ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ СО СТУПЕНЧАТЫМИ И ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫМИ ФОРСУНКАМИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Российский патент 2017 года по МПК F23R3/50 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройствам в газотурбинных двигателях, которые предназначены для содержания и сгорания топливовоздушной смеси. Такие устройства содержат следующие элементы, но не ограничены ими: топливовоздушные форсунки, облицовки и корпуса камеры сгорания, а также участки перехода потока, используемые в воздушных суднах военного и коммерческого назначения, системах генерирования энергии и других областях, связанных с газовыми турбинами.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели содержат механизмы, позволяющие извлечь работу из газообразных продуктов сгорания, истекающих при очень высоких температурах, давлениях и скоростях. Извлеченная работа может быть использована для приведения в действие генератора с целью выработки энергии или для обеспечения необходимой тяги воздушного судна. Обычный газотурбинный двигатель состоит из многоступенчатого компрессора, в котором атмосферный воздух сжимают до высоких давлений. Сжатый воздух затем смешивают в определенном соотношении топливо/воздух в камере сгорания, в которой происходит увеличение температуры смеси. Газообразные продукты сгорания с высокой температурой и давлением затем расширяются через турбину для извлечения работы таким образом, чтобы обеспечить необходимую тягу или привести в действие генератор в зависимости от области применения. Турбина содержит по меньшей мере одну ступень, причем каждая ступень состоит из ряда лопастей и ряда лопаток. Лопасти распределены по окружности вращающейся ступицы, причем высота каждой лопасти соответствует пути потока горячего газа. Каждая ступень невращающихся лопаток расположена по окружности, которая также проходит перпендикулярно пути течения горячего газа. Изобретение относится к камере сгорания газотурбинных двигателей и компонентам подачи топлива и воздуха в указанное устройство.

Существуют различные типы камер сгорания газотурбинного двигателя: трубчатая, кольцевая и комбинация указанных двух типов, образующая трубчато-кольцевую камеру сгорания. В указанном компоненте сжатая топливовоздушная смесь проходит через топливовоздушные завихрители или форсунки и вступает в реакцию горения, создавая поток горячего газа, вызывая падение плотности указанной смеси и ее ускорение ниже по потоку. Камера сгорания трубчатого типа обычно содержит отдельные, распределенные по окружности жаровые трубы, вмещающие пламя каждой форсунки по отдельности. Поток из каждой жаровой трубы затем направляют через патрубок и объединяют в кольцевом участке перехода, перед подачей потока к первой ступени лопаток. В камере сгорания кольцевого типа топливовоздушные форсунки обычно распределены по окружности и позволяют ввести смесь в единственную кольцевую полость, в которой происходит сгорание. Поток просто выходит через расположенный ниже по потоку конец кольцевого пространства к первой ступени турбины, при этом нет необходимости в наличии участка перехода. Ключевое отличие камеры сгорания последнего типа, трубчато-кольцевой камеры сгорания, состоит в наличии отдельных жаровых труб, окруженных кольцевым корпусом, содержащим подаваемый в каждую жаровую трубу воздух. Каждый из указанных типов камер имеет свои достоинства и недостатки в зависимости от условий их применения.

В камерах сгорания газовых турбин обычным для топливовоздушных форсунок является ввод завихрения в смесь, осуществляемый по нескольким причинам. Во-первых, это улучшает смешивание и, следовательно, сгорание, во-вторых, дополнительное завихрение стабилизирует пламя, что предотвращает затухание пламени и позволяет использовать более бедные топливовоздушные смеси для уменьшения количества выбросов. Существуют различные конфигурации топливовоздушных форсунок, например, с одним или множеством кольцевых входов с закручивающими лопатками на каждом.

Что касается других компонентов газовой турбины, то для предотвращения расплавления материалов камеры сгорания необходимо осуществлять охлаждение. Традиционным способом охлаждения камеры сгорания является эффузионное охлаждение, реализуемое путем окружения облицовки камеры сгорания вспомогательной смещенной облицовкой, причем между указанными двумя облицовками, выходящий из компрессора воздух проходит насквозь и входит в проток для горячего воздуха через отверстия разбавления и охлаждающие каналы. Посредством такой технологии отбирают тепло у компонента, а также создают тонкий пограничный слой охлаждающего воздуха между облицовкой и газообразными продуктами сгорания, предотвращая передачу тепла облицовке. Отверстия разбавления выполняют две функции в зависимости от их осевого расположения на облицовке: во-первых, отверстие разбавления, расположенное ближе к топливовоздушным форсункам, способствует смешиванию газов для улучшения сгорания, а также обеспечивает подачу свежего воздуха для сгорания, во-вторых, отверстие, размещенное ближе к турбине, охлаждает поток горячего газа и может быть приспособлено для регулирования температурного профиля на выходе из камеры сгорания.

Понятно, что для улучшения сгорания и снижения количества выбросов можно реализовать в конструкциях камер сгорания газотурбинных двигателей множество способов и технологий. Несмотря на то, что наблюдается тенденция к уменьшению образования количества загрязняющих веществ газовыми турбинами по сравнению с другими способами генерирования энергии, все еще существуют возможности для улучшения этих характеристик. В некоторых странах происходит ужесточение государственного регулирования выбросов, и для соответствия новым требованиям технологию необходимо усовершенствовать.

Сущность изобретения

Изобретение обеспечивает новую и усовершенствованную конструкцию камеры сгорания, способной работать в обычном режиме с минимальным количеством выбросов загрязняющих веществ, являющихся результатом сгорания топливовоздушной смеси, и решить другие проблемы, возникающие при использовании таких устройств. Изобретение содержит типовую трубчато-кольцевую камеру сгорания для газовой турбины, используемой в наземном генерировании энергии, наземных или морских транспортных средствах или в авиационных двигателях, с топливными и воздушными форсунками и/или отверстиями разбавления, которые вводят выходящий из компрессора воздух и сжатое топливо в камеру сгорания в различных местоположениях в продольном и окружном направлениях. Отличительный признак изобретения заключается в том, что топливные и воздушные форсунки размещены таким образом, что создают условия для улучшения смешивания вступающих в реакцию горения веществ и продуктов горения. Ступенчатое расположение топливных и воздушных форсунок, при котором расположенные выше по потоку форсунки впрыскивают преимущественно топливо, а другой набор форсунок, расположенный ниже по потоку, впрыскивает преимущественно воздух, улучшает смешивание вступающих в реакцию горения веществ и создает определенную концентрацию кислорода в области сгорания, что позволяет значительно сократить образование NO_x. В таком устройстве отсутствует присоединенное/закрепленное пламя, а вместо этого предусмотрена область в жаровой трубе около передней стенки, где происходит диффузионное горение. Новизна конфигурации отдельных топливных и воздушных форсунок означает, что воздух, впрыскиваемый ниже по потоку и распространяющийся в направлении выше по потоку, будет разбавлен, что уменьшает концентрацию кислорода в пламени и снижает пиковые температуры пламени. За счет этого изобретение обеспечивает сокращение количества выбросов. Кроме того, введение выходящего из компрессора воздуха ниже по потоку от области сгорания позволяет сжигать/использовать любое количество СО, образовавшегося в процессе сгорания, перед входом на первую ступень турбины. В результате, камера сгорания согласно изобретению позволяет снизить количество выбросов газовой турбиной, сокращая тем самым необходимость в устройствах контроля выбросов, а также минимизировать воздействие на окружающую среду такими устройствами. В дополнение к указанному усовершенствованию, тангенциальное воспламенение пламени и топливовоздушных форсунок направляет начальные фронты пламени на форсунку соседней горелки в каждой жаровой трубе, в значительной степени улучшая процесс зажигания в камере сгорания.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг. 1 представляет собой двумерный эскиз, на котором показана трубчато-кольцевая конструкция с форсунками, прикрепленными к наружной облицовке жаровой трубы и впрыскивающими топливо и воздух в общую плоскость;

фиг. 2 представляет собой двухмерный эскиз, иллюстрирующий основную идею тангенциальных форсунок в приложении к жаровой трубе трубчато-кольцевой камеры сгорания;

фиг. 3 представляет собой вид сбоку в изометрии расположенной выше по потоку части примерной конфигурации изобретения;

фиг. 4А представляет собой вид изобретения в изометрии в разрезе;

фиг. 4 В представляет собой увеличенный вид изображения с фиг. 4А;

фиг. 5 представляет собой разрез А-А, заданный на фиг. 3; и

фиг. 6 представляет собой разрез В-В, заданный на фиг. 3.

Раскрытие изобретения

На фиг. 1 показана основная конструкция трубчато-кольцевой камеры сгорания с жаровыми трубами 1, распределенными по окружности с общим радиусом, все жаровые трубы которой заключены между цилиндрической наружной облицовкой 2 и цилиндрической внутренней облицовкой 3. На указанной фигуре также показано тангенциальное расположение форсунок на жаровых трубах. Более подробно жаровая труба показана на фиг. 2. Облицовка 4 жаровой трубы образует трубчатый объем, в который топливные/воздушные форсунки 5 впрыскивают как топливо, так и воздух. Форсунки образуют угол 8 между осевой линией 6 форсунки и линией, касательной к облицовке 4 жаровой трубы, пересекающей осевую линию 6 форсунки. Указанный угол определяет окружное направление форсунок.

На фиг. 2 также показан основной принцип работы жаровой трубы в примере осуществления трубчато-кольцевой конструкции камеры сгорания, в которой топливо или воздух 9 впрыскивают в жаровые трубы 1 под углом 8. Пламя 10 в изобретении не закрепленное, формируется и проходит через жаровую трубу по траектории 11, повторяющей форму облицовки жаровой трубы. Такая тангенциальная направленность форсунок обеспечивает взаимодействие потока от каждой форсунки с потоком от расположенной ниже по потоку соседней форсунки. Указанный ключевой признак позволяет улучшить процесс зажигания и решить проблему управления множеством форсунок горелок путем обеспечения возможности направления пламени от одной форсунки для зажигания топлива в соседней, расположенной ниже по потоку форсунке.

На фиг. 3 показана начальная или расположенная выше по потоку часть примера жаровой трубы, при этом часть, расположенная ниже по потоку, удалена. Изобретение подразумевает наличие множества рядов форсунок, распределенных вдоль продольного направления жаровой трубы. Каждый ряд форсунок 12, 13 может содержать по меньшей мере одну форсунку и может быть смещен относительно соседних рядов форсунок на угол по окружности. В частности, форсунки 12 в ряду, расположенном вблизи передней стенки 15, впрыскивают чистое/преимущественно топливо в жаровую трубу описанным выше образом, а форсунки 13, расположенные ниже по потоку от первых, впрыскивают в жаровую трубу чистый воздух, выходящий из компрессора, или топливовоздушную смесь аналогичным образом. Указанная жаровая труба может также иметь несколько рядов распределенных по окружности отверстий 14 или каналов, обеспечивающих возможность входа охлаждающего воздуха в жаровую трубу в любом месте.

На фиг. 4А и 4В показана самая верхняя по потоку поверхность 15 жаровой трубы, в которой могут быть выполнены отверстия 16, аналогичные отверстиям разбавления, которые обеспечивают возможность входа выходящего из компрессора воздуха в жаровую трубу. На фиг. 5 и 6 показано как форсунки 12, 13 из каждого набора форсунок могут быть смещены на угол по окружности. Разные ряды форсунок обеспечивают возможность раздельного впрыска топлива и воздуха, создавая зону сгорающих веществ около передней стенки без высокой концентрации кислорода, что в результате позволяет снизить пиковые температуры пламени. Дымовые газы, перемещающиеся выше по потоку в направлении передней стенки, будут разбавлены от продуктов сгорания, обеспечивая возможность снижения концентрации кислорода для веществ, вступающих в реакцию горения. Такие условия сгорания, создаваемые путем ступенчатого расположения топливных и воздушных форсунок, позволяют сократить количество выбросов.

Изобретение раскрыто выше со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления. Однако специалисту области техники понятно, что могут быть выполнены различные изменения и модификации раскрытого варианта изобретения без отклонения от сущности и объема правовой охраны изобретения. Различные изменения и модификации варианта осуществления, выбранного в данном документе с целью иллюстрации сущности изобретения, очевидны специалисту области техники. Если такие модификации и вариации не выходят за рамки сущности изобретения, они должны быть включены в объем правовой охраны изобретения.

Изобретение полностью раскрыто в ясных и понятных терминах таким образом, чтобы специалист области техники мог понять и реализовать на практике изобретение. Формула изобретения приведена ниже.

Трубчато-кольцевая камера сгорания для газовой турбины, используемой в наземном генерировании энергии, наземных или морских транспортных средствах или в авиационных двигателях, содержит множество распределенных по окружности жаровых труб, заключенных между двумя цилиндрическими облицовками. Каждая жаровая труба представляет собой облицовку жаровой трубы, образующую трубчатый объем и имеющую расположенный выше по потоку конец, содержащий переднюю стенку, и расположенный ниже по потоку конец, первый и второй набор тангенциально направленных и распределенных по окружности топливовоздушных форсунок. Множество отверстий разбавления выполнено в передней стенке для направления выходящего из компрессора воздуха в жаровую трубу. Первый набор тангенциально направленных и распределенных по окружности первых форсунок расположен между расположенным выше по потоку и расположенным ниже по потоку концами облицовки жаровой трубы для впрыска в трубчатый объем одного из компонентов - воздушного или топливовоздушного. Второй набор тангенциально направленных и распределенных по окружности топливовоздушных вторых форсунок расположен между первыми форсунками и расположенным выше по потоку концом облицовки жаровой трубы для впрыска топливного компонента в трубчатый объем между множеством отверстий разбавления в передней стенке, расположенного выше по потоку конца облицовки жаровой трубы и первыми форсунками. Изобретение обеспечивает оптимальное смешивание топлива и воздуха, а также создает условия сгорания, сокращающие количество выбросов загрязняющих веществ, сокращает необходимость в дорогостоящих устройствах контроля выбросов, улучшает зажигание и повышает стабильность пламени, снижает проблемы управления и уменьшает вибрацию. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Трубчато-кольцевая камера сгорания для газовой турбины, используемой в наземном генерировании энергии, наземных или морских транспортных средствах или в авиационных двигателях, содержащая:

множество распределенных по окружности жаровых труб (1), заключенных между двумя цилиндрическими облицовками (2, 3), причем каждая жаровая труба представляет собой облицовку (4) жаровой трубы, образующую трубчатый объем и имеющую расположенный выше по потоку конец, содержащий переднюю стенку (15), и расположенный ниже по потоку конец,

множество отверстий (16) разбавления, выполненных в передней стенке (15), для направления выходящего из компрессора воздуха в жаровую трубу,

первый набор тангенциально направленных и распределенных по окружности первых форсунок (13), расположенных между расположенным выше по потоку и расположенным ниже по потоку концами облицовки (4) жаровой трубы, для впрыска в трубчатый объем одного из компонентов - воздушного или топливовоздушного, и

второй набор тангенциально направленных и распределенных по окружности топливовоздушных вторых форсунок (12), расположенных между первыми форсунками (13) и расположенным выше по потоку концом облицовки (4) жаровой трубы, для впрыска топливного компонента в трубчатый объем между множеством отверстий (16) разбавления в передней стенке (15) расположенного выше по потоку конца облицовки (4) жаровой трубы и первыми форсунками (13).

2. Трубчато-кольцевая камера сгорания по п. 1, дополнительно содержащая распределенные по окружности отверстия (14), выполненные в облицовке (4) жаровой трубы и расположенные между расположенным ниже по потоку концом облицовки (4) жаровой трубы и первыми форсунками (13), для направления охлаждающего воздуха по окружности внутрь трубчатого объема между расположенным ниже по потоку концом трубчатого объема и первыми форсунками (13).

3. Трубчато-кольцевая камера сгорания по п. 1, в которой первые форсунки (13) направляют любое пламя к следующей соседней первой форсунке для способствования зажиганию друг друга, и вторые форсунки (12) направляют любое пламя к следующей соседней второй форсунке для способствования зажиганию друг друга.

4. Трубчато-кольцевая камера сгорания по п. 1, в которой множество отверстий (16) разбавления позволяют выходящему из компрессора воздуху проходить через облицовку (4) жаровой трубы с меньшими значениями скорости, чем значения скорости одного из компонентов - воздушного или топливовоздушного, в трубчатый объем через каждую первую форсунку (13).

5. Трубчато-кольцевая камера сгорания по п. 1, в которой первые форсунки (13) смещены по окружности относительно вторых форсунок (12).