Инжектор для жидкого топлива, предназначенный для горелок в газовых турбинах Российский патент 2004 года по МПК F23R3/20 

Изобретение относится к инжектору для жидкого топлива, предназначенному для горелок в газовых турбинах.

Как известно, газовые турбины представляют собой машины, которые состоят из компрессора и турбины с одной или более ступенями, причем эти компоненты соединены друг с другом с помощью вращающегося вала и предусмотрена камера сгорания между компрессором и турбиной.

Для создания избыточного давления в компрессоре в него подают воздух, получаемый из внешней среды.

Сжатый воздух проходит через ряд камер предварительного смешивания, которые заканчиваются соплом или суживающимся участком, в каждую из которых инжектор подает топливо, которое смешивается с воздухом с целью образования воздушно-топливной смеси, подлежащей сжиганию.

В камеру сгорания подается топливо, которое необходимо для осуществления сжигания, служащего для инициирования повышения температуры и энтальпии (теплосодержания) газа.

Впоследствии по соответствующим каналам газ, находящийся при высокой температуре и под высоким давлением, доходит до турбины, которая обеспечивает преобразование энтальпии газа в механическую энергию, доступную для пользователя.

Между компрессором и камерой сгорания предусмотрен ряд горелок, в функции которых входит подача жидкого топлива, получаемого из удаленного резервуара, в камеру сгорания.

Известные горелки имеют сложную конструкцию, внутри которой имеется инжектор, содержащийся в суживающемся корпусе, который, используя техническую терминологию, обычно называют кожухом.

В свою очередь, инжектор, который, как известно, соединен с подводящим каналом для жидкого топлива, как правило, имеет корпус, который выполнен с цилиндрической частью и заостренной концевой частью.

Инжекторы для жидкого топлива, предназначенные для горелок в известных газовых турбинах, имеют канал, который используется для обеспечения возможности прохода топлива, и выполнены с каналами, предназначенными для впуска сжатого воздуха из компрессора турбины (патент США № 5778676).

Как канал для топлива, так и каналы для сжатого воздуха заканчиваются соответствующими выпускными отверстиями, причем воздух, поступающий из инжектора, используется для перевода топлива в парообразное состояние с целью улучшения характеристик сгорания.

Кроме того, с суживающимся корпусом связан элемент, который в данной области техники обычно называют центробежной форсункой и который используется для создания преграды для потока воздуха, получаемого из компрессора, и имеет сложную форму, состоящую из двух рядов лопастей, которые сориентированы в противоположных направлениях и предназначены для создания турбулентного потока сжатого воздуха, получаемого из компрессора, в результате чего обеспечивается возможность соответствующего смешивания самого воздуха с жидким топливом, впрыскиваемым с помощью инжектора в камеру предварительного смешивания.

Проблемы, которые возникают в технической области, относящейся к горелкам, связаны с необходимостью достижения оптимального распыления жидкого топлива, а также смешивания, которое соответствует различным характеристикам используемых видов топлива.

Кроме того, желательно избежать нежелательного отражения пламени в направлении горелки, которое приводит к отключению машины.

И в завершение, желательно достигнуть оптимального режима турбулентности текучих сред, имеющихся в зоне предварительного смешивания, и уменьшения выделения побочных продуктов сгорания и, в частности, таких загрязняющих веществ, как оксиды азота.

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в разработке инжектора для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах, который имеет чрезвычайно простую и компактную конструкцию, обеспечивая при этом сохранение оптимальных динамических характеристик текучих сред, как было описано выше.

Другая задача изобретения состоит в разработке инжектора для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах, который обеспечивает оптимальную надежность при использовании машины.

Еще одна задача изобретения состоит в разработке инжектора для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах, который может быть изготовлен с небольшими затратами и состоит из уменьшенного количества деталей.

Эти и другие задачи решаются с помощью инжектора для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах, причем инжектор относится к инжектору такого типа, какой используется внутри горелок, оснащенных камерой предварительного смешивания, и элементов для создания турбулентности в потоке сжатого воздуха, получаемого из компрессора газовой турбины, при этом инжектор содержит корпус, который заканчивается наконечником и выполнен, по меньшей мере, с одним каналом для прохода топлива и каналами для впуска сжатого воздуха из компрессора турбины, в котором канал для топлива и каналы для сжатого воздуха заканчиваются соответствующими выпускными отверстиями, инжектор отличается тем, что наконечник инжектора заканчивается в средней части (в середине) суживающейся части камеры предварительного смешивания.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения отверстия для бокового выпуска сжатого воздуха расположены по ходу течения за теми отверстиями, из которых выпускается жидкое топливо. Причем каждое из отверстий, предназначенных для бокового выпуска сжатого воздуха, выровнено по отношению к соответствующему отверстию, предназначенному для выпуска жидкого топлива.

Кроме того, центр каждого из отверстий, предназначенных для бокового выпуска сжатого воздуха, расположен на линии, параллельной оси инжектора, по отношению к соответствующему отверстию, предназначенному для выпуска жидкого топлива.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения отверстия для бокового выпуска сжатого воздуха и отверстия для выпуска жидкого топлива расположены по ходу течения за элементом, предназначенным для создания турбулентности, и в таком положении, при котором они четко отделены от элемента для создания турбулентности.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения корпус инжектора имеет множество впускных каналов, чтобы обеспечить возможность подвода сжатого воздуха из компрессора.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения внутри своего собственного наконечника инжектор имеет канал, который сообщается с каналами для прохода сжатого воздуха и заканчивается отверстием, из передней части которого выпускается сжатый воздух.

Кроме того, инжектор согласно настоящему изобретению выполнен с трубкой, которая расположена снаружи трубки для подвода жидкого топлива и выполняет теплоизоляционную функцию. Две трубки удерживаются на одинаковом расстоянии друг от друга с помощью соответствующей пружины.

Дополнительные характеристики изобретения определены в формуле изобретения, приложенной к данной заявке на патент.

Дополнительные задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при рассмотрении и изучении нижеприведенного описания и приложенных чертежей, которые приведены исключительно в качестве неограничивающего примера и в которых:

на фиг.1 показан выполненный частично в сечении вид горелки, предназначенной для газовых турбин и снабженной инжектором согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 - выполненный частично в сечении вид инжектора согласно настоящему изобретению, предназначенного для газовых турбин;

на фиг.3 - изображение инжектора по фиг.1 и 2 в сечении по плоскости, которая перпендикулярна оси инжектора;

на фиг.4 - вид сбоку детали инжектора согласно настоящему изобретению, предназначенного для газовых турбин.

Как показывают фиг.1-4, инжектор для жидкого топлива, предназначенный для горелок в газовых турбинах и выполненный согласно настоящему изобретению, обозначен в целом ссылочным номером 10.

Более точно, как можно видеть на фиг.1, инжектор 10 для жидкого топлива, предназначенный для горелок в газовых турбинах и выполненный согласно настоящему изобретению, представляет собой инжектор такого типа, какой используется внутри горелок, которые снабжены камерой 62 предварительного смешивания и элементом 13, широко известным как центробежная форсунка, который используется для создания соответствующей турбулентности в потоке сжатого воздуха, получаемого из компрессора газовой турбины.

Камера 62 предварительного смешивания имеет первую часть 60, которая имеет по существу цилиндрическую форму, и концевую суживающуюся часть 61, которую в данной области техники называют кожухом.

На фиг.1 также показана линия 63 разделения между цилиндрической частью 60 и концевой суживающейся частью 61.

Инжектор 10 соединен с трубкой 14, через которую подается жидкое топливо, при этом также имеются связанный с камерой 62 предварительного смешивания основной газовый канал 70 и канал 71, которые принадлежат схеме управления пламенем.

Инжектор 10 содержит корпус 11, который заканчивается наконечником 12 и выполнен с каналом 25 для прохода топлива, поступающего из трубки 14.

Канал 25 для жидкого топлива проходит внутри базовой детали 26, которая более подробно будет описана ниже, и сообщается с выпускными отверстиями 22 и 23 для топлива.

Как можно видеть на фиг.1, инжектор 10 вставлен центрально по отношению к центробежной форсунке 13 в той части, которая соответствует части длины корпуса 11.

Кроме того, наконечник 12 инжектора 10 заканчивается в середине суживающегося участка 61 камеры 62 предварительного смешивания, оставляя свободным значительное пространство перед выпускным отверстием 64 суживающейся части 61.

При рассмотрении внутренней конструкции инжектора 10, которую можно видеть в поперечном сечении на фиг.2, можно увидеть, что инжектор также выполнен с каналами, обозначенными ссылочными номерами 48 и 58, которые обеспечивают возможность притока сжатого воздуха, получаемого из компрессора (непоказанного) газовой турбины.

Каналы 48 и 58 сообщаются с выпускными отверстиями 20 и 21 для сжатого воздуха.

Если рассмотреть взаимное расположение отверстий 20, 21, 22 и 23, то можно увидеть, что отверстия 20 и 21, предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, расположены по ходу течения за отверстиями 22 и 23, из которых выпускается жидкое топливо.

Предпочтительно центр каждого из этих отверстий 20 и 21, предназначенных для бокового выпуска сжатого воздуха, находится на линии, которая параллельна оси инжектора 10, по отношению к соответствующим отверстиям 22, 23, предназначенным для выпуска жидкого топлива.

Важным признаком инжектора согласно изобретению является то обстоятельство, что отверстия 20, 21, предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, и отверстия 22 и 23, предназначенные для выпуска жидкого топлива, расположены по ходу течения за центробежной форсункой 13 и в таком положении, при котором они четко отделены (расположены на расстоянии) от центробежной форсунки.

На фиг.4 также подробно показано то, что отверстия 20, 21 для бокового выпуска сжатого воздуха и отверстия 22 и 23 для выпуска жидкого топлива находятся внутри цилиндрической части 60, предназначенной для предварительного смешивания камеры 62 горелки.

В частности, как оси отверстий 20 и 21 для бокового выпуска сжатого воздуха, так и оси отверстий 22 и 23 для выпуска жидкого топлива направлены радиально относительно корпуса 11 инжектора 10.

Более точно, как отверстия 20 и 21, предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, так и отверстия 22 и 23, предназначенные для выпуска жидкого топлива, имеют овальное поперечное сечение.

Кроме того, отверстия 22 и 23 предпочтительно выполнены меньшими по размеру по сравнению с отверстиями 20 и 21.

Как было указано выше, корпус 11 инжектора 10 имеет центральное отверстие, внутрь которого вставлена трубка 14 для подвода жидкого топлива.

Как можно видеть на фиг.3, корпус 11 инжектора 10 также имеет множество впускных каналов 18, 28, 38, предназначенных для обеспечения возможности подвода сжатого воздуха из компрессора.

В этой связи следует отметить, что в варианте осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован в качестве неограничивающего примера, имеются три канала 18, 28 и 38 для подвода сжатого воздуха.

Внутри наконечника 12 инжектор 10 также имеет канал 19, который сообщается с каналами 48 и 58 и заканчивается отверстием 17, из передней части которого выпускается сжатый воздух.

Внутри наконечника 12 также имеется воздушный зазор 40, сообщающийся с каналом 19.

Трубка 14, предназначенная для подвода жидкого топлива, имеет изолирующий зазор 16, который выполнен таким образом, что он вместе с пружиной 15 окружает внутреннюю трубку 29, которая образует канал 25 для жидкого топлива.

Внутри инжектора 10 предусмотрена вышеупомянутая базовая деталь 26 с высверленными отверстиями, назначение которой состоит в обеспечении соединения с концевой частью трубки 14, предназначенной для подвода жидкого топлива таким образом, чтобы создать один канал 25 для прохода жидкого топлива.

Кроме того, базовая деталь 26 с высверленными отверстиями сообщается с отверстиями 22 и 23, из которых выпускается жидкое топливо.

Далее кратко описано функционирование инжектора 10 для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах и выполненного согласно настоящему изобретению.

Жидкое топливо с помощью трубки 14 подается из удаленного резервуара в инжектор 10 с тем, чтобы обеспечить его подвод к основному пламени горелки.

Одновременно осуществляется впуск сжатого воздуха, получаемого из горелки, перед инжектором 10 по ходу течения, и этот сжатый воздух входит в контакт с центробежной форсункой 13, так что в потоке сжатого воздуха создается турбулентность, и это обеспечивает возможность придания устойчивости пламени за инжектором 10 по ходу течения.

Жидкое топливо проходит по каналу 25 и выпускается из отверстий 22 и 23, которые расположены радиально вдоль корпуса 11 инжектора 10.

Одновременно воздух, поступающий из компрессора, проходит по каналам 48 и 58 и выпускается из выпускных отверстий 20 и 21.

Благодаря тому, что отверстия 20 и 21, предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, расположены по ходу течения за отверстиями 22 и 23, из которых выпускается жидкое топливо, на наконечнике 12 инжектора 10 создается воздушная оболочка ("пленка" из воздуха), предотвращающая осаждение жидкого топлива на самом инжекторе.

Этот эффект усиливается за счет того, что центры отверстий 20 и 21 для сжатого воздуха расположены на линиях, которые параллельны оси инжектора 10, относительно соответствующих отверстий 22 и 23, предназначенных для выпуска жидкого топлива.

Кроме того, проходя по своей собственной траектории внутри инжектора 10, сжатый воздух также проходит по каналу 19, который, в свою очередь, сообщается с каналами 48 и 58, и сжатый воздух выпускается спереди из отверстия 17.

Это обстоятельство обеспечивает возможность удовлетворительного регулирования температуры наконечника инжектора 10.

Также следует отметить, что наконечник 12 инжектора 10 заканчивается в середине суживающейся части 61 камеры 62 предварительного смешивания.

Этот характерный признак, совместно с сужающейся формой части 61, обеспечивает возможность достижения оптимальных параметров пламени.

Кроме того, то обстоятельство, что отверстия 20 и 21, предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, и отверстия 22 и 23, предназначенные для выпуска жидкого топлива, находятся в положении, при котором они четко отделены от центробежной форсунки 13, обеспечивает возможность достижения идеального смешивания топлива.

Представленное описание делает очевидными характерные признаки и преимущества инжектора для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах, который представляет собой предмет настоящего изобретения.

В завершение следует отметить, что является очевидным выполнение множества вариантов инжектора для жидкого топлива, предназначенного для горелок в газовых турбинах, который представляет собой предмет настоящего изобретения, не отходя от принципов новизны, которые присущи идее изобретения, и также очевидно, что можно использовать любые материалы, формы и размеры, какие потребуются, при практической реализации изобретения, и они могут быть заменены на другие, технически эквивалентные.

Изобретение относится к инжектору (10) для жидкого топлива, предназначенному для горелок в газовых турбинах, такого типа, какой используется внутри горелок, оснащенных камерой (62) предварительного смешивания и элементом (13) для создания турбулентности в потоке сжатого воздуха, получаемого из компрессора газовой турбины. Инжектор (10) содержит корпус (11), который заканчивается наконечником (12) и выполнен, по меньшей мере, с одним каналом для прохода топлива и каналами для впуска сжатого воздуха из компрессора турбины. Канал для топлива и каналы для сжатого воздуха заканчиваются соответствующими выпускными отверстиями. Наконечник (12) инжектора (10) заканчивается в середине суживающейся части (61) камеры (62) предварительного смешивания. Изобретение приводит к упрощению конструкции инжектора и повышению его надежности. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Инжектор для жидкого топлива, предназначенный для горелок в газовых турбинах такого типа, какой используется внутри горелок, оснащенных камерой (62) предварительного смешивания и элементом (13) для создания турбулентности в потоке сжатого воздуха, получаемого из компрессора газовой турбины, причем инжектор (10) содержит корпус (11), который заканчивается наконечником (12) и выполнен, по меньшей мере, с одним каналом (25) для прохода топлива и каналами (48, 58) для впуска сжатого воздуха из указанной турбины, причем канал (25) для топлива и каналы (48, 58) для сжатого воздуха заканчиваются соответствующими выпускными отверстиями (22, 23) и (20, 21), отличающийся тем, что наконечник (12) инжектора (10) заканчивается в середине суживающейся части (61) камеры (62) предварительного смешивания.2. Топливный инжектор по п.1, отличающийся тем, что отверстия (20, 21) для бокового выпуска сжатого воздуха расположены по ходу течения за отверстиями (22, 23), из которых выпускается жидкое топливо.3. Топливный инжектор по п.2, отличающийся тем, что каждое из отверстий (20, 21), предназначенных для бокового выпуска сжатого воздуха, выровнено по отношению к соответствующему отверстию (22, 23), предназначенному для выпуска жидкого топлива.4. Топливный инжектор по п.3, отличающийся тем, что отверстия (20, 21), предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, и указанные отверстия (22, 23), предназначенные для выпуска жидкого топлива, расположены по ходу течения за указанным элементом (13), предназначенным для создания турбулентности, и в таком положении, при котором они четко отделены от него.5. Топливный инжектор по п.4, отличающийся тем, что отверстия (20, 21), предназначенные для бокового впуска сжатого воздуха, и отверстия (22, 23), предназначенные для выпуска жидкого топлива, расположены внутри цилиндрической части (60) камеры (62) предварительного смешивания.6. Топливный инжектор по п.4 или 5, отличающийся тем, что оси как отверстий (20, 21), предназначенных для бокового выпуска сжатого воздуха, так и отверстий (22, 23), предназначенных для выпуска жидкого топлива, сориентированы радиально относительно корпуса (11) инжектора (10).7. Топливный инжектор по п.6, отличающийся тем, что отверстия (20, 21), предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, имеют существенно больший размер по сравнению с соответствующими отверстиями (22, 23), предназначенными для выпуска жидкого топлива.8. Топливный инжектор по п.6 или 7, отличающийся тем, что как отверстия (20, 21), предназначенные для бокового выпуска сжатого воздуха, так и отверстия (22, 23), предназначенные для выпуска жидкого топлива, имеют овальное поперечное сечение.9. Топливный инжектор по п.1, отличающийся тем, что корпус (11) инжектора (10) имеет центральное отверстие, внутрь которого вставлена трубка (14), предназначенная для подвода жидкого топлива.10. Топливный инжектор по п.9, отличающийся тем, что корпус (11) инжектора (10) имеет множество впускных каналов (18, 28, 38), чтобы обеспечить возможность подвода сжатого воздуха из компрессора.11. Топливный инжектор по п.10, отличающийся тем, что внутри наконечника (12) он имеет канал (19), причем канал (19) сообщается с каналами (48, 58) и заканчивается отверстием (17), из передней части которого выпускается сжатый воздух.12. Топливный инжектор по п.11, отличающийся тем, что он имеет воздушный зазор (40), находящийся внутри наконечника (12) и сообщающийся с каналом (19).13. Топливный инжектор по п.12, отличающийся тем, что он имеет трубку (29), которая образует канал (25) для жидкого топлива внутри указанной подводящей трубки (14), причем трубка окружена пружиной (15), чтобы образовать изолирующий зазор (16).14. Топливный инжектор по п.13, отличающийся тем, что внутри инжектора (10) имеется базовая деталь (26) с высверленными отверстиями, предназначенная для соединения концевой части трубки (14) с подачей жидкого топлива с тем, чтобы создать один канал (25) для прохода жидкого топлива.15. Топливный инжектор по п.14, отличающийся тем, что указанная базовая деталь (26) с высверленными отверстиями сообщается с отверстиями (22, 23), из которых выпускается жидкое топливо.