ЗАВИХРИТЕЛЬ, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С УЛУЧШЕННЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК F23R3/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к завихрителю, в особенности к завихрителю газовой турбины, и к усовершенствованиям для дополнительного уменьшения количества загрязняющих воздух веществ, таких как оксиды азота (NO_x).

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В горелке газовой турбины топливо сжигают для образования горячих выхлопных газов под давлением, которые затем подаются в ступень турбины, где они в процессе расширения и охлаждения передают механический момент лопаткам турбины, в результате чего вращательное движение сообщается ротору турбины. Механическая энергия ротора турбины затем может быть использована для приведения в действие генератора для выработки электроэнергии или для привода машины. Однако сжигание топлива приводит к образованию ряда нежелательных загрязняющих веществ в отработавшем газе, которые могут нанести вред окружающей среде. Следовательно, предпринимаются значительные усилия для удерживания количества загрязняющих веществ на как можно более низком уровне. Одним видом загрязняющих веществ является оксид азота (NO_x). Скорость образования оксида азота экспоненциально зависит от температуры пламени при сгорании. Следовательно, предпринимаются попытки снизить температуру над пламенем при сгорании для поддержания образования оксида азота на как можно более низком уровне.

Существуют две основные меры, при принятии которых может быть достигнуто снижение температуры пламени при сгорании. Первая заключается в использовании обедненной горючей смеси с точки зрения стехиометрии с тонкодисперсным распределением топлива в воздухе, при этом образуется воздушно-топливная смесь с низким содержанием топлива. Относительно низкое содержание топлива приводит к образованию пламени при сгорании с низкой температурой. Вторая мера заключается в обеспечении тщательного перемешивания топлива и воздуха перед тем, как произойдет сгорание. Чем лучше перемешивание, тем более равномерно топливо распределено в зоне сгорания и тем меньше число зон, в которых концентрация топлива значительно выше средней. Это способствует предотвращению горячих «пятен» в зоне сгорания, которые возникли бы из-за локальных максимумов отношения компонентов в воздушно-топливной смеси. При высокой локальной концентрации топлива в воздухе температура в данной локальной зоне будет повышаться, и в результате также увеличивается количество NO_x в выхлопе.

Следовательно, в современных газотурбинных двигателях может использоваться концепция предварительного перемешивания воздуха и топлива при использовании обедненной горючей смеси с точки зрения стехиометрии перед сжиганием данной воздушно-топливной смеси. Предварительное перемешивание может осуществляться посредством впрыска топлива в поток воздуха в зоне завихрения в камере сгорания, которая расположена перед зоной сгорания по ходу потока. Завихрение приводит к перемешиванию топлива и воздуха перед вводом смеси в зону сгорания. Даже несмотря на то что благодаря предварительному перемешиванию воздуха и топлива смешивание является в основном хорошим, может возникнуть такая ситуация, что при работе газовых турбин при определенных нагрузках перемешивание топлива и воздуха может быть не полностью идеальным.

С учетом указанного уровня техники задача изобретения состоит в разработке завихрителя, в частности завихрителя в камере сгорания газовой турбины, камеры сгорания, снабженной подобным завихрителем, и газовой турбины, имеющей множество подобных камер сгорания, так что перемешивание топлива и воздуха в зоне завихрения улучшается за счет обеспечения однородной воздушно-топливной смеси, в особенности при всех возможных нагрузках на газовую турбину.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данная задача решается посредством независимых пунктов формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные усовершенствования и модификации изобретения.

В соответствии с изобретением разработан завихритель, предназначенный для перемешивания топлива и воздуха и содержащий множество лопаток, расположенных в радиальном направлении вокруг центральной оси завихрителя, и содержащий множество смесительных каналов, предназначенных для перемешивания топлива и воздуха. Границы, по меньшей мере, одного смесительного канала из множества смесительных каналов образованы противоположными стенками двух соседних лопаток из множества лопаток, и, по меньшей мере, один смесительный канал содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива и дополнительно содержит, по меньшей мере, одно углубление для образования вихря из воздуха.

Кроме того, изобретение также направлено на компоненты, содержащие подобный завихритель, в частности на камеру сгорания газовой турбины. Кроме того, изобретение также направлено на газовую турбину, содержащую, по меньшей мере, одну из подобных камер сгорания.

Завихритель по изобретению предпочтителен, поскольку углубление обеспечивает дополнительную турбулентность и/или повышение интенсивности турбулентности, и/или образование вихря, и/или образование вихревой структуры. Как следствие воздушно-топливная смесь может быть более однородной. В качестве дополнительного следствия и преимущества можно указать то, что уменьшаются выбросы NO_x в окружающую среду.

Углубление может быть предпочтительно расположено с возможностью обеспечения индивидуальной турбулентности в смесительном канале для соответствующего смесительного канала.

Завихритель предпочтительно представляет собой завихритель радиального типа. В данном случае смесительные каналы могут быть по существу перпендикулярны к центральной оси. Смесительные каналы представляют собой воздушные каналы, по которым подается воздух и в которые добавляется основное топливо. Топливо может быть жидким и/или газообразным.

Углубление в соответствии с изобретением представляет собой компонент, предназначенный только для создания турбулентности. Следует отметить, что в газовой турбине могут иметься зазоры между компонентами, отверстия для охлаждения, фланцы и т.д., которые все могут также привести к турбулентностям. Но создание турбулентности не является основным назначением всех из данных вышеупомянутых элементов, и, следовательно, вышеупомянутые элементы не следует рассматривать как углубления в соответствии с изобретением.

Термин «противоположные» или «противолежащие», относящийся к стенкам, можно не рассматривать как ограничение в отношении формы или ориентации стенок. Противоположные стенки могут быть плоскими, но также могут быть криволинейными или иметь любую форму. Кроме того, противоположные стенки могут быть полностью идентичными по форме, но также могут быть разными. Стенки могут быть по существу перпендикулярными к базовой плите завихрителя, но также могут иметь другую ориентацию. Таким образом, смесительный канал может быть прямолинейным или криволинейным, поперечное сечение, определяемое стенками и базовой плитой, может быть прямоугольным или иметь любую другую форму и может различаться в зависимости от того, в каком месте выполнено поперечное сечение.

В предпочтительном варианте осуществления углубление - одно углубление или множество углублений - может быть расположено в, по меньшей мере, одном смесительном канале предпочтительно перед отверстием для впрыска топлива по ходу потока относительно направления потока воздуха, который проходит по смесительному каналу. Это обеспечивает возможность того, что топливо, впрыскиваемое через отверстие для впрыска топлива, будет вовлекаться в образованную вихревую структуру, образованную посредством углубления, что приводит к улучшенному предварительному смешиванию с воздухом в качестве первого положительного эффекта. В качестве второго положительного эффекта следует отметить то, что углубление позволяет повысить интенсивность турбулентности воздушного потока, что обеспечивает ускорение перемешивания топлива и воздуха, когда воздух проходит через углубление. Это также приводит к повышенному качеству перемешивания топлива и воздуха. Кроме того, вследствие обоих эффектов выбросы NO_x в окружающую среду будут уменьшены.

Дополнительно или в качестве альтернативного варианта углубление - одно углубление или множество углублений - может быть расположено за отверстием для впрыска топлива по ходу потока относительно направления потока воздуха.

Кроме того, дополнительно или в качестве варианта, альтернативного к предыдущим опциям, углубление - одно углубление или множество углублений - может быть расположено между отверстием для впрыска топлива и одной из противоположных стенок, углубление предпочтительно может находиться на одной линии с отверстием для впрыска топлива так, что данная воображаемая линия будет перпендикулярна к направлению потока воздуха.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления углубление может быть выполнено/расположено в, по меньшей мере, одном смесительном канале в базовой плите завихрителя, на которой смонтировано множество лопаток. В альтернативном варианте углубление может быть выполнено/расположено в одной или обеих из противоположных стенок. Кроме того, смесительный канал может быть окружен четырьмя стенками, уже упомянутыми двумя противоположными стенками двух соседних стенок, уже упомянутой базовой плитой и дополнительной верхней плитой, которая может представлять собой часть завихрителя или дополнительного компонента камеры сгорания. Углубление или множество углублений может быть выполнено/расположено на любой из данных стенок. В том случае, когда более одного углубления имеется в смесительном канале, возможны все виды комбинаций, например несколько углублений в базовой плите и/или несколько углублений на одной или обеих из противоположных стенок и/или несколько углублений в верхней плите. Расположение углублений может быть симметричным или асимметричным относительно заданной оси или центра симметрии.

В частности, в случае множества углублений множество из по меньшей мере одного углубления может быть расположено в пределах смесительного канала - в базовой плите или на стенках - равномерно в виде, по меньшей мере, одного ряда и, по меньшей мере, одной колонки на одной линии или в альтернативном варианте в шахматном порядке.

Форма углубления - трехмерная форма образующейся в результате полости углубления и/или форма контура/очертания углубления на поверхности смесительного канала, то есть внешнего края углубления, - может быть симметричной. Кроме того, если несколько углублений имеются в смесительном канале, расположение или форма углублений могут быть, например, осесимметричными относительно основной траектории потока воздуха. В качестве предпочтительного варианта осуществления углубление - то есть его полость - может быть образовано по существу полусферическим в основном материале окружающей поверхности.

В качестве дополнительного предпочтительного варианта осуществления углубление может иметь контур в виде эллипса, в частности круга, или любого многоугольника, в частности, возможно, треугольника. В частности, контур может иметь форму звезды или прямоугольника, в частности квадрата.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления углубление или в особенности контур углубления может быть удлинен в направлении, перпендикулярном к направлению потока воздуха, - направлению локального потока воздуха в определенной точке внутри смесительного канала или направлению общего потока в смесительном канале. В качестве примера прямоугольное углубление может быть расположено в смесительном канале так, что две более длинные стороны будут перпендикулярными к направлению потока воздуха, проходящего по смесительному каналу. Более короткие стороны будут параллельными к направлению потока воздуха. В случае эллипса самый большой диаметр эллипса, также называемый главной осью эллипса, может быть перпендикулярным к направлению потока воздуха. Углубления с другой удлиненной формой будут выровнены соответствующим образом.

Это может обеспечить возможность максимального взаимодействия с потоком воздуха для образования вихря, что способствует перемешиванию топлива и воздуха. В особенности в местах, близких к элементу для ввода воздуха в смесительный канал, направление потока воздуха может быть не совершенно параллельным, так что некоторое число углублений может быть расположено, например, на кривой воображаемой базовой линии, или сами углубления могут быть криволинейными. Данные углубления могут быть выполнены так, что направление их удлинения будет перпендикулярным к локальной скорости воздушного потока.

Как уже указано, в предпочтительном варианте осуществления углубление и отверстие для впрыска топлива могут быть расположены так, что топливо, впрыскиваемое через отверстие для впрыска топлива, будет впрыскиваться непосредственно в вихрь. Это может обеспечить улучшение перемешивания воздуха и топлива.

Все разъясненные ранее конфигурации могут применяться для камер сгорания, работающих на газообразном или жидком топливе, или для камер сгорания, работающих на двух видах топлива. Таким образом, первое отверстие из, по меньшей мере, одного отверстия для впрыска топлива может быть выполнено с возможностью впрыска жидкого топлива и/или второе отверстие из, по меньшей мере, одного отверстия для впрыска топлива может быть выполнено с возможностью впрыска газообразного топлива. Данные отверстия для впрыска топлива могут быть использованы в качестве основного средства подачи топлива для камеры сгорания. Если дополнительно должно быть впрыснуто топливо для предварительного впрыска, завихритель или головка горелки может содержать множество дополнительных отверстий для впрыска топлива помимо основного впрыска топлива.

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения очевидны из примеров варианта осуществления, которые будут описаны в дальнейшем и разъяснены со ссылкой на примеры варианта осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения будут описаны далее только в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:

фиг.1 схематически показывает продольное сечение камеры сгорания;

фиг.2 схематически показывает вид в перспективе завихрителя радиального типа по предшествующему уровню техники;

фиг.3 схематически иллюстрирует вид в перспективе завихрителя в соответствии с изобретением;

фиг.4 иллюстрирует один смесительный канал в завихрителе, выполненный с одним углублением;

фиг.5 показывает один смесительный канал в варианте осуществления с множеством углублений;

фиг.6 схематически показывает вихрь, образованный посредством углубления;

фиг.7 схематически показывает различные возможные контуры углублений;

фиг.8 схематически показывает местоположения множества углублений на одной из окружающих стенок или боковых поверхностей смесительного канала завихрителя;

фиг.9 схематически показывает местоположения и ориентации нескольких углублений относительно локальной скорости воздуха.

Иллюстрации на чертежах являются схематическими. Следует отметить, что для аналогичных или идентичных элементов на различных фигурах будут использованы одни и те же ссылочные позиции, если не указано иное.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Непоказанный газотурбинный двигатель содержит компрессорный блок, блок камеры сгорания и турбинный блок, которые расположены рядом друг с другом. При работе газотурбинного двигателя воздух сжимается посредством компрессорного блока и выпускается в секцию с горелками, предусмотренную с одной или несколькими камерами сгорания.

Фиг.1 показывает продольное сечение камеры сгорания, более точно - камеры сгорания в газотурбинном двигателе (непоказанном). Камера сгорания содержит расположенные в следующем порядке относительно направления потока: горелку, содержащую головку 1 горелки и завихритель 2 радиального типа, прикрепленный к головке 1 горелки, переходный элемент, называемый предкамерой 3 сгорания, и основную камеру 4 сгорания. Основная камера 4 сгорания имеет диаметр, превышающий диаметр предкамеры 3. Основная камера 4 сгорания соединена с предкамерой 3 посредством куполообразной части 10, содержащей куполообразную пластину 11. Обычно переходный элемент 3 может быть выполнен в виде элемента, являющегося продолжением горелки по направлению к камере 4 сгорания и образующего одно целое с горелкой, в виде элемента, являющегося продолжением камеры 4 сгорания по направлению к горелке и образующего одно целое с камерой сгорания, или в виде отдельного компонента между горелкой и камерой 4 сгорания. Узел, включающий горелку и камеру сгорания, имеет по существу ротационную симметрию относительно оси 12 продольной симметрии.

Топливоподающий элемент 5 предусмотрен для направления в горелку газообразного и/или жидкого топлива, которое должно быть смешано с поступающим воздухом 6, в частности со сжатым воздухом из компрессора (непоказанного), в завихрителе 2. Посредством завихрителя 2 топливо и воздух перемешиваются, как будет разъяснено позднее. Затем образующаяся в результате этого воздушно-топливная смесь 7 направляется в основную зону 9 сгорания, в которой она сжигается с образованием горячих выхлопных газов 8 под давлением, проходящих в направлении, показанном стрелками, в турбинный блок (непоказанный) газотурбинного двигателя (непоказанного).

Вид в перспективе завихрителя 2 по предшествующему уровню техники показан на фиг.2. Завихритель 2, который представляет собой радиальный завихритель, содержит кольцеобразную опору 13 для лопаток завихрителя в качестве базовой плиты завихрителя 2 с центральным отверстием 14, в котором остается место для рабочей поверхности головки 1 горелки после сборки в виде горелки в целом (головка 1 горелки не показана на фиг.2). В качестве примера шесть лопаток 15 завихрителя, каждая из которых имеет асимметричную форму куска пирога, расположены вокруг центральной оси 12 и расположены на опоре 13 для лопаток завихрителя. Лопатки 15 завихрителя могут быть прикреплены к головке 1 горелки (см. фиг.1) так, что их основная часть будет направлена от опоры 13 для лопаток завихрителя. Каналы 16 завихрителя в качестве смесительных каналов образованы и ограничены противоположными боковыми поверхностями 17 стенок лопаток 15 завихрителя, поверхностью опоры 13 для лопаток завихрителя и поверхностью (непоказанной) горелки, к которой прикреплены лопатки 15 завихрителя. Воздух 6 из компрессора проходит из зоны, находящейся в радиальном направлении снаружи, в данные каналы 16 завихрителя, направленные внутрь, и смешивается с топливом, которое добавлено через отверстия для впрыска топлива (не показанные на фиг.2).

Каналы 16 завихрителя расположены так, что текучая среда, проходящая по каналам 16, направляется к радиально наружной части центрального отверстия 14. Кроме того, каналы 16 завихрителя в основном направлены по касательной к радиально наружной части центрального отверстия 14. Кроме того, в данном варианте осуществления изобретения противоположные боковые поверхности 17 отдельного канала из каналов 16 завихрителя являются по существу плоскими и параллельными друг другу.

На основе конструкции завихрителя, показанного на фиг.2, со ссылкой на фиг.3 описан завихритель по изобретению. Кроме того, разъяснение в отношении формы и компонентов завихрителя 2, приведенное в связи с фиг.2, применимо также для фиг.3 и дальнейших фигур.

Для каждого из каналов 16 завихрителя на фиг.3 показаны углубление 20 и отверстие 21 для впрыска топлива, например для жидкого топлива или газообразного топлива. Может быть предусмотрено несколько топливных инжекторов, основных и/или дополнительных, для жидкого и/или газообразного топлива. Показанное отверстие 21 для впрыска топлива должно представлять основной топливный инжектор. Отверстие 21 для впрыска топлива расположено в направлении радиально наружного конца соответствующего одного из каналов 16 завихрителя, то есть на конце, расположенном впереди по ходу потока проходящего воздуха 6. Выходная часть топливного инжектора может быть расположена вровень с поверхностью опоры 13 для лопаток завихрителя. В альтернативном варианте выходная часть топливного инжектора может выступать от поверхности опоры 13 для лопаток завихрителя (не показано).

На фиг.3 показано, что углубление 20 расположено в каждом канале 16 завихрителя, перед отверстием 21 для впрыска топлива по ходу потока, дальше вверх по потоку, рядом с радиально наружным концом одной из боковых поверхностей 17. Углубление 20 представляет собой средство, которое придает турбулентность, в частности вихревое движение, воздуху, проходящему по каналу 16 завихрителя. Топливо впрыскивается в данный вихрь. Следовательно, перемешивание топлива и воздуха улучшается, что также может привести к уменьшению выбросов в окружающую среду.

На фиг.3 углубление 20 имеет круглое очертание и расположено на оси симметрии соответствующего канала 16 завихрителя.

Углубление 20 имеет полость, которая может иметь определенную глубину и не имеет выступа, выступающего над поверхностью канала 16 завихрителя. В одной разновидности данного варианта осуществления контур углубления 20, возможно, может иметь выступающую часть.

Фиг.4А показывает один канал 16 завихрителя и одну лопатку 15 завихрителя, боковая поверхность 17 которой образует часть канала 16 завихрителя. Вторая стенка канала 16 завихрителя не показана. Основной поток 6 воздуха показан стрелкой. Дополнительная стрелка показывает топливо 20, впрыскиваемое через отверстие 21 для впрыска топлива. Углубление 20 снова образовано с круглым очертанием. Его размеры в опоре 13 для лопаток завихрителя обеспечивают образование полусферической формы, как показано на фиг.4В, которая показывает продольное сечение опоры 13 для лопаток завихрителя по линии А-А.

Модификация данного варианта осуществления показана на фиг.5. Конструкция соответствует конструкции по фиг.4, но показано множество углублений. Помимо одного углубления 20 в опоре 13 для лопаток завихрителя дополнительное углубление 20' расположено в опоре 13 для лопаток завихрителя дальше по ходу потока относительно отверстия 21 для впрыска топлива, при этом указанное дополнительное углубление 20' обеспечивает дополнительную турбулентность. Она усиливается посредством дополнительных углублений 20'' и 20''', расположенных на боковой поверхности 17 лопатки 15 завихрителя. Хотя это не показано, на также не показанной противоположной стенке канала 16 завихрителя может быть выполнено аналогичное количество углублений, расположенных в симметричных местах.

Фиг.6А показывает вид сверху канала 16 завихрителя под небольшим углом. Здесь показаны углубление 20, аналогичное углублению по фиг.4А, отверстие 21 для впрыска топлива, воздушный поток 6 и впрыснутое топливо 22. Фиг.6А и 6В дополнительно схематически показывают вихрь 23, который образован воздухом 6, проходящим мимо углубления 20. Вихрь 23 может распространяться параллельно поверхности опоры 13 для лопаток завихрителя, как можно видеть на фиг.6А, так что турбулентность будет распространяться до тех пор, пока турбулентность не станет действовать на всей ширине канала 16 завихрителя, но турбулентность также может распространяться дополнительно в направлении от поверхности опоры 13 для лопаток завихрителя до тех пор, пока турбулентность не станет действовать на всей высоте канала 16 завихрителя, как можно видеть на фиг.6В, которая представляет собой сечение канала 16 завихрителя по линии В-В, показанной на фиг.6А.

Таким образом, в результате вихрь 23 будет иметь полуконическую форму, при этом углубление 20 представляет собой центр вихря.

На фиг.7 показаны различные контуры углублений. Под контуром/очертанием углубления понимается его форма при рассмотрении его на виде сверху поверхности, на которой имеется углубление. На фиг.7 показано прямоугольное углубление 30, а также треугольное углубление 31, углубление 32 в виде звезды, например пятиконечной звезды с пятью вершинами с острыми углами и пятью конусообразными концами, имеющей форму правильной пентаграммы, также называемой десятиугольником с вогнутостями, и круглое углубление 33. Дополнительные формы возможны и могут быть предпочтительными в зависимости от потока воздуха, формы канала 16 завихрителя, числа, местоположения и ориентации углублений. В частности, контур в виде звезды может иметь форму пентаграммы, но также различные формы, подобные гексаграмме, эннеаграмме, гептаграмме и т.д.

Также могут быть возможными другие формы, подобные пятиугольнику, шестиугольнику, девятиугольнику и т.д.

Форма контура также может определять форму полости углубления. Полость может иметь форму призмы с плоской поверхностью на дне углубления. В альтернативном варианте углубление может плавно вдаваться в поверхность, при этом самая глубокая точка будет находиться в центре углубления, как показано на фиг.4В. Также могут быть возможными все виды вариантов.

На фиг.8 показаны два конкретных варианта расположения множества углублений 40. В соответствии с фиг.8А углубления 40 могут быть расположены на одинаковых расстояниях друг от друга в виде линий и рядов, и все углубления 40 на одной линии или в одном ряду являются коллинеарными. Фиг.8В показывает альтернативное расположение углублений 40 в виде линий и рядов, но углубления 40 расположены в шахматном порядке так, что каждая вторая линия имеет определенное смещение относительно предыдущей линии. На фиг.8В третья линия углублений 40 имеет такое же расположение углублений, как и первая линия, но это можно рассматривать как специфический вариант осуществления для более общего варианта, в котором каждая линия имеет смещение, так что линия с номером «n» будет идентична линии с номером «1».

Кроме того, следует отметить, что все из вышеприведенных симметричных или асимметричных расположений единичных углублений или множества углублений могут быть скомбинированы или изменены различными способами.

В соответствии с фиг.9 углубление может быть расположено перпендикулярно к локальному потоку воздуха в канале 16 завихрителя. Это будет разъяснено для углубления с прямоугольным контуром на поверхности, которое расположено на поверхности опоры 13 для лопаток завихрителя в канале 16 завихрителя. Следует отметить, что проиллюстрированный принцип также применим для других форм контуров углублений, для других мест в канале 16 завихрителя и для другого числа углублений. На фиг.9А и 9В три углубления 20А или 20В распределены по ширине канала 16 завихрителя перед отверстием 21 для впрыска топлива по ходу потока. Воздух, поступающий в канал 16 завихрителя, обозначен ссылочными позициями 6А или 6В.

При рассмотрении фиг.9А предполагается, что поток воздуха 6А, поступающий в канал 16 завихрителя, будет ламинарным и параллельным на всей ширине канала 16 завихрителя. Это показано параллельными стрелками для воздуха 6А. Углубления 20А будут расположены так, что более длинная сторона прямоугольника будет перпендикулярна потоку воздуха 6А, проходящему в зоне соответствующего углубления 20А. Вследствие того, что поток воздуха 6А параллелен, все углубления 20А будут расположены таким же образом, перпендикулярно стенкам лопаток (непоказанных), определяющим границы канала 16 завихрителя, так что более длинная сторона прямоугольника будет перпендикулярна показанному потоку 6А воздуха. В соответствии с фиг.9А углубления 20А также будут расположены на одной линии, но также могут быть возможны различные расположения не на одной линии.

Это может обеспечить возможность максимального взаимодействия углублений 20А с потоком 6А воздуха, которое обеспечивает создание более сильного вихря. Таким образом, это способствует перемешиванию воздуха 6А и топлива для топлива, впрыскиваемого через отверстие 21 для впрыска топлива непосредственно в образованный вихрь.

В особенности в местах, расположенных близко к элементу для ввода воздуха в канал 16 завихрителя, направление потока воздуха может быть непараллельным. Это показано на фиг.9В стрелками для воздуха, обозначенного в данном случае как воздух 6В. В соответствии с фиг.9В поступающий воздух 6В в расположенной выше по потоку секции канала 16 завихрителя проходит не параллельно. В частности, воздух в центре канала 16 завихрителя будет продолжать проходить вдоль осевой линии канала 16 завихрителя, как ранее в соответствии с фиг.9А, но поток воздуха со смещением относительно осевой линии будет проходить вдоль осевой линии, но будет немного отклоняться в направлении центра канала 16 завихрителя. Это показано на фиг.9В тремя стрелками для воздуха 6В, которые все теоретически направлены к воображаемой точке, находящейся на осевой линии дальше по ходу потока в канале 16 завихрителя.

В соответствии с фиг.9В углубления 20В будут расположены на воображаемой линии окружности, при этом окружность имеет указанную воображаемую точку в качестве центра окружности. Как и ранее, углубления 20В имеют прямоугольный контур на поверхности канала 16 завихрителя. Углубления 20В имеют такую ориентацию, что более длинная сторона прямоугольника является касательной к дуге окружности. Другими словами, более длинная сторона прямоугольника перпендикулярна к локальному потоку воздуха 6В, который имеется в точке соответствующего углубления 20В.

Как и в ранее упомянутом случае, это может обеспечить возможность максимального взаимодействия углублений 20В с потоком 6В воздуха, которое приводит к образованию более сильного вихря. Таким образом, это способствует перемешиванию топлива - топлива, впрыскиваемого через отверстие 21 для впрыска топлива непосредственно в вихрь, и воздуха 6А.

В то время как фиг.9В показывает некоторое число углублений, расположенных на кривой воображаемой базовой линии, контур каждого углубления сам может быть дополнительно изогнут для того, чтобы он повторял данную базовую линию (непоказанную). Например, каждое отдельное углубление в этом случае может быть видно в качестве короткой дуги или деформированного прямоугольника вместо идеального прямоугольника.

Не показанная на фигурах горелка может снабжаться основным топливом и топливом для предварительного впрыска. Отверстие 21 для впрыска топлива в соответствии с фигурами может быть видно в качестве основных топливных инжекторов. Если требуется, топливные инжекторы предварительного впрыска в виде дополнительных отверстий для впрыска топлива могут быть предусмотрены во всех вариантах осуществления изобретения. Топливные инжекторы предварительного впрыска, предназначенные для жидкого топлива, могут быть выполнены в виде клапана в центре головки горелки. Могут быть предусмотрены один топливный инжектор предварительного впрыска или несколько подобных топливных инжекторов. Может быть предусмотрен второй топливный инжектор предварительного впрыска для газообразного топлива, предпочтительно выполненный в виде кольца так, что газ для предварительного впрыска может быть введен под давлением в направлении вдоль окружности на концах каналов 16 завихрителя. Следует отметить, что также могут быть возможными другие формы и местоположения топливных инжекторов. Кроме того, во всех вариантах осуществления изобретения топливо для горелки может быть ограничено только жидким топливом или только газообразным топливом. В альтернативном варианте горелка может быть снабжена как инжекторами для жидкого топлива, так и инжекторами для газообразного топлива.

Топливные инжекторы предварительного впрыска предпочтительно расположены за каналом 16 завихрителя по ходу потока. Во время работы газовой турбины топливо - или газ, или жидкость - вводится за две стадии: при основном впрыске через отверстие 21 для впрыска топлива, что приводит к высокой степени предварительного смешивания и, следовательно, к малому количеству выбросов NO_x в окружающую среду, и при предварительном впрыске через топливные инжекторы предварительного впрыска. Предварительный впрыск может монотонно увеличиваться по мере уменьшения нагрузки для обеспечения стабильности пламени, которая не может гарантироваться при более низких нагрузках. Топливные инжекторы предварительного впрыска расположены так, что увеличивается разделение топлива при предварительном впрыске, топливо отклоняется по направлению к оси (оси 12, показанной на фиг.1) камеры сгорания. Это позволяет избежать проблем, связанных с нестабильностью горения при более низких нагрузках.

В режиме работы при горении обедненной предварительной смеси, который может быть выбран для уменьшения количества NO_x, предварительный впрыск топлива может быть даже предпочтительным для стабилизации пламени даже при более высокой или полной нагрузке, однако доля топлива, впрыскиваемого через топливные инжекторы предварительного впрыска, по сравнению с общим впрыском топлива может быть малой для полной нагрузки, например составлять 5%.

За счет предварительного впрыска топлива можно избежать тяжелой динамики горения, которая в противном случае могла бы иметь место из-за горения почти на пределе воспламеняемости.

В целом, изобретение и все варианты осуществления обеспечивают возможность создания улучшенной воздушно-топливной смеси, что приводит к более стабилизированному пламени также при работе с обедненной смесью и, следовательно, также к меньшим выбросам NO_x в окружающую среду.

Завихритель для перемешивания топлива и воздуха, расположенный в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержит множество лопаток, расположенных в радиальном направлении вокруг центральной оси завихрителя, множество смесительных каналов для перемешивания топлива и воздуха. По меньшей мере, один смесительный канал из множества смесительных каналов образован противоположными стенками двух соседних лопаток из множества лопаток и содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива и, по меньшей мере, одно углубление для образования вихря воздуха. По меньшей мере, одно углубление расположено, по меньшей мере, в одном смесительном канале перед отверстием для впрыска топлива относительно направления потока воздуха для обеспечения индивидуальной турбулентности для соответствующего смесительного канала. Изобретение направлено на улучшение перемешивания топлива и воздуха в зоне завихрения за счет обеспечения однородной воздушно-топливной смеси при всех возможных нагрузках на газовую турбину. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Завихритель (2) для перемешивания топлива (22) и воздуха (6), расположенный в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащий:
- множество лопаток (15), расположенных в радиальном направлении вокруг центральной оси (12) завихрителя (2);
- множество смесительных каналов для перемешивания топлива (22) и воздуха (6, 6A, 6B),
при этом, по меньшей мере, один смесительный канал (16) из множества смесительных каналов образован противоположными стенками (17) двух соседних лопаток из множества лопаток (15) и содержит, по меньшей мере, одно отверстие (21) для впрыска топлива и, по меньшей мере, одно углубление (20, 20A, 20B) для образования вихря (23) воздуха (6, 6А, 6В), при этом, по меньшей мере, одно углубление (20, 20A, 20B) расположено в, по меньшей мере, одном смесительном канале (16) перед отверстием (21) для впрыска топлива относительно направления потока воздуха (6, 6A, 6B) для обеспечения индивидуальной турбулентности для соответствующего смесительного канала (16).

2. Завихритель (2) по п.1, отличающийся тем, что
- в, по меньшей мере, одном смесительном канале (16) расположено дополнительное углубление (20, 20A, 20B)
- перед отверстием (21) для впрыска топлива относительно направления потока воздуха (6, 6A, 6B), или
- за отверстием (21) для впрыска топлива относительно направления потока воздуха (6, 6A, 6B), или
- между отверстием (21) для впрыска топлива и одной из противоположных стенок (17), при этом углубление (20, 20A, 20B) находится на одной линии с отверстием (21) для впрыска топлива так, что данная линия перпендикулярна к направлению потока воздуха (6, 6A. 6B).

3. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
углубление (20, 20A, 20B) расположено в, по меньшей мере, одном смесительном канале (16)
- в базовой плите (13) завихрителя (2) или
- в одной из противоположных стенок (17).

4. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
углубление (20, 20A, 20B) образовано по существу полусферическим.

5. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
углубление (20, 20A, 20B) имеет очертание в виде
- эллипса, в частности окружности (33), или
- многоугольника, в частности треугольника (31), или
- звезды (32), или
- прямоугольника (30), в частности квадрата.

6. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
углубление (20A, 20B) удлинено в направлении, перпендикулярном к направлению потока воздуха (6A, 6B).

7. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
множество из, по меньшей мере, одного углубления (20, 40; 20A; 20B) расположено в, по меньшей мере, одном ряду и, по меньшей мере, одной колонке на одной линии или в шахматном порядке.

8. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
углубление (20, 20A, 20B) и отверстие (21) для впрыска топлива расположены так, что топливо (22), впрыскиваемое через отверстие (21) для впрыска топлива, впрыскивается в вихрь (23).

9. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
первое отверстие из, по меньшей мере, одного отверстия (21) для впрыска топлива выполнено с возможностью впрыска жидкого топлива и/или
второе отверстие из, по меньшей мере, одного отверстия (21) для впрыска топлива выполнено с возможностью впрыска газообразного топлива.

10. Завихритель (2) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что
завихритель (2) содержит множество дополнительных отверстий для впрыска топлива.

11. Камера сгорания, содержащая завихритель (2) по любому из пп.1-10.

12. Газовая турбина, содержащая, по меньшей мере, одну камеру сгорания, при этом, по меньшей мере, одна камера сгорания содержит завихритель (2) по любому из пп.1-10.