задает границы соответствующих радиально внутренних полостей для зоны горения и зоны разбавления. Зона разбавления удалена по направлению оси от закрытого конца кожуха относительно зоны горения, а зона горения размещена по направлению оси со стороны закрытого конца кожуха. Смесительное устройство размещено на закрытом конце кожуха с сообщением по потоку с каналом для воздуха для горения, включает в себя множество лопаток для смешивания газообразного топлива, подлежащего сжиганию, по меньшей мере, с частью воздуха для горения и выпускное отверстие смесительного устройства для обеспечения поступления полученной смеси топлива/воздуха в зону горения. Рукав ударного охлаждения коаксиально размещен в канале для воздуха для горения между кожухом и вкладышем, снабжен множеством отверстий. Отверстия имеют такой размер и распределены так, что позволяют направлять воздух для горения к радиально внешней поверхности участка вкладыша камеры сгорания, задающего границы зоны горения, для ударного охлаждения этого участка вкладыша. Каналирующее устройство размещено в канале для воздуха для горения для каналирования воздуха для горения от выходной области рукава ударного охлаждения до впускного отверстия смесительного устройства. Каналирующее устройство выполнено с возможностью предотвращения разделения потока и включает в себя секцию диффузора с проходным сечением впускного отверстия и проходным сечением выпускного отверстия, причем отношение проходного сечения выпускного отверстия к проходному сечению впускного отверстия находится в интервале значений 1,3-1,5. Изобретение обеспечивает равномерное течение воздушного потока, устойчивое горение, минимизирует температурные отклонения в продуктах сгорания, направляемые на турбину, и повышает эффективность охлаждения камеры сгорания. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к энергетике. Осевой завихритель для камеры сгорания газовой турбины содержит кольцо лопаток с множеством лопаток завихрителя, распределенных по окружности вокруг оси завихрителя, при этом каждая из упомянутых лопаток завихрителя содержит заднюю кромку. Для достижения управляемого распределения профиля скоростей выходного потока и эквивалентного соотношения топлива в радиальном направлении упомянутая задняя кромка является прерывистой, при этом задняя кромка имеет разрыв у предопределенного радиуса. Изобретение позволяет создать оптимальный профиль скоростей выходного потока для повышенной стабильности сгорания. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к энергетике. Система впрыска топлива для турбореактивного двигателя, включающая в себя неподвижную часть и скользящую траверсу, дополнительно содержащую центрирующий конус, предназначенный для центрирования инжектора топлива относительно системы впрыска, причем неподвижная часть и скользящая траверса проходят по оси отсчета, причем неподвижная часть содержит полость, ограниченную в осевом направлении дном и закрывающим желобом, при этом скользящая траверса имеет реборду, содержащуюся в полости. Система впрыска топлива дополнительно включает в себя упругие средства, расположенные в полости так, чтобы оказывать усилие на реборду, способные препятствовать вибрирующим микроперемещениям скользящей траверсы относительно неподвижной части в отсутствии термического расширения. Также представлены камера сгорания, а также двигатель летательного аппарата, содержащие систему впрыска топлива согласно изобретению, а также способ сборки системы впрыска топлива. Изобретение позволяет повысить сопротивление износу инжектора. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к энергетике. Камера сгорания для газовой турбины, содержащая предкамеру, имеющую центральную ось, и завихритель, который установлен на предкамере. Завихритель охватывает предкамеру в окружном направлении относительно центральной оси. Завихритель содержит поверхность основания, которая образует часть щелевого отверстия, выполненного с возможностью впрыскивать через него в предкамеру смесь окислитель/топливо, причем поверхность основания располагается в плоскости основания. Завихритель дополнительно содержит топливный инжектор, который размещается на поверхности основания таким образом, чтобы обеспечить возможность впрыскивать в щелевое отверстие топливо в направлении впрыскивания топлива, причем первый компонент направления впрыскивания топлива не параллелен нормали плоскости основания. Также представлен способ функционирования камеры сгорания. Изобретение позволяет обеспечить правильный профиль пламени. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх