СИСТЕМА МНОГОРЕЖИМНОЙ ПОДАЧИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F23R3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в широком аспекте к области систем подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины. Более конкретно, оно относится к системе многорежимной подачи топливовоздушной смеси, позволяющей обеспечивать, по меньшей мере, два независимых режима подачи топливовоздушной смеси в соответствии с предварительно заданными режимами работы двигателя.

Уровень техники

В камере сгорания обычных газовых турбин подача топлива осуществляется каждой системой подачи на одном режиме через топливную форсунку. Два завихрителя воздуха, центрированные относительно форсунки, подают каждый радиальный воздушный поток в зоне за топливной форсункой для получения топливовоздушной смеси, предназначенной для впрыска, и затем сжигания в камере сгорания. Истечение воздуха от двух завихрителей обычно ограничено устройством Вентури, встроенным между завихрителями, а установленная за ним конусная оболочка ускоряет течение топливовоздушной смеси к камере сгорания.

Топливовоздушная смесь, получаемая в таких системах подачи, должна быть оптимальной для того, чтобы обеспечивать запуск камеры сгорания, устойчивость сжигания на низких режимах работы двигателя и ограничение вредных выбросов в атмосферу, в особенности на режиме так называемого полного газа. Эти требования обусловливают режимы работы, часто несовместимые друг с другом. Так, например, устойчивости работы камеры сгорания по срыву пламени, особенно необходимой на низких режимах работы турбомашины, способствует неоднородность топливовоздушной смеси, характеризующаяся наличием зон с высоким содержанием смеси, расположенных вблизи обедненных зон. И наоборот, образование вредных веществ, таких как оксиды азота, может быть ограничено использованием бедной и однородной топливовоздушной смеси.

Система подачи топлива описанного типа, работающая в одном режиме, не позволяет удовлетворить всем перечисленным выше условиям. Действительно, впрыск топлива этими системами осуществляется в зоны, где масса вводимого воздуха наиболее низка, что создает тенденцию к образованию неоднородной топливовоздушной смеси. Кроме того, ограничение впрыска топлива до одной точки является оптимизированным только для одного или двух режимов работы турбомашины. В частности, с такими системами подачи топлива не обеспечивается надежность режима малого газа, что ведет к значительным выбросам моноксида углерода.

Для устранения этих затруднений известно использование камеры сгорания с двумя головками, принцип работы которой заключается в разделении горения топлива на низком и на высоком режиме за счет оснащения камеры сгорания топливными форсунками, которые распределены между так называемой «пусковой» головкой и так называемой «взлетной» головкой, которая отстоит от пусковой головки как радиально, так и по оси. Хотя такое техническое решение и представляется удовлетворительным, камера с двумя головками трудно управляема и громоздка с учетом двойного числа топливных форсунок по сравнению с камерой, оснащенной простой классической головкой.

Из патента США №5816049 известна также система подачи топливовоздушной смеси, в которой впрыск топлива осуществляется во множестве точек через отверстия впрыска топлива, предусмотренные на уровне устройства Вентури, ограничивающего течение воздуха от радиального завихрителя и осевого завихрителя, а также через отверстия, выходящие в канал воздушного потока от радиального завихрителя. Однако описанная в данном документе система подачи топлива имеет свои недостатки. Подача топлива к отверстиям впрыска топлива осуществляется через множество питающих каналов, что значительно повышает риск коксования топлива. Кроме того, специальное расположение отверстий впрыска топлива относительно средств подачи воздуха связано с существенным риском обратного тока топлива.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и в создании новой системы подачи, обеспечивающей многорежимный впрыск топливовоздушной смеси, что позволяет приготавливать топливовоздушную смесь, оптимальную для условий низкого и повышенного режима с целью ограничения вредных выбросов. Задачей изобретения является также создание системы, снижающей риск коксования и устраняющей обратный ток топлива.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет системы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания двигателя газовой турбины, при этом эта система подачи топливовоздушной смеси имеет продольную ось и содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми и вторыми средствами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости устройства Вентури. Данная полость образована ближней по направлению потока по существу осевой стенкой и дальней по направлению потока по существу радиальной стенкой. При этом топливоподающие средства содержат, по меньшей мере, один первый топливоподающий контур, снабженный, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров. Эти вторые топливоподающие контуры независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива. Тем самым обеспечивается возможность реализации нескольких независимых режимов подачи топливовоздушной смеси в соответствии с определенными режимами работы двигателя. Система по изобретению характеризуется тем, что отверстие впрыска топлива первого топливоподающего контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури для впрыска топлива к камере сгорания в направлении, по существу перпендикулярном направлению воздушного потока, исходящего от первых средств подачи воздуха. При этом отверстия впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней по направлению потока стенке устройства Вентури для впрыска топлива к камере сгорания в общем направлении, по существу перпендикулярном направлению воздушного потока, исходящего от вторых средств подачи воздуха.

За счет такого решения система подачи топлива позволяет генерировать как однородную и бедную топливовоздушную смесь для условий повышенного режима для снижения вредных выбросов оксидов азота, так и создавать газовые карманы в стехиометрической пропорции для условий режима малой подачи. Благодаря этому гарантируются запуск и устойчивость работы камеры сгорания по срыву пламени с одновременным контролем выбросов моноксида углерода. Впрыск топливовоздушной смеси осуществляется многорежимным образом в соответствии с условиями работы двигателя. Таким образом, распределение топлива в системе подачи может точно регулироваться в функции массы воздуха, вводимого средствами подачи воздуха. Кроме того, впрыск топлива в направлениях, перпендикулярных воздушным потокам от средств подачи воздуха, улучшает однородность топливовоздушной смеси.

В оптимальном варианте осуществления отверстия впрыска топлива указанных первого (или первых) и вторых топливоподающих контуров равномерно распределены вокруг продольной оси и занимают взаимно смещенные угловые положения для улучшения однородности топливовоздушной смеси.

Один питающий трубопровод позволяет подавать топливо в первый (или первые) и вторые топливоподающие контуры, например, посредством нескольких концентричных питающих трубок. При этом подача топлива осуществляется через один трубопровод, что снижает риск коксования топлива и позволяет организовать охлаждение за счет циркуляции топлива в топливоподающих контурах.

Вспомогательные средства подачи воздуха или топлива, расположенные симметрично продольной оси системы подачи топлива, позволяют оптимальным образом определять дополнительные режимы впрыска топливовоздушной смеси. Эти средства установлены на конусной оболочке, которая расположена симметрично также на продольной оси и проходит назад по направлению потока от первых средств подачи воздуха.

Перечень чертежей

Не являющиеся ограничивающими примеры осуществления настоящего изобретения его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает на виде в разрезе часть камеры сгорания, оснащенной системой подачи в соответствии с одним примером осуществления изобретения,

фиг.2 изображает в увеличенном масштабе часть системы по фиг.1,

фиг.3 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом систему подачи по фиг.1,

фиг.4 схематично изображает на виде спереди систему подачи топлива в другом примере осуществления.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 представлена на виде в разрезе часть камеры 10 сгорания, оснащенной несколькими системами 12 подачи топливовоздушной смеси. Камера 10 сгорания укреплена на наружном корпусе 14 с помощью фиксирующих средств, которые здесь не показаны. Камера 10 сгорания может быть камерой, например, кольцевого типа, ограниченной двумя стенками 16, 18, которые соединены между собой в головной части камеры кольцевым днищем 20. В днище 20 имеется несколько окон, равномерно распределенных вокруг оси 21 газовой турбины, оснащенной такой камерой сгорания. Система 12 по изобретению смонтирована в каждом из этих окон. Топливоподающие системы приготавливают топливовоздушную смесь, предназначенную для сжигания в камере 10 сгорания. Генерируемые при сгорании топливовоздушной смеси газы текут в камере сгорания к ее выходной части перед подачей их в турбину высокого давления.

Как показано более подробно на фиг.2, топливоподающая система 12 с продольной осью Х-Х содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми и вторыми средствами подачи воздуха. Эти первые и вторые средства подачи воздуха предпочтительно образованы соответственно внутренним завихрителем 22 и наружным завихрителем 24, расположенными радиально относительно продольной оси Х-Х. Эти воздушные завихрители известного типа подают каждый воздушный поток по существу в радиальном направлении. Наружный завихритель 24 установлен с радиальным смещением относительно внутреннего завихрителя 22.

Топливоподающие средства установлены во внутренней кольцевой полости кольцевого устройства 26 Вентури, которое расположено симметрично продольной оси Х-Х топливоподающей системы и ограничивает течение воздуха, исходящего от внутреннего и наружного завихрителей 22, 24. Устройство Вентури содержит ближнюю по направлению потока стенку 28, которая проходит по существу в осевом направлении от внутреннего завихрителя 22 и продолжена дальней по направлению потока стенкой 30, которая проходит по существу радиально и связана с наружным завихрителем 24.

Топливоподающие средства содержат, по меньшей мере, один первый топливоподающий контур 32 и несколько вторых топливоподающих контуров 34. Эти первый (или первые) и вторые топливоподающие контуры независимы друг от друга и ограничены ближней и дальней стенками 28, 30 устройства 26 Вентури. Для удобства представления на фиг.1-3 показаны топливоподающие средства, содержащие один первый и один второй топливоподающие контуры. Разумеется, возможны варианты выполнения, в которых топливоподающие средства содержат несколько первых и несколько вторых топливоподающих контуров.

Первый топливоподающий контур 32 открывается в камеру 10 сгорания по существу в радиальном направлении посредством, по меньшей мере, одного отверстия 36 впрыска топлива, выполненного в ближней стенке устройства Вентури. Второй топливоподающий контур 34 открывается в камеру 10 сгорания по существу в радиальном направлении посредством, по меньшей мере, одного отверстия 38 впрыска топлива, выполненного в дальней стенке устройства Вентури. Таким образом, в соответствии с изобретением топливо, находящееся в первом топливоподающем контуре 32, впрыскивается в воздушный поток, генерируемый внутренним завихрителем 22, в направлении, по существу перпендикулярном этому потоку. Аналогичным образом топливо, находящееся во втором топливоподающем контуре 34, впрыскивается в воздушный поток, генерируемый наружным завихрителем 24, в направлении, по существу перпендикулярном этому потоку. В качестве примера в каждом топливоподающем контуре может быть предусмотрено шесть отверстий впрыска топлива.

Согласно предпочтительному варианту изобретения отверстия 36, 38 впрыска топлива топливоподающих контуров 32, 34 равномерно распределены вокруг продольной оси Х-Х топливоподающей системы. При этом отверстия 36 впрыска топлива первого топливоподающего контура занимают угловые положения, смещенные относительно отверстий 38 впрыска топлива второго контура. Эта особенность позволяет улучшить однородность топливовоздушной смеси. Кроме того, отверстия впрыска топлива предпочтительно не расположены напротив выходов внутреннего и наружного завихрителей воздуха.

Наличие, по меньшей мере, одного первого и нескольких вторых независимых топливоподающих контуров, каждый из которых снабжен, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, позволяет реализовать несколько независимых режимов подачи топливовоздушной смеси в зависимости от определенных режимов работы двигателя. Так, например, в том случае, когда топливоподающие средства содержат один первый и один второй топливоподающий контур, как показано на фиг.1-3, впрыск топлива первым топливоподающим контуром 32 может соответствовать режиму малого газа, а впрыск топлива первым и вторым топливоподающими контурами может соответствовать режиму полного газа.

Согласно другому примеру осуществления изобретения, схематично представленному на фиг.4, предусмотрены два первых топливоподающих контура 32а, 32b и два вторых топливоподающих контура 34а, 34b. Каждый первый топливоподающий контур 32а, 32b содержит три отверстия 36а, 36b впрыска топлива соответственно, а каждый второй топливоподающий контур 34а, 34b содержит три отверстия 38а, 38b впрыска топлива соответственно. При этом топливоподающая система 12 позволяет осуществлять шестнадцать независимых режимов впрыска топливовоздушной смеси. На фиг.4 показано также, что отверстия 36а, 36b и 38а, 38b впрыска топлива первых и вторых топливоподающих контуров равномерно распределены вокруг продольной оси Х-Х топливоподающей системы и занимают взаимно смещенные угловые положения таким образом, чтобы улучшить образование топливовоздушной смеси.

Согласно еще одному примеру осуществления, который не представлен на чертежах, могут быть предусмотрены шестнадцать первых и шестнадцать вторых топливоподающих контуров, каждый из которых оснащен двумя отверстиями впрыска топлива. В этом случае топливоподающие средства позволяют определить 256 независимых режимов впрыска топливовоздушной смеси.

Из фиг.1 и 2 видно, что топливоподающая система 12 по изобретению содержит также, по меньшей мере, один радиальный питающий трубопровод 40, который подает топливо и в первый (или первые) и во вторые топливоподающие контуры 32, 34. Этот питающий трубопровод 40 в оптимальном примере выполнения содержит несколько трубок, которые могут быть, например, концентричными, при этом каждая трубка подает топливо в один из контуров. В примере выполнения по фиг.2 топливоподающий трубопровод содержит две трубки 42, 44. Первая, центральная трубка 42 трубопровода подает топливо во второй топливоподающий контур 34, который предпочтительно имеет торическую форму (фиг.3). Вторая трубка 44, концентричная первой, подает топливо в первый топливоподающий контур 32. В том случае, когда имеется несколько первых и несколько вторых топливоподающих контуров, количество концентричных трубок соответствует количеству контуров. Таким образом, питание топливом топливоподающих контуров осуществляется по одному питающему трубопроводу 40, что снижает риск коксования топлива. В альтернативном варианте питающие трубки могут быть расположены параллельно и независимо друг от друга.

Присутствующее в топливоподающих контурах топливо защищено от горячих газов, выделяющихся при сгорании топливовоздушной смеси, посредством тепловых экранов 46, встроенных между топливоподающими контурами 32, 34 и ближней и дальней стенками 28, 30 устройства 26 Вентури. Топливо, циркулирующее в топливоподающих контурах, позволяет также охлаждать стенки устройства Вентури. В том случае, когда имеется несколько первых и несколько вторых топливоподающих контуров, тепловые экраны могут одновременно служить для отделения одних контуров от других.

Согласно другой полезной особенности изобретения топливоподающая система дополнительно содержит вспомогательные средства 48 подачи воздуха или топлива, расположенные симметрично продольной оси Х-Х (показаны на фиг.2 штриховыми линиями). Эти вспомогательные средства 48 дают возможность определить дополнительные режимы впрыска топливовоздушной смеси. Так, например, если эти средства являются топливоподающими, впрыск топлива только через эти средства может соответствовать режиму малого газа двигателя, а впрыск топлива через эти вспомогательные средства и через отверстия впрыска топлива первого топливоподающего контура может соответствовать всему диапазону промежуточных режимов. И наконец, впрыск топлива через вспомогательные средства и через отверстия впрыска топлива первого и второго топливоподающих контуров может соответствовать режиму полного газа двигателя.

Предпочтительно вспомогательные средства 48 подачи воздуха или топлива установлены на конусной оболочке 50, которая расположена симметрично продольной оси Х-Х и проходит назад по направлению потока от первых средств подачи воздуха. В том случае, когда вспомогательные средства являются топливоподающими средствами, они образованы, например, топливной форсункой обычного типа, пересекающей стенку 52, образующую днище конусной оболочки 50. Если вспомогательные средства являются средствами подачи воздуха, они могут быть образованы завихрителем известного типа, также пересекающим стенку 52 конусной оболочки 50.

И наконец, следует отметить, что на выходе наружного завихрителя 24 расположена смесеподающая труба 54. Данная труба 54 имеет стенку 56, которая сужается по ходу потока и заканчивается по существу радиальной стенкой 58, которая продолжена в камере сгорания дефлектором 60. Эта труба позволяет ускорять истечение топливовоздушной смеси к камере сгорания и предотвращает распространение пламени горения в обратном направлении.

Система подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя имеет продольную ось (Х-Х) и содержит топливоподающие средства, расположенные между первыми средствами и вторыми средствами подачи воздуха во внутренней кольцевой полости устройства Вентури, которая образована ближней по направлению потока по существу осевой стенкой и дальней по направлению потока по существу радиальной стенкой. Топливоподающие средства содержат, по меньшей мере, один первый топливоподающий контур, снабженный, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров. Топливоподающие контуры независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием впрыска топлива для обеспечения возможности реализации нескольких независимых режимов подачи топливовоздушной смеси в соответствии с определенными режимами работы двигателя. Отверстие впрыска топлива первого топливоподающего контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури для впрыска топлива к камере сгорания в направлении, по существу перпендикулярном направлению воздушного потока, исходящего от первых средств подачи воздуха. Отверстия впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней стенке устройства Вентури для впрыска топлива к камере сгорания в направлении, по существу перпендикулярном направлению воздушного потока, исходящего от вторых средств (24) подачи воздуха. Изобретение направлено на снижение вредных выбросов, риска коксования и устранение обратного тока топлива. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система (12) подачи топливовоздушной смеси в камеру (10) сгорания газотурбинного двигателя, имеющая продольную ось (Х-Х) и содержащая топливоподающие средства, расположенные между первыми средствами (22) и вторыми средствами (24) подачи воздуха во внутренней кольцевой полости (32, 34) устройства (26) Вентури, которая образована ближней по направлению потока, по существу, осевой стенкой (28) и дальней по направлению потока, по существу, радиальной стенкой (30), при этом топливоподающие средства содержат, по меньшей мере, один первый топливоподающий контур (32), снабженный, по меньшей мере, одним отверстием (36) впрыска топлива, и несколько вторых топливоподающих контуров (34), которые независимы от первых контуров и оснащены каждый, по меньшей мере, одним отверстием (38) впрыска топлива для обеспечения возможности реализации нескольких независимых режимов подачи топливовоздушной смеси в соответствии с определенными режимами работы двигателя, отличающаяся тем, что отверстие (36) впрыска топлива первого топливоподающего контура выполнено в ближней стенке устройства Вентури для впрыска топлива к камере сгорания в направлении, по существу, перпендикулярном направлению воздушного потока, исходящего от первых средств (22) подачи воздуха, а отверстия (38) впрыска топлива вторых топливоподающих контуров выполнены в дальней стенке устройства Вентури для впрыска топлива к камере сгорания в направлении, по существу, перпендикулярном направлению воздушного потока, исходящего от вторых средств (24) подачи воздуха.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что отверстия (36, 38) впрыска топлива первого (или первых) и вторых топливоподающих контуров (32, 34) равномерно распределены вокруг указанной продольной оси.3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что отверстия (36, 38) впрыска топлива первого и вторых топливоподающих контуров (32, 34) занимают взаимно смещенные угловые положения.4. Система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что вторые топливоподающие контуры (34) имеют форму тора.5. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один радиальный питающий трубопровод (40), который подает топливо в первый (или первые) и вторые топливоподающие контуры (32, 34).6. Система по п.5, отличающаяся тем, что питающий трубопровод содержит несколько концентричных трубок (42, 44), каждая из которых подает топливо в один топливоподающий контур.7. Система по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вспомогательные средства (48) подачи воздуха, расположенные симметрично продольной оси (Х-Х) топливоподающей системы.8. Система по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит вспомогательные топливоподающие средства (48), расположенные симметрично продольной оси (Х-Х) топливоподающей системы.9. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что указанные вспомогательные подающие средства установлены на конусной оболочке (50), которая расположена симметрично указанной продольной оси и отходит от первых средств (22) подачи воздуха в направлении, обратном направлению потока.10. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что первые средства (22) и вторые средства (24) подачи воздуха расположены радиально относительно указанной продольной оси.11. Система по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что первые и вторые средства подачи воздуха образованы соответственно внутренним завихрителем (22) и наружным завихрителем (24).