Настоящее изобретение относится к топливным форсункам с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающим низкое выделение NOx, и, в частности, к форсункам, предназначенным для применения в газотурбинных двигателях.
Выделение закисей азота (называемых ниже NOx) имеет место в результате горения при высоких температурах. NOx и моноокись углерода (СО) являются загрязняющим веществом, и в результате к камерам сгорания, генерирующим NOx и СО, всегда предъявляют более строгие требования в отношении выделений таких загрязняющих веществ. В соответствии с этим было приложено много усилий для уменьшения образования NOx и СО в камерах сгорания.
Одним решением этой проблемы было предварительное смешение топлива с избытком воздуха для того, чтобы горение проходило с локально большим избытком воздуха, обеспечивая в результате относительно низкую температуру горения и благодаря этому минимизируя образование NOx. Топливная форсунка, работающая 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, содержащая 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, работающие с бедными горючими смесями топлива с воздухом, отличались низкими выделениями NOx по сравнению с топливными форсунками предшествующего уровня техники. К сожалению, топливные форсунки, описанные, например, в вышеупомянутом патенте, имели нарушения устойчивости горения в нормальном диапазоне их работы как результат работы в бедной горючей смеси.
Таким образом, существует насущная потребность в способе сжигания топлива посредством топливной форсунки с тангенциальным входом при использовании бедных горючих смесей топлива с воздухом, который позволяет получать низкие выбросы NOx и СО без нарушений устойчивости горения, характерных для предшествующего уровня техники.
Задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание способа сжигания топлива посредством топливной форсунки с тангенциальным входом с использованием бедных горючих смесей топлива с воздухом, который позволяет получать низкие выбросы NOx и СО без нарушений устойчивости горения, характерных для предшествующего уровня техники.
Технический результат, достигаемый в процессе реализации настоящего изобретения, заключается в одновременном обеспечении низких выбросов NOx и СО при устойчивом горении бедных горючих смесей топлива с воздухом.
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, с достижением упомянутого выше технического результата в процессе сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя при предварительном смешивании топлива с воздухом, содержащего спиральный завихритель, имеющий первую и вторую торцевые пластины, разнесенные относительно друг друга, ограничивая, по существу, цилиндрическую зону смешения, при этом вторая торцевая пластина имеет проходящее через нее входное отверстие камеры сгорания, центральную часть, расположенную в зоне смешения и имеющую наружную в радиальном направлении поверхность, которая сужается в направлении к входному отверстию камеры сгорания и проходит по существу по всей длине зоны смешения, решается в настоящем способе путем тангенциального введения первой части воздуха для горения в зону смешения по существу непрерывно вдоль всей ее длины; введения первой части топлива в воздух для горения, когда воздух для горения вводят в зону смешения, смешение воздуха для горения и топлива посредством образования вихревого потока воздуха для горения и топлива вокруг центральной части, обеспечивая в то же самое время перемещение потока воздуха для горения и топлива по направлению к входному отверстию камеры сгорания, направление потока первой части воздуха для горения во входное отверстие камеры сгорания, введение второй части воздуха для горения в первую часть воздуха в радиальном ее направлении внутрь во входном отверстии камеры сгорания, причем сумма первой и второй частей воздуха для горения ограничивает совокупный воздушный поток, а вторая часть воздуха для горения составляет 85-89% совокупного воздушного потока; и последующего сжигания топлива вне зоны смешения.
Фиг. 1 - разрез топливной форсунки, соответствующей настоящему изобретению, сделанный по линии 1-1, показанной на фиг.2.
Фиг. 2 - разрез по продольной оси форсунки, соответствующей настоящему изобретению.
Фиг. 3 - разрез топливной форсунки, соответствующей настоящему изобретению, по линии 3-3, показанной на фиг.2.
Как следует из фиг.1, топливная форсунка 10 с предварительным смешением топлива и воздуха, обеспечивающая низкое выделение NОx, в соответствии с настоящим изобретением содержит центральную часть 12, размещенную в спиральном завихрителе 14. Спиральный завихритель 14 содержит первую и вторую торцевые пластины 16, 18, при этом 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, проходят от первой торцевой пластины 16 ко второй торцевой пластине 18.
Спиральные элементы 22, 24 равномерно разнесены вдоль продольной оси 26 форсунки 10, ограничивая в соответствии с этим между собой, в радиальном направлении по существу цилиндрическую 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 в описании изобретения 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 (первая часть) 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. При этом упомянутая часть воздуха для горения вводится тангенциально в зону смешения 28 по существу непрерывно по всей ее длине.
Каждый спиральный элемент 22,24 дополнительно содержит топливопровод 52, 54 для введения топлива (первая часть) в воздух 40 горения, когда его вводят тангенциально в зону 28 смешения через одну из входных прорезей 36, 38. Первый подающий топливопровод (не показан), который 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 и осуществляется горение смеси топлива и воздуха.
Как следует из фиг.1, центральная часть 12 содержит основание 58, которое имеет, по меньшей мере, одно, а предпочтительно множество отверстий 60, 62 для подачи воздуха (вторая часть), проходящих через него, при этом основание 58 ориентировано перпендикулярно продольной оси 26, проходящей через него. Центральная часть 12 предпочтительно имеет внутренний канал 64, ориентированный коаксиально продольной оси 26. 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, имеющий выходное отверстие 80, диаметр которого равен диаметру входного отверстия 70 первого цилиндрического канала 66, и входное отверстие 82, диаметр которого равен диаметру выходного отверстия 74 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 ориентирована коаксиально продольной оси 26 и расширяется по направлению к основанию 58, и цилиндрический участок 88, который составляет одно целое с участком 86 усеченной фигуры, ограничивает поверхность цилиндра и ориентирован также коаксиально продольной оси 26. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения цилиндрический участок 88 заканчивается в плоскости, в которой расположено выходное отверстие 68, диаметр участка 86 усеченной фигуры у основания 58 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 основание 58 встречается с участком 86 усеченной фигуры, и плоскостью, в которой расположена вершина участка 86 усеченной фигуры) в 1,3 раза больше диаметра основания участка 86 усеченной фигуры у основания 58. Цилиндрический участок 88 расположен между участком 86 усеченной фигуры и выходным отверстием 68. 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 цилиндрическому участку 88 и заканчивался у нее. 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, зона 28 смешения не является круглой в поперечном сечении.
Как следует из фиг.1, 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, выполненные 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, выполненные в основании 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 ко 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 подачи топлива (второй части), которая также ориентирована коаксиальна продольной оси 26, проходит через основание 58, камеру 100 и завихритель 108 во второй цилиндрический канал 72 внутреннего канала 64. Трубка 110 для подачи топлива имеет 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 подачи топлива во внутренний канал 112, выполненный в трубке 110 для подачи топлива. Топливные жиклеры 114 расположены в трубке 110 для подачи 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, дивергентную поверхность 117 и цилиндрическую поверхность 118, расположенную между упомянутыми поверхностями, при этом пересечение конвергентной и цилиндрической поверхностей лежит в плоскости 120, называемой плоскостью критического сечения входного отверстия 20. Конвергентная поверхность 116, дивергентная поверхность 117 и цилиндрическая поверхность 118 ориентированы коаксиально продольной оси 26, при этом конвергентная поверхность 116 расположена между первой торцевой пластиной 16 и цилиндрической поверхностью 118, тогда как дивергентная поверхность 117 предпочтительно ограничена поверхностью, полученной вращением части эллипса вокруг продольной оси 26.
Цилиндрическая поверхность 118 проходит на конечное расстояние, обозначенное позицией 121, между плоскостью 120 критического сечения и дивергентной поверхностью. Дивергентная поверхность 117 расположена между цилиндрической поверхностью 118 и плоскость 124 выходного сечения топливной форсунки 10, в которой также расположено входное отверстие 20 камеры сгорания, ориентированное перпендикулярно продольной оси 26.
Для достижения требуемой аксиальной скорости перемещения смеси топлива с воздухом через входное отверстие 20 камеры сгорания проходящий через него воздух для горения должен пройти минимальную площадью прохождения потока, называемую площадью критического сечения, во входном отверстии 20 камеры сгорания. Для обеспечения этого цилиндрическая поверхность 118 расположена на расстоянии заданного радиуса от продольной оси 26, который, по меньшей мере, на 10% меньше радиуса участка 86 усеченной фигуры у основания 58.
Конвергентная поверхность 116 ограничена плоскостью 120 критического сечения, в котором диаметр конвергентной поверхности 116 равен диаметру цилиндрической поверхности 118. Как показано на фиг.3, плоскость 120 критического сечения 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. Для обеспечения требуемого профиля скорости перемещения 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 121 вдоль продольной оси 26, которое составляет, по меньшей мере, 30% от заданного расстояния 126.
В процессе работы 11-15% совокупного воздушного потока через топливную форсунку 10 вводят через отверстия 104, 106 и отверстия 60, 62 для подачи воздуха, выполненные 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 подачи топлива, последнее предпочтительно в газообразном виде распыляется из трубки 110 для подачи 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, составляющий 85-89% совокупного воздушного потока через топливную форсунку 10, вводят в зону 28 смешения через входные прорези 36, 38. Используемый здесь термин "совокупный воздушный поток" означает сумму воздуха для горения, входящего во входные прорези 36, 38, и воздуха для горения, поступающего через отверстия 60, 62 для подачи воздуха. 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.
В одном из возможных вариантов осуществления данного способа введение второй части воздуха для горения в упомянутую первую часть в радиальном направлении внутрь в упомянутом входном отверстии камеры сгорания предусматривает введение второй части воздуха для горения в упомянутую центральную часть, затем введение второй части топлива в упомянутую вторую часть воздуха для горения и последующее смешение упомянутой второй части топлива с упомянутой второй частью воздуха для горения.
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. Концентрации топлива в воздухе определяли так, что если общее требуемое для стехиометрического горения отношение топливо/воздух составляло 0,5, то центральный поток для обеспечения стехиометрического горения имел отношение топливо/воздух, составляющее 0,54, а остальной поток для обеспечения стехиометрического горения имел отношение топливо/воздух, составляющее 0,493.
Вихрь кольцевого потока, образуемый спиральным завихрителем 14, предпочтительно 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 факелу пламени камеры сгорания мигрировать в спиральный завихритель 14 и соприкасаться с наружной поверхностью 84 центральной части 12. При наличии первого цилиндрического канала 66 вихревая смесь топлива с воздухом центрального потока окружена кольцевым потоком спирального завихрителя 14, и эти два потока проходят в радиальном направлении внутрь цилиндрической поверхности 118 и затем дивергентной поверхности 117 до тех пор, пока не достигнут плоскости 124 выходного сечения входного отверстия 20 камеры сгорания вниз по технологической цепочке от зоны 28 смешения.
Испытания топливной форсунки 10, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, показали, что при использовании бедной горючей смеси топлива с воздухом были обеспечены низкие выбросы NOx и СО без нарушений устойчивости горения, которые наблюдались у форсунок из предшествующего уровня техники. Особенностью такой работы форсунки является разделение воздуха и топлива между двумя потоками. Достаточно топлива должно проходить через центральный поток, чтобы общее пламя стабилизировалось при его присутствии, однако отношение топливо/воздух не должно быть таким высоким, чтобы вызывать значительное выделение NOx. Кроме того, топливо, подаваемое в два воздушных потока, должно подаваться по независимым трубопроводам и независимо регулироваться для обеспечения возможности в процессе работы изменять содержание топлива в центральном потоке с целью получения оптимальных выбросов.
Настоящее изобретение отличается от известных способов по нескольким признакам.
Во-первых, настоящее изобретение применимо к бедным, предварительно полученным, горючим смесям. Оба потока являются предварительно смешанными, причем один поток имеет только немного большее содержание топлива, чем другой. Это дает значительное уменьшение выбросов, чем при использовании традиционных способов направления потока при диффузионном горении. На самом деле в настоящем изобретении не используется "направление", поскольку эта функция не обеспечивает источника пламени при отсутствии пламени где-либо еще, а обеспечивает пламя, характеризующееся повышенной устойчивостью и небольшими выбросами.
Во-вторых, два (или более) потока создают один, образующий одно целое, объединенный фронт пламени. Хотя известно, что смежные факелы всегда образуют единый фронт пламени, однако сущность настоящего изобретения заключается в тонкой манипуляции и регулировании составляющих факела пламени в одной структуре пламени. В испытанных вариантах осуществления, которые показали наиболее успешные результаты, оба потока почти соответствовали друг другу по отношению топливо/воздух по аксиальной скорости, по вращению и по температуре при небольших отличиях (то есть при отличии в 10% по отношению топливо/воздух). Таким образом, были получены преимущества факела пламени с использованием бедных горючих смесей при отсутствии некоторых ограничений, связанных с ними.
В-третьих, потоки физически разделены и могут регулироваться независимо. В жидкостных топливных форсунках часто используют дифференциацию размера или скорости капель для получения обогащенных или обедненных участков факела пламени, чтобы увеличить устойчивость пламени и уменьшить выбросы. Аналогичным образом для получения обогащенных или обедненных участков факела пламени входные отверстия для подачи топлива в газовых топливных форсунках, работающих на предварительно полученных богатых или бедных смесях, могут иметь различные размеры и могут быть расположены в разных местах. Для получения разделения, которое бы соответствовало богатой или бедной горючей смеси, могут также регулироваться аэродинамические характеристики. Настоящее изобретение отличается также и тем, что потоки остаются физически разделенными до тех пор, пока они почти не входят в зону горения, причем времени смешения достаточно только для обеспечения возможности образования единого, образующего одно целое, объединенного фронта пламени, как описано выше.
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 заявляемого изобретения могут быть, в общем и в частности, сделаны различные изменения.
Изобретение предназначено для использования в газотурбинных двигателях. Предварительное смешение топлива с воздухом обеспечивается форсункой, содержащей спиральный завихритель с первой и второй торцевыми пластинами, ограничивающими цилиндрическую зону смешения. Способ включает тангенциальное введение первой части воздуха в зону смешения вдоль всей ее длины, введение первой части топлива в воздух, смешение воздуха и топлива посредством образования вихревого потока вокруг центральной части и одновременно перемещение вихревого потока к входному отверстию камеры сгорания, подачу первой части воздуха во входное отверстие последней, введение второй части воздуха в первую часть радиально внутрь во входном отверстии камеры сгорания, причем сумма первой и второй частей воздуха составляет совокупный поток, а вторая часть воздуха составляет 85-89% этого потока. Последующее сжигание топлива осуществляется вне зоны смешения. Изобретение обеспечивает устойчивое горение. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.
| US 5307634 А, 03.05.1994 | |||
| US 5309718 А, 10.05.1994 | |||
| US 5505045 А, 09.01.1996 | |||
| RU 20085009 C1, 28.02.1990. |
