ВОЗДУХООХЛАЖДАЕМАЯ ГОЛОВКА ВИХРЕВОЙ ФОРСУНКИ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/28 F23R3/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к средствам и способу регулирования температуры в камере сгорания. В частности, настоящее изобретение относится к средствам и способу регулирования температуры вихревой форсунки в камере сгорания.

Уровень техники

Известные камеры сгорания выполнены с возможностью создания обратного тороидального потока, который увлекает за собой часть горячих продуктов сгорания и возвращает их обратно в направлении вверх по потоку к вихревой форсунке. Эта часть горячих продуктов является постоянно действующим источником воспламенения входящей несгоревшей топливовоздушной смеси, что способствует поддержанию стабильности процесса горения. Однако обратный горячий поток, который набегает на поверхность вихревой форсунки, может привести к образованию высокотемпературного пятна в центре вихревой форсунки и созданию в ней неравномерного поля температур, что может вызвать термические напряжения.

Раскрытие изобретения

Одним объектом настоящего изобретения является камера сгорания для сжигания топливовоздушной смеси, содержащая вихревую форсунку, в которую поступают потоки воздуха и топлива, при этом топливо и воздух перемешиваются с помощью вихревой форсунки, сообщающей топливовоздушной смеси вихревое движение. Кроме того, в вихревой форсунке имеется сквозной центральный канал. С вихревой форсункой сообщена по текучей среде предкамера, в которую поступает смесь топлива с воздухом. Предкамера образована цилиндрическим элементом, ориентированным вдоль центральной оси, и придает завихренной смеси топлива с воздухом осевое направление. При этом смесь перемещается вдоль центральной оси вниз по ходу движения потока, создавая вихревой поток смеси топлива с воздухом, в котором вдоль центральной оси имеется область низкого давления. Предкамера сообщена по текучей среде с расположенной ниже по потоку жаровой трубой, проходное сечение которой больше проходного сечения предкамеры, что обеспечивает расширение вихря в радиальном направлении и создание зоны рециркуляции, в которой продукты сгорания, полученные при сжигании смеси топлива с воздухом внутри жаровой трубы, всасываются в направлении вверх по потоку вдоль центральной оси, направляясь при этом обратно в предкамеру. Камера сгорания содержит также блок охлаждения, расположенный внутри сквозного канала, при этом ось блока охлаждения коллинеарна центральной оси предкамеры. Блок охлаждения сообщен по текучей среде с источником воздуха, который холоднее обратного потока, и направляет этот более холодный воздух вниз по потоку в предкамеру, создавая тем самым охлаждающий поток.

Другим объектом изобретения является вихревая форсунка камеры сгорания. Вихревая форсунка содержит корпус, включающий в себя внешнюю сторону, внутреннюю сторону и большое количество элементов, которые служат направляющими потока и размещены на внутренней поверхности корпуса. Между соседними направляющими потока образованы проточные каналы, придающие потоку воздуха вихревое движение относительно центральной оси корпуса. Внутри корпуса имеется первая кольцевая камера, которая сообщена по текучей среде с направляющими трубками, расположенными вблизи входов указанных проточных каналов. Кроме того, внутри корпуса имеется вторая кольцевая камера, сообщенная по текучей среде с отверстиями, расположенными вблизи выходов проточных каналов. От внешней поверхности корпуса форсунки к его внутренней поверхности вдоль осевой линии проходит сквозной канал. В указанном канале приблизительно вровень с внутренней стороной корпуса установлен блок охлаждения.

Еще одним объектом изобретения является способ сжигания топлива с воздухом в газотурбинном двигателе. Топливо и воздух предварительно смешиваются до получения относительно однородной смеси вблизи поверхности вихревой форсунки, расположенной в передней части камеры сгорания. Смесь топлива с воздухом подается в цилиндр предкамеры с закручиванием смеси относительно центральной оси предкамеры. В результате создается вихревой поток, совершающий вихревое движение и осевое перемещение с образованием зоны пониженного давления в области осевой линии. Вихревой поток перемещается в осевом направлении вниз по потоку в жаровую трубу, проходное сечение которой больше проходного сечения предкамеры. Вихревой поток расширяется в жаровой трубе, где происходит химическая реакция топлива с воздухом с образованием горячих продуктов сгорания. В результате этого расширения на осевой линии формируется обратный поток, в котором горячие продукты всасываются вверх по потоку в предкамеру. Воздух проходит через вихревую форсунку вдоль осевой линии в направлении вниз по потоку к предкамере. При этом указанный воздух холоднее обратного потока.

Другие особенности изобретения будут более понятны из подробного описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схема двухкаскадного газотурбинного двигателя с рекуперацией теплоты, содержащего камеру сгорания согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 - схема однокаскадного газотурбинного двигателя с рекуперацией теплоты, содержащего камеру сгорания согласно настоящему изобретению;

на фиг.3 - схема однокаскадного газотурбинного двигателя простого цикла, содержащего камеру сгорания согласно настоящему изобретению;

на фиг.4 схематично показана камера сгорания согласно настоящему изобретению трубчатого или цилиндрического типа, расположенная внутри рекуператора;

на фиг.5 - вихревая форсунка, предкамера и жаровая труба согласно настоящему изобретению;

на фиг.6A показан вид в перспективе радиальной вихревой форсунки в соответствии с настоящим изобретением, вид спереди;

на фиг.6B - вид с пространственным разделением деталей вихревой форсунки, изображенной на фиг.6A, фланца жаровой трубы и жаровой трубы;

на фиг.7 - вид в перспективе вихревой форсунки, показанной на фиг.6A, вид сзади;

на фиг.8 - вид в разрезе вихревой форсунки согласно фиг.6A;

на фиг.9 - поперечный разрез блока охлаждения, изображенного на фиг.8;

на фиг.10 - распределительное кольцо, показанное на фиг.9, вид спереди;

на фиг.11 - распределительное кольцо, показанное на фиг.10, вид в разрезе по линии X-X;

на фиг.12 - теплозащитный экран, показанный на фиг.9, вид спереди;

на фиг.13 - теплозащитный экран, показанный на фиг.12, вид в разрезе по линии Y-Y.

Осуществление изобретения

Прежде чем будут подробно рассмотрены какие-либо варианты осуществления изобретения, необходимо отметить, что применение изобретения не ограничивается деталями конструкции и взаимным расположением элементов, описанных ниже и показанных на чертежах. Изобретение может иметь и другие варианты осуществления и реализуется на практике различными путями. Кроме того, используемая здесь терминология введена для описания изобретения и не должна рассматриваться как ограничивающая изобретение. Использование терминов "содержащий", "включающий", "имеющий" и их разновидностей предполагает охват элементов, перечисленных после этих терминов и их эквивалентов, так же как и дополнительных элементов. Термины "установленный", "соединенный", "поддерживаемый" и "связанный" и их видоизменения, если они не конкретизированы или не ограничены, используются как широкие понятия и охватывают как непосредственные, так и опосредованные установки, соединения, опоры и связи. Кроме того, понятия "соединенный" и "связанный" не ограничены физическими или механическими соединениями или связями.

Описанное здесь изобретение может быть использовано для сжигания в газовой турбине различных углеводородных топлив. Процесс сжигания представляет собой способ сжигания бедных смесей предварительно перемешанных топлива и воздуха или бедных смесей предварительно испаренных и предварительно перемешанных топлива и воздуха. Это обеспечивает более низкий уровень вредных веществ (NO_X, CO, VOC) в выхлопных газах газотурбинного двигателя в широком диапазоне рабочих параметров двигателя.

Следует отметить, что на всех чертежах одинаковые элементы конструкции газотурбинного двигателя и устройства для сжигания топлива обозначены одинаковыми номерами позиций.

На фиг.1 показана схема двухкаскадного газотурбинного двигателя 10 с рекуперацией теплоты, используемого для выработки электрической энергии. Двигатель 10 содержит компрессор 12, рекуператор 13, камеру 15 сгорания, турбину 16 газогенератора, силовую турбину 17, редуктор 18 и электрогенератор 19. Газотурбинный двигатель 10 сообщен с источником 20 воздуха, расположенным выше по потоку от компрессора 12. Воздух сжимается компрессором и направляется в рекуператор 13, где сжатый воздух подогревается выхлопными газами, выходящими из силовой турбины 17, и направляется в камеру 15 сгорания. Кроме того, в камеру 15 сгорания поступает топливо 22, и смесь сжигается (как это более детально будет описано ниже).

Продукты сгорания из камеры 15 сгорания направляются в турбину 16 газогенератора. Относительное содержание топлива и воздуха регулируют (т.е. регулируют расход топлива) для получения или предварительно заданной температуры на входе в турбину, или предварительно заданной выходной электрической мощности генератора 19. Температура на входе в турбину 16 газогенератора может изменяться в реализуемых на практике пределах от 816°C до 1093°C. Горячие газы проходят последовательно сначала через турбину 16 газогенератора, а затем через силовую турбину 17. В каждой из турбин совершается работа, и полученная механическая энергия передается компрессору 12 и электрогенератору 19 соответственно, при этом механическая энергия с вала передается посредством редуктора 18. Горячие выхлопные газы из силовой турбины 17 затем пропускают через рекуператор 13, в котором с помощью конвекции и теплопроводности нагревается воздух, поступающий в камеру 15 сгорания. Используемый по усмотрению аппарат 24 для утилизации теплоты может обеспечивать дополнительную утилизацию отработанной теплоты с целью ее эффективного полезного использования. Аппарат 24 для утилизации теплоты может быть использован для снабжения горячей водой, паром или другой нагретой текучей средой устройства 26, которое использует указанную теплоту для различных целей.

На фиг.2 показана схема газотурбинного двигателя 10a с рекуперацией теплоты, используемого для выработки электрической энергии. Этот газотурбинный двигатель подобен двигателю, изображенному на фиг.1, за исключением того, что используется только одна турбина. Двигатель 10a содержит компрессор 12, рекуператор 13, камеру 15 сгорания, турбину 16, редуктор 18 и электрогенератор 19. Двигатель 10а сообщен с источником 20 воздуха, расположенным выше по потоку от компрессора. Воздух сжимается в компрессоре и направляется в рекуператор 13, где сжатый воздух предварительно нагревается выхлопными газами из турбины 16 и направляется в камеру 15 сгорания. В камеру 15 сгорания, кроме того, поступает топливо 22, и топливовоздушная смесь сжигается (как это более подробно будет описано ниже).

Продукты сгорания из камеры 15 сгорания направляются в турбину 16. Относительное содержание топлива и воздуха регулируют (т.е. регулируют расход топлива) для получения или предварительно заданной температуры на входе турбины 16, или предварительно заданной выходной электрической мощности генератора 19. Температура на входе в турбину может изменяться в реализуемых на практике пределах от 816°C до 1093°C. В турбине совершается работа, и полученная механическая энергия передается компрессору 12 и электрогенератору 19, при этом механическая энергия с вала передается посредством редуктора 18. Горячие выхлопные газы из турбины 16 проходят затем через рекуператор 13, в котором с помощью конвекции и теплопроводности нагревается воздух, поступающий в камеру 15 сгорания. Используемый по усмотрению аппарат 24 для утилизации теплоты может обеспечивать дополнительную утилизацию отработанной теплоты с целью ее эффективного полезного использования. Аппарат 24 для утилизации теплоты может быть использован для снабжения горячей водой, паром или другой нагретой текучей средой устройства 26, которое использует указанную теплоту для различных целей.

На фиг.3 показана схема газотурбинного двигателя 10b простого цикла, используемого для выработки электрической энергии. Этот газотурбинный двигатель подобен двигателю, изображенному на фиг.2, за исключением того, что в нем отсутствует рекуператор. Двигатель 10b содержит компрессор 12, камеру 15 сгорания, турбину 16, редуктор 18 и электрогенератор 19. Двигатель 10b сообщен с источником 20 воздуха, расположенным выше по потоку от компрессора. Воздух сжимается в компрессоре и направляется в камеру 15 сгорания. В камеру 15 сгорания, кроме того, поступает топливо 22, и топливовоздушная смесь сжигается (как это более подробно будет описано ниже).

Продукты сгорания из камеры 15 сгорания направляются в турбину 16. Относительное содержание топлива и воздуха регулируют (т.е. регулируют расход топлива) для получения или предварительно заданной температуры на входе турбины 16, или предварительно заданной выходной электрической мощности генератора 19. Температура на входе в турбину может изменяться в реализуемых на практике пределах от 816°C до 1093°C. В турбине совершается работа, и полученная механическая энергия передается компрессору 12 и электрогенератору 19, при этом механическая энергия с вала передается посредством редуктора 18. Затем горячие выхлопные газы либо выпускаются из турбины 16, либо в используемый по усмотрению аппарат 24 для утилизации теплоты, который может обеспечивать дополнительную утилизацию отработанной теплоты с целью ее эффективного полезного использования. Аппарат 24 для утилизации теплоты может быть использован для снабжения горячей водой, паром или другой нагретой текучей средой устройства 26, которое использует указанную теплоту для различных целей.

На фиг.1-3 показаны схемы расположения элементов газотурбинного двигателя, которые могут быть использованы в различных вариантах осуществления настоящего изобретения. Может быть использован ряд других схем газотурбинного двигателя (несколько контуров, несколько ступеней компрессора и турбины). Например, вместо редуктора 18 и электрогенератора 19 может быть использован высокооборотный генератор для генерирования переменного тока высокой частоты и инвертор частоты для преобразования переменного тока в постоянный. Полученная электрическая энергия постоянного тока может быть преобразована обратно в энергию переменного тока с различной частотой (т.е. 60 или 50 Гц). Следует отметить, что изобретение не ограничено схемами газотурбинного двигателя, представленными на фиг.1-3, и включает другие комбинации элементов двигателя, позволяющие реализовать термодинамический цикл Брайтона с получением электрической энергии и горячих выхлопных газов, полезных для производства горячей воды и генерирования водяного пара, а также для абсорбционных холодильников или других устройств, потребляющих для своей работы теплоту.

На фиг.4 показан рекуператор 50, который может быть подобным рекуператору, описанному в документе US 5983992, опубликованном 16.11.1999, полное содержание которого включено в настоящее описание путем ссылки. Рекуператор 50 содержит множество последовательно расположенных состыкованных проточных ячеек 54, открытые концы каждой из которых сообщены с входным коллектором 56 и выходным коллектором 58, что обеспечивает подачу потока сжатого воздуха от входного коллектора 56 к выходному коллектору 58. Между ячейками 54 расположены проходные каналы для выхлопных газов, которые направляют поток горячих выхлопных газов между ячейками 54. Ячейки 54 и проходные каналы для потока выхлопных газов снабжены ребрами для более эффективной передачи теплоты от горячих выхлопных газов более холодной смеси со сжатым воздухом.

Как показано на фиг.4, выходной коллектор 58 включает в себя цилиндрическую или трубчатую камеру 52 сгорания и вихревую форсунку 60. Воздух, поступающий во выходной коллектор 58, протекает вокруг внешней поверхности камеры 52 сгорания. Затем воздух входит в камеру 52 сгорания через множество выполненных в ней и в вихревой форсунке 50 отверстий и щелей и выходит из камеры 52 сгорания с потоком, показанным на фиг.4 стрелкой 62. Направление общего потока 62 воздуха в камере 52 сгорания определяется ее ориентацией, и в результате поток 62 направлен вниз по ходу его движения, т.е. слева направо на фигуре, так, что вихревая форсунка 60 в камере 52 сгорания расположена выше по потоку.

На фиг.5 показано поперечное сечение вихревой форсунки 60 и некоторой части камеры 52 сгорания. Камера 52 сгорания включает в себя предкамеру 64 и жаровую трубу 66, которая расположена ниже по потоку от предкамеры 64. Как показано на фигуре, диаметр предкамеры 64 меньше диаметра жаровой трубы 66. Сжатый воздух из выходного коллектора 58 протекает в камеру 52 сгорания последовательно вниз по потоку через вихревую форсунку 60 в предкамеру 64 и затем в жаровую трубу 66, т.е. воздух поступает в предкамеру 64 через вихревую форсунку 60. Давление воздуха в выходном коллекторе 58 выше, чем давление воздуха в жаровой трубе 66, и эта разность давлений обеспечивает возможность транспортирования воздуха через вихревую форсунку 60.

На фиг.6-8 показана вихревая форсунка 60 в соответствии с настоящим изобретением. Вихревая форсунка 60 имеет дискообразную форму и содержит корпус 135 и блок 200 охлаждения. Внутри корпуса 135 образованы внутренняя кольцевая камера 137, внешняя кольцевая камера 139, и, кроме того, в корпусе имеется множество направляющих 145 потока. Корпус 135 снабжен также периферийным фланцем 150, который обеспечивает крепление вихревой форсунки 60 к рекуператору 50. Фланец 150 разделяет вихревую форсунку 60 на внешнюю часть или сторону 155 и внутреннюю часть или сторону 160, которая обращена в сторону предкамеры 64. Внутренняя сторона 160 обращена к жаровой трубе 66, в то время как внешняя часть 155 обращена наружу. Как показано на фигурах, вихревая форсунка 60 представляет собой отдельный элемент, который крепится к камере 52 сгорания. В некоторых вариантах осуществления изобретения вихревая форсунка 60 образует на фланце 150 герметичное соединение с рекуператором 50. Однако в других конструкциях используется передняя часть вихревой форсунки, выполненная в виде части камеры 52 сгорания. Существуют также такие конструкции, в которых вихревая форсунка 60 является отдельным элементом, расположенным вне остальной части камеры 52 сгорания.

Внешняя камера 139 представляет собой кольцевую камеру, образованную внутри корпуса 135 вихревой форсунки 60. К внешней поверхности 155 корпуса 135 может быть присоединен входной патрубок 165 для топлива, который сообщен по текучей среде с внешней камерой 139 для подачи в нее топлива. Множество сквозных отверстий, выполненных в корпусе между внешней камерой 139 и внутренней стороной 160 вихревой форсунки 60, позволяет топливу протекать из внешней камеры 139 через вихревую форсунку 60 в предкамеру 64. При этом поток топлива направляется в предкамеру 64 с помощью направляющих трубок 169, выступающих из внутренней поверхности 160 вихревой форсунки 60 с примыканием к указанным сквозным отверстиям.

Внутренняя кольцевая камера 137 расположена на меньшем радиусе по сравнению с радиусом расположения внешней камеры 139. К внешней поверхности 155 корпуса 135 может быть присоединен патрубок 175 для подачи пускового топлива, сообщающийся по текучей среде с внутренней камерой 137 и подающий в нее пусковое топливо. Множество сквозных отверстий 177, выполненных между внутренней камерой 137 и внешней стороной 160 вихревой форсунки 60, позволяет пусковому топливу, протекающему по внутренней камере 137, проходить через вихревую форсунку 60 внутрь предкамеры 64. Входной патрубок 175 для пускового топлива обеспечивает протекание через вихревую форсунку 60 топлива, которое может быть использовано для поддерживания стабильности пламени в камере 52 сгорания при режимах работы с низкой мощностью или для инициирования горения внутри камеры 52 сгорания во время пуска газотурбинного двигателя.

Кроме того, в корпусе форсунки 60 со стороны внешней поверхности 155 выполнено отверстие 190 для ввода средства 195 воспламенения. Средство 195 воспламенения представляет собой пламя, искру, горячую поверхность или другой источник воспламенения, предназначенный для инициирования горения во время запуска двигателя или в какое-либо другое время, когда пламя желательно, но отсутствует.

Направляющие 145 потока представляют собой по существу объемные элементы треугольной формы, выступающие из внутренней поверхности 160 корпуса 135. Каждая направляющая 145 потока имеет две плоские поверхности 180 и одну дугообразную внешнюю поверхность 183. Плоские поверхности 180 каждой направляющей 145 потока расположены так, что они по существу параллельны плоским поверхностям 180 соседних направляющих 145 потока. При таком взаимном расположении между соседними направляющими 145 потока, проходящими в направлении внутрь (от периферии), образуется большое количество проточных каналов 185. Проточные каналы 185 ориентированы так, что они подают предварительно перемешанные топливо и воздух в предкамеру 64 с высокой степенью завихрения относительно осевой линии или центральной оси A (см. фиг.5) цилиндрической предкамеры 64. Для того чтобы направить топливо и воздух в предкамеру 64, возможны различные варианты конструктивного выполнения. Изобретение как таковое не должно быть ограничено вышеупомянутым примером.

Направляющие 145 потока расположены радиально между внутренней камерой 137 и внешней камерой 139. Соответственно, направляющие трубки 169, сообщенные с внешней камерой 139, установлены на внешнем конце или на входе 186 проточных каналов 185, а сквозные отверстия 177, сообщенные с внутренней камерой 137, выполнены на внутреннем конце или на выходе 187 проточных каналов 185 (см. фиг.6A). В соответствии с фиг.6В кольцевой фланец 153 камеры сгорания прикреплен к направляющим 145 потока с помощью крепежных элементов (не показаны) в совпадающих по расположению посадочных отверстиях 154a, 154b. Фланец 153 камеры сгорания частично закрывает проточные каналы 185, что способствует протеканию топлива и воздуха от входов 186 проточных каналов к их выходам 187. Фланец 153 камеры сгорания может быть также прикреплен к камере 52 сгорания так, чтобы обеспечить присоединение вихревой форсунки 60 к камере 52 сгорания.

При подаче топлива на вход 186 проточных каналов 185 имеется необходимое время для тщательного взаимного перемешивания топлива и воздуха перед выходом из проточных каналов на выходе 187. Такое равномерное перемешивание топлива и воздуха уменьшает вероятность горения с недостатком воздуха в жаровой трубе 66, что могло бы привести к выбросам выхлопных газов с высоким уровнем NO_X. В других вариантах осуществления изобретения топливо также может подводиться во множестве других точек так, чтобы топливовоздушная смесь выходила из проточных каналов 185 с равномерно перемешанными компонентами смеси.

Отверстие 190 для ввода средства 195 воспламенения расположено между центральной осью A предкамеры 64 и внутренним "диаметром", образованным и ограниченным выходами 187 проточных каналов. Средство 195 воспламенения может воспламенять предварительно перемешанные топливо и воздух, выходящие из проточных каналов 185, и может воспламенять пусковое топливо, вытекающее из отверстий 177, но оно не подвержено и/или менее подвержено действию высоких температур во внутренней зоне 86 рециркуляции (см. нижеприведенное описание со ссылкой на фиг.5).

Как показано на фиг.5, предварительно перемешанные топливо и воздух подаются в предкамеру 64 по закрученной траектории или непосредственно под влиянием воздействия вихревой форсунки 60, как это показано стрелкой 80. Вихревое движение смеси топлива и воздуха и ввод этой смеси в предкамеру 64 могут быть осуществлены и другими способами. Закрученная смесь 80 топлива и воздуха подается в направлении вниз по потоку через предкамеру 64 и выходит из нее в жаровую трубу 66. Осевое перемещение потока сочетается с его вихревым движением относительно оси A, проходящей через центральную ось жаровой трубы 66, и создает вихрь, показанный стрелкой 82. Вихрь 82 создает разность давлений между центром вихря 82, находящимся на центральной оси A, и внутренним периметром предкамеры 64. Центральная ось вихря 82 находится при более низком давлении, чем внешний край вихря 82, подобно низкому давлению, возникающему в центре урагана или тропического циклона.

Поперечное сечение потока в жаровой трубе 66 больше поперечного сечения потока в предкамере 64 (т.е. жаровая труба 66 имеет больший внутренний диаметр по сравнению с предкамерой 64). Когда перемещающийся в осевом направлении вихрь 82 входит в жаровую трубу 66, увеличение поперечного сечения потока приводит к расширению вихря 82 в радиальном направлении, как показано стрелкой 84, и замедлению его осевого перемещение и вращательного или вихревого движения. Расширившийся вихрь 84 характеризуется уменьшенной разностью давления между внешней кромкой вихря 84 и его центром, поэтому давление на центральной оси A в предкамере 64 в месте нахождения вихря 82 ниже давления на центральной оси жаровой трубы 66 в месте нахождения вихря 84. В результате формируется внутренний обратный поток, обозначенный стрелкой 86, который вытягивает некоторую часть газов из жаровой трубы 66 обратно в предкамеру 64 в направлении вверх по потоку, т.е. справа налево. Этот процесс, названный "отрывом вихря", стабилизирует пламя в жаровой трубе 66.

В смеси топлива и воздуха, протекающей из предкамеры 64 в жаровую трубу 66, происходят химические реакции при горении пламени. Продукты сгорания имеют большую температуру, чем реагенты, поступающие в предкамеру 64 (т.е. предварительно смешанные в потоке 80 топливо и воздух), следовательно, внутренний обратный поток 86 состоит из горячих продуктов сгорания и направлен противоположно несгоревшей смеси топлива и воздуха, которая перемещается в вихре 82. Между этими двумя потоками образуется внутренний пограничный слой. Находящиеся в обратном потоке 86 горячие газообразные продукты и образовавшиеся при горении радикалы, которые являются нестабильными электрически заряженными молекулами подобными OH-, O- и CH+, участвуют в процессе массообмена с несгоревшей смесью топлива и воздуха в вихревом потоке 82. Химические радикалы повышают химическую активность несгоревшей смеси вихревого потока 82, благодаря чему процесс горения смеси топлива и воздуха в вихревом потоке 82 прекращается при более низком относительном содержании топлива в воздухе, чем в том случае, если бы вихревой поток 82 не содержал радикалов, поступающих из обратного потока 86.

На фиг.8 и 9 показан блок 200 охлаждения. Воздух, прошедший через рекуператор, может быть направлен через блок 200 охлаждения в предкамеру 64. Блок 200 охлаждения предназначен для снижения температурной неравномерности на внутренней поверхности 160 вихревой форсунки 60, которая может быть создана горячим обратным потоком 86 на центральной оси А.

Блок 200 охлаждения расположен в канале 202, проходящем через вихревую форсунку 60 по центральной оси А. Канал 202 и блок 200 охлаждения имеют центральную ось, которая проходит коллинеарно центральной оси А предкамеры 64. Канал 202 имеет наклонные боковые стенки, за счет чего отверстие 203 канала на внутренней поверхности 160 больше, чем отверстие 204 канала на внешней поверхности 155 (см. фиг.8-9). Внешнее отверстие 204 канала может быть соединено с трубкой 205 для впуска воздуха так, чтобы канал 202 сообщался по текучей среде с источником охлаждающего воздуха. В описываемом варианте осуществления изобретения в трубку 205 для впуска воздуха поступает воздух из рекуператора 50. При этом трубка 205 для впуска воздуха соединена с выполненным во фланце 150 отверстием 151, которое сообщено по текучей среде с рекуператором 52 (см. фиг.8). Следует заметить, что подходящим будет любой источник воздуха, более холодного, чем обратный поток 86.

Как показано на фиг.8-11, блок 200 охлаждения содержит распределительное кольцо 206 и перфорированный экран 210. Распределительное кольцо 206 расположено внутри канала 202 ниже по потоку от трубки 205 для впуска воздуха. Кольцо 206 выполнено с рядом отверстий 207 для прохождения через них воздуха, подводимого из трубки 205 для впуска воздуха. В некоторых вариантах осуществления изобретения отверстия 207 ориентированы под углом наружу так, чтобы равномерно распределять проходящий через них воздух на экран 210.

Ниже по потоку от распределительного кольца 206 экран 210 закрывает внутреннее отверстие 203 канала 202 (см. фиг.8-9). Экран 210 выполнен с большим количеством сквозных отверстий 214, позволяющих потоку воздуха проходить сквозь него. В описываемом варианте осуществления изобретения сквозные отверстия 214 выполнены в виде выпускных отверстий. В некоторых вариантах осуществления изобретения экран 210 установлен приблизительно вровень с внутренней стороной 160 корпуса вихревой форсунки 60.

Экран 210 снабжен штуцером для резьбового соединения с распределительным кольцом 206. Некоторая часть корпуса 135 вихревой форсунки, прилегающая к каналу 202, заключена между экраном 210 и распределительным кольцом 206 и обеспечивает крепление блока 200 охлаждения к вихревой форсунке 60. Такое взаимное расположение элементов допускает некоторое расширение и сжатие экрана 210 относительно вихревой форсунки 60. В других вариантах осуществления изобретения (не показаны) распределительное кольцо 206 может быть присоединено к экрану 210 посредством защелки, болтов, связующего материала или присоединено иным образом. Возможны также такие варианты осуществления изобретения (не показаны), в которых экран 210 и/или распределительное кольцо 206 присоединены к вихревой форсунке 60 посредством резьбового соединения или соединения с фиксированной посадкой в канале 202 или могут быть присоединены к вихревой форсунке 60 с помощью болтов или связующего материала. В других вариантах осуществления изобретения весь блок 200 охлаждения или его часть выполнена за одно целое с вихревой форсункой 60.

Воздух из трубки 205 для впуска охлаждающего воздуха поступает через отверстия 207 распределительного кольца 206 в канал 202. Теплота от вихревой форсунки 60 передается блоку 200 охлаждения, неподвижно установленному внутри канала 202, и затем за счет конвекции передается воздуху, проходящему через канал 202. Воздух, проходящий через канал 202, выходит через отверстия 214 в экране 210 и поступает в предкамеру, создавая охлаждающий поток, обозначенный стрелкой 212. Теплота, которая передается от вихревой форсунки блоку 200 охлаждения, отводится от вихревой форсунки 60 с помощью охлаждающего потока 212, выходящего из канала 202 и втекающего в предкамеру 64. Это может способствовать снижению температуры как вихревой форсунки 60, примыкающей к блоку 200 охлаждения, так и самого блока 200 охлаждения.

Как показано на фиг.9, охлаждающий поток 212 движется навстречу обратному потоку 86 и встречается с ним с образованием плоского заторможенного слоя, обозначенного позицией 218, между внутренней поверхностью 160 вихревой форсунки и обратным потоком 86 (см. также фиг.5). Охлаждающий поток 212 вместе с плоским заторможенным слоем 218 образуют слой воздуха, отделяющий внутреннюю поверхность 160 вихревой форсунки 60 от горячего обратного потока 86. Этот слой воздуха обеспечивает тепловой барьер для передачи теплоты от обратного потока 86 к вихревой форсунке 60. Некоторое количество теплоты передается от обратного потока 86 к вихревой форсунке 60 через этот слой воздуха посредством теплопроводности, а не путем конвекции.

Блок 200 охлаждения может быть изготовлен из материала, отличного от материала вихревой форсунки 60. Например, блок 200 охлаждения может быть выполнен из одного или нескольких материалов, имеющих термическое сопротивление и/или коэффициент термического расширения, отличные от присущих материалу вихревой форсунки 60. В других вариантах осуществления изобретения весь блок 200 охлаждения или его часть выполнена из того же материала (материалов), что и вихревая форсунка 60.

Блок 200 охлаждения предотвращает образование "горячих пятен" на внутренней поверхности 160 вихревой форсунки 60 вблизи центральной оси A благодаря тому, что горячая зона с обратным потоком 86 отодвигается на некоторое расстояние от вихревой форсунки. Это обеспечивает большую равномерность распределения температуры по радиусу вихревой форсунки в процессе ее работы. Радиальная равномерность температуры может уменьшить неравномерность распределения термических напряжений в вихревой форсунке 60 (такие, например, как увеличенное тепловое расширение у центральной оси A по отношению к термическом расширению ближе к фланцу 150), и за счет этого может быть увеличен срок службы вихревой форсунки 60. Кроме того, блок 200 охлаждения может быть выполнен отделенным от вихревой форсунки 60 так, что некоторая часть или все термические напряжения, возникающие в блоке 200 охлаждения, не передаются механическим путем на остальную часть вихревой форсунки 60. Например, можно сделать так, чтобы блок 200 охлаждения был подвержен термическому расширению и сжатию отдельно от остальной части вихревой форсунки 60.

Кроме однотрубчатых камер сгорания широко используются трубчато-кольцевые камеры сгорания, в которых множество отдельных жаровых труб расположено выше по потоку от кольцевого удлинителя жаровых труб. Для того чтобы направить газообразные продукты сгорания от отдельных жаровых труб в кольцевую часть камеры сгорания, используются переходные средства. Кольцевая часть камеры сгорания транспортирует горячие газы к турбине, как правило, с использованием сопел или лопаток турбины. Описанное здесь изобретение применимо к трубчато-кольцевым камерам сгорания и к участку, расположенному выше по потоку, на котором осуществляется подача топлива и воздуха, и имеет место стабилизация потока.

Таким образом, изобретение относится и к способу предотвращения неравномерного распределения по периметру окружности термических напряжений, возникающих на поверхности вихревой форсунки и устройству для его осуществления. Различные характерные особенности и преимущества настоящего изобретения изложены в нижеприведенных пунктах формулы изобретения.

Камера сгорания для сжигания топливовоздушной смеси содержит вихревую форсунку, предкамеру для приема завихренной смеси топлива и воздуха, жаровую трубу и блок охлаждения. Предкамера для приема завихренной смеси топлива и воздуха сообщена по текучей среде с вихревой форсункой и представляет собой цилиндрический элемент с центральной осью, выполненный с возможностью придания завихренной смеси топлива и воздуха осевого направления течения вниз по потоку вдоль центральной оси, создавая вихревой поток смеси топлива и воздуха с областью низкого давления на этой оси. Жаровая труба сообщена по текучей среде с предкамерой и расположена ниже последней по потоку. Проходное сечение жаровой трубы больше проходного сечения предкамеры, что позволяет вихрю расширяться в радиальном направлении и создавать обратный поток, в котором продукты сгорания, полученные при сжигании топлива и воздуха в жаровой трубе, имеют возможность всасываться вдоль центральной оси, направляясь вверх по потоку обратно в предкамеру. Вихревая форсунка имеет центральный сквозной канал для приема потоков воздуха и топлива, смешивания этих потоков и придания этой смеси вихревого движения. В центральном сквозном канале вихревой форсунки установлен блок охлаждения, ось которого коллинеарна центральной оси предкамеры. Блок охлаждения сообщен по текучей среде с источником более холодного воздуха, чем обратный поток, и выполнен с возможностью направления более холодного воздуха вниз по потоку в предкамеру, создавая охлаждающий поток. Изобретение направлено на повышение эффективности сгорания топлива и снижение уровня выброса оксидов азота. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Камера сгорания для сжигания топливовоздушной смеси, содержащая
вихревую форсунку, имеющую центральный сквозной канал, для приема потоков воздуха и топлива, смешивания этих потоков и придания этой смеси вихревого движения;
предкамеру для приема завихренной смеси топлива и воздуха, сообщенную по текучей среде с вихревой форсункой и представляющую собой цилиндрический элемент с центральной осью, выполненный с возможностью придания завихренной смеси топлива и воздуха осевого направления течения вниз по потоку вдоль центральной оси, создавая вихревой поток смеси топлива и воздуха с областью низкого давления на этой оси;
жаровую трубу, сообщенную по текучей среде с предкамерой и расположенную ниже последней по потоку, причем проходное сечение жаровой трубы больше проходного сечения предкамеры, что позволяет вихрю расширяться в радиальном направлении и создавать обратный поток, в котором продукты сгорания, полученные при сжигании топлива и воздуха в жаровой трубе, имеют возможность всасываться вдоль центральной оси, направляясь вверх по потоку обратно в предкамеру;
установленный в центральном сквозном канале вихревой форсунки блок охлаждения, ось которого коллинеарна центральной оси предкамеры, при этом блок охлаждения сообщен по текучей среде с источником более холодного воздуха, чем обратный поток, и выполнен с возможностью направления более холодного воздуха вниз по потоку в предкамеру, создавая охлаждающий поток.

2. Камера сгорания по п.1, в которой блок охлаждения сообщен по текучей среде с воздухом, прошедшим через рекуператор.

3. Камера сгорания по п.1, в которой блок охлаждения и вихревая форсунка выполнены из различных материалов.

4. Камера сгорания по п.3, в которой коэффициент теплового расширения материала блока охлаждения отличен от коэффициента теплового расширения материала вихревой форсунки.

5. Камера сгорания по п.1, в которой охлаждающий и обратный потоки взаимодействуют между собой с образованием плоского заторможенного слоя между вихревой форсункой и обратным потоком.

6. Камера сгорания по п.1, в которой блок охлаждения расположен приблизительно вровень с обращенной к предкамере внутренней стороной вихревой форсунки.

7. Камера сгорания по п.6, в которой на внутренней стороне вихревой форсунки имеется множество направляющих потока, при этом между соседними направляющими потока образованы проточные каналы, а блок охлаждения расположен выше по потоку от направляющих потока.

8. Камера сгорания по п.6, в которой блок охлаждения включает в себя перфорированный экран, закрывающий центральный сквозной канал.

9. Камера сгорания по п.8, в которой в перфорированном экране выполнено множество выпускных отверстий.

10. Камера сгорания по п.8, в которой перфорированный экран присоединен к крепежному элементу, неподвижно установленному в вихревой форсунке.

11. Вихревая форсунка камеры сгорания для сжигания топливовоздушной смеси, содержащая
корпус с внешней и внутренней сторонами;
множество направляющих потока на внутренней стороне корпуса, образующих между соседними направляющими потока проточные каналы для придания потоку воздуха вихревого движения относительно центральной оси корпуса;
первую кольцевую камеру, образованную внутри корпуса и сообщенную по текучей среде с направляющими трубками, установленными на первом конце проточных каналов;
вторую кольцевую камеру, образованную внутри корпуса и сообщенную по текучей среде со сквозными отверстиями, выполненными на втором конце проточных каналов;
сквозной канал, проходящий вдоль центральной оси корпуса от внешней стороны корпуса до его внутренней стороны; и
блок охлаждения, установленный внутри указанного канала приблизительно вровень с внутренней стороной корпуса.

12. Вихревая форсунка по п.11, в которой блок охлаждения включает в себя крепежный элемент, неподвижно установленный в вихревой форсунке вблизи указанного канала, и перфорированный экран, закрывающий канал с внутренней стороны корпуса и присоединенный к крепежному элементу.

13. Вихревая форсунка по п.12, в которой перфорированный экран снабжен штуцером для соединения с распределительным кольцом.

14. Вихревая форсунка по п.12, в которой в перфорированном экране выполнено множество выпускных отверстий.

15. Вихревая форсунка по п.11, в которой блок охлаждения и корпус выполнены из различных материалов.

16. Вихревая форсунка по п.15, в которой коэффициент теплового расширения материала блока охлаждения отличен от коэффициента теплового расширения материала корпуса.

17. Вихревая форсунка по п.11, в которой указанный канал имеет наклонные боковые стенки с расширением в направлении внутренней стороны корпуса.

18. Способ сжигания топлива и воздуха в газотурбинном двигателе, включающий
предварительное перемешивание топлива и воздуха до относительно однородной смеси вблизи поверхности вихревой форсунки на участке переднего конца камеры сгорания;
подачу смеси топлива и воздуха в цилиндр предкамеры камеры сгорания с закручиванием смеси относительно центральной оси предкамеры, благодаря чему создают вихревой поток, совершающий вихревое движение и осевое перемещение с пониженным давлением в области центральной оси;
перемещение вихревого потока вдоль оси в направлении вниз по потоку в цилиндр жаровой трубы, проходное сечение которой больше проходного сечения предкамеры;
расширение вихревого потока внутри жаровой трубы с образованием горячих продуктов сгорания в результате химической реакции между топливом и воздухом;
образование в результате указанного расширения вихря обратного потока вдоль центральной оси, в котором горячие продукты имеют возможность всасываться вверх по потоку в предкамеру; и
протекание воздуха, более холодного, чем обратный поток, через вихревую форсунку в предкамеру вдоль центральной оси в направлении вниз по потоку.

19. Способ по п.18, в котором в результате протекания указанного воздуха формируют плоский заторможенный слой между поверхностью вихревой форсунки и обратным потоком.

20. Способ по п.18, в котором указанное протекание воздуха включает прохождение воздуха через множество выпускных отверстий в предкамеру.