МНОГОЗОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F23R3/34 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение, описанное в данном документе, относится к многозонной камере сгорания и более конкретно к многозонной камере сгорания, содержащей ступенчатый центральный корпус.

[0002] В газотурбинных двигателях компрессор обеспечивает сжатие поступающих газов с получением сжатого газа. Этот сжатый газ направляется в камеру сгорания, где он может быть смешан с топливом и сожжен с получением потока высокотемпературных текучих сред. Данные высокотемпературные текучие среды направляются в турбинную секцию, в которой их энергия преобразуется в механическую энергию, предназначенную для использования при выработке мощности и/или электроэнергии.

[0003] При работе в условиях полной скорости и полной нагрузки данная конфигурация может быть высокоэффективной и приводит к образованию относительно малого количества загрязняющих выбросов. Однако при работе в условиях неполной или частичной нагрузки смешивание топлива и воздуха и последующее сжигание происходят не при тех температурах и массовых расходах, которые приводят к эффективному сжиганию. Таким образом, в результате данного процесса возможно образование увеличенного количества загрязняющих выбросов, а также нежелательное снижение вырабатываемой мощности и/или электроэнергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Согласно одному аспекту изобретения предложена многозонная камера сгорания, содержащая предварительный смеситель, предназначенный для вывода первой смеси в первичную зону секции камеры сгорания, и ступенчатый центральный корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном в указанном предварительном смесителе. Ступенчатый центральный корпус содержит внешний корпус, предназначенный для вывода, у первой радиально-осевой ступени, второй смеси во вторичную зону секции камеры сгорания, и внутренний корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном во внешнем корпусе, и предназначенный для вывода, у второй радиально-осевой ступени, третьей смеси в третичную зону секции камеры сгорания.

[0005] Согласно другому аспекту изобретения предложена многозонная камера сгорания, содержащая корпус, имеющий головной конец, секцию камеры сгорания, расположенную ниже по потоку от головного конца, и смесительную секцию, расположенную между головным концом и секцией камеры сгорания, предварительный смеситель, проходящий от головного конца через смесительную секцию и предназначенный для вывода, в первом осевом местоположении, первой смеси в секцию камеры сгорания, и ступенчатый центральный корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном в предварительном смесителе. Ступенчатый центральный корпус содержит внешний корпус, предназначенный для вывода, во втором осевом местоположении ниже по потоку от первого осевого местоположения, второй смеси в секцию камеры сгорания, и внутренний корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном в указанном внешнем корпусе, и предназначенный для вывода, в третьем осевом местоположении ниже по потоку от второго осевого местоположения, третьей смеси в секцию камеры сгорания.

[0006] Согласно еще одному аспекту изобретения предложена многозонная камера сгорания, содержащая корпус, имеющий головной конец, секцию камеры сгорания, расположенную ниже по потоку от головного конца, и смесительную секцию, расположенную между головным концом и секцией камеры сгорания, предварительный смеситель, проходящий от головного конца через смесительную секцию и предназначенный для вывода, в первом осевом местоположении, первой смеси в секцию камеры сгорания, и ступенчатый центральный корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном в предварительном смесителе. Ступенчатый центральный корпус содержит внешний корпус, предназначенный для вывода, во втором осевом местоположении ниже по потоку от первого осевого местоположения, второй смеси в секцию камеры сгорания, и внутренний корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном в указанном внешнем корпусе, и предназначенный для вывода, в третьем осевом местоположении ниже по потоку от второго осевого местоположения, третьей смеси в секцию камеры сгорания.

[0007] Эти и другие преимущества и особенности станут более очевидны из нижеследующего описания при его рассмотрении совместно с чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Рассматриваемое изобретение конкретно указано и четко изложено в формуле изобретения, приведенной в заключительной части описания. Вышеуказанные и другие особенности и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0009] фиг. 1 изображает вид сбоку многозонной камеры сгорания,

[0010] фиг. 2 изображает увеличенный вид сбоку центрального корпуса многозонной камеры сгорания, показанной на фиг. 1,

[0011] фиг. 3 изображает увеличенный вид сбоку центрального корпуса, показанного на фиг. 2, в соответствии с другими вариантами выполнения.

[0012] В подробном описании рассмотрены варианты выполнения изобретения, а также его преимущества и особенности, приведенные в качестве примера со ссылкой на чертежи.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] На фиг. 1 изображена многозонная камера 10 сгорания турбоустановки, например газотурбинного двигателя. В иллюстративном газотурбинном двигателе компрессор обеспечивает сжатие поступающих газов с получением сжатого газа. Этот сжатый газ направляется в многозонную камеру 10 сгорания, где он может быть смешан с топливом и сожжен с получением потока высокотемпературных текучих сред. Данные высокотемпературные текучие среды направляются в турбинную секцию, в которой их энергия преобразуется в механическую энергию, предназначенную для использования при выработке мощности и/или электроэнергии.

[0014] Камера 10 содержит корпус 20, предварительный смеситель 40 и ступенчатый центральный корпус 60. Корпус 20 содержит жаровую трубу 21, которая является кольцевой и выполнена с образованием секции 211 камеры сгорания с расположенной в ней зоной сгорания, проточный патрубок 22, расположенный вокруг жаровой трубы 21 с образованием кольцевого пространства, через которое проходит по меньшей мере указанный сжатый газ, созданный компрессором, и торцевую крышку 23, ограничивающую головной конец 212 камеры 10. Секция 211 ограничена ниже по потоку от головного конца 212 смесительной секцией 213, расположенной между ними в осевом направлении.

[0015] Предварительный смеситель 40 проходит от головного конца 212 через смесительную секцию 213 и может иметь кольцевую форму или быть выполнен в виде ряда полостей, расположенных кольцевым образом. В любом случае смеситель 40 служит для приема первого количества топлива из первого топливного контура 41 и первого количества сжатого газа, созданного компрессором. Указанные первое количество топлива и первое количество сжатого газа смешиваются вдоль осевой длины смесителя 40 и выводятся в качестве первой смеси в первом осевом местоположении 70 в первичную зону 80 секции 211. Первичная зона 80 проходит назад от передней части секции 211 и может быть расположена вблизи жаровой трубы 21 в радиальном направлении.

[0016] В соответствии с фиг. 1 и 2 ступенчатый центральный корпус 60 расположен в кольцевом пространстве 61, ограниченном в смесителе 40, и содержит по меньшей мере внешний корпус 62 и внутренний корпус 63. Внешний корпус 62 служит для приема второго количества топлива из второго топливного контура 64 и второго количества сжатого газа, созданного компрессором. Указанные второе количество топлива и второе количество сжатого газа смешиваются вдоль осевой длины корпуса 62 и выводятся в качестве второй смеси во втором осевом местоположении 71, находящемся ниже по потоку от первого местоположения 70, во вторичную зону 90 секции 211. Вторичная зона 90 ограничена в радиально внутреннем направлении от первичной зоны 80 и проходит назад от второго местоположения 71. Местоположение 71 находится на осевом расстоянии L1 от местоположения 70. Таким образом, внешний корпус 62 предназначен для вывода второй смеси во вторичную зону 90 у первой радиально-осевой ступени 110.

[0017] Внутренний корпус 63 расположен в кольцевом пространстве 65, ограниченном во внешнем корпусе 62. Корпус 63 служит для приема третьего количества топлива из третьего топливного контура 66 и третьего количества сжатого газа, созданного компрессором. Указанные третье количество топлива и третье количество сжатого газа смешиваются вдоль осевой длины корпуса 63 и выводятся в качестве третьей смеси в третьем осевом местоположении 72, находящемся ниже по потоку от второго местоположения 71, в третичную зону 100 секции 211. Третичная зона 100 ограничена в радиально внутреннем направлении от вторичной зоны 90 и проходит назад от третьего местоположения 72. Местоположение 72 находится на осевом расстоянии L2 от местоположения 71. Таким образом, внутренний корпус 63 предназначен для вывода третьей смеси в третичную зону 100 у второй радиально-осевой ступени 120.

[0018] В соответствии с вариантами выполнения осевые расстояния LI и L2 могут быть равными или отличаться друг от друга в зависимости от проектных соображения и эксплуатационных требований.

[0019] Первый топливный контур 41, второй топливный контур 64 и третий топливный контур 66 выполнены независимыми друг от друга и управляются по отдельности так, что первая смесь, вторая смесь и третья смесь снабжаются топливом независимо и по отдельности. Таким образом, относительные количества топлива и сжатых газов в каждой смеси могут регулироваться независимо и отдельно в соответствии с рабочим режимом камеры 10 сгорания. Например, при работе в условиях полной скорости и полной нагрузки (FSFL) все смеси - первая, вторая и третья - могут содержать топливо и сжатые газы. В отличие от этого при работе в условиях неполной или частичной нагрузки вторая смесь и третья смесь могут содержать сжатые газы и значительно уменьшенные количества (то есть нулевые или ничтожные количества) топлива.

[0020] Как показано на фиг. 2, внешний корпус 62 может содержать первый ряд лопаток 130, а внутренний корпус 63 может содержать второй ряд лопаток 131. В соответствии с вариантами выполнения первый ряд лопаток 130 и второй ряд лопаток могут служить для придания завихрения соответственно второй смеси и третьей смеси. Указанное завихрение может быть обеспечено таким образом, что вторая смесь и третья смесь выводятся с вращением в одном направлении или с вращением в противоположных направлениях. В любом случае завихрение может быть создано с равными/аналогичными углами завихрения или различными углами завихрения. Несмотря на то, что первый ряд лопаток 130 и второй ряд лопаток 131 показаны расположенными сзади от первого осевого местоположения 70, следует понимать, что изображенный вариант приведен исключительно в качестве примера и первый ряд лопаток 130 и второй ряд лопаток 131 могут быть расположены спереди, сзади и/или на одной оси с местоположением 70.

[0021] В соответствии с фиг. 3 и согласно другим вариантам выполнения для ступенчатого центрального корпуса 60 могут быть выполнены по меньшей мере одна или более дополнительных радиально-осевых ступеней 140. Для ясности и краткости ниже описана только одна дополнительная радиально-осевая ступень 140, однако следует понимать, что данный вариант приведен исключительно в качестве примера. Если центральный корпус 60 содержит дополнительную ступень 140, указанный корпус 60 также содержит дополнительный корпус 141, расположенный между внешним корпусом 62 и внутренним корпусом 63. В дополнительный корпус 141 независимо и отдельно подаются топливо и сжатые газы, которые смешиваются вдоль осевой длины корпуса 141 и выводятся в секцию 211 в качестве четвертой смеси в четвертом осевом местоположении 142, находящемся ниже по потоку от второго местоположения 71 и выше по потоку от третьего местоположения 72. Второе местоположение 71 находятся на осевом расстоянии L1 от первого местоположения 70, четвертое местоположение 142 находится на осевом расстоянии L2 от первого местоположения 70, а третье местоположение 72 находится на осевом расстоянии L3 от первого местоположения 70. Таким образом, дополнительный корпус 141 предназначен для вывода четвертой смеси у дополнительной ступени 140.

[0022] Дополнительный корпус 141 может также содержать дополнительный ряд лопаток 143 для придания завихрения четвертой смеси в том же направлении/под тем же углом, как в первом ряде лопаток 130 и/или во втором ряде лопаток 131, либо в другом направлении/под другим углом. Как и в вышеописанном варианте, несмотря на то, что первый ряд лопаток 130, второй ряд лопаток 131 и дополнительный ряд лопаток 143 показаны расположенными сзади от первого осевого местоположения 70, следует понимать, что изображенный вариант приведен исключительно в качестве примера и первый ряд лопаток 130, второй ряд лопаток 131 и дополнительный ряд лопаток 143 могут быть расположены спереди, сзади и/или на одной оси с местоположением 70.

[0023] В соответствии с вариантами выполнения осевые расстояния L1, L2 и L3 могут быть отнесены друг от друга с одинаковым или различным осевым интервалом в зависимости от проектных соображений и эксплуатационных требований.

[0024] Несмотря на то, что изобретение подробно описано применительно только к ограниченному числу вариантов выполнения, следует понимать, что оно не ограничено указанными описанными вариантами выполнения. Напротив, изобретение может быть изменено с включением любого числа вариантов, модификаций, замен или эквивалентных конструкций, которые не описаны выше, но соответствуют сущности и объему изобретения. Кроме того, несмотря на то, что описаны различные варианты выполнения, следует понимать, что в аспекты изобретения могут входить лишь некоторые из описанных вариантов выполнения. Таким образом, изобретение не ограничено вышеприведенным описанием, а ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.

Многозонная камера сгорания содержит корпус, имеющий головной конец, секцию камеры сгорания, расположенную ниже по потоку от головного конца, и смесительную секцию, расположенную между указанными головным концом и секцией камеры сгорания, предварительный смеситель, ступенчатый центральный корпус. Предварительный смеситель проходит от головного конца через смесительную секцию и предназначен для вывода, в первом осевом местоположении, первой смеси в секцию камеры сгорания. Ступенчатый центральный корпус расположен в кольцевом пространстве, ограниченном в предварительном смесителе, и содержит внешний корпус и внутренний корпус. Внешний корпус предназначен для вывода, во втором осевом местоположении ниже по потоку от первого осевого местоположения, второй смеси в секцию камеры сгорания. Внутренний корпус расположен в кольцевом пространстве, ограниченном во внешнем корпусе, и предназначен для вывода, в третьем осевом местоположении ниже по потоку от второго осевого местоположения, третьей смеси в секцию камеры сгорания, при этом обеспечивается независимое и отдельное регулирование вывода указанных смесей в соответствии с рабочим режимом многозонной камеры сгорания. Изобретение направлено на повышение эффективности сгорания. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многозонная камера сгорания, содержащая
корпус, имеющий головной конец, секцию камеры сгорания, расположенную ниже по потоку от головного конца, и смесительную секцию, расположенную между указанными головным концом и секцией камеры сгорания,
предварительный смеситель, проходящий от головного конца через смесительную секцию и предназначенный для вывода, в первом осевом местоположении, первой смеси в секцию камеры сгорания,
ступенчатый центральный корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном в предварительном смесителе, и содержащий
внешний корпус, предназначенный для вывода, во втором осевом местоположении ниже по потоку от первого осевого местоположения, второй смеси в секцию камеры сгорания, и
внутренний корпус, расположенный в кольцевом пространстве, ограниченном во внешнем корпусе, и предназначенный для вывода, в третьем осевом местоположении ниже по потоку от второго осевого местоположения, третьей смеси в секцию камеры сгорания, при этом обеспечивается независимое и отдельное регулирование вывода указанных смесей в соответствии с рабочим режимом многозонной камеры сгорания.

2. Многозонная камера сгорания по п. 1, в которой первая смесь, вторая смесь и третья смесь снабжаются топливом по отдельности.

3. Многозонная камера сгорания по п. 1, в которой вторая смесь и третья смесь содержат воздух и значительно уменьшенные количества топлива при работе в условиях неполной нагрузки.

4. Многозонная камера сгорания по п. 1, в которой вторая смесь и третья смесь выводятся с вращением в одном направлении.

5. Многозонная камера сгорания по п. 1, в которой вторая смесь и третья смесь выводятся с вращением в противоположных направлениях.

6. Многозонная камера сгорания по п. 1, в которой вторая смесь и третья смесь выводятся под одинаковыми углами вращения.

7. Многозонная камера сгорания по п. 1, в которой ступенчатый центральный корпус содержит дополнительный корпус, расположенный между внешним корпусом и внутренним корпусом и предназначенный для вывода, у третьей радиально-осевой ступени, четвертой смеси в четвертую зону секции камеры сгорания.