СТУПЕНЧАТЫЙ ЗАВИХРИТЕЛЬ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/14 

Область изобретения

Изобретение относится к области топливных инжекторов для газотурбинных двигателей. В особенности, настоящее изобретение относится к завихряющему устройству для впрыскивания среды в турбину. Более того, настоящее изобретение относится к способу впрыскивания среды в турбину.

Область техники, к которой относится изобретение

Для того чтобы иметь более эффективную газовую турбину, может возникнуть необходимость в снижении высоких уровней динамических характеристик текучей среды во время впрыска смеси газа/топлива в систему сгорания турбины. При работе на жидком топливе система сгорания дает высокие уровни динамических характеристик сгорания, таких как изменение давления топлива, изменение в направлении потока топливно-воздушной смеси и динамические характеристики пламени, которые могут вызывать через период времени коррозионное истирание или разрушение элемента.

В обычных системах эта проблема была решена двумя способами. Первое, могут быть предусмотрены серии маленьких отверстий во фронтовом устройстве системы сгорания, чтобы получить лучший компромисс между охлаждением стенки фронтового устройства и созданием воздушной пленки над элементами для того, чтобы защитить их от коррозионного истирания. Этот барьер охлаждающего воздуха может также обеспечить акустическое демпфирование. Второе, соотношение топлива к воздуху между основной камерой сгорания и пусковой камерой сгорания может меняться для того, чтобы снизить динамические характеристики.

Патентный документ ЕР 0722065 А2 раскрывает устройство топливного инжектора для газовых или жидкостно-топливных турбин. Устройство содержит средство для получения, по меньшей мере, одного воздушного потока для смешивания с подачей топлива, но в котором топливо первоначально впрыскивается, по меньшей мере, в одну зону, примыкающую к воздушному потоку, но защищенную от него. В результате в этих зонах образуются карманы с текучей средой, обогащенной топливом. Карманы обеспечивают стабильность пламени, по меньшей мере, при низких значениях уровня мощности. Зона образована стенкой завихрителя. Топливо впрыскивается через сопла, и могут быть предусмотрены дополнительные сопла в виде блока для дополнительной подачи топлива.

Патентный документ ЕР 0957311 А2 раскрывает камеру сгорания газотурбинного двигателя. Камера сгорания газотурбинного двигателя с обедненной топливной смесью имеет предварительное смешивание радиального входного потока, предварительно завихряющую горелку с центральной поверхностью горелки, которая образует входную стенку предварительной камеры сгорания. В поверхности горелки образована круговая выемка. Выемка содержит, по меньшей мере, одну пусковую топливную форсунку для введения пускового топлива тангенциально в выемку.

Патентный документ ЕР 1890083 А1 раскрывает топливную форсунку для газотурбинного двигателя. Топливная форсунка кольцеобразной формы содержит внутренний диаметр и наружный диаметр. Более того, топливная форсунка кольцеобразной формы содержит топливную канавку, выполненную в торцевой стороне кольца, и, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива выполнено на кольце и соединено с топливной канавкой.

Патентный документ ЕР 1867925 А1 раскрывает камеру сгорания, в частности, камеру сгорания газовой турбины. Завихритель камеры сгорания содержит, по меньшей мере, одно отверстие для входа воздуха, по меньшей мере, одно отверстие для выхода воздуха, которое расположено вниз по потоку по отношению к отверстию для входа воздуха, и, по меньшей мере, один воздушный проход завихрителя, проходящий, по меньшей мере, от одного отверстия для входа воздуха, по меньшей мере, до одного выходного отверстия, которое ограничено стенками воздушного прохода завихрителя. Таким образом, присоединяется, по меньшей мере, выходная секция одного воздушного прохода.

Патентный документ US 5941075 раскрывает систему топливной форсунки с улучшенной воздушно-топливной гомогенизацией. Система адаптирована для впрыска воздуха и топлива в камеру сгорания турбореактивного двигателя. Корпус расположен в заднем направлении первого радиального завихрителя и образует камеру предварительного смешивания, окруженную сходящейся/расходящейся стенкой, образующей сопло Вентури с критическим сечением. Корпус имеет множество вторых воздушных проходов, образующих второй радиальный завихритель для направления воздуха в камеру предварительного смешивания в переднем направлении критического сечения сопла Вентури во второй плоскости, по существу перпендикулярной оси А. В результате чего вторые проходы и третьи проходы меняются в круговом направлении вокруг корпуса.

Сущность изобретения

Целью изобретения является создание устойчивой системы впрыска топлива для турбины.

Для того чтобы достичь определенную выше цель, предлагается завихряющее устройство для впрыска среды в турбину, имеющее центральную ось, центральный канал, проходящий в осевом направлении вдоль центральной оси, и наружный периметр и содержащее базовую пластину с торцевой поверхностью, в которой сформированы первый проход и второй проход, выполненные с возможностью направления среды из области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу и расположенные попеременно в круговом направлении завихряющего устройства, причем первый проход содержит первую базовую область, образующую первую плоскость, перпендикулярную центральной оси, а второй проход содержит вторую базовую область, образующую вторую плоскость, перпендикулярную центральной оси, при этом первый проход имеет первую глубину в осевом направлении, а второй проход имеет вторую глубину в осевом направлении, причем первая глубина и вторая глубина отличаются друг от друга и образованы за счет разной толщины материала базовой пластины.

Предпочтительно, по меньшей мере, один из первого прохода и второго прохода выполнен с возможностью направления среды тангенциально к внутренней поверхности центрального канала.

Предпочтительно, по меньшей мере, один из первого прохода и второго прохода содержит часть для впрыска газа, приспособленную для впрыска газообразной среды из области, окружающей наружный периметр, в центральный канал.

Предпочтительно, первый проход содержит часть для впрыска жидкости, приспособленную для впрыскивания жидкостной среды и расположенную между частью для впрыска газа и центральным каналом.

Предпочтительно, завихряющее устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, дополнительный первый проход, имеющий дополнительную первую глубину, которая отличается от первой глубины первого прохода.

Предпочтительно, завихряющее устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, дополнительный второй проход, имеющий дополнительную вторую глубину, которая отличается от второй глубины второго прохода.

Предпочтительно, ширина, по меньшей мере, одного из первых проходов и вторых проходов является постоянной.

Предпочтительно, ширина, по меньшей мере, одного из первых проходов и вторых проходов выполнена с возможностью уменьшения в направлении от области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу.

Предпочтительно, завихряющее устройство дополнительно содержит блок управления для контроля объема среды и давления в, по меньшей мере, одном из первых проходов и вторых проходов.

Кроме того, предложен способ впрыска среды в турбину посредством описанного завихряющего устройства, согласно которому направляют среду из области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу завихряющего устройства.

Аспекты, определенные выше и дополнительные аспекты настоящего изобретения будут понятны из примеров вариантов осуществления, описанных далее и объясняемых со ссылкой на примеры вариантов осуществлений, которыми изобретение не ограничивается.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует вид сверху завихряющего устройства в соответствии с приведенным для примера вариантом осуществления изобретения; и

фиг.2 иллюстрирует вид в перспективе приведенного для примера варианта осуществления из фиг.1.

Подробное описание

Иллюстрации на чертежах являются схематическими. Следует отметить, что на одинаковых чертежах сходные или идентичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями или ссылочными позициями, которые отличаются от соответствующих ссылочных позиций первой цифрой.

Фиг.1 показывает завихряющее устройство 100 для впрыска среды в турбину. Завихряющее устройство 100 содержит центральную ось 106, центральный канал 107 в осевом направлении вдоль центральной оси 106 и наружный периметр 108. Завихряющее устройство 100 дополнительно содержит первый проход 101 и второй проход 102. Первый проход 101 и второй проход 102 приспособлены для направления среды из области, окружающей наружный периметр 108, к центральному каналу 107. Первый проход 101 содержит первую глубину d₁ в осевом направлении, и второй проход 102 содержит вторую глубину d₂ в осевом направлении. Первая глубина d₁ и вторая глубина d₂ отличаются друг от друга.

Более того, фиг.1 показывает завихряющее устройство 100, которое содержит круговую форму, причем завихряющее устройство 100 выполнено, например, из круглого материала пластинчатой формы. В центре завихряющего устройства 100 предусмотрена центральная ось 106, то есть симметричная ось. Завихряющее устройство 100, кроме того, содержит центральный канал 107, который расположен вокруг центральной оси 106. Впрыскиваемая среда, которая протекает через первый проход 101 и второй проход 102, может быть направлена к основной камере сгорания или к пусковой камере сгорания для горения через центральный канал 107. Завихряющее устройство 100, кроме того, содержит наружный периметр 108, от которого среда может подаваться из области, окружающей наружный периметр 108, к первому проходу 101 и второму проходу 102.

В приводимом для примера варианте осуществления на фиг.1 первый проход 101 и второй проход 102 содержат часть 105 для впрыска газа. Часть для впрыска газа может подавать газовую среду к первому и второму проходам. Часть 105 для впрыска газа может подавать газовую среду из области, окружающей наружный периметр 108, или может подавать газовую среду через отверстие в базовой области первого прохода 101 или второго прохода 102.

В первых проходах, кроме того, могут быть предусмотрены части 104 для впрыска жидкости. Как видно на фиг.1, части 104 для впрыска жидкости могут быть расположены в первом проходе 101 между внутренней поверхностью 109 центрального канала 107 и наружным периметром 108. Жидкостная среда, такая как топливо, может впрыскиваться в направлении центрального канала 107 через части 104 для впрыска жидкости.

Как можно видеть на фиг.1, первые и вторые проходы 101, 102 могут направлять поток среды в тангенциальном направлении к внутренней поверхности 109 центрального канала 107. По этой причине среда, которая впрыскивается в центральный канал 107, содержит завихренный поток вокруг внутренней поверхности 109, так что может быть обеспечен лучший режим течения потока (flow pattern) завихрителя.

Более того, как можно видеть из фиг.1, первый проход 101 и второй проход 102 могут быть образованы лопатками 103 завихрителя. Лопатки 103 завихрителя могут быть прикреплены к завихряющему устройству 100 и, следовательно, образовывать некоторую ширину w и некоторую глубину d₁, d₂, d₁₀ или d₂₀ первого прохода 101 и второго прохода 102, а также для дополнительных первых проходов 110 и дополнительных вторых проходов 120.

Кроме того, как видно на фиг.1, первые проходы 101 и вторые проходы 102 расположены рядом друг с другом, то есть первый проход 101 и второй проход 102 расположены попеременно вокруг периметра завихряющего устройства 100.

Кроме того, как видно на фиг.1, некоторые проходы обозначены как дополнительные проходы 110 и дополнительные проходы 120. Дополнительные первые проходы 110 и дополнительные вторые проходы 120 могут иметь такие же характеристики, как и первые проходы 101 и вторые проходы 102. Дополнительные первые проходы 110 и дополнительные вторые проходы 120 могут отличаться по первой глубине d₁ и второй глубине d₂, то есть дополнительный первый проход 110 содержит дополнительную первую глубину d₁₀, которая может отличаться от первой глубины d₁ первого прохода 101. Дополнительная вторая глубина d₂₀ дополнительного второго прохода 120 может отличаться от второй глубины d₂ второго прохода 102.

На фиг.2 показан вид в перспективе завихряющего устройства 100, в котором показаны отличия в первых глубинах d₁, d₁₀ и вторых глубинах d₂ и d₂₀. В вертикальном направлении показано направление центральной оси 106 завихряющего устройства. Кроме того, показаны лопатки 103 завихрителя, которые образуют первый проход 101, дополнительный первый проход 110, второй проход 102 и дополнительный второй проход 120. Первые проходы 101, 110 и вторые проходы 102, 120 могут быть образованы от наружного периметра 108 до внутренней поверхности 109 завихряющего устройства 100. Как показано на фиг.2, первые проходы 101, 110 содержат часть 104 для впрыска жидкости и часть 105 для впрыска газа. Каждый из первых проходов и вторых проходов содержит ширину w, которая может быть постоянной в варианте осуществления, показанном для примера на фиг.2.

Кроме того, на фиг.2 показаны различные глубины первых проходов 101, 110 и вторых проходов 102, 120. Как можно видеть из фиг.2, первые глубины d₁, d₁₀ отличаются от вторых глубин d₂, d₂₀, Это становится более понятно при сравнении базовых областей первых проходов 110, 101 и вторых проходов 102, 120, которые содержат различные высоты, как показано на фиг.2. Другими словами, базовая область первых проходов 101, 110 образует горизонтальную плоскость, которая перпендикулярна центральной оси 106. Пересечение горизонтальной плоскости базовой области первого прохода образует начальную точку для измерения первой глубины d₁, d₁₀ вдоль осевого направления центральной оси 106. Первая глубина может быть измерена до верхнего конца первых проходов 101. Таким же образом может быть определена вторая глубина d₂, d₂₀. Вторые проходы 102, 120 могут содержать базовую область, которая образует вторую горизонтальную плоскость, которая перпендикулярна центральной оси 106. Вторая глубина d₂, d₂₀ может быть измерена от точки пересечения второй плоскости с центральной осью 106 до верхнего конца вторых проходов 102, 120.

Как показано на фиг.2, первые проходы и вторые проходы имеют различные глубины. То есть первые глубины d₁, d₁₀ и вторые глубины d₂, d₂₀ могут отличаться друг от друга. Таким образом, среда, которая течет от наружного периметра 108 к центральному каналу 107, выходит из проходов на различных высотах по отношению к центральной оси 106. Следовательно, создается возмущение в режиме течения потока завихряющего устройства 100, которое имеет ослабляющий эффект на колебания давления во всей системе горения.

Различные глубины d₁, d₂, d₁₀, d₂₀ могут быть предусмотрены посредством базовой пластины, которая имеет различную толщину своего материала, образованную, например, посредством щелей или канавок, как показано на фиг.2.

Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и неопределенный артикль «а» или «an» не исключает множественного числа. Элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть также объединены. Следует также отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения.

Завихряющее устройство для впрыска среды в турбину имеет центральную ось, центральный канал, проходящий в осевом направлении вдоль центральной оси, и наружный периметр. Также оно содержит базовую пластину с торцевой поверхностью, в которой сформированы первый проход и второй проход. Проходы выполнены с возможностью направления среды из области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу и расположены попеременно в круговом направлении завихряющего устройства. Первый проход содержит первую базовую область, образующую первую плоскость, перпендикулярную центральной оси. Второй проход содержит вторую базовую область, образующую вторую плоскость, перпендикулярную центральной оси. Первый проход имеет первую глубину в осевом направлении, а второй проход имеет вторую глубину в осевом направлении. Первая глубина и вторая глубина отличаются друг от друга и образованы за счет разной толщины материала базовой пластины. Другим объектом настоящего изобретения является способ впрыска среды в турбину посредством завихряющего устройства, описанного выше, согласно которому направляют среду из области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу завихряющего устройства. Изобретение позволяет создать устойчивую систему впрыска топлива. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Завихряющее устройство (100) для впрыска среды в турбину, имеющее центральную ось (106), центральный канал (107), проходящий в осевом направлении вдоль центральной оси (106), и наружный периметр (108) и содержащее базовую пластину с торцевой поверхностью, в которой сформированы первый проход (101) и второй проход (102), выполненные с возможностью направления среды из области, окружающей наружный периметр (108), к центральному каналу (107) и расположенные попеременно в круговом направлении завихряющего устройства, причем первый проход (101) содержит первую базовую область, образующую первую плоскость, перпендикулярную центральной оси (106), а второй проход (102) содержит вторую базовую область, образующую вторую плоскость, перпендикулярную центральной оси (106), при этом первый проход (101) имеет первую глубину (d₁) в осевом направлении, а второй проход (102) имеет вторую глубину (d₂) в осевом направлении, причем первая глубина (d₁) и вторая глубина (d₂) отличаются друг от друга и образованы за счет разной толщины материала базовой пластины.

2. Завихряющее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один из первого прохода (101) и второго прохода (102) выполнен с возможностью направления среды тангенциально к внутренней поверхности центрального канала (107).

3. Завихряющее устройство по п.2, в котором, по меньшей мере, один из первого прохода (101) и второго прохода (102) содержит часть (105) для впрыска газа, приспособленную для впрыска газообразной среды из области, окружающей наружный периметр (108), в центральный канал (107).

4. Завихряющее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один из первого прохода (101) и второго прохода (102) содержит часть (105) для впрыска газа, приспособленную для впрыска газообразной среды из области, окружающей наружный периметр (108), в центральный канал (107).

5. Завихряющее устройство по одному из пп.1-4, в котором первый проход (101) содержит часть (104) для впрыска жидкости, приспособленную для впрыскивания жидкостной среды и расположенную между частью (105) для впрыска газа и центральным каналом (107).

6. Завихряющее устройство по п.5, дополнительно содержащее, по меньшей мере, дополнительный первый проход (110), имеющий дополнительную первую глубину (d₁₀), которая отличается от первой глубины (d₁) первого прохода (101).

7. Завихряющее устройство по п.6, дополнительно содержащее, по меньшей мере, дополнительный второй проход (120), имеющий дополнительную вторую глубину (d₂₀), которая отличается от первой глубины (d₂) второго прохода (102).

8. Завихряющее устройство по п.5, дополнительно содержащее, по меньшей мере, дополнительный второй проход (120), имеющий дополнительную вторую глубину (d₂₀), которая отличается от второй глубины (d₂) второго прохода (102).

9. Завихряющее устройство по одному из пп.1-4, дополнительно содержащее, по меньшей мере, дополнительный первый проход (110), имеющий дополнительную первую глубину (d₁₀), которая отличается от первой глубины (d₁) первого прохода (101).

10. Завихряющее устройство по п.9, дополнительно содержащее, по меньшей мере, дополнительный второй проход (120), имеющий дополнительную вторую глубину (d₂₀), которая отличается от второй глубины (d₂) второго прохода (102).

11. Завихряющее устройство по одному из пп.1-4, дополнительно содержащее, по меньшей мере, дополнительный второй проход (120), имеющий дополнительную вторую глубину (d₂₀), которая отличается от второй глубины (d₂) второго прохода (102).

12. Завихряющее устройство по одному из пп.1-4, в котором ширина (w), по меньшей мере, одного из первых проходов (101) и вторых проходов (102) является постоянной.

13. Завихряющее устройство по одному из пп. 1-4, в котором ширина (w), по меньшей мере, одного из первых проходов (101) и вторых проходов (102) выполнена с возможностью уменьшения в направлении от области, окружающей наружный периметр (108), к центральному каналу (107).

14. Завихряющее устройство по одному из пп.1-4, дополнительно содержащее блок (109) управления для контроля объема среды и давления в, по меньшей мере, одном из первых проходов (101) и вторых проходов (102).

15. Способ впрыска среды в турбину посредством завихряющего устройства (100) по любому из пп.1-14, согласно которому направляют среду из области, окружающей наружный периметр (108), к центральному каналу (107) завихряющего устройства (100).