СМЕСИТЕЛЬ ТОПЛИВА С ВОЗДУХОМ ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК F23D14/62 F23R3/14 F23R3/36 

Настоящее изобретение относится, в основном, к камерам сгорания и, в частности к универсальным относительно топлива смесителям топлива с воздухом камер сгорания с предварительным обедненным смешиванием для использования в процессах сгорания с небольшим выбросом вредных веществ.

Исторически извлечение энергии из топлива выполнялось в камерах сгорания с диффузионно-управляемым сгоранием (называемым также «сгоранием без предварительного смешивания»), когда реагенты первоначально разъединены, и реакция происходит лишь на границе раздела между топливом и окислителем, где происходит как смешивание, так и реакция. Примеры таких устройств включают, но не ограничиваясь этим, авиационные газотурбинные двигатели и производные от авиационных газовых турбин для генерирования электроэнергии, привода судов, сжатия газа, комбинированного производства тепловой и электрической энергии, снабжения электроэнергией оффшорных платформ и т.п. При конструировании таких камер сгорания инженеры сталкиваются не только с постоянными требованиями по сохранению или уменьшению общих размеров камер сгорания, увеличению максимальной рабочей температуры и увеличению удельной степени извлечения энергии, но также с постоянно увеличивающимися требованиями по уменьшению образования загрязнений и их выброса в атмосферу. Примеры основных загрязнений включают оксиды азота (NO_x), моноксид углерода (СО), несгоревшие и частично сгоревшие углеводороды и вызывающие парниковый эффект газы, такие как диоксид углерода (CO₂). За счет трудностей управления локальными изменениями состава потока за счет зависимости от механического смешивания текучих сред во время сгорания, пиковых температур, связанных с локализованным стехиометрическим сгоранием, времени пребывания в зонах с повышенными температурами и доступности кислорода диффузионно-управляемые камеры сгорания обеспечивают ограниченную способность выполнения существующих и будущих требований к выбросу вредных веществ при сохранении желаемых уровней повышенных рабочих параметров.

В последнее время камеры сгорания с обедненным предварительным смешиванием (см., например, патент США №5351477) используются для дальнейшего снижения уровней выброса нежелательных загрязнений. В этих камерах сгорания правильные количества топлива и окислителя хорошо смешиваются в смесительной камере или зоне посредством использования смесителя топлива и воздуха перед выполнением любой значительной химической реакции в камере сгорания, что облегчает управление указанными выше трудностями диффузионно-управляемых камер сгорания и других камер согласно уровню техники. Обычные смесители топлива и воздуха камер сгорания с предварительным смешиванием включают в себя комплект внутренних и наружных противоположно вращающихся завихрителей, расположенных обычно вблизи входного конца смесительного канала для придания завихрения потоку воздуха. Известны различные пути впрыска топлива в таких устройствах, включая подачу первого топлива во внутренний и/или наружный кольцевые завихрители, которые могут включать полые лопасти с внутренними полостями, соединенными с возможностью прохождения текучей среды с коллектором топлива в диске колеса, и/или впрыска второго топлива в смесительный канал с помощью множества отверстий в центральной стенке корпуса, соединенных с возможностью прохождения потока со вторым топливным резервуаром. В таких устройствах сильно сжатый воздух из компрессора проходит в смесительный канал из проходов между лопастями наружного завихрителя и/или отверстий центрального корпуса в виде перекрестного струйного потока, так что сильно сжатый воздух и топливо смешиваются перед выходом топливно-воздушной смеси из выходного конца смесительного канала в камеру сгорания и воспламеняются. Топливом для использования в камерах сгорания с обедненным предварительным смешиванием является, но не ограничиваясь этим, природный газ.

Дополнительно к камерам сгорания, способным дополнительно уменьшать уровни выброса загрязнений, технологии камер сгорания с обедненным предварительным смешиванием, универсальных относительно топлива, приобретают все большую важность. С увеличением в мире потребности в энергии и ростом стоимости природного газа владельцы электростанций продолжают поиск альтернативного топлива, в частности производных от имеющихся в избытке и дешевых природных ресурсов, таких как уголь. Рассмотрим, например, но не в качестве ограничения, существующий интерес к интегральной системе газификации с комбинированным циклом (IGCC) с современными системами сгорания, в которых были продемонстрированы чистые, эффективные и не дорогие системы получения энергии на основе угля для обеспечения более высоких уровней эффективности при одновременном обеспечении отработавших газов, которые соответствуют или ниже современных уровней выброса нежелательных загрязнений. Одним из предпочтительных признаков блоков IGCC является сжигание синтетических топливных газов (также известных как синтетический газ), которые являются газами, обогащенными моноксидом углерода и водородом, получаемыми из процессов газификации угля или других материалов. Тем не менее с учетом большой первоначальной основной стоимости существующих станций и необходимости сохранения универсальности, желательными являются камеры сгорания с обедненным предварительным смешиванием, способные сжигать природный газ, синтетический газ или их смеси. Однако обычные камеры сгорания, предназначенные для сжигания природного газа или любого другого топлива с высоким содержанием энергии, не способны сжигать синтетический газ или любое другое топливо с низким содержанием энергии при сохранении одинакового уровня производительности и образования загрязнений, поскольку необходимы значительные изменения геометрических и рабочих параметров, таких как, но не ограничиваясь этим, соотношение эквивалентности топлива и воздуха для заданной температуры пламени, а также общее падение давления, скорость впрыска топлива и число Маха потока топлива для заданной полной эффективной площади потока топлива.

Поэтому существует потребность в смесителях топлива с воздухом для использования в камерах сгорания с обедненным предварительным смешиванием, обладающих универсальностью для сжигания топлива с высоким содержанием энергии и/или топлива с низким содержанием энергии при сохранении или превышении современных уровней производительности как в отношении выдаваемой энергии, общей эффективности, работоспособности, так и образования загрязнений. Такое стремление является положительным шагом в разработке газотурбинных камер сгорания, нацеленных на полное преобразование производства энергии с экономией водорода.

Таким образом, согласно объекту настоящего изобретения создан смеситель топлива с воздухом, содержащий кольцевой кожух, имеющий продольную ось, проходящую в осевом направлении, радиальную ось, проходящую в радиальном направлении, и входную и выходную концевые части; центральное тело, проходящее в осевом направлении кольцевого кожуха; внутренний завихритель, имеющий внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружной поверхности центрального тела, при этом внутренний завихритель расположен у входной концевой части кольцевого кожуха; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре, образованном между внутренним и наружным кожухами у выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг наружной окружной концевой части внутреннего завихрителя; наружный завихритель, имеющий внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители выполнены с возможностью обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока воздуха, входящего в кольцевой кожух у его входной концевой части; топливный кожух, расположенный у входной концевой части кольцевого кожуха снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с множеством входов впрыска топлива в наружном завихрителе; и радиальный завихритель для всасывания воздуха внутрь кольцевого кожуха из области снаружи кольцевого кожуха, причем радиальный завихритель расположен по потоку после места расположения в осевом направлении топливного кожуха и внутреннего и наружного завихрителей, при этом воздухом управляется концентрация топлива вблизи стенки кольцевого кожуха у выхода кольцевого кожуха.

Предпочтительно, смеситель выполнен с возможностью смешивания воздуха с топливом, выбранным из группы, состоящей из высокоэнергетического топлива, низкоэнергетического топлива и их комбинации.

Предпочтительно, распределительная камера подаваемого топлива выполнена с возможностью транспортировки низкоэнергетического топлива для впрыска в смеситель топлива и воздуха через завихритель распределительной камеры подаваемого топлива.

Предпочтительно, топливный кожух выполнен с возможностью транспортировки высокоэнергетического топлива для впрыска в смеситель топлива и воздуха через множество входов впрыска топлива в наружном завихрителе.

Предпочтительно, низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 50/50 водорода и азота, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 6,43 до примерно 8,57 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

Предпочтительно, низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 60/40 водорода и азота, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 4,2 до примерно 5,6 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

Предпочтительно, низкоэнергетическое топливо является синтетическим газом, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 10,82 до примерно 14,43 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

Предпочтительно, высокоэнергетическое топливо является чистым водородом, и эффективная площадь множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска чистого водорода от примерно 1,6 до примерно 2,14 раз больше той же эффективной площади, когда высокоэнергетическое топливо является природным газом.

Согласно настоящему изобретению обеспечивается лучшее смешивание топлива и воздуха, что обеспечивает лучшее гашение и работу со смесями природного газа и воздуха. Дополнительно, предел обрыва пламени значительно улучшается по сравнению с существующими системами. Кроме того, настоящее изобретение можно использовать с различными топливами, что обеспечивает улучшенную универсальность относительно топлива. Например, согласно изобретению можно использовать, например, природный газ или водород в качестве высокоэнергетического топлива, и/или синтетический газ в качестве низкоэнергетического топлива. Универсальность относительно топлива такой системы исключает необходимость изменения оборудования или использования сложных структур с различными топливными входами, необходимыми для различных видов топлива. Кроме того, обеспечивается уменьшение вредных выбросов, а также динамических колебаний и модуляции внутри камер сгорания.

Также, одно или несколько указанных выше и других потребностей уровня техники выполняются с помощью смесителей топлива и воздуха, которые включают в себя кольцевой кожух; центральное тело; внутренний завихритель, расположенный вокруг наружной поверхности центрального тела; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг внутреннего завихрителя; наружный завихритель, расположенный вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители предназначены для обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока окислителя, входящего в кольцевой кожух; и топливный кожух, расположенный снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем.

Согласно другому аспекту изобретения раскрыты газовые турбины, которые включают в себя компрессор, камеру сгорания для сжигания предварительно смешанной смеси топлива и воздуха, соединенную по потоку с компрессором, и турбину, расположенную за камерой сгорания, для расширения потока высокотемпературного газа, выходящего из камеры сгорания. Камеры сгорания таких газовых турбин имеют смесители топлива с газом, которые включают в себя кольцевой кожух; центральное тело; внутренний завихритель, расположенный вокруг наружной поверхности центрального тела; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг внутреннего завихрителя; наружный завихритель, расположенный вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители предназначены для обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока окислителя, входящего в кольцевой кожух; и топливный кожух, расположенный снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем.

Согласно другому аспекту данного изобретения раскрыты газожидкостные системы, которые содержат блок разделения воздуха, предназначенный для отделения кислорода из воздуха, блок обработки газа для подготовки природного газа, камеру сгорания для реакции кислорода с природным газом при повышенных температуре и давлении для образования синтетического газа, обогащенного моноксидом углерода и водородом, и турбодетандер в соединении по потоку с камерой сгорания для выделения энергии из синтетического газа и для его охлаждения. Камера сгорания таких газо-жидкостных систем включает в себя смесители топлива с газом, которые имеют кольцевой кожух; центральное тело; внутренний завихритель, расположенный вокруг наружной поверхности центрального тела; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг внутреннего завихрителя; наружный завихритель, расположенный вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители предназначены для обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока окислителя, входящего в кольцевой кожух; и топливный кожух, расположенный снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем.

Способы предварительного смешивания топлива с высоким содержанием энергии или топлива с низким содержанием энергии в системе сгорания также входят в объем данного изобретения, при этом такие способы включают этапы всасывания первого потока окислителя во внутрь кольцевого кожуха смесителя топлива и воздуха; завихрения первой части первого потока окислителя в наружном завихрителе в первом направлении; завихрения второй части первого потока окислителя во внутреннем завихрителе во втором направлении; и впрыска топлива с высоким содержанием энергии в смеситель топлива и воздуха из топливного кожуха, соединенного по потоку с входными отверстиями для топлива в наружном завихрителе, или впрыска топлива с низким содержанием энергии в смеситель топлива и воздуха из распределительной камеры подаваемого топлива, при этом распределительная камера подаваемого топлива включает в себя плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух распределительной камеры подаваемого топлива расположен по окружности вокруг наружной окружной концевой части внутреннего завихрителя.

Выше были приведены признаки данного изобретения для лучшего понимания приведенного ниже подробного описания и для лучшего понимания вклада в данную область техники. Естественно, имеются другие признаки изобретения, описание которых будет приведено ниже, и которые являются предметом прилагаемой формулы изобретения.

В этой связи, перед пояснением нескольких предпочтительных вариантов выполнения изобретения, следует отметить, что изобретение в данной заявке не ограничивается деталями конструкции и расположением набора компонентов, указанными в последующем описании или показанными на чертежах. Возможны другие варианты выполнения изобретения, и его можно выполнять на практике различными путями. Следует также отметить, что используемая в заявке фразеология и терминология служат целям описания и не должны ограничивать изобретение.

Для специалистов в данной области техники понятно, что концепцию, на которой основано данное изобретение, можно использовать в качестве основы для разработки других структур, способов и систем для выполнения нескольких целей данного изобретения. Поэтому важно рассматривать формулу изобретения как включающую такие эквивалентные конструкции, если они не выходят за объем и идею данного изобретения.

Кроме того, целью прилагаемого реферата является обеспечение понимания патентным ведомством и в целом общественностью, в частности учеными, инженерами и практиками в данной области техники, которым не привычны патентные или правовые понятия или фразеология, после быстрого просмотра сущности технического раскрытия заявки. В соответствии с этим реферат не предназначен для определения изобретения или заявки, которые определяются лишь формулой изобретения, а также ни коим образом не ограничивает объем изобретения.

Для лучшего понимания изобретения и многих его ожидаемых преимуществ ниже приводится подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схема газовой турбины, имеющей смеситель топлива и воздуха, согласно данному изобретению;

фиг.2 - пример конфигурации камеры сгорания трубчатого типа, применяемой в показанной на фиг.1 газовой турбине, согласно данному изобретению;

фиг.3 - другой пример конфигурации кольцевой камеры сгорания, применяемой в показанной на фиг.1 газовой турбине, согласно данному изобретению;

фиг.4 - частичный вид в перспективе другого примера кольцевой камеры сгорания с низким выбросом вредных веществ, имеющей смеситель топлива и воздуха, согласно данному изобретению;

фиг.5 - вид в перспективе смесителя топлива и воздуха с фиг.4;

фиг.6 - вид сверху от выхода к входу смесителя топлива и воздуха с фиг.4;

фиг.7 - вид снизу от входа к выходу смесителя топлива и воздуха с фиг.4;

фиг.8 - частичный вид в перспективе другого смесителя топлива и воздуха согласно данному изобретению;

фиг.9 - частичный вид в перспективе еще одного смесителя топлива и воздуха согласно данному изобретению; и

фиг.10 - вид в перспективе радиального завихрителя смесителя топлива и воздуха с фиг.9.

На чертежах, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены идентичные или соответствующие части в различных проекциях, показано несколько устройств смесителя топлива и воздуха, описание которых будет приведено ниже. В последующих пояснениях используются примеры выполнения смесителей топлива и воздуха, согласно изобретению, используемых в газовой турбине. Однако для специалистов в данной области техники понятно, что те же смесители топлива и воздуха можно использовать в других применениях, в которых сгорание первично управляется посредством предварительного смешивания топлива и окислителя.

На фиг.1 показана газовая турбина 10, имеющая компрессор 14, который во время работы подает сильно сжатый воздух в камеру 12 сгорания с низким выбросом вредных веществ. После сгорания топлива, впрыскиваемого в камеру 12 сгорания с воздухом (или другим окислителем), высокотемпературные газы сгорания с высоким давлением выходят из камеры 12 сгорания и расширяются через турбину 16, которая приводит во вращение компрессор 14 через вал 18. Специалистам в данной области техники понятно, что в данном случае ссылки на воздух относятся также к любому другому окислителю, включая, но не ограничиваясь этим, чистый кислород или обогащенный поток воздуха, имеющий объемное содержание кислорода менее 21% (например, 10%). В одном варианте выполнения камера 12 сгорания представляет собой камеру сгорания трубчатого типа. В альтернативном варианте выполнения камера 12 сгорания представляет собой трубчато-кольцевую камеру сгорания или чисто кольцевую камеру сгорания. В зависимости от применения газы сгорания могут дополнительно расширяться в сопле (не показано) с целью создания силы тяги, или же газовая турбина 10 может иметь дополнительную турбину (не показана) для извлечения дополнительной энергии из газов сгорания для привода наружной нагрузки. Как показано на фиг.1, камера 12 сгорания включает в себя корпус 20 камеры сгорания, задающий зону сгорания. Дополнительно к этому, как показано на фиг.2-5 и пояснено ниже, камера 12 сгорания включает в себя смеситель топлива и воздуха для смешивания сжатого воздуха и топлива перед сгоранием в зоне сгорания.

На фиг.2 показан пример конфигурации камеры 22 сгорания с низким выбросом вредных веществ, применяемой в газовой турбине 10 согласно фиг.1. В показанном примере выполнения камера 22 сгорания представляет собой камеру сгорания трубчатого типа с единственным смесителем топлива и воздуха; однако специалистам в данной области техники понятно, что можно использовать также несколько смесителей в этой трубе камеры сгорания в зависимости от применения и желаемого выхода. Камера 22 сгорания включает в себя корпус 24 камеры сгорания и вкладыш 26 камеры сгорания, расположенный внутри корпуса 24 камеры сгорания. Камера 22 сгорания также включает в себя куполообразную пластину 28 и тепловой экран 30, предназначенный для уменьшения температуры стенок камеры сгорания. Кроме того, камера 22 сгорания включает в себя смеситель 32 топлива и воздуха для предварительного смешивания окислителя и топлива перед сжиганием. В одном варианте выполнения смесители 32 топлива и воздуха могут быть расположены для обеспечения ступенчатого введения топлива внутри камеры 22 сгорания для применений с использованием такого топлива как водород. При работе смеситель 32 топлива и воздуха принимает поток 34 воздуха, который смешан с топливом, подаваемым в смеситель 32 топлива и воздуха из распределительной камеры подаваемого топлива. Затем смесь топлива и воздуха сжигается в пламени 36 в камере 22 сгорания. Разбавление или охлаждение отверстий 38 может быть осуществлено в корпусе 24.

На фиг.3 показан другой пример конфигурации камеры 40 сгорания с низким выбросом вредных веществ, применяемой в газовой турбине 10 согласно фиг.1. В показанном варианте выполнения камера 40 сгорания включает в себя кольцевую камеру сгорания с единственным смесителем топлива и воздуха; однако специалистам в данной области техники понятно, что можно использовать также несколько расположенных по окружности смесителей в данной кольцевой камере сгорания в зависимости от применения и желаемого выхода. Как показано, внутренний кожух 42 и наружный кожух 44 задают зону сгорания внутри камеры 40 сгорания. Дополнительно к этому, камера 40 сгорания обычно включает внутренний и наружный вкладыши 46 и 48 камеры сгорания и купол 50. Кроме того, камера 40 сгорания включает в себя внутренний и наружный тепловые экраны 52 и 54, расположенные вблизи внутреннего и наружного вкладышей 46 и 48, и диффузорную секцию 56 для направления воздушного потока 58 в зону сгорания. Камера 40 сгорания также включает в себя смеситель 60 топлива и воздуха, расположенный перед зоной сгорания. При работе смеситель 60 топлива и воздуха принимает топливо из распределительной камеры подаваемого топлива через топливные трубопроводы 62 и 64. Затем топливо из топливных трубопроводов 62 и 64 смешивается с входящим воздушным потоком 58, и смесь топлива и воздуха подается в пламя 66 для сжигания.

На фиг.4 показан частичный разрез другого примера выполнения кольцевой камеры 70 сгорания с низким выбросом вредных веществ, имеющей смеситель 72 топлива и воздуха, согласно данному изобретению. Как понятно специалистам в данной области техники, кольцевая камера 70 сгорания является устройством для сгорания с непрерывным горением, подходящим для использования в газотурбинном двигателе 10, и включает в себя полое тело 74, которое задает внутри камеру 76 сгорания. Полое тело 74 является кольцевым по форме и включает в себя наружный вкладыш 48, внутренний вкладыш 46 и куполообразный конец или купол 50. Как показано на фиг.4, куполообразный конец 50 полого тела 74 соединен со смесителем 72 топлива и воздуха для обеспечения последующей подачи смеси топлива и воздуха из смесителя 72 топлива и воздуха в камеру 76 сгорания с минимальным образованием загрязнений, вызываемых воспламенением и сгоранием образованной смеси. В отличие от указанных выше модификаций смеситель 72 топлива и воздуха выполнен, в целом, в виде смесителей, раскрытых в патентах США №5351477, 5251447 и 5165241, полное содержание которых включено в данное описание посредством ссылки.

Как показано, смеситель 72 топлива и воздуха включает в себя внутренний завихритель 80 и наружный завихритель 82. Внутренний и наружный завихрители 80 и 82 предпочтительно обеспечивают вращение в противоположных направлениях. Как понятно специалистам в данной области техники, не имеет значения, в каком направлении внутренний завихритель 80 или наружный завихритель 82 вращает воздух, проходящий через него, если направление вращения одного завихрителя противоположно направлению вращения другого завихрителя. Внутренний и наружный завихрители 80 и 82 являются предпочтительно осевыми, но могут быть радиальными или некоторой комбинацией осевого и радиального завихрителя. Как известно специалистам в данной области техники, внутренний и наружный завихрители 80 и 82 имеют лопасти, которые расположены под углом от около 40° до около 60° относительно продольной оси А камеры сгорания. Дополнительно к этому, соотношение масс воздуха, проходящих через внутренний завихритель 80 и наружный завихритель 82, можно регулировать с помощью конструкции, при этом оно предпочтительно составляет примерно одну треть.

Смеситель 72 топлива и воздуха дополнительно включает в себя топливный кожух 86 с топливным входом 88, при этом топливный кожух 86 окружает по окружности смеситель на его входном конце, и кольцевой кожух 90, расположенный по потоку после топливного кожуха 86. Топливный кожух 86 может быть соединен по потоку с лопастями наружного завихрителя 82, и топливо, впрыскиваемое из него, можно дозировать с помощью подходящей подачи топлива и известного обычного механизма управления. Лопасти наружного завихрителя 82 имеют предпочтительно полую конструкцию, имеющую внутренние полости, соединенные с топливным кожухом 86, и топливные каналы для впрыска топлива из топливного кожуха 86 в кольцевой кожух 90 через топливные входы 112 (см. фиг.5). Как также хорошо известно, хотя не показано на чертежах, топливные каналы могут быть выполнены в топливном кожухе 86 с соединением по потоку с лопастями внутреннего завихрителя 80. Согласно данному изобретению топливный кожух 86 предназначен для впрыска топлива с высоким содержанием энергии в смеситель 72 топлива и воздуха. Высокоэнергетическое топливо является в данном случае топливом, имеющим нижнюю теплотворную способность от 30 до 120 МДж/кг. Примеры такого топлива включают, но не ограничиваясь этим, природный газ и водород.

Как показано на фиг.4, распределительная камера 84 подаваемого топлива с низким содержанием энергии отделяет внутренний и наружный завихрители 80 и 82 друг от друга, что обеспечивает возможность выполнения внутреннего и наружного завихрителей 80 и 82 коаксиально кольцевыми и вращения по отдельности входящего в них воздуха. Распределительная камера 84 подаваемого топлива с низким содержанием энергии включает в себя две концентричные трубчатые части 94 и 96, образующие кольцевую зону с зазором 98 между ними. На входном конце 100 распределительной камеры 84 подаваемого топлива предусмотрен топливный вход 102. Топливо, вводимое в распределительную камеру 84 подаваемого топлива, в конечном итоге впрыскивается в смеситель 72 топлива и воздуха через третий завихритель 104, расположенный у выходного конца 106 распределительной камеры 84 подаваемого топлива. При этом, как показано, третий завихритель 104 находится по существу в одной плоскости с внутренним и наружным завихрителями 80 и 82. Смеситель 72 топлива и воздуха дополнительно включает в себя центральное тело 108 в виде прямой цилиндрической секции или предпочтительно в виде по существу равномерно сужающейся от его входного конца к его выходному концу. Центральное тело 108 предпочтительно имеет такой размер, что оно заканчивается перед выходным концом 110 кольцевого кожуха 90.

На фиг.5-7 дополнительно показан смеситель 72 топлива и воздуха с фиг.4. На фиг.5 показаны в перспективе отверстия 112 впрыска топлива для ввода топлива с высоким содержанием энергии в смеситель 72 топлива и воздуха. На фиг.5 показан также вариант выполнения топливного входа 102 для введения топлива с низким содержанием энергии в распределительную камеру 84 подаваемого топлива. В других вариантах выполнения распределительная камера 84 подаваемого топлива может включать в себя несколько топливных входов 102, расположенных по окружности вокруг распределительной камеры 84 подаваемого топлива для обеспечения более равномерного процесса впрыска топлива в смеситель 72 топлива и воздуха, или же может быть предусмотрена отдельная коническая распределительная камера подаваемого низкоэнергетического топлива. Низкоэнергетическое топливо в данном случае является топливом, имеющим низкую теплотворную способность менее 30 МДж/кг. Примеры такого топлива включают, но не ограничиваясь этим, смеси Н₂ и N₂ в соотношении 60/40 или 50/50 и синтетический газ. На фиг.6 и 7 показан смеситель 72 топлива и воздуха, соответственно, на виде сверху (для наблюдателя, расположенного на выходе и смотрящего на вход) и снизу (для наблюдателя, расположенного на входе и смотрящего на выход) для иллюстрации относительного положения наружного завихрителя 82, третьего завихрителя 104 (см. фиг.6), внутреннего завихрителя 80, входного конца 100 распределительной камеры 84 подаваемого топлива (см. фиг.7) и центрального тела 108.

Эффективная площадь входов для высокоэнергетического топлива, впрыскиваемого из топливного кожуха 86 через лопасти внутреннего и/или наружного завихрителя 80 и 82, и эффективная выходная площадь третьего завихрителя 104 для впрыска низкоэнергетического топлива из распределительной камеры 84 подаваемого топлива выбраны так, что обеспечивается работа смесителя топлива и воздуха с минимизацией общего падения давления, связанного с процессом впрыска топлива, скорости впрыска топлива и числа Маха потока топлива для заданных конструктивных пределов топлива и воздуха и соотношений эквивалентности для заданной температуры пламени, за счет чего обеспечивается работа смесителя 72 топлива и воздуха с низкоэнергетическим топливом, высокоэнергетическим топливом и/или комбинацией обоих типов топлива. Дополнительно к этому, специалистам в данной области техники понятно, что способность как внутреннего, так и наружного завихрителей 80 и 82 и третьего завихрителя 104 правильно смешивать высокоэнергетическое и/или низкоэнергетическое топливо приводит к минимизации и/или исключению обратного удара пламени или удерживанию пламени внутри смесителя 72 топлива и воздуха или кольцевого кожуха 90.

Пример изменения параметров смесителя топлива и воздуха для пяти различных типов топлива показан в таблице 1, в которой указаны отношение эквивалентности, массовый расход топлива, эффективная площадь, процентное увеличение эффективной площади, скорость впрыска топлива и число Маха для заданного падения давления и температуры пламени 2500°F (1371°C) для пяти различных топлив. В приведенных в таблице 1 результатах процентное увеличение эффективной площади задается относительно эффективной площади для природного газа, т.е., например, поскольку эффективные площади для природного газа и чистого водорода составляют 0,015 и 0,018 квадратных дюйма, соответственно, то процентное увеличение эффективной площади для природного газа равна нулю, а для водорода 17,8 (т.е. 17,8=[((0,018-0,15)/0,015)*100]). Специалистам в данной области техники понятно, что процентное увеличение эффективной площади может отклоняться от величин, приведенных в таблице 1, с учетом вероятности присутствия в топливе других газов помимо N₂, таких как, но не ограничиваясь этим, СО₂, воды или пара, СО, и т.д.

Как показано в таблице 1, если низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 60/40 или 50/50 водорода и азота, то эффективная площадь распределительной камеры 84 подаваемого топлива должна быть примерно в 4,67 и 7,13 раз больше эффективной площади входов топливного кожуха 86 для впрыска высокоэнергетического топлива, соответственно, для температуры пламени 2500°F (1371°C). Для синтетического газа эффективная площадь распределительной камеры 84 подаваемого топлива должна быть примерно в 12 раз больше эффективной площади входов топливного кожуха 86. Для чистого водорода эффективная площадь входов топливного кожуха 86 примерно в 1,78 раз больше той же площади при использовании природного газа в качестве высокоэнергетического топлива. Для типов топлива, содержащих Н₂, включая чистый водород, массовый расход водорода изменяется лишь между 0,012 и 0,015 фунтов на метр в секунду, что указывает на то, что для различных рассматриваемых типов топлива (1) массовый расход водорода имеет величину одного порядка; (2) если впрыскивается один водород, то падение давления в отверстиях впрыска топлива находится в одинаковом диапазоне для всех видов топлива; и (3) можно впрыскивать водород и другие смеси (N₂ или N₂/CO) по отдельности и затем смешивать с воздухом внутри смесителя топлива и воздуха для обеспечения универсальности относительно топлива с допустимыми падениями давления.

Для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (от 1093°С до 1649°С) диапазон эффективной площади распределительной камеры 84 подаваемого низкоэнергетического топлива в виде смеси в соотношении 60/40 или 50/50 водорода и азота примерно в 4,2-5,6 и 6,43-8,57 раз больше эффективной площади входов топливного кожуха 86 для впрыска природного газа в качестве высокоэнергетического топлива, соответственно. Для синтетического газа и того же диапазона температуры пламени эффективная площадь распределительной камеры 84 подаваемого топлива должна находиться в диапазоне примерно в 10,82-14,43 раза больше эффективной площади входов топливного кожуха 86. Для чистого водорода диапазон эффективной площади входов топливного кожуха 86 примерно в 1,6-2,14 раз больше площади, когда используется природный газ в качестве высокоэнергетического топлива для температур пламени в указанном диапазоне.

Трудности при работе с синтетическим газом относятся к большому объемному потоку, требующемуся для той же скорости сжигания, по сравнению с природным газом. В этих ситуациях площадь потока топлива необходимо увеличивать в 10-15 раз в зависимости от состава синтетического газа. Дополнительно к этому, показатель Воббе для синтетического газа существенно ниже, чем для природного газа. При использовании, смеситель 72 топлива и воздуха за счет использования внутреннего и наружного обеспечивающих вращение в противоположных направлениях завихрителей 80 и 82 воздуха рассекает низкоэнергетическое топливо, вводимое через спиральный завихритель 104, такое как синтетический газ, обеспечивая правильное смешивание с воздухом, проходящим через внутренний и наружный завихрители перед подачей с завихренным движением смеси топлива и воздуха в распределительную камеру подаваемого топлива камеры сгорания.

Таблица 1 Рабочие и геометрические параметры смесителя 72 топлива и воздуха для заданного падения давления для впрыска топлива и температуры пламени 2500°F (1371°C) Топливо Состав об.% мас.% ϕ @ Т пламени (фунт/с) A_eff для пост. ΔP_fuel (кв.дюйм) % увел. A_eff U_fuel для пост. ΔP_fuel (фут/с) Число Маха для пост. ΔP_fuel Природный газ Пр. газ 100 100 0,477 0,029 0,015 - 653,259 0,4633605 Чистый водород Н₂ 100 100 0,406 0,012 0,018 17,787 1885,838 0,4485317 Смесь 60/40 Н₂/N₂ Н₂ 60 9,677 0,473 0,141 0,085 466,559 759,915 0,4487939 N₂ 40 90,323 Смесь 50/50 H₂/N₂ Н₂ 50 6,667 0,514 0,223 0,122 713,975 691,001 0,4488592 N₂ 50 93,333 Синтетический газ СО 10 13,861 0,568 0,415 0,195 1202,525 595,542 0,4488647 Н₂ 30 2,970 N₂ 60 83,168

Хотя это не показано, специалистам в данной области техники понятно, что в других вариантах выполнения стенка, образующая кольцевой кожух 90, может включать в себя один или несколько воздушных каналов, соединенных по потоку со сжатым воздухом снаружи кольцевого кожуха 90, для обеспечения прохождения потока воздуха внутрь кольцевого кожуха 90 для возбуждения пограничного слоя воздуха и топлива, расположенного вдоль внутренней поверхности кольцевого кожуха 90. Эти каналы для воздушного потока могут быть выполнены независимо от способа впрыска топлива в смеситель 72 топлива и воздуха или способа смешивания топлива и воздуха в нем. Это объясняется тем, что воздух, подаваемый воздушными каналами, будет возбуждать пограничный слой вдоль внутренней поверхности кольцевого кожуха 90 и увеличивать направленную вперед скорость воздуха в кольцевом кожухе 90. Кроме того, воздух будет также разбавлять концентрацию любого топлива в пограничном слое и тем самым уменьшать скорость пламени в нем, что способствует уменьшению вероятности обратного удара пламени внутри кольцевого кожуха 90.

В другом варианте выполнения данного изобретения, как показано на фиг.8, центральное тело 108 может дополнительно включать в себя кольцевой проход 113 для высокоэнергетического топлива, соединенный по потоку с множеством отверстий 114, соединенных по потоку с внутренним завихрителем 80. Специалистам в данной области техники понятно, что предусмотрение дополнительных входных отверстий для топлива повышает степень смешивания в смесителе 72 топлива и воздуха. В другом варианте выполнения (не показан) множество отверстий 114 расположено предпочтительно непосредственно после внутреннего завихрителя 80, из которых топливо можно также впрыскивать в смеситель 72 топлива и воздуха. Понятно, что если необходимо впрыскивать газообразное и жидкое топлива внутрь смесителя 72 топлива и воздуха, то газообразное топливо предпочтительно впрыскивать через образованные лопастями завихрителя проходы и отверстия 112, а жидкое топливо впрыскивать через отверстия, расположенные в центральном теле 108 после внутреннего завихрителя 80. В соответствии с этим понятно, что изменение типов топлива можно выполнять довольно быстро, просто за счет увеличения количества впрыскиваемого топлива через отверстия, расположенные в центральном теле 108, при одновременном соответствующем уменьшении количества топлива, впрыскиваемого через лопасти. В другом варианте выполнения (не показан) центральное тело 108 может предпочтительно включать в себя проход через свою вершину для обеспечения прохода воздуха с относительно высокой осевой скоростью в камеру 76 сгорания, смежную с центральным телом 108, при этом этот частный вариант выполнения позволяет уменьшать локальное соотношение топлива и воздуха для облегчения проталкивания пламени к выходу вершины центрального тела.

В еще одном варианте выполнения данного изобретения, как показано на фиг.9, между топливным кожухом 86 и кольцевым кожухом 90 смеситель 72 топлива и воздуха включает в себя радиальный завихритель 116. Топливо, вводимое во внутренний или наружный завихрители 80 и 82, может проявлять тенденцию к скапливанию в направлении поверхности кольцевого кожуха 90, что приводит к образованию зоны с высокой концентрацией топлива у выходного конца кольцевого кожуха 90. Повышенная концентрация топлива вблизи выхода кольцевого кожуха 90 может не только увеличивать вероятность обратного удара пламени в кольцевом кожухе 90, но также увеличивать количество NO_x, образующихся в камере 76 сгорания. Один из предпочтительных признаков радиального завихрителя 116 состоит в том, что воздух, вводимый через него, улучшает смешивание топлива и воздуха вблизи поверхности кольцевого кожуха 90, за счет чего уменьшаются и/или исключаются зоны с высокой концентрацией топлива у выхода кольцевого кожуха 90, и тем самым уменьшается общее количество NO_x, образующихся в камере 76 сгорания. На фиг.10 показан в перспективе радиальный завихритель 116.

Как показано на фиг.10, радиальный завихритель 116 включает в себя первое кольцо 118, расположенное у его входного конца, имеющее множество лопастей 120, расположенных на наружной поверхности 122. Каждая лопасть 120 расположена на наружной поверхности 122 с выступанием по окружности вокруг продольной оси А смесителя 72 топлива и воздуха, при этом каждая первая концевая часть или задняя кромка 124 каждой лопасти 120 расположена радиально внутри от второй концевой части или передней кромки 125 каждой лопасти 120, расположенной вблизи наружной кромки 126 первого кольца 118. Как показано на фиг.10, первое кольцо 118 также включает в себя кольцевой выступ 128, проходящий в осевом направлении от внутренней кромки первого кольца 118. Вторым компонентом радиального завихрителя 116 является второе кольцо 130, расположенное на расстоянии в осевом направлении от первого кольца 118 с образованием зазора между ними, проходящего как в радиальном направлении, так и в осевом направлении. Как показано на фиг.10, первая поверхность 132 второго кольца 130 проходит радиально внутрь, образуя проходящий радиально зазор с наружной поверхностью первого кольца 118, где расположено множество лопастей 120. Вторая поверхность 136 второго кольца 130 проходит в осевом направлении с образованием проходящего в осевом направлении зазора 138 с кольцевым выступом 128 первого кольца 118. Второе кольцо 130 также включает в себя втулку 140, внутри которой располагается кольцевой кожух 90 смесителя 72 топлива и воздуха при сборке смесителя 72 топлива и воздуха.

Осевое расположение радиального завихрителя 116 вдоль смесителя 72 топлива и воздуха относительно положения внутреннего и наружного завихрителей 80 и 82 и/или степень радиального вращения воздушного потока, выходящего из радиального завихрителя 116, можно задавать на основе желаемого уровня смешивания топлива и воздуха у выходного конца 110 смесителя 72 топлива и воздуха, в частности, в зоне вблизи стенки кольцевого кожуха 90. Дополнительно к этому, геометрию и размеры радиального завихрителя 116 можно выбирать/оптимизировать на основе желаемой эффективности предварительного смешивания и рабочих условий, включая такие факторы, но не ограничиваясь этим, как давление топлива, температура топлива, температура входящего воздуха и скорость впрыска топлива. Примеры топлива включают природный газ, газ с высоким содержанием водорода, водород, биогаз, моноксид углерода и синтетический газ. Однако можно использовать также различные другие газы.

Специалистам в данной области техники понятно, что предпочтительные признаки смесителей топлива и воздуха, раскрытые здесь применительно к фиг.4-10, можно использовать в альтернативных комбинациях, наряду с показанными вариантами выполнения. Например, другой вариант выполнения раскрытого смесителя топлива и воздуха внутри объема данного изобретения может включать в себя третий завихритель, комбинированный с радиальным завихрителем, без ввода топлива через центральное тело. Дополнительно к этому, понятно, что раскрытые конструкции и их эквиваленты можно использовать для работы с различными типами топлива, как указывалось выше. Например, высокоэнергетическое топливо может быть природным газом и/или чистым водородом, впрыскиваемым через раскрытые входы для впрыска высокоэнергетического топлива. В другом варианте выполнения смеситель топлива и воздуха может работать со смесью водорода и азота или синтетическим газом (H₂/CO/N₂), подаваемым через раскрытые входы для впрыска низкоэнергетического топлива. Эти смесители топлива и воздуха можно использовать также для сжигания синтетического газа в режиме частичного предварительного смешивания вплоть до 100% предварительного смешивания, с обеспечением за счет этого сгорания с низким выделением NO_x, по сравнению с существующими системами IGCC сжигания. Такие смесители будут включать форсунки, предназначенные для сжигания топлива от 100% водорода до смесей CO/H₂/N₂ и пара или другого инертного газа, такого как CO₂, работающие в режиме частичного или полного смешивания с синтетическим газом, но не требующие впрыска пара для управления количеством NO_x.

Указанные выше варианты выполнения смесителя 72 топлива и воздуха особенно подходят для использования в интегральных системах газификации с комбинированными циклами, или IGCC, которые являются системами, имеющими газовую турбину, приводимую в действие посредством сжигания топлива, полученного в результате газификации твердого топлива, такого как уголь, при этом отработавшие газы из газовой турбины используются для теплообмена с водой/паром для создания перегретого пара для вращения паровой турбины. Часть газификации установки IGCC создает чистый угольный газ посредством комбинирования угля с кислородом в газогенераторе с образованием газообразного топлива, в основном кислорода и моноксида углерода, или синтетического газа. Затем в процессе очищения газа очищают синтетический газ, который затем используют в камере сгорания газовой турбины для производства электричества. Установки IGCC обычно имеют более высокую эффективность и меньшие выбросы вредных веществ при высокой выходной мощности. Более высокая выходная мощность достигается в установках IGCC, когда азот, полученный из блока разделения воздуха, или ASU, вводят в камеру сгорания газовой турбины, увеличивая тем самым массовый расход через газовую турбину и уменьшая общую температуру сгорания и концентрацию кислорода посредством ухудшения воздуха, используемого для сгорания. Смеситель 72 топлива и воздуха, согласно вариантам выполнения данного изобретения, подходит для использования в установках IGCC. В частности, смеситель 72 топлива и воздуха можно использовать в камере сгорания газовой турбины и азот можно вводить в радиальный завихритель 116 при сжигании синтетического газа, что помогает уменьшать высокую концентрацию топлива вблизи стенки и улучшать свойства смеси топлива и воздуха. Этот радиальный завихритель можно использовать также так, что азот может проходить через него и смешиваться с водородом и воздухом в кожухе во время сгорания чистого водорода, что снова исключает местные зоны высокого отношения эквивалентности на выходе смесителя топлива и воздуха.

В обычные камеры сгорания газовых турбин установок IGCC водород и азот вводятся вместе через входы впрыска топлива во внутренний и наружный завихрители 80 и 82. В некоторых раскрытых вариантах выполнения, вместо смешивания водорода и азота и ввода смеси через топливные входы, водород подают в топливные входы, а азот впрыскивают с помощью радиального завихрителя или подают с входящим воздухом, ухудшая тем самым воздух с целью уменьшения общей доступности кислорода, что приводит к понижению уровней NO_x до 70% по сравнению с обычными уровнями. В одном из вариантов выполнения изобретения уровень NO_x на выходе камеры сгорания составляет 3-5 млн^-1 или ниже. Такое улучшение работы осуществляется при обеспечении за счет ухудшенного воздуха повышенной устойчивости относительно обратного удара пламени и удерживания пламени в кольцевом кожухе 90 смесителя 72 топлива и воздуха. Тем не менее, хотя указанные выше преимущества являются явными для установок IGCC, специалистам в данной области техники понятно, что раскрытые смесители топлива и воздуха можно использовать для переоборудования существующих камер сгорания в газовых турбинах, производящих электричество.

Указанные выше смесители топлива и воздуха можно также применять в газо-жидкостных системах для улучшения предварительного смешивания кислорода и природного газа перед реакцией в камере сгорания системы. Обычно газо-жидкостная система включает в себя блок разделения воздуха, блок обработки газа и камеру сгорания. При работе блок разделения воздуха выделяет кислород из воздуха, а блок обработки газа подготавливает природный газ для преобразования в камере сгорания. Кислород из блока разделения воздуха и природный газ из блока обработки газа направляют в камеру сгорания, где природный газ и кислород вступают в реакцию при повышенных температуре и давлении с образованием синтетического газа. В этом варианте выполнения смеситель топлива и воздуха соединен с камерой сгорания для улучшения предварительного смешивания кислорода и природного газа перед реакцией в камере сгорания. Кроме того, радиальный завихритель 116 смесителя топлива и воздуха улучшает увлечение входящего природного газа для обеспечения смешивания природного газа и кислорода при высоких отношениях эквивалентности топлива и кислорода (например, от около 3,5 до около 4 и выше) для максимизации выхода синтетического газа при минимизации времени пребывания. В одном варианте выполнения можно добавлять пар в кислород или топливо для повышения эффективности процесса.

Затем синтетический газ охлаждается и вводится в блок обработки Фишера-Тропша, где с помощью катализаторов газ водород и моноксид углерода рекомбинируются в жидкие длинноцепочечные углеводороды. Наконец, жидкие углеводороды преобразуются и фракционируются в продукты в блоке крекинга. Смеситель топлива и воздуха, имеющий радиальный завихритель, предпочтительно обеспечивает быстрое предварительное смешивание природного газа и кислорода и по существу короткое время пребывания в газожидкостной системе.

Различные аспекты указанного выше способа можно использовать в различных применениях, таких как камеры сгорания, применяемые в газовых турбинах и нагревательных устройствах, таких как печи. Кроме того, указанные выше технологии улучшают предварительное смешивание топлива и воздуха перед сжиганием, что обеспечивает существенное уменьшение вредных выбросов и повышает эффективность газотурбинных систем. Технологию предварительного смешивания можно использовать для различных видов топлива, таких как, но не ограничиваясь этим, газообразные ископаемые топлива с высокой и низкой теплотворной способностью, включая природный газ, углеводороды, моноксид углерода, водород, биогаз и синтетический газ. Таким образом, как указывалось выше, смеситель топлива и воздуха можно использовать в универсальных относительно топлива камерах сгорания для интегрального цикла комбинированной газификации (IGCC) для уменьшения выброса загрязнений. В некоторых вариантах выполнения смеситель топлива и воздуха используется в камерах сгорания водорода авиационных двигателей и других газотурбинных камерах сгорания для производных от авиационных двигателей и сверхмощных машин. Кроме того, смеситель топлива и воздуха можно использовать для облегчения частичного смешивания потоков, таких как кислород и топливо, которые особенно пригодны для циклов без образования диоксида углерода и рециркуляции отработавших газов.

Таким образом, технология предварительного смешивания на основе указанного выше дополнительного радиального завихрителя обеспечивает улучшенное предварительное смешивание и стабилизацию пламени в камерах сгорания. Кроме того, данная технология позволяет уменьшить выброс вредных веществ, в частности выброс NO_x, из таких камер сгорания, что приводит к работе газовой турбины более безопасным для окружающей среды образом. В определенных вариантах выполнения эта технология обеспечивает минимизацию падения давления в камерах сгорания, в частности в камерах сгорания водорода. Дополнительно к этому, улучшенное предварительное смешивание, достигаемое за счет дополнительного радиального завихрителя, облегчает улучшенное гашение, сопротивление обратному удару пламени и увеличенный предел обрыва пламени для камер сгорания.

В показанных вариантах выполнения лучшее смешивание топлива и воздуха обеспечивает лучшее гашение и работу со смесями природного газа и воздуха, имеющими отношение эквивалентности ниже примерно 0,2. Дополнительно, предел обрыва пламени значительно улучшается по сравнению с существующими системами. Кроме того, как указывалось выше, эту систему можно использовать с различными топливами, что обеспечивает улучшенную универсальность относительно топлива. Например, указанный выше диапазон эффективных площадей позволяет использовать в системе, например, природный газ или водород в качестве высокоэнергетического топлива, и/или синтетический газ в качестве низкоэнергетического топлива. Универсальность относительно топлива такой системы исключает необходимость изменения оборудования или использования сложных структур с различными топливными входами, необходимыми для различных видов топлива. Как указывалось выше, указанные смесители топлива и воздуха можно использовать с различными топливами, что обеспечивает универсальность системы относительно топлива. Кроме того, указанную технологию можно использовать в существующих трубчатых или трубчато-кольцевых камерах сгорания для уменьшения вредных выбросов или любых динамических колебаний и модуляции внутри камер сгорания. Кроме того, указанное устройство можно использовать в качестве предварительного в существующих камерах сгорания.

Способы предварительного смешивания высокоэнергетического топлива или низкоэнергетического топлива и окислителя в системе сгорания также находятся внутри объема вариантов выполнения данного изобретения, при этом такие способы включают этапы всасывания первого потока окислителя внутрь кольцевого кожуха смесителя топлива и воздуха; завихрения первой части первого потока окислителя в наружном завихрителе в первом направлении/завихрения второй части первого потока окислителя во внутреннем завихрителе во втором направлении, при этом второе направление противоположно первому направлению; и впрыска высокоэнергетического топлива в смеситель топлива и воздуха из топливного кожуха, соединенного по потоку с топливными входными отверстиями в наружном завихрителе, или впрыска низкоэнергетического топлива в смеситель топлива и воздуха из распределительной камеры подаваемого топлива, при этом распределительная камера подаваемого топлива включает в себя плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один топливный вход, расположенный у входной части распределительной камеры подаваемого топлива, и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух распределительной камеры подаваемого топлива расположен по окружности вокруг наружной окружной концевой части внутреннего завихрителя.

С учетом приведенного выше описания понятно, что оптимальные соотношения размеров частей, согласно изобретению, включая изменения размеров, форму функционирования и принцип действия, сборку и использование, являются очевидными для специалистов в данной области техники, и поэтому все соотношения, эквивалентные показанным на чертежах и указанным в описании, входят в объем прилагаемой формулы изобретения. Дополнительно к этому, хотя данное изобретение показано на чертежах и полностью подробно описано выше в связи с представляющимися в настоящее время практичными примерами выполнения, для специалистов в данной области техники понятно, что возможны многочисленные его модификации без отхода от указанных выше принципов и концепций. Поэтому истинный объем данного изобретения определяется лишь широкой интерпретацией прилагаемой формулы изобретения с охватом всех таких модификаций и эквивалентов.

Смеситель топлива с воздухом, включающий в себя кольцевой кожух, центральное тело, внутренний завихритель, распределительную камеру, наружный завихритель, топливный кожух и радиальный завихритель. Внутренний завихритель расположен вокруг центрального тела. Распределительная камера подаваемого низкоэнергетического топлива имеет плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, образующими зазор между ними. Вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива расположены в зазоре. Наружный завихритель имеет внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива. Кожух для высокоэнергетического топлива расположен у входной концевой части кольцевого кожуха снаружи наружного завихрителя и по окружности вокруг кольцевого кожуха. Топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем. Радиальный завихритель предназначен для всасывания воздуха внутрь кольцевого кожуха из области снаружи кольцевого кожуха. Радиальный завихритель расположен по потоку после места расположения в осевом направлении топливного кожуха и внутреннего и наружного завихрителей. Воздухом управляется концентрация топлива вблизи стенки кольцевого кожуха у выхода кольцевого кожуха. Достигается универсальность относительно топлива при сохранении высокой эффективности и уменьшении вредных выбросов. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Смеситель топлива с воздухом, содержащий:
кольцевой кожух (90), имеющий продольную ось (А), проходящую в осевом направлении, радиальную ось, проходящую в радиальном направлении, и входную и выходную концевые части (100, 110);
центральное тело (108), проходящее в осевом направлении кольцевого кожуха;
внутренний завихритель (80), имеющий внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружной поверхности центрального тела, при этом внутренний завихритель расположен у входной концевой части кольцевого кожуха;
распределительную камеру (84) подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами (96, 94), проходящими в осевом направлении с образованием зазора (98) между ними, вход (102) для топлива и завихритель (104) распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре, образованном между внутренним и наружным кожухами у выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух (96) расположен по окружности вокруг наружной окружной концевой части внутреннего завихрителя (80);
наружный завихритель (82), имеющий внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружного кожуха (94) распределительной камеры (84) подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители (80, 82) выполнены с возможностью обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока воздуха, входящего в кольцевой кожух у его входной концевой части;
топливный кожух (86), расположенный у входной концевой части кольцевого кожуха снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с множеством входов (112) впрыска топлива в наружном завихрителе; и
радиальный завихритель (116) для всасывания воздуха внутрь кольцевого кожуха из области снаружи кольцевого кожуха, причем радиальный завихритель расположен по потоку после места расположения в осевом направлении топливного кожуха (86) и внутреннего и наружного завихрителей (80, 82), при этом воздухом управляется концентрация топлива вблизи стенки кольцевого кожуха у выхода кольцевого кожуха.

2. Смеситель по п.1, выполненный с возможностью смешивания воздуха с топливом, выбранным из группы, состоящей из высокоэнергетического топлива, низкоэнергетического топлива и их комбинации.

3. Смеситель по п.2, в котором распределительная камера (84) подаваемого топлива выполнена с возможностью транспортировки низкоэнергетического топлива для впрыска в смеситель топлива и воздуха через завихритель (104) распределительной камеры подаваемого топлива.

4. Смеситель по п.3, в котором топливный кожух (86) выполнен с возможностью транспортировки высокоэнергетического топлива для впрыска в смеситель (72) топлива и воздуха через множество входов (112) впрыска топлива в наружном завихрителе.

5. Смеситель по п.4, в котором низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 50/50 водорода и азота, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 6,43 до примерно 8,57 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

6. Смеситель по п.4, в котором низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 60/40 водорода и азота, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 4,2 до примерно 5,6 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

7. Смеситель по п.4, в котором низкоэнергетическое топливо является синтетическим газом, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 10,82 до примерно 14,43 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

8. Смеситель по п.4, в котором высокоэнергетическое топливо является чистым водородом, и эффективная площадь множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска чистого водорода от примерно 1,6 до примерно 2,14 раз больше той же эффективной площади, когда высокоэнергетическое топливо является природным газом.