УЗЕЛ СГОРАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/34 

Изобретение относится к узлу сгорания для газотурбинного двигателя.

В области газовых турбин существует общая тенденция увеличения эффективности сгорания топливо-воздушной смеси, используемой в таких двигателях. Также желательно иметь способность достигать хорошего смешивания между топливом и воздухом, которое существенно не зависит от нагрузки на двигатель.

Были изобретены различные способы улучшения процесса смешивания топлива и воздуха. Один такой способ описан в патенте США № 4991398. На фиг.1(a) и 1(b) показан основной принцип техники, описанной в этом патенте. Кольцевой узел сгорания 10 имеет множество расположенных на его купольном конце 12 топливных форсунок 14. Форсунки 14 разнесены по окружности двумя рядами, то есть, в первом, радиально внутреннем ряду 16 и втором, радиально внешнем ряду 18 относительно продольной оси 20 узла сгорания. Форсунки одного ряда расположены в шахматном порядке относительно форсунок другого ряда таким образом, что они создают треугольную конфигурацию, показанную ссылочной позицией G на фиг.1(a). Каждая из форсунок имеет собственный завихритель, и направления завихрения в каждом случае показаны стрелками 24. Воздух для горения поступает в камеру сгорания в промежуточной в осевом направлении точке 22.

Как можно видеть на фиг.1(b), струи 26 распыленного топлива (номинально в форме конуса), исходящие от форсунок в ряду 18, чередуются со струями 28 распыленного топлива, исходящими от форсунок в ряду 16, в результате чего происходит взаимное усиление двух потоков. Благодаря этому усилению топливо имеет тенденцию более равномерного распределения по всей камере сгорания, и топливо и воздух смешиваются более интенсивно. Действительно, интенсивное сгорание начинается весьма близко к куполу в пределах расстояния C1, увеличивая осевую протяженность интенсивного горения до расстояния Е1 до того, как горение ослабевает. Это позволяет укорачивать узел сгорания, что, таким образом, позволяет уменьшать занимаемое пространство и вес.

Развитие только что описанной конфигурации описано в патенте США № 6360525. В этом патенте (см. фиг.2(a) и 2(b)) кольцевой узел сгорания 30 имеет расположение форсунок, подобное показанному в патенте США № 4991398, но на этот раз купольный конец 32 узла сгорания выполнен из двух радиально смежных секций, а именно, секций 32a и 32b, которые расположены под углом 34 друг к другу в середине 36 узла сгорания. Два ряда форсунок 38 расположены в соответствующих секциях 32a, 32b, и, так как эти секции наклонены относительно нормали к продольной оси 36, конусы 40, 42 распыленного топлива, исходящие от форсунок, наклонены в радиальном направлении друг к другу в шахматном порядке. Продольные центральные линии 41, 43 конусов распыленного топлива, исходящего из форсунок, пересекаются друг с другом в осевой точке 44, которая формирует круг по всему кольцевому узлу сгорания.

Этот взаимный наклон двух потоков радиально друг к другу создает более сильное смешивающее действие между потоками, чем в случае с конфигурацией на фиг.1. Это, в свою очередь, увеличивает однородность сгорания в основной зоне горения. Кроме того, расстояние C1 на фиг.1(b) уменьшено, позволяя уменьшить длину узла сгорания в осевом направлении.

В соответствии с изобретением, создан узел сгорания для газотурбинного двигателя, содержащий: головку горелки; камеру сгорания, расположенную ниже по потоку головки горелки; завихряющее средство для создания завихренного потока воздуха в камере сгорания и топливную форсунку, расположенную в головке горелки, для подачи топлива в камеру сгорания; указанная топливная форсунка расположена в головке горелки таким образом, что она образует первый угол выхода топлива от нижней по потоку поверхности головки горелки, составляющий >±0° относительно продольной оси узла сгорания, причем указанный первый угол лежит в первой плоскости, проходящей через продольную ось, и образует второй угол выхода топлива от указанной нижней по потоку поверхности, составляющий >±0° относительно указанной первой плоскости, причем указанный второй угол лежит во второй плоскости, ортогональной к указанной первой плоскости.

Форсунка может быть конфигурирована таким образом, что она образует в целом конусообразную струю распыленного топлива, входящую в камеру сгорания, при этом угол между поверхностью конуса распыленного топлива и нижней по потоку поверхностью составляет >0°.

Узел сгорания может быть узлом сгорания трубчатого типа, и топливная форсунка может быть расположена с радиальным смещением от продольной оси узла сгорания.

Первый угол может быть таким, что конус распыленного топлива наклонен к продольной оси узла сгорания.

Может применяться множество топливных форсунок.

Узел сгорания может быть кольцевым узлом сгорания, содержащим множество топливных форсунок, расположенных с разнесением по окружности. По меньшей мере, одна из топливных форсунок может представлять собой устройство предварительного пленкообразования, содержащее топливный канал, завихритель и элемент предварительного пленкообразования, которые расположены под первым и вторым углами. По меньшей мере, одна из топливных форсунок может представлять собой вихревой инжектор высокого давления, содержащий завихритель и топливный канал, которые расположены под первым и вторым углами. По меньшей мере, одна из топливных форсунок может представлять собой компрессорный инжектор, содержащий два или больше соосных завихрителей и пленкообразующих элементов, которые расположены под первым и вторым углами.

Одна или более дополнительных топливных форсунок могут быть расположены в осевом направлении ниже по потоку топливных форсунок, причем топливные форсунки расположены таким образом, чтобы направлять поток топлива к соответствующим дополнительным топливным форсункам.

Узел сгорания может также содержать одну или более дополнительных топливных форсунок, расположенных в головке горелки радиально изнутри или радиально снаружи от топливных форсунок, причем топливные форсунки расположены так, что они направляют поток топлива к соответствующим дополнительным топливным форсункам.

Топливная форсунка в различных вариантах осуществления изобретения может быть топливной форсункой для дежурного пламени.

Варианты осуществления изобретения будут теперь описаны только для примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1(a) и 1(b) - вид радиального сечения и частичный вид продольного сечения, соответственно, известного кольцевого узла сгорания;

фиг.2(a) и 2(b) - вид частичного продольного сечения и частичный вид радиального сечения, соответственно, другого известного кольцевого узла сгорания;

фиг.3(a) и 3(b) - виды продольного сечения известного узла сгорания трубчатого типа и радиального сечения радиального завихрителя, соответственно, используемого в этом узле сгорания;

фиг.4(a) - упрощенный вид продольного сечения узла сгорания, показанного на фиг.3(a) и 3(b), и фиг.4(b) - вид продольного сечения узла сгорания, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5(a)-5(d) - виды в перспективе и в плане четырех различных конфигураций инжектора в узле сгорания, показанном на фиг.4(a) и 4(b);

фиг.6(a) и 6(b) - результаты компьютерного моделирования двух различных конфигураций узла сгорания, соответствующего первому варианту осуществления изобретения, и фиг.6(c) и 6(d) - упрощенные представления фиг.6(a) и 6(b), соответственно;

фиг.7(a) и 7(b) - виды в перспективе и в продольном сечении, соответственно, узла сгорания, соответствующего второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.8(a) - вид продольного сечения варианта узла сгорания, соответствующего второму варианту осуществления изобретения, и фиг.8(b)-8(d) - виды различных компонентов этого узла сгорания;

фиг.9(a)-9(c) - частичные виды продольных сечений кольцевого узла сгорания, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения в трех его вариантах;

фиг.10(a)-10(d) - виды частичных радиальных сечений, показывающие четыре различные конфигурации инжектора в узле сгорания, показанном на фиг.9(a)-9(c), и фиг.10(e) - вид частичного радиального сечения, показывающий эффект конфигурации инжекторов, показанной на фиг.10(a)-10(d);

фиг.11 - вид осевого сечения вихревого инжектора высокого давления, который может использоваться в узле сгорания, соответствующем настоящему изобретению;

фиг.12(a) и 12(b) - виды продольного и радиального сечений, соответственно, компрессорного инжектора, который может использоваться в узле сгорания, соответствующем настоящему изобретению;

фиг.13 и 14 - виды частичных продольных сечений кольцевого узла сгорания, соответствующего настоящему изобретению и включающего, соответственно, инжекторы, расположенные ступенями в осевом и радиальном направлениях; и

фиг.15(a) и 15(b) - виды продольного и радиального сечений, соответственно, бункерного узла сгорания с использованием наклона инжектора.

На фиг.3(a) показано продольное сечение узла сгорания трубчатого типа, описанного в патенте США № 6532726. На фиг.3(b) показано радиальное сечение радиального завихрителя, используемого в этом узле сгорания. Узел сгорания содержит головку 50 горелки и камеру 52 сгорания. Камера 52 сгорания суживается к предкамере 54 перед соединением с нижней по потоку поверхностью 56 головки горелки. Между поверхностью 56 узла сгорания и предкамерой 54 расположен радиальный завихритель 58, и множество топливных форсунок 60 для дежурного пламени и топливных форсунок 62 для основного пламени расположены с разнесением по окружности в головке горелки. При использовании жидкое топливо подается через топливные форсунки 60 для дежурного пламени, и это топливо смешивается со сжатым воздухом, входящим в каналы 64 завихрителя. Смесь воспламеняется при помощи воспламенителя 66. Когда нагрузка двигателя увеличивается до заданного уровня, основное топливо подается через топливные форсунки 62 для основного пламени. Это основное топливо в этом случае регулируется для получения в пределах 95% суммарной потребности в топливе для двигателя. Полученное пламя показано на фиг.3(a) как фронт F пламени и поверхность FF горения, смежная с поверхностью узла сгорания 56.

Настоящее изобретение в первом варианте его осуществления сохраняет использование только одной из топливных форсунок для дежурного пламени, показанных на фиг.3(a) и 3(b), и изменяет ее конфигурацию, как показано на фиг.4(a) и 4(b). На фиг.4(a) и 4(b) показаны упрощенные виды фиг.3(a), на которых показан радиальный завихритель 58 и комбинация предкамеры/камеры сгорания 54/52, но не головка 50 горелки. Из топливной форсунки 60 для дежурного пламени исходит конусообразная струя распыленного топлива 70 для дежурного пламени. Это распыленное топливо впрыскивается в основание области рециркуляции воздуха узла сгорания, показанной штриховыми линиями 72. Область рециркуляции представляет собой область камеры сгорания, в которой продукты сгорания теряют свой импульс и втягиваются в радиально-центральную часть узла сгорания областью низкого давления, созданной завихряющим действием завихрителя. Следует отметить, что топливная форсунка 60 для дежурного пламени расположена со смещением относительно продольной оси 74 узла сгорания. Это полезно для контроля температуры форсунки. Однако в конструкции, показанной на фиг.4(a), которая соответствует конфигурации, показанной на фиг.3, смещенная от центра форма распыления может приводить к большой доле распыленного топлива, минующей область рециркуляции, где имеет место основная реакция сгорания. Это имеет недостаток, заключающийся в том, что полученные не вступившие в реакцию капли распыленного топлива покидают камеру сгорания в форме несгоревших углеводородов.

Решение, предлагаемое настоящим изобретением, состоит в реконфигурации форсунки 60 для направления конусообразной струи распыленного топлива к продольной оси 74 узла сгорания и камеры сгорания. Для достижения этого канал 76, формирующий часть форсунки, наклонен, как показано на фиг.4(b). Может быть наклонена только оконечная часть канала, смежная с поверхностью горения узла сгорания, при том что остальная часть канала может проходить перпендикулярно поверхности горения узла сгорания (см. часть 76' канала), либо может быть наклонен весь канал (см. часть 76", показанную пунктиром).

Примеры возможных ориентаций, которые может иметь конус распыленного топлива, показаны на фиг.5(a)-5(d). Ненаклонный конус распыленного топлива, показанный на фиг.4(a), показан на фиг.5(a), в то время как наклонный конус распыленного топлива, показанный на фиг.4(b), показан на фиг.5(b). На фиг.5(a) большая ось конуса проходит по оси y, в то время как поверхность горения узла сгорания проходит вдоль оси x двухкоординатной системы координат. С другой стороны, на фиг.5(b) большая ось конуса проходит под углом α к оси y, посредством чего распыленное топливо от форсунки направлено к центру области рециркуляции.

В дополнение к наклону форсунки к продольной оси узла сгорания форсунка также повернута в плоскости, ортогональной к плоскости, в которой лежат координаты x, y, а именно, к плоскости поверхности горения узла сгорания. Это показано на фиг.5(c) и 5(d). На фиг.5(c) конус повернут таким образом, что он образует угол β относительно оси х в направлении завихрения воздуха, исходящего от завихрителя, тогда как на фиг.5(d) угол β лежит в противоположном направлении, то есть против направления завихрения. В дальнейшем, поворот конуса в направлении завихрения будет называться "положительным поворотом", в то время как поворот против направления завихрения будет называться "отрицательным поворотом". Угол α на фиг.5(c) и 5(d) произвольно показан большим, чем угол на фиг.5(b), хотя он может быть меньшим или равным ему.

Эффекты этой техники "наклона" и "поворота" показаны на фиг.6(a) и 6(b), которые являются результатами компьютерного моделирования. Модели включают поверхность 56 горения узла сгорания и форсунку 60 (последнюю можно видеть только на фиг.6(a)), и топливо, выходящее из форсунки, можно видеть как подхваченное завихряющим действием, создаваемым завихрителем. Более светлые линии завихрения представляют капли жидкого топлива, которые меньше, чем представленные более темными линиями завихрения. Можно видеть, как более тяжелые (то есть большие) капли менее подвержены вихревому действию и поэтому имеют тенденцию оставаться в областях вокруг оси узла сгорания, в то время как более легкие капли отбрасываются ниже в стороны. Фиг.6(c) и 6(d) соответствуют фиг.6(a) и 6(b), соответственно, но в упрощенной форме, в которой показана только форма контура топливо-воздушной смеси. На фиг.6(a) и 6(c) угол поворота положительный, тогда как на фиг.6(b) и 6(d) он отрицательный. Можно ясно видеть, что на фиг.6(b) и 6(d) показано значительно большее смешивание капель топлива с поступающим воздухом, чем на фиг.6(a) и 6(c). Однако в обоих случаях существует улучшенная дисперсия топлива в предкамере. Это увеличивает эффективность процесса сгорания, так как изменчивость концентрации топлива в центральной зоне рециркуляции и в основных районах расширяющегося купола узла сгорания уменьшается. Кроме того, процессы горения в районах расширяющегося купола узла сгорания более однородны по окружности, что приводит к более длительным срокам службы узла сгорания.

Положительный и отрицательный повороты дают различные преимущества в отношении рабочих характеристик узла сгорания. Как уже упомянуто, положительный поворот будет приводить к меньшему рассеиванию топлива по сравнению с отрицательным поворотом. Однако он может быть полезен для обычных или не имеющих предварительного смешивания конструкций узла сгорания, так как более слабое рассеивание будет обеспечивать наличие мест, где будет существовать высокая концентрация топлива. Это, в свою очередь, обеспечивает стабилизацию пламени. Вариантом применения, где это может быть полезным, является узел сгорания для авиационного двигателя, где может возникать ситуация сильного всасывания воды (например, когда самолет летит сквозь проливной дождь). В этом случае все же возможно достижение нужной степени стабильности пламени. С другой стороны, отрицательный поворот полезен для конструкций узла сгорания с малыми выбросами. Это связано с тем, что сильный сдвиг и срыв струи распыленного топлива в потоке газа в узле сгорания улучшает процесс смешивания топлива и воздуха и минимизирует места высокой концентрации топлива. Высокие концентрации топлива могут вызывать стехиометрическое горение, которое, в свою очередь, производит высокие уровни испускания NOx.

Возвращаясь к фиг.5(b), отметим, что на этих схемах показан угол γ, который является углом между поверхностью конуса и поверхностью горения узла сгорания. Предпочтительно, этот угол не равен 0°, поскольку угол 0° будет приводить к тому, что большие количества топлива будут входить в контакт с поверхностями узла сгорания, что нежелательно, так как такое топливо не может способствовать сгоранию и также имеет тенденцию формирования углеродистых или "коксовых" отложений на поверхности горения узла сгорания.

Хотя форсунки в первом варианте осуществления изобретения были описаны в связи с подачей топлива для дежурного пламени, они в равной степени могут быть форсунками для подачи основного топлива.

Теперь со ссылками на фиг.7(a) и 7(b) будет описан второй вариант осуществления изобретения. На фиг.7(a) показано развитие первого варианта осуществления изобретения, в котором вместо использования только одной форсунки используются две или больше в связи друг с другом. В примере, показанном на фиг.7(a), применено три таких форсунки, приблизительно равномерно разнесенных по поверхности горения узла сгорания. Каждая из форсунок наклонена к центральной линии (продольной оси) устройства узла сгорания/камеры сгорания под одним углом наклона, при этом форсунки повернуты на один угол поворота. Это показано в упрощенном продольном сечении на фиг.7(b), где стрелки, поднимающиеся наклонно от поверхности горения узла сгорания, представляют поток топлива к центральной области узла сгорания. Устройство на фиг.7(b) также может произвольно интерпретироваться как система с двумя форсунками, в которой форсунки обычно будут разнесены на 180° друг от друга.

Форсунки на фиг.7(a) и 7(b) являются простыми форсунками, сформированными в головке горелки вдоль линий, показанных в известном устройстве узла сгорания на фиг.3(a) и 3(b). То есть, они не связаны с их собственным завихрителем или, например, с механизмом впрыска под давлением.

Этот вариант осуществления изобретения также может применяться с узлами сгорания, имеющими больше трех форсунок. Например, узлы сгорания с двенадцатью форсунками не являются необычными. В применении к настоящему изобретению эти форсунки могут быть такими, как показано на фиг.7(a), то есть приблизительно одинаково разнесенными вокруг поверхности горения узла сгорания и имеющими приблизительно одинаковый наклон и угол поворота.

Как в конфигурации на фиг.7, так и в ее варианте, содержащем большее количество форсунок, форсунки могут вводиться в действие или все вместе, или последовательно одна за другой, или группами. При последовательном использовании они могут создавать ступенчатую комбинацию струй топлива для дежурного пламени и/или основного топлива, регулируемую, например, в зависимости от нагрузки двигателя. Когда они используются все вместе одновременно как форсунки для основного топлива или топлива для дежурного пламени, струи от форсунок будут взаимодействовать друг с другом для создания усиленного смешивающего действия между жидким топливом и воздухом от завихрителя в радиально-центральной области узла сгорания.

Другой вариант осуществления изобретения в применении к узлу сгорания трубчатого типа показан на фиг.8(a)-8(d). На фиг.8(a) представлен узел сгорания трубчатого типа, содержащий основание 71 узла сгорания, завихритель 73 и камеру 75 сгорания, соединенные последовательно. Основание 71 узла сгорания как таковое показано на фиг.8(b). Хотя оно показано заштрихованным, основание не является полностью сплошным, но содержит каналы для подачи основного топлива и топлива для дежурного пламени и т.д. В основании узла сгорания расположен блок 77 форсунок, который показан видом в перспективе на фиг.8(c). Жидкое топливо проходит через ствол блока 77 форсунок и выходит из индивидуальных форсунок 79, сформированных в форсуночной поверхности, соединенной со стволом (см. фиг.8(d)). Как и в конфигурации на фиг.7, эти форсунки наклонены, по меньшей мере, под углом наклона, который можно видеть по ориентации конусов распыленного топлива, показанных на фиг.8(d). Комбинация взаимодействия соседних конусов распыленного топлива и завихренного воздуха, выходящего из завихрителя 73, создает незначительные завихрения, как показано стрелками на фиг.8(d). Это создает более локализованные области смешивания по радиальной протяженности камеры сгорания, приводя к большей однородности смешивания в нижнем по потоку конце камеры сгорания. Здесь следует отметить, что хотя некоторые конусы распыленного топлива кажутся направленными к стенке камеры сгорания, на практике небольшое количество распыленного топлива достигает этой стенки, так как оно захватывается распыленным топливом смежных, обращенных внутрь форсунок.

Хотя это не показано на фиг.8(d), в этой конфигурации можно использовать поворот, также как и наклон, для использования некоторых преимуществ использования поворота в описанной ранее конфигурации. В этом случае углы поворота обращенных наружу форсунок и обращенных внутрь форсунок могут быть выбраны или экспериментальным путем, или компьютерным моделированием, или обоими способами для получения желательных общих характеристик. Для получения угла поворота необходимо использовать форсунки, которые смещены от их соответствующих осей завихрителей, некоторым образом как в первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4 и 5. Углы наклона и поворота могут соответствовать показанным на фиг.5 (где угол поворота обозначен как угол β).

Вместо одновременного использования всех форсунок, показанных на фиг.8(d), как описано выше, они могут использоваться ступенчато, как описано в связи с фиг.7. Кроме того, углы наклона и/или поворота индивидуальных форсунок или групп форсунок в конфигурациях на фиг.7 и на фиг.8 (и в варианте фиг.7) могут изменяться для создания конкретного эффекта смешивания. Вновь, индивидуальные углы можно легко определить посредством компьютерного моделирования и/или экспериментальным путем.

Третий вариант осуществления изобретения показан в трех вариантах на фиг.9(a)-9(c). На фиг.9(a)-9(c) показано продольное сечение узла сгорания 80 кольцевого типа, в котором ряд инжекторов расположен по окружности купола узла сгорания. На фиг.10(a)-10(d) показана часть кольца в радиальном сечении, причем часть включает только два инжектора в каждом случае.

На фиг.9(a) показано использование в качестве инжектора устройства предварительного пленкообразования, в котором каждый из инжекторов представлен форсункой 82, расположенной в пределах завихрителя 84. Смежно с завихрителем на нижней по потоку его стороне расположено устройство 86 предварительного пленкообразования. Завихритель и устройство предварительного пленкообразования оба имеют кольцевую форму. При использовании топливо впрыскивается в цилиндрическое пространство, образованное внутренней поверхностью устройства 86 предварительного пленкообразования. Коническая струя распыленного топлива, исходящая из форсунки 82, сталкивается с внутренней поверхностью устройства предварительного пленкообразования и продолжает движение в модифицированной конической форме непосредственно в узел сгорания. Воздух, выходящий из завихрителя 84, направляется в поток топлива и смешивается с ним, одновременно содействуя созданию вторичного распыления на краю 88 устройства предварительного пленкообразования.

Вся конфигурация инжектора, включая форсунку 82, завихритель 84 и устройство 86 предварительного пленкообразования, наклонена под углом к стенке купола, как показано. Этот наклон также формирует угол δ относительно линии, параллельной продольной оси кольца узла сгорания. Продольная ось представлена линией 92, которая проходит параллельно линии 90, проходящей через радиальную срединную точку кольцевого сечения (расстояния показаны не в масштабе). Следовательно, топливо-воздушная смесь направляется к части узла сгорания, которая будет обеспечивать усиленное сгорание. Более конкретно, наклон, показанный как угол δ, влияет на зоны рециркуляции вокруг области, куда топливо впрыскивается в узел сгорания из форсунки 82 и устройства 86 предварительного пленкообразования. Это, в свою очередь, может обеспечивать увеличенную стабильность или модулировать любые возбуждаемые узлом сгорания динамические проявления (включая акустические пульсации во всей системе узла сгорания). Следует также отметить, что распыленное топливо из форсунки 82 и устройства 86 предварительного пленкообразования может впрыскиваться с радиальным смещением от центра между внешней и внутренней стенками камеры сгорания вместо впрыскивания по существу в центре, как показано.

Наклон узла 82-88 инжектора соответствует конфигурации с положительным наклоном, показанной на фиг.10(a). В этой конфигурации большая ось 96 конусов 98 распыленного топлива проходит через центр кольца узла сгорания, который является вышеупомянутой продольной осью 92 узла сгорания. Когда необходимо, для улучшения процесса сгорания, угол наклона может быть отрицательным, как показано на фиг.10(b). Вновь, большая ось 96 будет проходить через продольную ось 92. Когда, как упомянуто в последнем абзаце, точка впрыска топлива радиально смещена от центра между внутренней и внешней стенками кольцевой камеры сгорания, угол наклона может быть преднамеренно выбран таким образом, чтобы направлять конусы распыленного топлива больше к радиальной центральной линии между двумя стенками камеры сгорания подобно первому варианту осуществления изобретения (фиг.4).

В дополнение к использованию наклона может использоваться поворот, описанный выше в связи с первым вариантом осуществления изобретения. Это показано на фиг.10(c) и 10(d), на которых можно видеть, что конусы распыленного топлива исходят из точки (точки выпуска форсунки), которая смещена от продольных осей 99 соответствующих завихрителей, подобно первому варианту осуществления изобретения (фиг.4 и 5). На фиг.10(c) положительный наклон скомбинирован с положительным поворотом (угол ε₁), в то время как на фиг.10(d) положительный наклон скомбинирован с отрицательным поворотом (угол ε₂), при этом углы поворота даны относительно не повернутых больших осей 96.

Профиль распыленного топлива в случае с положительным поворотом (фиг.10(c)) показан на фиг.10(e). На фиг.10(e) показан вид с торца, соответствующий виду на фиг.10(c), но с противоположной стороны. Таким образом, сами форсунки показаны ссылочной позицией 93, в то время как профиль распыленного топлива показан ссылочной позицией 95. Распространение, показанное штриховыми линиями, является распространением, соответствующим не наклоненным и не повернутым форсункам, тогда как распространение, показанное сплошными линиями, относится к наклонным и повернутым форсункам. Асимметрия распространения ясно видна, и она может быть полезной настолько, насколько она может регулировать профиль на выходе узла сгорания, то есть характеристики смешивания топлива и воздуха при взгляде на всю радиальную протяженность узла сгорания на его выходном конце.

Преимущества положительного и отрицательного поворота в этом варианте осуществления изобретения аналогичны упомянутым выше в связи с первым вариантом осуществления изобретения и применимы также ко второму варианту осуществления изобретения.

Два варианта конфигурации, показанной на фиг.9(a), показаны на фиг.9(b) и 9(c). На фиг.9(b) инжектор предварительного пленкообразования заменен так называемым вихревым инжектором 97 высокого давления. Пример вихревого инжектора высокого давления изображен на фиг.11. Этот вихревой инжектор высокого давления, который известен из документа US 2006/0042254, зарегистрированного на Yoshida, Shouhei и др., содержит жидкотопливную форсунку 100 и узел сгорания 102. Узел сгорания 102 включает завихритель 104, воздушное сопло 106, другой завихритель 108 и направляющее кольцо 110. Жидкотопливная форсунка 100 содержит распылитель 112 форсунки, сообщающийся с вихревой камерой 114, корпус 116 форсунки, держатель 118 распылителя и выходное отверстие 120. Купольный конец камеры 80 сгорания на фиг.9(b) показан на фиг.11 как область 122. Действие этого конкретного инжектора описано в документе US 2006/0042254, который включен сюда в качестве ссылочного материала и не будет подробно описан, кроме указания на то, что воздушное сопло 106 направляет воздух, проходящий через него, к оси жидкотопливной форсунки 100, формируя пространство вокруг выходного отверстия 120, через которое жидкое топливо впрыскивается из форсунки 100 в камеру 122 сгорания. Это позволяет сдерживать появление углеродистых отложений на окружающих поверхностях выходного отверстия жидкотопливной форсунки независимо от рабочих условий узла сгорания.

Как в случае с фиг.9(a), весь инжектор 97 наклонен и, когда необходимо, повернут относительно узла сгорания 80.

Во втором варианте используется конструкция компрессорного инжектора, который показан только условно на фиг.9(c) ссылочной позицией 130. Фиг.12(a) и 12(b) дают пример устройства такого инжектора, известного из патента США № 6662565, выданного Brundish, K.D. и др. Инжектор содержит форсунку 130, имеющую внутренний завихритель 132, внутренний топливный пленкообразователь 134, воздушный пленкообразователь 136, внешний завихритель 138, внешний топливный пленкообразователь 140 и самый внешний завихритель 142. Питающие топливные каналы 144 и 146 подают топливо к внутреннему и внешнему топливным пленкообразователям, соответственно. При использовании воздух, проходящий через завихрители, взаимодействует с топливом, распыляя последнее и создавая два отдельных топливо-воздушных потока в узле сгорания, к которому прикреплен инжектор. В показанном примере два потока представляют собой потоки основного топлива и топлива для дежурного пламени. Возможны другие конструкции, которые подают один или другой из этих потоков.

Как и в конфигурациях на фиг.9(a) и 9(b), в варианте, показанном на фиг.9(c), может использоваться поворот, а также наклон. Кроме того, либо все топливные форсунки могут быть форсунками одного типа, либо они могут быть форсунками различных типов.

Использование наклона и, если необходимо, поворота может быть распространено на ступенчатый в осевом или радиальном направлении кольцевой узел сгорания. На фиг.13 и 14 показаны их примеры. На фиг.13 в конструкцию включена вторичная группа 150 топливных инжекторов наряду с первичной группой 152 топливных инжекторов, которые могут иметь форму любого из вариантов, показанных на фиг.9(a)-9(c), и расположены на купольном конце 156. Благодаря наклону первичных инжекторов 152 к радиально внешней стенке узла сгорания показанным образом, зажигание для вторичной группы топливных инжекторов 150 может быть улучшено без потребности в использовании сложных патрубков переброса пламени или специальных воспламенителей. Как и в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.9, также может использоваться поворот наряду с наклоном для улучшения сгорания.

На фиг.14 показан кольцевой узел сгорания, в котором два ряда инжекторов 154, 158 расположены с разнесением в радиальном направлении на купольной части 156 узла сгорания. Инжекторы 154 и 158 рядов могут располагаться в шахматном порядке, как показано на фиг.1, или они могут быть расположены прямо против друг друга. В любой используемой конфигурации инжекторы одного ряда наклонены к инжекторам другого ряда. Это также способствует улучшению перекрестного воспламенения между группами инжекторов, как в случае, показанном на фиг.11.

В обеих конфигурациях, показанных на фиг.13 и на фиг.14, группы 152, 154 и 158 инжекторов наклонены как показано, при этом нет необходимости в таком же наклоне купольного конца 156 узла сгорания. Таким образом, конфигурации подобны показанным на фиг.9(a)-9(c). Также, подобно показанному на фиг.9(a)-9(c), дополнительные группы инжекторов могут быть инжекторами одного типа или разных типов.

Наклон может также использоваться с инжекторами узла сгорания бункерного типа. Упрощенное представление такого узла сгорания показано на фиг.15(a). На фиг.15(b) показан вид конца такого узла сгорания. Инжекторы 160, 162, из которых, как можно видеть, исходят конусы распыленного топлива, конфигурированы двумя концентрическими рядами, то есть внешним рядом, включающим инжекторы 160, и внутренним рядом, включающим инжекторы 162. Инжекторы одного ряда расположены в шахматном порядке относительно инжекторов другого ряда для содействия образованию зон рециркуляции (см. стрелки 164). Инжекторы также наклонены, благодаря чему улучшается перекрестное зажигание между инжекторами. Как и в предыдущих вариантах осуществления изобретения, форсунки 160, 164 также могут быть повернуты на угол поворота, если форсунки смещены от продольных осей их соответствующих завихрителей.

Узел сгорания для газотурбинного двигателя содержит головку горелки, камеру сгорания, расположенную ниже по потоку головки горелки, завихряющее средство для создания завихренного потока воздуха в камере сгорания и множество топливных форсунок, расположенных в головке горелки, для подачи топлива в камеру сгорания. Каждая из множества топливных форсунок расположена в головке горелки таким образом, что она образует первый угол выхода топлива от нижней по потоку поверхности головки горелки, составляющий >±0° относительно продольной оси узла сгорания. Первый угол лежит в первой плоскости, проходящей через продольную ось, и образует второй угол выхода топлива от нижней по потоку поверхности, составляющей >±0° относительно первой плоскости. Второй угол лежит во второй плоскости, ортогональной первой плоскости. При этом первый угол и/или второй угол индивидуальных топливных форсунок указанного множества топливных форсунок или групп топливных форсунок этого множества являются различными. Изобретение направлено на повышение эффективности сгорания топлива и увеличение срока службы узла сгорания. 11 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Узел сгорания для газотурбинного двигателя, содержащий:
головку горелки;
камеру сгорания, расположенную ниже по потоку головки горелки;
завихряющее средство для создания завихренного потока воздуха в камере сгорания и
множество топливных форсунок, расположенных в головке горелки, для подачи топлива в камеру сгорания;
причем каждая из множества топливных форсунок расположена в головке горелки таким образом, что она образует первый угол выхода топлива от нижней по потоку поверхности головки горелки, составляющий >±0° относительно продольной оси узла сгорания, при этом первый угол лежит в первой плоскости, проходящей через продольную ось, и образует второй угол выхода топлива от нижней по потоку поверхности, составляющей >±0° относительно первой плоскости, причем второй угол лежит во второй плоскости, ортогональной первой плоскости,
при этом первый угол и/или второй угол индивидуальных топливных форсунок указанного множества топливных форсунок или групп топливных форсунок этого множества являются различными.

2. Узел по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок выполнена таким образом, что она образует в целом конусообразную струю распыленного топлива, входящую в камеру сгорания, причем угол между поверхностью конуса распыленного топлива и нижней по потоку поверхностью составляет >0°.

3. Узел по п.2, представляющий собой трубчатый узел сгорания, при этом, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок расположена с радиальным смещением от продольной оси узла сгорания.

4. Узел по п.3, в котором первый угол задан таким образом, что конус распыленного топлива наклонен к продольной оси узла сгорания.

5. Узел по п.2, в котором узел сгорания представляет собой кольцевой узел сгорания, содержащий указанное множество топливных форсунок, расположенных с разнесением по окружности.

6. Узел по п.5, в котором, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок представляет собой устройство предварительного пленкообразования, содержащее топливный канал, завихритель и элемент предварительного пленкообразования, которые расположены под указанными первым и вторым углами.

7. Узел по п.5, в котором, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок представляет собой вихревой инжектор высокого давления, содержащий завихритель и топливный канал, оба из которых расположены под первым и вторым углами.

8. Узел по п.6, в котором, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок представляет собой вихревой инжектор высокого давления, содержащий завихритель и топливный канал, оба из которых расположены под первым и вторым углами.

9. Узел по любому из пп.5-8, в котором, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок представляет собой компрессорный инжектор, содержащий два или более расположенных соосно завихрителя и пленкообразующих элемента, которые расположены под первым и вторым углами.

10. Узел по любому из пп.5-8, дополнительно содержащий одну или более дополнительных топливных форсунок, расположенных в осевом направлении ниже по потоку топливных форсунок, причем топливные форсунки расположены таким образом, что они направляют поток топлива к соответствующим дополнительным топливным форсункам.

11. Узел по любому из пп.5-8, дополнительно содержащий одну или более дополнительных топливных форсунок, расположенных в головке горелки радиально изнутри или радиально снаружи от топливных форсунок, причем топливные форсунки расположены таким образом, что они направляют топливо к соответствующим дополнительным топливным форсункам.

12. Узел по любому из пп.1-8, в котором, по меньшей мере, одна из множества топливных форсунок представляет собой топливную форсунку для дежурного пламени.