РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ТОПЛИВА Российский патент 2012 года по МПК F23R3/14 F23R3/34 

Изобретение относится к распределителю топлива, в частности, для горелки и завихрителя.

Основным назначением горелки является смешивание топлива и воздуха вместе для получения стабильного и эффективного горения с хорошей стабильностью пламени и наименьшим возможным количеством выбросов окислов азота. Следовательно, конструкция горелки должна обеспечивать, что должные количества топлива и воздуха введены в соответствующие положения внутри горелки и что эти количества топлива и воздуха тщательно смешаны, чтобы имело место полное сгорание при минимальном количестве излишнего воздуха для достижения оптимального результирующего коэффициента полезного действия.

Двумя элементами горелки, которые могут быть объединены для использования их соответствующих преимуществ, являются горелка с предварительным смешиванием и диффузионная горелка.

В горелке с предварительным смешиванием воздух, требуемый для горения, смешивается с топливом горелки до подачи в зону горения. Чем лучше смешаны топливо и воздух, тем меньше существует горячих зон, соотношение топливо/воздух в которых превышает требуемое стехиометрическое соотношение. Так как температура пламени является основным фактором, стимулирующим производство окислов азота, из этого следует, что чем больше обеднена топливом смесь, тем меньше производство окислов азота.

В диффузионной горелке топливо не смешивается с воздухом перед зоной горения, но подается в виде чистого топлива в непосредственной близости от зоны горения. Диффузионные горелки обеспечивают хорошую стабильность пламени. Производство окислов азота относительно высоко.

Малотоксичные газотурбинные двигатели часто используют камеру сгорания с двумя рабочими режимами, включающими вспомогательный жиклер, который образует диффузионное пламя, и множество основных жиклеров для выпуска топливовоздушной смеси для образования пламени предварительно перемешанной смеси в качестве основного горения вокруг диффузионного пламени. US 5901555 описывает традиционную газовую турбину с основными горелками, поделенными на множество групп в соответствии с нагрузкой. Скорость течения пилотного топлива возрастает, когда нагрузка на газовую турбину невысока, для достижения стабильного горения. Когда нагрузка на газовую турбину высока, долю пилотного топлива уменьшают для уменьшения количества окислов азота. Для достижения соответствующего течения топлива во вспомогательный и основной жиклеры требуются независимо управляемые топливопроводы, клапаны, трубопроводы и логические схемы управления, что увеличивает стоимость двигателя.

Задачей изобретения является обеспечение улучшенного распределителя топлива.

Данную задачу решают посредством создания завихрителя, содержащего опору лопаток завихрителя; множество лопаток завихрителя, расположенных на опоре лопаток завихрителя; множество каналов завихрителя, образованных лопатками завихрителя и опорой лопаток завихрителя; и множество распределителей топлива, каждый из которых содержит распределительный элемент, определяющий полость, причем полость имеет входное отверстие, по меньшей мере, одно выходное отверстие и, по меньшей мере, одно третье отверстие, при этом, по меньшей мере, одно третье отверстие расположено в полости распределителя топлива в верхней по потоку секции соответствующего канала завихрителя, и, по меньшей мере, одно выходное отверстие расположено в полости в нижней по потоку секции соответствующего канала завихрителя, причем поперечное сечение, по меньшей мере, одного третьего отверстия превышает поперечное сечение, по меньшей мере, одного выходного отверстия, при этом полости множества распределителей топлива расположены в опоре лопаток завихрителя.

Предпочтительно, ограничитель расположен выше по потоку входного отверстия соответствующего распределителя топлива относительно потока топлива, ограничитель имеет такие размеры и сконфигурирован таким образом, чтобы уравновешивать потоки топлива через, по меньшей мере, одно выходное отверстие и, по меньшей мере, одно третье отверстие соответственно.

Предпочтительно, ограничитель соответствующего распределителя топлива является регулируемым.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно выходное отверстие соответствующего распределителя топлива является вспомогательным отверстием для впрыска топлива.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно третье отверстие соответствующего распределителя топлива является основным отверстием для впрыска топлива.

Предпочтительно, выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены в каналах завихрителя.

Предпочтительно, выходные отверстия множества распределителей топлива расположены на нижнем по потоку конце каналов завихрителя относительно течения воздуха компрессора.

Предпочтительно, третьи отверстия множества распределителей топлива расположены на верхнем по потоку конце каналов завихрителя относительно потока воздуха компрессора.

Предпочтительно, выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены в опоре лопаток завихрителя.

Предпочтительно, выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены в лопатках завихрителя.

Предпочтительно, выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены на различных высотах лопаток завихрителя.

Предпочтительно, площадь поперечного сечения каналов завихрителя увеличивается в направлении вниз по потоку относительно потока воздуха компрессора.

Предпочтительно, площадь поперечного сечения каналов завихрителя уменьшается в направлении вниз по потоку относительно потока воздуха компрессора.

Таким образом, распределитель топлива согласно изобретению использует градиент давления через систему сгорания для управления количеством топлива, обеспеченного для различных областей системы сгорания. Эти области могут обеспечивать пилотное топливо при низких нагрузках или улучшенное перемешивание топлива и воздуха при высоких нагрузках.

Система содержит полость с входным отверстием и, по меньшей мере, двумя отверстиями для впрыска топлива. Распределитель топлива основан на наличии большего отверстия для впрыска, расположенного в полости распределителя топлива в находящейся выше по ходу относительно течения воздуха компрессора секции, и меньшего отверстия для впрыска, расположенного в полости в находящейся ниже по ходу относительно течения воздуха компрессора секции и выполняющего функции подачи вблизи давления в камере сгорания.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения ограничитель располагают у входного отверстия для уравновешивания потоков топлива через, по меньшей мере, одно меньшее выходное отверстие и, по меньшей мере, одно большее третье отверстие соответственно.

В дополнительном предпочтительном варианте воплощения ограничитель допускает настройку для приспособления к давлению для различных типов топлива.

Так как при низком давлении топлива последнее обычно покидает распределитель через выходное отверстие, которое подвергается воздействию наименьшего внешнего давления воздуха, предпочтительно использование этого выходного отверстия в качестве вспомогательного отверстия для впрыска топлива.

По этой же причине предпочтительно использование третьего отверстия с большей площадью поперечного сечения и подвергающегося наибольшему внешнему давлению воздуха в качестве основного отверстия для впрыска топлива.

В предпочтительном варианте воплощения принцип работы распределителя топлива применяют к диффузионной горелке, где распределитель топлива имеет цилиндрическую форму с выходным отверстием на конце трубы, обращенном к камере сгорания, и с третьими отверстиями, расположенными выше по ходу трубы относительно течения топлива. При низком расходе топлива основная часть топлива попадет в камеру сгорания через выходное отверстие. Воздух компрессора может попасть в распределитель топлива через третьи отверстия и привести к некоторому предварительному смешиванию топлива и воздуха. С увеличением расхода топлива давление в полости увеличивается, и топливо будет проливаться через третьи отверстия и будет смешиваться с воздухом компрессора и попадать в камеру сгорания.

В другом предпочтительном варианте воплощения принцип работы распределителя топлива применяют к завихрителю. Полость распределителя топлива располагают в основной пластине завихрителя. Топливные отверстия и третьи отверстия располагают в смешивающих трубах, то есть в каналах завихрителя. Отверстия могут быть расположены в основной пластине завихрителя или в лопатках завихрителя. При расположении в лопатках завихрителя отверстия должны быть расположены на различных высотах для улучшения распределения топлива по высоте лопатки завихрителя. Меньшие топливные выходные отверстия были бы ближе к выходному отверстию завихрителя при более низком давлении. При более высоких давлениях предпочтительнее было бы расположение больших третьих отверстий в вышерасположенной части каналов завихрителя относительно течения воздуха компрессора. Топливные выходные отверстия служили бы вспомогательными, а третьи отверстия - основными отверстиями для впрыска топлива.

В еще одном другом предпочтительном варианте воплощения падением давления воздуха между выходным отверстием и третьим отверстием в смешивающей трубе или каналах завихрителя управляют, сужая или расширяя смешивающую трубу или каналы завихрителя.

При такой конструкции выбросы окислов азота системы распределения воздуха уменьшены. Распределитель топлива по изобретению обеспечивает увеличенный уровень предварительного смешивания с увеличением расхода топлива. Распределитель топлива по изобретению даже обеспечивает некоторое предварительное смешивание топлива и воздуха при низком расходе, таким образом, дополнительно уменьшая выбросы окислов азота. Кроме того, смешивание топлива/воздуха в трубе предварительного смешивания, такой как, например, канал завихрителя, может быть изменено с изменением расхода топлива без использования регулирующих клапанов, таким образом, уменьшая затраты и увеличивая надежность.

Далее изобретение будет дополнительно описано со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фигура 1 представляет диффузионную горелку по изобретению при низком расходе топлива,

Фигура 2 представляет диффузионную горелку по изобретению при высоком расходе топлива,

Фигура 3 представляет завихритель,

Фигура 4 представляет распределитель топлива, расположенный в основной плите завихрителя, с отверстиями в основной плите завихрителя при низком расходе топлива,

Фигура 5 представляет распределитель топлива, расположенный в основной плите завихрителя, с отверстиями в основной плите завихрителя при высоком расходе топлива,

Фигура 6 представляет распределитель топлива, расположенный в основной плите завихрителя, с отверстиями в боковой поверхности лопатки завихрителя,

Фигура 7 показывает лопатку завихрителя, соответствующую распределителю топлива по Фигуре 7,

Фигура 8 показывает процентное отношение массового расхода через отверстия для впрыска топлива как функцию массового расхода топлива, и

Фигура 9 представляет распределитель топлива, расположенный в основной плите завихрителя, с отверстиями в боковой поверхности лопатки завихрителя и сужающимся каналом завихрителя.

Фигура 1 показывает схему распределителя 1 топлива по изобретению, который применен в диффузионной горелке 2. Распределитель 1 топлива содержит распределительный элемент 18, определяющий полость 3 с входным отверстием 4, выходным отверстием 5, противоположным входному отверстию 4, и два третьих отверстия 6. Третьи отверстия 6 больше, чем выходное отверстие 5. Ограничитель 7 расположен выше по ходу входного отверстия 4 относительно потока 8 топлива и имеет размер, позволяющий задать нормальное давление для уравновешивания потока 8 топлива между выходным отверстием 5 и третьими отверстиями 6.

Давление Р1 возле третьих отверстий 6 больше, чем давление Р2 возле выходного отверстия 5. При небольших потоках 8 топлива основная часть топлива 8 попадет в камеру 9 сгорания через выходное отверстие 5. Если поток 8 топлива достаточно мал, воздух 10 может попасть в полость 3 через третьи отверстия 6 и привести к некоторому предварительному смешиванию топлива 8 и воздуха 10. С увеличением потока 8 топлива давление в полости 3 увеличивается. Когда давление в полости 3 выше, чем Р1, топливо 8 прольется через третьи отверстия 6, как показано на Фигуре 2, и смешается с воздухом 10. Предварительно полученная топливовоздушная смесь затем попадет в камеру 9 сгорания.

На Фигуре 3 показан завихритель 11 для газотурбинного двигателя. Завихритель 11 содержит лопатки 12 завихрителя, расположенные на опоре 13 лопаток завихрителя. Лопатки 12 завихрителя могут быть прикреплены к головке горелки (не показано) своими поверхностями, обращенными от опоры 13 лопаток завихрителя. Между соседними лопатками 12 завихрителя образованы каналы 14 завихрителя. Каналы 14 завихрителя продолжаются между входным отверстием 15 канала завихрителя и выходным отверстием 16 канала завихрителя. Каналы 14 завихрителя разграничены противоположными боковыми поверхностями 16 лопаток 12 завихрителя, поверхностью опоры 13 лопаток завихрителя, которая обращена к головке горелки (не показано), и поверхностью головки горелки, к которой прикреплены лопатки 12 завихрителя. Выходные отверстия 5 и третьи отверстия 6 расположены в каналах 14 завихрителя в опоре 13 лопаток завихрителя.

На Фигурах 4 и 5 показан вид поперечного сечения распределителя 1 топлива по изобретению, расположенного в опоре 13 лопаток завихрителя. Выходное отверстие 5 и третье отверстие 6 раскрываются в канал 14 завихрителя. Воздух 10 компрессора попадает в канал 14 завихрителя слева с помощью входного отверстия 15 канала завихрителя, где давление Р1 превышает давление Р2 возле выходного отверстия 16 канала завихрителя. Фигура 4 показывает распределитель топлива при низких нагрузках. Топливо 8 попадает в полость 3 распределителя 1 топлива посредством входного отверстия 4 через ограничитель 7. Преобладающая доля топлива 8 попадает в канал 14 завихрителя через выходное отверстие 5. Только небольшое количество топлива 8 попадает в канал 14 завихрителя через третье отверстие 6. Это выгодно для обеспечения пилотного топлива для выходного отверстия 5. При очень низкой нагрузке часть воздуха 10 компрессора, попадающая в канал 14 завихрителя, течет в полость 3 через третье отверстие 6, что приводит к некоторому предварительному смешиванию в полости 3.

При высоких нагрузках доля топлива 8, попадающая в канал 14 завихрителя через третье отверстие 6, увеличивается, как показано на Фигуре 5. Давление топлива в полости 3 превосходит давление возле входного отверстия 15 канала завихрителя, и топливо 8 проливается в канал 14 завихрителя, главным образом через третье отверстие 6, площадь поперечного сечения которого больше.

Фигуры 6 и 7 показывают альтернативное расположение, при котором распределение потока 8 топлива по высоте канала 14 завихрителя может быть изменено. Полость 3 распределителя 1 топлива снова располагают в опоре 13 лопаток завихрителя. Выходное отверстие 5 и третье отверстие 6 располагают на различных высотах лопатки 12 завихрителя в канале 14 завихрителя. Снова, выходное отверстие 5 имеет меньшую площадь поперечного сечения и расположено близко к выходному отверстию 16 канала завихрителя, где давление невысоко, а третье отверстие 6 имеет большую площадь поперечного сечения и расположено близко к входному отверстию 15 канала завихрителя, где давление больше, чем возле выходного отверстия 16 канала завихрителя.

На Фигуре 8 показано процентное отношение массового расхода топлива через выходное отверстие 5 и третье отверстие 6 как функция общего массового расхода топлива. При низкой нагрузке, т.е. при низком расходе топлива, топливо в основном течет через выходное отверстие 5. Чем выше массовый расход топлива, тем больше процент топлива, текущего через третье отверстие 6.

Фигура 9 показывает дополнительный вариант воплощения распределителя 1 топлива по изобретению. Принципиальная схема аналогична варианту воплощения, описанному на Фигуре 6. Падение давления воздуха 10 в канале 14 завихрителя между выходным отверстием 5 и третьим отверстием 6 меняют, сужая канал 14 завихрителя (как показано на Фигуре 9) или расширяя (не показано).

Завихритель содержит опору лопаток завихрителя, множество лопаток завихрителя, расположенных на опоре лопаток завихрителя; множество каналов завихрителя, образованных лопатками завихрителя и опорой лопаток завихрителя; и множество распределителей топлива. Каждый из распределителей топлива содержит распределительный элемент, определяющий полость. Полость имеет входное отверстие, по меньшей мере, одно выходное отверстие и, по меньшей мере, одно третье отверстие. По меньшей мере, одно третье отверстие расположено в полости распределителя топлива в верхней по потоку секции соответствующего канала завихрителя. По меньшей мере, одно выходное отверстие расположено в полости в нижней по потоку секции соответствующего канала завихрителя. Поперечное сечение, по меньшей мере, одного третьего отверстия превышает поперечное сечение, по меньшей мере, одного выходного отверстия. Полости множества распределителей топлива расположены в опоре лопаток завихрителя. Изобретение направлено на обеспечение улучшенного распределения топлива. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Завихритель, содержащий: опору лопаток завихрителя; множество лопаток завихрителя, расположенных на опоре лопаток завихрителя; множество каналов завихрителя, образованных лопатками завихрителя и опорой лопаток завихрителя; и множество распределителей топлива, каждый из которых содержит: распределительный элемент, определяющий полость, причем полость имеет входное отверстие, по меньшей мере, одно выходное отверстие и, по меньшей мере, одно третье отверстие, при этом, по меньшей мере, одно третье отверстие расположено в полости распределителя топлива в верхней по потоку секции соответствующего канала завихрителя, и, по меньшей мере, одно выходное отверстие расположено в полости в нижней по потоку секции соответствующего канала завихрителя, причем поперечное сечение, по меньшей мере, одного третьего отверстия превышает поперечное сечение, по меньшей мере, одного выходного отверстия, при этом полости множества распределителей топлива расположены в опоре лопаток завихрителя.

2. Завихритель по п.1, в котором ограничитель расположен выше по потоку входного отверстия соответствующего распределителя топлива относительно потока топлива, ограничитель имеет такие размеры и сконфигурирован таким образом, чтобы уравновешивать потоки топлива через, по меньшей мере, одно выходное отверстие и, по меньшей мере, одно третье отверстие, соответственно.

3. Завихритель по п.2, в котором ограничитель соответствующего распределителя топлива является регулируемым.

4. Завихритель по п.1, в котором, по меньшей мере, одно выходное отверстие соответствующего распределителя топлива является вспомогательным отверстием для впрыска топлива.

5. Завихритель по п.1, в котором, по меньшей мере, одно третье отверстие соответствующего распределителя топлива является основным отверстием для впрыска топлива.

6. Завихритель по п.1, в котором выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены в каналах завихрителя.

7. Завихритель по п.1, в котором выходные отверстия множества распределителей топлива расположены на нижнем по потоку конце каналов завихрителя относительно течения воздуха компрессора.

8. Завихритель по п.1, в котором третьи отверстия множества распределителей топлива расположены на верхнем по потоку конце каналов завихрителя относительно потока воздуха компрессора.

9. Завихритель по п.1, в котором выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены в опоре лопаток завихрителя.

10. Завихритель по п.1, в котором выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены в лопатках завихрителя.

11. Завихритель по п.10, в котором выходные отверстия и третьи отверстия множества распределителей топлива расположены на различных высотах лопаток завихрителя.

12. Завихритель по п.1, в котором площадь поперечного сечения каналов завихрителя увеличивается в направлении вниз по потоку относительно потока воздуха компрессора.

13. Завихритель по любому из пп.1-11, в котором площадь поперечного сечения каналов завихрителя уменьшается в направлении вниз по потоку относительно потока воздуха компрессора.