Изобретение относится к топливным форсункам с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающим низкое выделение NOx, и, в частности, к способу сжигания топлива в газотурбинных двигателях.
Выделение закисей азота (называемых ниже "NOx") имеет место в результате горения при высоких температурах. NOx является загрязняющим веществом, и в результате к камерам сгорания, генерирующим NOx, всегда предъявляют более строгие требования в отношении выделений таких загрязняющих веществ. В соответствии с этим было приложено много усилий для уменьшения образования NOx в камерах сгорания.
Одним из решений этой проблемы было предварительное смешение топлива с избытком воздуха для того, чтобы горение проходило с локально большим избытком воздуха, давая в результате относительно низкую температуру горения и благодаря этому минимизируя образование NOx.
Топливная форсунка, которая работает таким образом, описана в патенте США 5307634, в котором иллюстрируется спиральный завихритель с конической центральной частью. Этот тип топливной форсунки известен как топливная форсунка с тангенциальным входом и содержит два смещенных спиральных элемента с цилиндрическими сводами, соединенных с двумя торцевыми пластинами. Воздух для горения поступает в завихритель через две прямоугольные прорези, образованные смещенными спиральными элементами, а выходит через входное отверстие камеры сгорания в одной торцевой пластине и входит в камеру сгорания. Линейная матрица отверстий, расположенная на наружном спиральном элементе против внутренней задней кромки, инжектирует топливо в воздушный поток на каждой входной прорези из магистрали для получения равномерной смеси топлива с воздухом перед входом в камеру сгорания.
Предварительно смешивающие топливные форсунки с тангенциальным входом отличались низкими выделениями NOx по сравнению с топливными форсунками предшествующего уровня техники. К сожалению, топливные форсунки, описанные, например, в вышеупомянутом патенте, при некоторых режимах работы генерируют звуковые эффекты и чрезмерные пульсации давления в камере сгорания, которые в конечном итоге ведут к разрушению газотурбинного двигателя. По этой причине топливные форсунки с тангенциальным входом не нашли практического применения в газотурбинных двигателях, выпускаемых на промышленной основе.
В этой связи существует объективная общественная потребность в создании способа сжигания, в процессе реализации которого значительно снижаются звуковые эффекты, ведущие к чрезмерным пульсациям давления в камере сгорания.
Задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание способа сжигания, свободного от перечисленных выше недостатков, присущих техническим решениям, характеризующим известный уровень техники.
Техническим результатом, достигаемым в процессе реализации настоящего изобретения, является обеспечение способа сжигания, который значительно уменьшает звуковые эффекты горения по сравнению с предшествующим уровнем техники.
Другим техническим результатом настоящего изобретения является создание способа сжигания, который при реализации его в двигателе, оборудованном топливной форсункой с тангенциальным входом, значительно уменьшает звуковые эффекты сжигания при одновременном поддержании допустимо максимально низких уровней выделений NOx.
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, с достижением упомянутого выше результата решается тем, что в способе уменьшения пульсаций давления в камере сгорания газотурбинного двигателя, возникающих в результате горения топлива и воздуха, осуществляют смешение топлива и воздуха в зоне смешения в топливной форсунке, обеспечивая в соответствии с этим получение смеси топлива с воздухом, подают поток смеси в камеру сгорания через плоскость выходного сечения входного отверстия камеры сгорания вниз по технологической цепочке от зоны смешения, обеспечивая поток первой части смеси в центральной зоне рециркуляции и горение в ней, по меньшей мере, некоторого количества первой части смеси, формирование потока второй части смеси в наружной зоне рециркуляции в радиальном направлении наружу от центральной зоны рециркуляции и горение, по меньшей мере, некоторого количества второй части смеси, поддержание зон рециркуляции разнесенными относительно плоскости выходного сечения с отделением продуктов горения от смешанного топлива и воздуха в зоне смешения при всех режимах работы двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
фиг. 1 - разрез топливной форсунки, соответствующей настоящему изобретению, сделанный по линии 1-1, показанной на фиг.2;
фиг.2 - разрез по линии 2-2, показанной на фиг.1;
фиг. 3 - разрез топливной форсунки, соответствующей настоящему изобретению, по линии 3-3, показанной на фиг.2.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как следует из фиг.1, топливная форсунка 10 с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающая низкое выделение NOx и соответствующая настоящему изобретению, содержит центральную часть 12 в спиральном завихрителе 14. Спиральный завихритель 14 содержит первую и вторую торцевые пластины 16, 18, причем первая торцевая пластина соединена с центральной частью 12 и отстоит от второй торцевой пластины 18, которая имеет входное отверстие 20 камеры сгорания, проходящее через нее. Множество, а предпочтительно два спиральных элемента 22, 24 с цилиндрическим сводом, проходит от первой торцевой пластины 16 ко второй торцевой пластине 18, при этом упомянутые пластины соединены между собой.
Спиральные элементы 22, 24 равномерно разнесены вдоль продольной оси 26 форсунки 10, ограничивая в соответствии с этим между собой зону 28 смешения, как показано на фиг.2. Каждый спиральный элемент 22, 24 имеет внутреннюю радиальную поверхность, которая обращена к продольной оси 26 и ограничивает поверхность частичного вращения вокруг осевой линии 32, 34. Используемое выражение "поверхность частичного вращения" означает поверхность, полученную поворотом линии менее чем на один полный оборот вокруг одной из осевых линий 32, 34.
Каждый спиральный элемент 22 отстоит от другого спирального элемента 24, а осевая линия 32, 34 каждого из спиральных элементов 22, 24 расположена в зоне 28 смешения, как показано на фиг.2. Как следует из фиг.2, каждая осевая линия 32, 34 параллельна в разнесенном положении продольной оси 26 и все осевые линии 32, 34 отстоят от продольной оси 26 на одинаковом расстоянии, ограничивая в соответствии с этим входные прорези 36, 38, проходящие параллельно продольной оси 26 между каждой парой смежных спиральных элементов 22, 24 для введения воздуха 40 горения в зону смешения 28. Поддерживающий горение воздух из компрессора (не показан) поступает через входные прорези 36, 38, образованные перекрывающимися концами 44, 50, 48, 46 спиральных элементов 22, 24, имеющих смещенные осевые линии 32, 34.
Каждый спиральный элемент 22, 24 дополнительно содержит топливопровод 52, 54 для введения топлива в воздух 40 горения, когда его вводят в зону 28 смешения через одну из входных прорезей 36, 38. Первый подающий топливопровод (не показан) может подавать жидкое или газообразное топливо, но предпочтительно газообразное топливо, соединен с каждым из топливопроводов 52, 54. Входное отверстие 20 камеры сгорания, ориентированное коаксиально продольной оси 26, непосредственно прилегает к камере сгорания 56 для выпуска топлива и воздуха для горения из устройства, соответствующего настоящему изобретению, в камеру сгорания 56, где имеет место горение смеси топлива и воздуха.
Как следует из фиг.1, центральная часть 12 содержит основание 58, имеющее, по меньшей мере, одно, а предпочтительно множество отверстий 60, 62 для подачи воздуха, проходящих через него, причем основание 58 ориентировано перпендикулярно продольной оси 26, проходящей через него. Центральная часть 12 имеет также внутренний канал 64, который расположен коаксиально продольной оси 26 и выходит во входное отверстие 20 камеры сгорания. Воздух, проходящий через внутренний канал 64, который предпочтительно вращается в одном направлении с воздухом для горения, поступающим через входные прорези 36, 38, но может вращаться в противоположном направлении или не вращаться вообще, может быть или может не быть смешан с топливом. Если требуется подача топлива в центральную часть, то в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний канал 64 включает в себя первый цилиндрический канал 66, имеющий выходное отверстие 68 и входное отверстие 70, и второй цилиндрический канал 72 большего диаметра, чем диаметр первого цилиндрического канала 66 и аналогичным образом имеющий выходное отверстие 74 и входное отверстие 76. Второй цилиндрический канал 72 сообщается с первым цилиндрическим каналом 66 через сужающийся канал 78, выполненный в форме усеченного конуса, имеющий выходное отверстие 80, диаметр которого равен диаметру первого цилиндрического канала 66, и входное отверстие 82, диаметр которого равен диаметру второго цилиндрического канала 72. Каждый из каналов 66, 72, 78 ориентирован коаксиально продольной оси 26, при этом выходное отверстие 80 сужающегося канала 78 составляет одно целое с входным отверстием 70 первого цилиндрического канала 66, в то время как входное отверстие 82 сужающегося канала 78 составляет одно целое с выходным отверстием 74 второго цилиндрического канала 72. Первый цилиндрический канал 66 имеет выходное отверстие 68, которое является круглым и ориентировано коаксиально продольной оси 26.
Как следует из фиг.3, наружная в радиальном направлении поверхность 84 центральной части 12 содержит участок 86 усеченной фигуры, который ограничивает наружную поверхность усеченной фигуры, которая коаксиальна продольной оси 26 и расширяется по направлению к основанию 58, и изогнутый участок 88, который составляет одно целое с участком 86 усеченной фигуры и предпочтительно ограничивает часть поверхности, образованной вращением круга вокруг продольной оси 26 по касательной к участку 86 усеченной фигуры, имеющим центр, который лежит в радиальном направлении наружу от нее. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения участок 86 усеченной фигуры ограничен плоскостью, в которой расположено выходное отверстие 68, диаметр основания (не путать с основанием 58 центральной части) участка 86 в 2,65 раза больше диаметра участка 86 усеченной фигуры в его вершине, а высота 90 участка 86 усеченной фигуры (расстояние между плоскостью, в которой расположено основание участка 86 усеченной фигуры и плоскостью, в которой расположена вершина участка 86 усеченной фигуры) в 1,90 раза больше диаметра основания участка 86 усеченной фигуры. Как более подробно описано ниже, изогнутый участок 88, расположенный между основанием 58 и участком 86 усеченной фигуры, обеспечивает плавную переходную поверхность, которая аксиально вращает воздух 40 для горения, поступающий в топливную форсунку 10 с тангенциальным входом, смежно основанию 58. Как показано на фиг.3, внутренний канал 64 расположен в радиальном направлении внутрь от наружной в радиальном направлении поверхности 84 центральной части 12, участок 86 усеченной фигуры ориентирован коаксиально продольной оси 26, а центральная часть 12 соединена с основанием 58 так, чтобы участок 86 усеченной фигуры сужался по направлению к выходному отверстию 68 первого цилиндрического канала 66 и заканчивался у этого отверстия.
Как показано на фиг.2, основание участка 86 усеченной фигуры соответствует окружности 92, вписанной в зону 28 смешения и имеющей свой центр 94 на продольной оси 26. Как вполне очевидно квалифицированному в этой области техники специалисту, поскольку зона 28 смешения не является круглой в поперечном сечении, изогнутый участок 88 должен быть пригнан к ней. Наклонная часть 96, 98 оставлена на изогнутом участке 88, при этом изогнутый участок 88 проходит в каждую входную прорезь 36, 38, и эта часть механически обработана для образования аэродинамически профилированной наклонной части 96, 98, которая направляет воздух, поступающий во входную прорезь 36, 38, от основания 58 и на изогнутый участок 88 в зоне 28 смешения.
Как следует из фиг.1, в предпочтительном варианте осуществления внутренняя камера 100 расположена в центральной части 12 между основанием 58 и входным отверстием 76 второго цилиндрического канала 72, который ограничивает камеру 100. Воздух 102 подают в камеру 100 через отверстия 60, 62 для подачи воздуха в основании 58, которые сообщаются между собой, а камера 100, в свою очередь, обеспечивает подачу воздуха во внутренний канал 64 через входное отверстие 76 второго цилиндрического канала 72. Первая торцевая пластина 16 имеет отверстия 104, 106, которые совмещены с отверстиями 60, 62 для подачи воздуха основания 58 так, чтобы не мешать прохождению потока воздуха 102 для горения от компрессора газотурбинного двигателя. Завихритель 108, предпочтительно известной конструкции с радиальным входом, ориентирован коаксиально продольной оси 26 и расположен в камере 100, непосредственно прилегая к входному отверстию 76 второго цилиндрического канала 72 так, что весь воздух, поступающий во внутренний канал 64 из камеры 100, должен проходить через завихритель 108.
Трубка 110 для вдувания топлива, которая ориентирована также коаксиально продольной оси 26, проходит через основание 58, камеру 100 и завихритель 108 во второй цилиндрический канал 72 внутреннего канала 64. Трубка 110 для вдувания топлива, имеющая диаметр меньше, чем диаметр второго цилиндрического канала 72, входит во второй цилиндрический канал 72 так, чтобы площадь поперечного сечения потока во втором цилиндрическом канале 72 была по существу равна площади поперечного сечения первого цилиндрического канала 66. Второй подающий топливопровод (не показан), который может подавать жидкое или газообразное топливо, соединен с трубкой 110 для вдувания топлива для подачи топлива во внутренний канал 112 в трубке 110 для вдувания топлива. Топливные жиклеры 114 расположены в трубке 110 для вдувания топлива и обеспечивают проход топливу к выходу из трубки 110 для вдувания топлива во внутренний канал 64.
Как следует из фиг.3, входное отверстие 20 камеры сгорания ориентировано коаксиально продольной оси 26 и имеет конвергентную поверхность 116 и выходную поверхность 118, которая проходит к плоскости 124 выходного сечения топливной форсунки 10 и может быть цилиндрической, конвергентной или дивергентной. Конвергентная поверхность 116 и выходная поверхность 118 ориентированы коаксиально продольной оси 26, при этом конвергентная поверхность 116 расположена между первой торцевой пластиной 16 и выходной поверхностью 118. Конвергентная поверхность 116 имеет по существу коническую форму и сужается в направлении выходной поверхности 118. Выходная поверхность 118 проходит между промежуточной плоскостью 120 и поверхностью 122 камеры сгорания входного отверстия 20 камеры сгорания, которая перпендикулярна продольной оси 26 и ограничивает плоскость 124 выходного сечения топливной форсунки 10, соответствующей настоящему изобретению.
Конвергентная поверхность 116 ограничена промежуточной плоскостью 120, где диаметр конвергентной поверхности 116 равен диаметру цилиндрической поверхности 118. Как показано на фиг.3, промежуточная плоскость 120 расположена между плоскостью 124 выходного сечения и выходным отверстием 68 внутреннего канала 64, а конвергентная поверхность 116 расположена между цилиндрической поверхностью 118 и первой торцевой пластиной 16. Чтобы обеспечить требуемый профиль скорости смеси топлива с воздухом во входном отверстии 20 камеры сгорания, конвергентная поверхность 116 проходит на заданное расстояние 126 вдоль продольной оси 26, а цилиндрическая поверхность 118 проходит на второе расстояние 128 вдоль продольной оси 26, которое составляет, по меньшей мере, 30% от заданного расстояния 126.
В процессе работы поток воздуха для горения из компрессора газотурбинного двигателя поступает через отверстия 104, 106 и отверстия 60, 62 для подачи воздуха в основании 58 в камеру 100 центральной части 12. Воздух для горения выходит из камеры 100 через завихритель 108 с радиальным входом и входит во внутренний канал 64 по существу с тангенциальной скоростью или с завихрением относительно продольной оси 26. Когда этот вихревой поток воздуха для горения проходит трубку 110 для вдувания топлива, топливо, предпочтительно в газообразном виде, распыляется из трубки 110 для вдувания топлива во внутренний канал 64 и смешивается с вихревым потоком воздуха для горения. Затем поток смеси топлива и воздуха для горения проходит от второго цилиндрического канала 72 в первый цилиндрический канал 66 через сужающийся канал 78. После этого смесь продолжает двигаться вдоль первого цилиндрического канала 66, выходя из первого цилиндрического канала 66 вблизи от или в плоскости 120 критического сечения входного отверстия 20 камеры сгорания, обеспечивая центральный поток смеси топлива и воздуха.
Дополнительный воздух для горения из компрессора газотурбинного двигателя входит в зону 28 смешения через каждую из входных прорезей 36, 38. Воздух, входящий во входные прорези 36, 38, непосредственно вблизи основания 58 направляется посредством наклонных частей 96, 98 на изогнутый участок 88 в зоне 28 смешения спирального завихрителя 14. Топливо, предпочтительно газообразное топливо, подаваемое к топливопроводам 52, 54, распыляется в воздухе для горения, проходящем через входные прорези 36, 38, и начинает смешиваться с ним. Благодаря форме спиральных элементов 22, 24, эта смесь образует вихревой кольцевой поток вокруг центральной части 12 и смесь топлива с воздухом продолжает перемешиваться, когда она образует вихревой поток вокруг центральной части 12, перемещаясь вдоль продольной оси 26 к входному отверстию 20 камеры сгорания.
Вихрь кольцевого потока, образуемый спиральным завихрителем 14, предпочтительно (но без ограничения) вращается в одном направлении с вихрем смеси топлива и воздуха в первом цилиндрическом канале 66 и предпочтительно имеет угловую скорость, по меньшей мере, равную угловой скорости смеси топлива с воздухом в первом цилиндрическом канале 66. Благодаря форме центральной части 12, аксиальная скорость кольцевого потока поддерживается при скоростях, которые препятствуют пламени камеры сгорания мигрировать в спиральный завихритель 14 и присоединяться к наружной поверхности 84 центральной части 12. При наличии первого цилиндрического канала 66 вихревая смесь топлива с воздухом (или воздушный поток без топлива) центрального потока окружена кольцевым потоком спирального завихрителя 14 и эти два потока входят в плоскость 120 критического сечения входного отверстия 20 камеры сгорания и проходят в радиальном направлении внутрь цилиндрической поверхности 118 до тех пор, пока не достигнут плоскости 124 выходного сечения входного отверстия 20 камеры сгорания вниз по технологической цепочке от зоны 28 смешения.
При существующем входном отверстии 20 камеры сгорания взаимодействие центрального потока с кольцевым потоком создает центральную зону 200 рециркуляции, которая ниже по технологической цепочке от плоскости 124 выходного сечения (то есть плоскость выходного сечения расположена между центральной зоной рециркуляции и выпускным отверстием внутреннего канала) и отстоит от нее. Острый выступ 130, образованный там, где цилиндрическая поверхность 118 встречается с поверхностью 122 входного отверстия 20 камеры горения, вызывает внезапное расширение смеси топлива с воздухом и рециркуляцию смеси топлива с воздухом в радиальном направлении наружу от центральной зоны 200 рециркуляции. Горение и пламя, образуемое в наружной зоне рециркуляции 300, закрепляет это "наружное" пламя смежно выступу 130, но это пламя отстоит от плоскости 124 выходного сечения и полностью находится ниже ее по технологической цепочке. В результате этого устройство, соответствующее настоящему изобретению, обеспечивает обе зоны 200, 300 рециркуляции, которые отстоят от плоскости 124 выходного сечения при всех режимах работы двигателя.
Топливная форсунка 10, соответствующая настоящему изобретению, существенно уменьшает колебания потока, сопровождающиеся выделением тепла, которые вызывают чрезмерные пульсации давления в камере сгорания и акустический звук. Настоящее изобретение исключает вышеупомянутое взаимодействие процесса горения с плоскостью 124 выходного сечения, приводя к значительному уменьшению звуковых эффектов. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает решение проблемы чрезмерных пульсаций давления в топливной форсунке 10 с тангенциальным входом при существенно меньших выбросах в процессе ее эксплуатации.
Хотя настоящее изобретение описано и показано на примере его предпочтительного варианта осуществления, квалифицированному в этой области техники специалисту будет очевидно, что без отклонения от сущности и объема изобретения в нем могут быть в общем и в частности сделаны различные изменения.
Изобретение предназначено для использования в энергетике. Способ уменьшения пульсаций давления в камере сгорания газотурбинного двигателя, возникающих в результате горения в ней топлива и воздуха, предусматривает сжигание смеси топлива с воздухом в камере сгорания вниз по технологической цепочке от плоскости выходного сечения топливной форсунки так, чтобы зоны рециркуляции, образуемые посредством топливной форсунки, отстояли от плоскости выходного сечения, а продукты сгорания были отделены от топлива и воздуха в зоне смешения при всех режимах работы двигателя. Изобретение обеспечивает уменьшение звуковых эффектов и пульсаций. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
| US 5307634 А, 03.05.1994 | |||
| US 5309718 A, 10.05.1994 | |||
| US 5505045 А, 09.04.1996 | |||
| ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1990 |
|
RU2008509C1 |
