ВОЗБУЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА ДЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F23R3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системе сжигания для газовой турбины и к способу управления системой сжигания для газовой турбины.

Уровень техники

Целью является уменьшение в камерах сгорания для газовых турбин выбросов, таких как оксиды азота NOx и/или моноксид углерода CO. Причиной высоких выбросов CO и NOx внутри камеры сгорания являются температуры.

Для того чтобы уменьшить выбросы, используют так называемые системы сжигания с низкими сухими выбросами (DLE), в которых обычно имеется дополнительная струя горючего, которая горит в режиме диффузионного факела. Дополнительная струя горючего может создавать так называемый запальный факел. Он стабилизирует основной факел в камере сгорания. Для того чтобы уменьшить выбросы, необходимо ограничивать запальный факел.

Кроме того, целью является уменьшение температур в камере сгорания для того, чтобы уменьшить выбросы NOx. Данные более низкие температуры могут достигаться за счет сжигания в основном факеле бедной топливовоздушной смеси. Бедная топливовоздушная смесь содержит больше воздуха, чем требуется для полного сгорания всего топлива. Вследствие этого, бедная топливовоздушная смесь содержит более низкую температуру факела. Однако обедненные факелы могут быть очень нестабильными, и даже небольшие изменения в соотношении компонентов (отношении смеси топливо/воздух к смеси топливо/воздух, необходимой для использования при сгорании полностью всего кислорода и всего топлива, известной как стехиометрическая смесь) могут вызвать срыв пламени.

Системы сжигания с низкими сухими выбросами содержат основной факел, где сгорает очень бедная топливная смесь. В обычных обстоятельствах это должно являться причиной нестабильного факела, который подвержен динамическим изменениям. Вследствие этого, DLE системы используют запальный факел. Запальный факел содержит богатую или обогащенную топливную смесь, при этом богатый или обогащенный запальный факел является более стабильным, чем бедный основной факел, и тепло и радикалы, обусловленные данным горячим стабильным запальным факелом, стабилизируют основной факел. Однако запальный факел является локально горячим и, вследствие этого, является причиной высоких выбросов NOx.

Для того чтобы стабилизировать в камере сгорания основной факел, для стабилизации основного факела могут использоваться дополнительные источники энергии.

US 2006/0016169 А раскрывает турбореактивную энергетическую установку. Лазерная система содержит лазерные матрицы для предоставления в секцию сгорания камеры сгорания электромагнитного излучения таким образом, чтобы усилить процесс сжигания.

US 4035131 раскрывает камеру сгорания, которая содержит средство управления для управления воспламенением самоподдерживающегося горения в смесях топливо/окислитель через использование ультрафиолетового излучения, поглощаемого по всей смеси топливо/окислитель.

US 4556020 раскрывает устройство для стимулирования сжигания в частности бедных смесей в двигателях внутреннего сгорания. Источник фотонной энергии подается в факел посредством применения источника ультрафиолетового света.

US 2011/0214409 A1 раскрывает турбину внутреннего сгорания, содержащую камеру сгорания. Каждая камера сгорания снабжена устройством зажигания для зажигания смеси топливо/воздух. Устройство зажигания может содержать лазерную систему зажигания.

US 5640841 раскрывает зажигание плазменной горелкой для турбин внутреннего сгорания с низкими NOx. Разогретое в плазме топливо инжектируют для точного управления зажиганием бедной смеси в корзиночной камере сгорания, минимизируя в то же время выработку NOx за счет устранения воздуха, необходимого для запального факела общепринятых камер сгорания газотурбинных установок.

US 4052139 раскрывает устройство для улучшения выхода энергии реакции. Электромагнитное излучение имитирует молекулы реактанса, например, смеси топливо/кислород в камере сгорания.

US 4230448 раскрывает мазутную форсунку с камерой сгорания, имеющей источник микроволновой энергии. Источник микроволновой энергии соединен с линией подачи топлива для нагревания топлива и для приложения электрического поля к соплу распыления топлива в области сгорания в камере сгорания.

Сущность изобретения

Целью представленного изобретения может быть предоставление камеры сгорания с характеристикой стабильного факела.

Данная цель достигается посредством системы сжигания для газовой турбины и посредством способа управления системой сжигания для газовой турбины согласно независимым пунктам формулы изобретения.

Согласно первому аспекту представленного изобретения представлена система сжигания для газовой турбины. Система сжигания содержит камеру сгорания, турбулизирующее устройство, необязательное запальное горелочное устройство и светоизлучающее устройство.

Камера сгорания имеет концевую секцию и предсекцию сгорания, продолжающуюся от концевой секции вдоль центральной оси камеры сгорания.

Турбулизирующее устройство устанавливают в предсекцию сгорания, при этом основное топливо может инжектироваться с помощью или посредством завихрителя во внутренний объем предсекции сгорания таким образом, что во внутреннем объеме может создаваться основной факел, использующий основное топливо.

Система сжигания необязательно содержит запальное горелочное устройство. Изобретение может позволить, чтобы запальное горелочное устройство стало ненужным по сравнению с решениями предшествующего уровня техники. С другой стороны, в других конфигурациях может быть предпочтительно дополнительно иметь в системе сжигания запальное горелочное устройство. Запальное горелочное устройство - если имеется - устанавливают в концевую секцию камеры сгорания, посредством чего запальное топливо может инжектироваться с помощью или посредством запального горелочного устройства во внутренний объем предсекции сгорания таким образом, что для стабилизации основного факела во внутреннем объеме может создаваться запальный факел, использующий запальное топливо.

«Необязательная» в смысле данной заявки означает, что «необязательная запальная горелка» может иметься и работать, она может иметься, но не работать, или даже она может не иметься или не быть установлена и таким образом, очевидно, также не работать.

Светоизлучающее устройство выполнено с возможностью испускания электромагнитного излучения во внутренний объем, при этом светоизлучающее устройство расположено в камере сгорания таким образом, что для стабилизации запального факела и/или основного факела, электромагнитное излучение генерирует подачу энергии в запальный факел и/или основной факел.

Для большей точности, данная конфигурация преимущественно может стабилизировать основной факел тогда, когда подача энергии направляется только в основной факел. В таком случае для создания стабильного основного факела запальное топливо может даже не потребоваться. Когда подача энергии направляется только в запальный факел, тогда данная конфигурация преимущественно может стабилизировать запальный факел. Тогда стабилизированный запальный факел может улучшать стабилизацию также основного факела. В третьей конфигурации, когда подача энергии направляется как в запальный факел, так и в основной факел, тогда можно непосредственно стабилизировать также оба факела.

Согласно дополнительному аспекту представленного изобретения представлен способ управления системой сжигания для газовой турбины. Согласно способу, основное топливо инжектируют во внутренний объем предсекции сгорания камеры сгорания с помощью завихрителя. Турбулизирующее устройство устанавливают в предсекцию сгорания, которая продолжается от концевой секции камеры сгорания вдоль центральной оси камеры сгорания.

Основное топливо зажигается таким образом, что создается основной факел, который горит во внутреннем объеме.

Запальное топливо - если имеется запальное горелочное устройство - инжектируют во внутренний объем предсекции сгорания с помощью или посредством запального горелочного устройства, при этом запальное горелочное устройство устанавливают в концевую секцию камеры сгорания. Запальное топливо зажигается таким образом, что запальный факел создается и горит во внутреннем объеме.

Запальный факел стабилизируют посредством испускания электромагнитного излучения из светоизлучающего устройства во внутренний объем таким образом, чтобы генерировать подачу энергии в запальный факел.

Как уже указано, дополнительный вариант осуществления данной конструкции состоит в том, что стабилизирующая функция может направляться на основной факел. Таким образом, лазер используют для обеспечения подачи энергии в основной факел.

Камерой сгорания может быть камера сгорания кольцевого типа или трубчатого типа. Камера сгорания может быть трубчатой и может иметь цилиндрическое или овальное поперечное сечение. Камера сгорания содержит основную секцию сгорания и предсекцию сгорания, в которую устанавливают турбулизирующее устройство. Вдоль направления прохождения газообразных продуктов сгорания во внутреннем объеме камеры сгорания (причем данное направление прохождения в общем параллельно центральной оси, или направление прохождения в некоторых конструкциях наклонено к центральной оси), предсекция сгорания расположена впереди относительно основной секции сгорания. Основной факел продолжается от предсекции сгорания до расположенной далее основной секции сгорания. Запальный факел - если установлено запальное горелочное устройство - в общем горит в предсекции сгорания и может продолжаться только на короткое расстояние в основную секцию сгорания. Запальный факел используют для стабилизации основного факела.

Центральная ось камеры сгорания может быть осью симметрии камеры сгорания и в частности предсекции сгорания. В другой конструкции центральная ось камеры сгорания может совпадать с центральной линией газовой турбины. В турбулизирующей секции, завихритель устанавливают в предсекцию сгорания, где он окружает центральную ось предсекции сгорания.

Концевой секцией является входная концевая секция предсекции сгорания, которая образует входную концевую секцию камеры сгорания. В частности, концевая секция может содержать нормаль, которая имеет параллельный составной элемент относительно центральной оси предсекции сгорания. Концевая секция может быть образована в качестве секции, где запальное топливо поступает в (пред)камеру сгорания. Концевая секция может быть образована, например, концом камеры сгорания с конической формой или, например, входным концом камеры сгорания цилиндрической формы.

Концевой секцией также может быть торцевая поверхность (пред)камеры сгорания, которая образует входную концевую секцию камеры сгорания.

Турбулизирующее устройство содержит прорези, через которые основное топливо, состоящее из смеси окислитель/топливо, может инжектироваться несколькими струями завихрителя в предсекцию сгорания. Турбулизирующим устройством может быть в частности радиальный завихритель, окружающий предсекцию сгорания вокруг центральной оси.

Смесь окислитель/топливо основного топлива, которая протекает через прорези завихрителя, направляется в общем по касательной относительно центральной оси при входе внутрь соответствующей струи в предсекцию сгорания. Кроме того, смесь окислитель/топливо направляется внутрь предкамеры сгорания составным элементом, параллельным осевому направлению центральной оси внутри предсекции сгорания до тех пор, пока смесь окислитель/топливо не поступит в основную секцию сгорания камеры сгорания. Смесь окислитель/топливо основного топлива генерирует основной факел.

Запальное горелочное устройство, содержащее поверхность горелки, может быть прикреплено к концевой секции рядом с турбулизирующим устройством. Для инжектирования запального топлива в предсекцию сгорания в поверхности запальной горелки может быть расположен инжектор запального топлива запального горелочного устройства. Запальное топливо инжектируется в общем вдоль осевого направления центральной оси предкамеры сгорания. Кроме того, поверхность горелки может быть расположена в частности внутри концевой секции предсекции сгорания.

Запальное топливо - если запальное горелочное устройство установлено - используют для управления основным факелом, в котором сгорает основное топливо. Инжектированное запальное топливо генерирует в общем внутри предсекции сгорания предварительно заданную форму факела. Струя основного топлива вводится в камеру сгорания относительно центральной оси камеры сгорания через завихритель в общем в направлении по касательной. Инжектированная струя основного топлива и струя запального топлива может содержать жидкое топливо или газообразное топливо. После инжектирования в предсекцию сгорания основное топливо и запальное топливо протекают в общем вдоль центральной оси в основную секцию сгорания. Основное топливо и струя запального топлива также могут протекать с небольшим наклоном относительно центральной оси. В предсекции сгорания запальное топливо зажигается с образованием запального факела. Запальный факел зажигает основное топливо с образованием основного факела.

Окислителем может быть, например, воздух или сжатый воздух. Топливо, которое инжектируется с помощью завихрителя или запальной горелки, может быть в газообразном состоянии, т.е. топливный газ, или в жидком состоянии, т.е. жидкое топливо. Основным топливом может быть бедная смесь окислитель/топливо. Запальным топливом может быть богатая смесь окислитель/топливо. В качестве альтернативы, запальная горелка может содержать раздельные топливные инжекторы и воздушные инжекторы таким образом, чтобы запальным топливом было чистое топливо, а окислитель инжектируется отдельно воздушным инжектором.

Для того чтобы уменьшить выбросы, основное топливо содержит очень бедную смесь топливо/окислитель. Следовательно, может быть уменьшена температура и оксиды азота (NOx) и/или моноксиды углерода (CO). Однако бедная смесь основного топлива приводит к основному факелу, который является нестабильным и который может вызывать нежелательные динамические свойства факела, т.е. колебания давления. В качестве первой опции, основной факел стабилизируют согласно изобретению за счет использования светоизлучающего устройства, например, лазера, направленного в основной факел. В качестве второй опции, для того, чтобы стабилизировать основной факел, создается запальный факел. Обе опции также могут быть объединены или осуществляться по отдельности. Запальное топливо может смешиваться с окислителем таким образом, что создается богатая запальная топливная смесь. Это приводит к богатой смеси (во время сгорания в запальном факеле потребляется большая часть или весь кислород). Следовательно, запальный факел является стабильным, так что если основной факел потухает или почти потухает, основной факел может быть повторно зажжен за счет стабильного запального факела. Следовательно, в камере сгорания достигается стабильный процесс сжигания.

Богатая топливовоздушная смесь запального топлива также приводит к повышенным выбросам камеры сгорания. Следовательно, целью является уменьшение также богатой запальной топливовоздушной смеси без генерирования нестабильного процесса сжигания в камере сгорания. Вследствие этого, в представленном изобретении светоизлучающее устройство помещают в камеру сгорания и в частности в предсекцию сгорания. Светоизлучающее устройство испускает электромагнитное излучение во внутренний объем камеры сгорания, а конкретно – сосредотачиваясь теперь на упомянутой ранее второй опции - в область запального факела таким образом, что светоизлучающее устройство обеспечивает подачу энергии в запальный факел. Если оно направляется на начальных стадиях горения, тогда энергия из лазера передается поступающему воздуху, конкретно, кислороду. Данное увеличение уровней энергии воздуха увеличивает выработку OH в химическом составе на ранних стадиях реакции, который обычно является недостаточным в данной области. Скорость сгорания номинально устанавливается выработкой OH на ранних стадиях горения, следовательно, за счет увеличения его выработки в данном способе может быть увеличена скорость сгорания. Это приводит к повышенной устойчивости.

Светоизлучающее устройство может быть выполнено с возможностью испускания по меньшей мере одного пучка светоизлучающего излучения. Конкретно, светоизлучающим устройством может быть лазерное устройство, которое выполнено с возможностью испускания по меньшей мере одного лазерного луча или множества лучей, который направлен или направлены в запальный и/или основной факел (факелы) для придания запальному и/или основному факелу (факелам) энергии. Светоизлучающее устройство может излучать пучки светоизлучающего излучения, в частности лазерные лучи, с длиной волны между приблизительно 300 нм и приблизительно 1500 нм.

Следовательно, электромагнитным излучением, запальной топливовоздушной смеси и запальному факелу передается энергия таким образом, что увеличивается реакционная способность топлива и кислорода, так что достигается более стабильный запальный факел. В частности, в воздухе запального факела энергия электромагнитного излучения передается азоту. Азот возбуждает кислород в воздухе и, следовательно, увеличивает реакционную способность кислорода. Это увеличивает реакционную способность с топливом, так что достигается более стабильный запальный факел. Кроме того, скорость сгорания между топливом и кислородом в предсекции сгорания на ранних стадиях горения также увеличивается. Электромагнитное излучение может быть сфокусировано в области запального факела таким образом, что энергия передается также кислороду и в частности воздуху, так что реакционная способность кислорода с топливом также увеличивается. Такой же принцип также может быть применен к основному факелу, при этом вместо запального факела для стабилизации основного факела используется лазерное регулирование. Оно может образовать часть системы активного регулирования, где подача энергии увеличивается или уменьшается на основании измеренного параметра горения для предоставления большей или меньшей стабилизации, которая требуется для поддержания устойчивости основного факела.

Конкретно, за счет представленного подхода варианта осуществления изобретения, электромагнитное излучение фокусируется в области запального факела. Следовательно, топливная часть запальной топливовоздушной смеси - т.е. запальной смеси топливо/окислитель - может быть предоставлена менее богатой и, следовательно, обедненной, потому что электромагнитное излучение сохраняет стабилизацию запального факела, даже с менее богатой запальной топливной смесью. Следовательно, менее богатая запальная топливная смесь приводит к уменьшенному выбросу без дестабилизации запального факела.

Кроме того, вследствие того что электромагнитное излучение может быть сфокусировано в запальном факеле, подача энергии может быть сконцентрирована в запальном факеле таким образом, что уменьшается неэффективное распределение подачи энергии. Следовательно, за счет фокусирования электромагнитного излучения в запальном факеле, также может быть уменьшено пересечение энергии самого светоизлучающего устройства.

Подводя итог, использование описанного выше светоизлучающего устройства приводит к стабильному процессу сжигания внутри камеры сгорания с уменьшенными выбросами, при этом также уменьшается потребление энергии также для светоизлучающего устройства. Следовательно, предоставлена очень эффективная система сжигания с уменьшенными выбросами.

Согласно дополнительному иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения, камера сгорания содержит прозрачную секцию, при этом светоизлучающее устройство расположено за пределами камеры сгорания таким образом, что электромагнитное излучение светоизлучающего устройства может испускаться через прозрачную секцию во внутренний объем и в частности в запальный факел. Следовательно, прозрачная секция образована таким образом, что длина волны электромагнитного излучения может проходить через прозрачную секцию почти без снижения энергии электромагнитного излучения. Если светоизлучающее устройство устанавливают за пределами внутреннего объема, может быть предотвращено изнашивание и загрязнение во внутреннем объеме вследствие горячей атмосферы. Следовательно, уменьшаются срок службы и интервалы между техническими обслуживаниями светоизлучающего устройства.

Согласно дополнительному иллюстративному варианту осуществления светоизлучающее устройство устанавливают в предсекцию сгорания. В частности, светоизлучающее устройство может быть расположено таким образом, что электромагнитное излучение может испускаться через концевую секцию во внутренний объем, но не ограничено исключительно концевой секцией топки. Запальный факел продолжается в общем от концевой секции вдоль выходного направления и в частности вдоль центральной оси. Запальное топливо может протекать параллельно или наклонно относительно центральной оси. Следовательно, если электромагнитное излучение испускается через концевую секцию во внутренний объем, электромагнитное излучение почти исключительно проходит через запальный факел, так что энергия электромагнитного излучения очень эффективно может передаваться запальному факелу. В частности, светоизлучающее устройство может быть установлено в запальное горелочное устройство, или с помощью другого подходящего средства.

Согласно дополнительному иллюстративному варианту осуществления светоизлучающее устройство содержит стекловолокно и узел вывода волокна, который соединен с волокном. Узел вывода волокна устанавливают в камеру сгорания таким образом, что пучок светоизлучающего излучения, например, лазерный луч, может испускаться из узла вывода волокна во внутренний объем.

Узел вывода волокна может преобразовывать свет, который входит в стекловолокно, в пучок электромагнитного излучения, который фокусируется в запальном факеле. Узел вывода волокна светоизлучающего устройства может быть установлен в запальном горелочном устройстве. Стекловолокно соединяет узел вывода волокна со светоизлучающим источником, таким как светоизлучающий источник, который может быть расположен на расстоянии от камеры сгорания.

Следовательно, в иллюстративном варианте осуществления, светоизлучающее устройство дополнительно содержит светоизлучающий источник, например, лазерный источник, который расположен на расстоянии от камеры сгорания, при этом светоизлучающий источник выполнен с возможностью испускания в стекловолокно электромагнитного излучения, например, лазерных лучей. Следовательно, если светоизлучающий источник расположен на расстоянии от камеры сгорания, светоизлучающий источник, который содержит чувствительное техническое оборудование, не подвергается в камере сгорания воздействию горячей температуры процесса сгорания. Следовательно, срок службы светоизлучающего устройства и в частности светоизлучающего источника может быть увеличен.

Согласно дополнительному иллюстративному варианту осуществления светоизлучающее устройство содержит множество лазерных излучателей для испускания множества пучков электромагнитного излучения.

Согласно дополнительному иллюстративному варианту осуществления светоизлучающее устройство содержит блок управления для управления по меньшей мере одним параметром электромагнитного излучения. Параметрами могут быть интенсивность электромагнитного излучения, фокус электромагнитного излучения, схема множества пучков электромагнитного излучения и/или изменение во времени (например, пульсированно) пучков электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение может излучаться непрерывно или пульсированно.

Следовательно, с помощью устройства управления, можно очень эффективно управлять подачей энергии электромагнитного излучения. Например, при максимальной мощности газовой турбины, в камеру сгорания инжектируют огромное количество основного топлива и запального топлива для создания максимальной мощности. В данных рабочих условиях, основной факел является очень стабильным, так что для стабилизации основного факела необходима подача светоизлучающим устройством более низкой энергии. Следовательно, с помощью устройства управления можно просто регулировать, например, интенсивность, фокус или изменение во времени электромагнитного излучения. Следовательно, светоизлучающее устройство и общая система сжигания может эксплуатироваться очень энергоэкономично и очень эффективно.

Согласно дополнительному иллюстративному варианту осуществления светоизлучающее устройство содержит устройство оптического экспонирования. Устройство оптического экспонирования расположено таким образом, что электромагнитное излучение содержит фокусирующую секцию, которая фокусирует излучаемый свет в запальном факеле и/или в основном факеле во внутреннем объеме. Следовательно, например, в области между запальным факелом и светоизлучающим источником, электромагнитное излучение может быть менее сфокусировано и в более рассеянном состоянии, тогда как в запальном факеле электромагнитное излучение фокусируется с помощью устройства оптического экспонирования таким образом, что увеличивается подача энергии в интересующую точку, а именно в запальный факел. Следовательно, за счет использования устройства оптического экспонирования электромагнитное излучение может направляться в запальный факел более эффективно. Такая же конфигурация также может использоваться для основного факела. Вследствие этого, устройство оптического экспонирования может содержать, например, одну или множество линз.

В представленном изобретении, запальная топливная смесь может быть предоставлена обедненной или даже полностью удалена по сравнению с общепринятыми подходами. За счет использования светоизлучающего устройства, инжектирование запального топлива также может быть уменьшено, а в более стабильных рабочих условиях газовой турбины, инжектирование запального топлива может быть уменьшено до минимума. В некоторых рабочих условиях, система сжигания может работать без инжектирования запального топлива через запальное горелочное устройство в то время, как только светоизлучающее устройство обеспечивает электромагнитное излучение, которое фокусируется во внутреннем объеме.

Необходимо заметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на различные объекты. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты типа устройства, тогда как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты типа способа. Однако квалифицированный специалист в данной области заключит из сказанного выше и следующего описания, что если не объявлено иное, считается, что в дополнение к любой комбинации признаков, относящихся к объекту одного типа, данная заявка также раскрывает любую комбинацию признаков, относящихся к различным объектам, в частности признаков пунктов типа устройства и признаков пунктов типа способа.

Краткое описание чертежей

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты представленного изобретения станут очевидны из примеров варианта осуществления, которые будут описаны далее и объяснены со ссылкой на примеры варианта осуществления. Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на примеры варианта осуществления, но которыми изобретение не ограничено.

Фиг.1 показывает иллюстративный вариант осуществления системы сжигания согласно иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения, при этом электромагнитное излучение проходит через боковую стенку предсекции сгорания.

Фиг.2 показывает схематичное изображение системы сжигания согласно иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения, при этом электромагнитное излучение инжектируют через концевую секцию.

Фиг.3 показывает схематичное изображение системы сжигания, при этом светоизлучающее устройство содержит стекловолокно согласно иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения.

Фиг.4 показывает схематичное изображение камеры сгорания, при этом светоизлучающее устройство содержит устройство оптического экспонирования согласно иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения.

Подробное описание

Иллюстрации на чертежах являются схематичными, хотя показывая параллельную конфигурацию, они также могут считаться типичными для конструкций и определений специфической продукции, где камеры сгорания наклонены к центральной линейной оси турбины. Необходимо заметить, что на разных чертежах аналогичные или идентичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями.

Все следующие примеры будут показывать варианты осуществления, в которых свет будет сфокусирован в области запального факела. Тем не менее, конфигурации могут быть выполнены с возможностью фокусирования в области основного факела.

Фиг.1 показывает систему сжигания для двигателя газовой турбины. Система сжигания содержит камеру 100 сгорания. Камера 100 сгорания имеет концевую секцию 101, предсекцию 102 сгорания, продолжающуюся от концевой секции 101 вдоль центральной оси 103 камеры 100 сгорания, и основную секцию 107 сгорания, которая продолжается от предсекции 102 сгорания вдоль центральной оси 103. Концевая секция 101 образует входной конец трубчатой камеры 100 сгорания.

Кроме того, турбулизирующее устройство 110 устанавливают в предсекцию 102 сгорания таким образом, что основное топливо 111 может инжектироваться турбулизирующим устройством 110 во внутренний объем 104 предсекции 102 сгорания. Основной факел 108 горит во внутреннем объеме 104 за счет основного топлива.

Кроме того, в данной конфигурации запальное горелочное устройство 120 устанавливают в концевую секцию 101 камеры 100 сгорания таким образом, что запальное топливо может инжектироваться во внутренний объем 104 предсекции 102 сгорания с помощью или посредством запального горелочного устройства 120. Запальный факел 122 легко воспламеняется во внутреннем объеме 104 для стабилизации основного факела 108.

Кроме того, для испускания электромагнитного излучения 131 во внутренний объем 104 в камере 100 сгорания расположено светоизлучающее устройство 130. Светоизлучающее устройство 130 расположено в камере 100 сгорания таким образом, что для стабилизации запального факела 122 электромагнитное излучение 131 может генерировать подачу энергии в запальный факел 122.

Фиг.1 показывает камеру 100 сгорания, которой может быть, например, камера сгорания трубчатого типа. Камера сгорания может иметь трубчатую форму, которая содержит центральную ось 103. Предсекция 102 сгорания может иметь меньший диаметр, чем основная секция 107 сгорания.

Турбулизирующее устройство 110 может быть установлено в предсекцию 102 сгорания таким образом, что турбулизирующее устройство 110 окружает предсекцию 102 сгорания вокруг центральной оси 103. Основное топливо 111 может инжектироваться в общем вдоль радиального направления относительно центральной оси 103. Основное топливо 111 может протекать во внутреннем объеме 104 вдоль выходного направления в основную секцию 107 сгорания.

Кроме того, схематично показано запальное горелочное устройство 120. Запальное горелочное устройство 120 может содержать впуск для запального топлива для инжектирования запального топлива 121 или запальной топливной смеси, содержащей топливо и окислитель, такой как воздух. Кроме того, запальная горелка 120 может содержать отдельный впуск для кислорода для инжектирования кислорода 123. Во внутреннем объеме 104, инжектированное запальное топливо легко воспламеняется и образует запальный факел 122. Запальный факел 122 воспламеняет основное топливо, которое образует основной факел 108.

Запальной топливной смесью является богатая смесь топливо/окислитель и таким образом очень стабильная. Основным топливом является бедная смесь основное топливо/окислитель, так что основной факел 108 является нестабильным, но обеспечивает меньше выбросов.

Для того чтобы стабилизировать запальный факел 122, светоизлучающее устройство 130 испускает в область 132 подачи энергии во внутреннем объеме 104 предсекции 102 сгорания электромагнитное излучение 131. Электромагнитное излучение 131 возбуждает, например, азот и/или кислород в воздухе внутри области 132 подачи энергии таким образом, что увеличивается реакционная способность кислорода. Следовательно, повышенная реакционная способность кислорода приводит к более хорошему сжиганию запального топлива 121 и, следовательно, основного топлива 111.

Необходимо обратить внимание на то, что область 132 подачи энергии показана только схематично в виде цилиндрической зоны. Может быть предпочтительно сфокусировать излучение непосредственно в запальном факеле 122. Тогда, область 132 подачи энергии может иметь форму кольца.

На Фиг.1 светоизлучающее устройство 130 расположено относительно предсекции 102 сгорания таким образом, что электромагнитное излучение 131 может проходить вдоль радиального направления относительно центральной оси 103 в область 132 подачи энергии. Боковая стенка предсекции 102 сгорания может содержать окно, т.е. прозрачную секцию 105, через которую электромагнитное излучение 131 может проходить без фильтрования или блокирования. В качестве альтернативы, светоизлучающее устройство 130 также может быть расположено во внутреннем объеме 104.

Для управления по меньшей мере одним параметром электромагнитного излучения 131, например, лазерных лучей, светоизлучающим устройством 130 может управлять блок 140 управления. В частности, с помощью устройства 140 управления можно управлять интенсивностью, фокусом, схемой множества пучков электромагнитного излучения 131 и изменением во времени, например, импульсного электромагнитного излучения 131.

Кроме того, как можно понять из Фиг.1, отражательный элемент 106, такой как зеркала, может быть расположен во внутреннем объеме 104 таким образом, что электромагнитное излучение 131 может отражаться таким образом, чтобы можно было увеличить подачу энергии электромагнитным излучением 131.

В качестве альтернативы, не показано, может иметься конфигурация без запального горелочного устройства 120. Или может иметься конфигурация с запальным горелочным устройством 120, но запальное топливо выключено. Тогда, светоизлучающее устройство 130 для испускания электромагнитного излучения 131 может испускать излучение в основной факел 108 или около него. Данная конфигурация является предпочтительной, так как она обеспечивает возможность непосредственной стабилизации основного факела 108 без наличия запального факела 122.

Фиг.2 показывает систему сжигания согласно иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения. Система сжигания, показанная на Фиг.2, содержит аналогичные признаки, как и система сжигания, показанная на Фиг.1.

В качестве альтернативы Фиг.1, светоизлучающее устройство 130 можно помещать и устанавливать в концевую секцию 101 и/или в запальное горелочное устройство 120 таким образом, что электромагнитное излучение 131 может проходить из концевой секции 101 в область 132 подачи энергии внутреннего объема 104.

Вследствие этого, запальное горелочное устройство 120 может содержать прозрачную секцию 105 таким образом, чтобы электромагнитное излучение 103 могло проходить в область 132 подачи энергии в общем вдоль центральной оси 103.

Может быть предпочтительно, когда электромагнитное излучение 131 испускается не прямо по центральной оси 103, но со смещением или наклонно под углом. В частности, это может быть предпочтительным для проиллюстрированного запального факела 122 и со своей соответствующей областью 132' подачи энергии, которая охватывает фактическую область запального факела 122.

Таким образом, должно быть понятно, что точная конфигурация должна быть согласована с заданным поведением факела заданной топки. Но в целом может быть один вариант осуществления, у которого имеется светоизлучающее устройство 130 на передней поверхности топки (см. фиг.2), или в другом варианте осуществления оно имеется на боковой поверхности камеры сгорания (см. фиг.1).

Фиг.3 показывает систему сжигания согласно иллюстративному варианту осуществления представленного изобретения, при этом светоизлучающее устройство 130 показано более подробно. Светоизлучающее устройство 130 содержит светоизлучающий источник 301, который находится на расстоянии от камеры 100 сгорания и в частности от предсекции 102 сгорания и основной секции 107 сгорания.

Для введения электромагнитного излучения 131, например, лазерных лучей, во внутренний объем 104 к запальному горелочному устройству 120 может быть прикреплен узел 303 вывода волокна. Узел 303 вывода волокна соединен стекловолокном 304 с узлом 302 ввода волокна. Светоизлучающий источник 301 (например, лазерный источник) может испускать электромагнитное излучение 131 (например, лазерные лучи) в узел 302 ввода волокна, который обеспечивает электромагнитное излучение (например, лазерные лучи) в стекловолокно 304. Узел 302 ввода волокна может содержать систему линз и выполнен с возможностью подготовки излучаемого электромагнитного излучения из светового источника 301 для передачи по стекловолокну 304. Узел 303 вывода волокна может содержать систему дополнительных линз для создания требуемого пучка электромагнитного излучения, который испускается во внутренний объем 104 из электромагнитного излучения, предоставляемого стекловолокном 304. Следовательно, посредством иллюстративного варианта осуществления, показанного на Фиг.3, светоизлучающий источник 301 может быть расположен на расстоянии от камеры 100 сгорания.

Фиг.4 показывает иллюстративный вариант осуществления системы сжигания с аналогичными признаками, показанными на Фиг.1-3.

Дополнительно, показано устройство 401 оптического экспонирования. Устройство 401 оптического экспонирования может быть помещено между светоизлучающим источником 301 светоизлучающего устройства 130 и областью 132 подачи энергии. Устройство 401 оптического экспонирования может содержать такую систему линз, чтобы электромагнитное излучение 131 могло быть сфокусировано таким образом, что требуемая фокусирующая секция электромагнитного излучения 131 может располагаться в запальном факеле 122 и, следовательно, в области 132 подачи энергии. Следовательно, можно оптимизировать и регулировать подачу энергии.

Светоизлучающий источник 301 может испускать множество параллельных пучков 131' электромагнитного излучения (например, параллельных лазерных лучей), которые могут фокусироваться с помощью устройства 401 оптического экспонирования. Устройство 401 оптического экспонирования может фокусировать пучки 131 электромагнитного излучения таким образом, что фокус 402 электромагнитного излучения 131 создается в центре области 132 подачи энергии.

Согласно изобретению светоизлучающее устройство 130 испускает электромагнитное излучение 131 во внутренний объем 104, при этом светоизлучающее устройство 130 расположено в камере 100 сгорания таким образом, что электромагнитное излучение 131 может генерировать подачу энергии в запальный факел 122 и/или основной факел 108 для стабилизации запального факела 122 и/или основного факела 108, в частности для уменьшения топлива, необходимого для запального факела и, следовательно, выбросов. Светоизлучающее устройство также может использоваться - даже если явно не показано на чертежах, но как указано в предшествующем тексте - для замены функции запального факела и использоваться вместо использования запального факела для стабилизации основного факела.

Необходимо заметить, что термин «содержащий» не исключает другие элементы или стадии, а неопределенные артикли не исключают множество. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Также необходимо заметить, что ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует истолковывать, как ограничение объема правовых притязаний формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Система сжигания содержит камеру (100) сгорания, имеющую концевую секцию (101) и предсекцию (102) сгорания, продолжающуюся от концевой секции (101) вдоль центральной оси (103) камеры (100) сгорания, турбулизирующее устройство (110), необязательное запальное горелочное устройство (120) и светоизлучающее устройство (130), которое испускает во внутренний объем (104) предсекции (102) сгорания электромагнитное излучение (131), характеризующееся тем, что оно может генерировать подачу энергии в запальный факел (122) или основной факел (108) для стабилизации запального факела (122) или основного факела (108). Также представлен способ управления системой сжигания для газовой турбины. Изобретение позволяет уменьшить количество топлива, необходимого для запального факела, уменьшить выбросы, а также позволяет достичь стабильного процесса сжигания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система сжигания для газовой турбины, содержащая:

камеру (100) сгорания, имеющую концевую секцию (101) и предсекцию (102) сгорания, продолжающуюся от концевой секции (101) вдоль центральной оси (103) камеры (100) сгорания,

турбулизирующее устройство (110), которое устанавливают в предсекцию (102) сгорания таким образом, чтобы турбулизирующее устройство (110) могло инжектировать основное топливо (111) во внутренний объем (104) предсекции (102) сгорания,

при этом во внутреннем объеме (104) может создаваться основной факел (108), использующий основное топливо (111),

необязательно запальное горелочное устройство (120), которое устанавливают в концевую секцию (101) камеры (100) сгорания таким образом, что запальное топливо (121) может инжектироваться с помощью или посредством запального горелочного устройства (120) во внутренний объем (104) предсекции (102) сгорания, при этом во внутреннем объеме (104) может создаваться запальный факел (122), использующий запальное топливо (121), для стабилизации основного факела (108), и

светоизлучающее устройство (130) для испускания электромагнитного излучения (131) во внутренний объем (104), при этом светоизлучающее устройство (130) расположено в камере (100) сгорания таким образом, что электромагнитное излучение (131) может генерировать подачу энергии в запальный факел (122) и/или основной факел (108) для стабилизации запального факела (122) и/или основного факела (108).

2. Система сжигания по п. 1, в которой

камера (100) сгорания дополнительно содержит прозрачную секцию (105),

причем светоизлучающее устройство (130) расположено за пределами камеры (100) сгорания таким образом, что электромагнитное излучение (131) светоизлучающего устройства (130) может испускаться через прозрачную секцию (105) во внутренний объем (104).

3. Система сжигания по п. 2, в которой светоизлучающее устройство (130) устанавливают в предсекцию (102) сгорания.

4. Система сжигания по п. 1, в которой светоизлучающее устройство (130) устанавливают в предсекцию (102) сгорания.

5. Система сжигания по любому из пп. 1-4, в которой светоизлучающее устройство (130) расположено таким образом, что электромагнитное излучение (131) может испускаться через концевую секцию (101) во внутренний объем (104).

6. Система сжигания по п. 5, в которой светоизлучающее устройство (130) устанавливают в запальное горелочное устройство (120).

7. Система сжигания по любому из пп. 1-4, в которой светоизлучающее устройство (130) содержит стекловолокно (304) и узел (303) вывода волокна, который соединен со стекловолокном (304),

при этом узел (303) вывода волокна устанавливают в камеру (100) сгорания таким образом, что электромагнитное излучение (131) может испускаться из узла (303) вывода волокна во внутренний объем (104).

8. Система сжигания по п. 7, в которой

светоизлучающее устройство (130) дополнительно содержит светоизлучающий источник (301), который расположен на расстоянии от камеры (100) сгорания,

при этом светоизлучающий источник (301) выполнен с возможностью испускания электромагнитного излучения (131) в стекловолокно (304).

9. Система сжигания по любому из пп. 1-4, в которой светоизлучающее устройство (130) дополнительно содержит множество излучателей электромагнитного излучения для испускания множества пучков (131) электромагнитного излучения.

10. Система сжигания по любому из пп. 1-4, в которой светоизлучающее устройство (130) содержит блок (140) управления для управления по меньшей мере одним параметром (131) электромагнитного излучения.

11. Система сжигания по любому из пп. 1-4, в которой светоизлучающее устройство (130) дополнительно содержит устройство (401) оптического экспонирования,

при этом устройство (401) оптического экспонирования расположено таким образом, что электромагнитное излучение (131) содержит фокусирующую секцию, которая фокусирует излучаемый свет в запальном факеле (122) и/или основном факеле (108) во внутреннем объеме (104).

12. Система сжигания по любому из пп. 1-4, в которой светоизлучающее устройство (130) содержит лазерное устройство для испускания электромагнитного излучения (131), содержащего лазерные лучи.

13. Способ управления системой сжигания для газовой турбины, при этом способ включает: инжектирование основного топлива (111) турбулизирующим устройством (110) во внутренний объем (104) предсекции (102) сгорания камеры (100) сгорания, при этом турбулизирующее устройство (110) устанавливают в предсекцию (102) сгорания, которая продолжается от концевой секции (101) камеры (100) сгорания вдоль центральной оси (103) камеры (100) сгорания, сжигание основного топлива (111) таким образом, что во внутреннем объеме (104) генерируется основной факел (108), необязательно инжектирование запального топлива (121) с помощью или посредством необязательного запального горелочного устройства (120) во внутренний объем (104) предсекции (102) сгорания, при этом запальное горелочное устройство (120) устанавливают в концевую секцию (101) камеры (100) сгорания, необязательно сжигание запального топлива (121) таким образом, что во внутреннем объеме (104) генерируется запальный факел (122), и стабилизирование запального факела (122) и/или основного факела (108) посредством испускания электромагнитного излучения (131) из светоизлучающего устройства (130) во внутренний объем (104) таким образом, чтобы генерировать подачу энергии в запальный факел (122) и/или основной факел (108).