Топливная форсунка, концевой узел топливной форсунки и газовая турбина Российский патент 2017 года по МПК F23R3/14 F23R3/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение по существу относится к топливной форсунке для камеры сгорания. Более конкретно, данное изобретение относится к концевому узлу центрального элемента для двухтопливной форсунки, расположенной в камере сгорания газовой турбины.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В газовой турбине топливные форсунки используют для смешивания сжатой рабочей текучей среды, такой как воздух, с топливом для обеспечения процесса сгорания в зоне горения, расположенной ниже по потоку от топливных форсунок. Некоторые топливные форсунки выполнены с возможностью работы на топливе одного типа, таком как газообразное топливо, во время режима работы на газообразном топливе, и на топливе второго типа, таком как жидкое топливо, во время режима работы на жидком топливе. При использовании жидкого топлива при диффузионном режиме работы на концевой части центрального элемента топливной форсунки образуется нагар и возникают значительные термические напряжения.

[0003] Конкретная конструкция топливной форсунки, выполненная с возможностью работать как в режиме с газообразным топливом, так и в режиме с жидким топливом, по существу имеет наружный проточный канал предварительного смешивания, ограниченный по меньшей мере частично топочной трубой и завихрителями, проходящими радиально внутрь от топочной трубы в канал предварительно смешанной смеси. Указанные топливные форсунки дополнительно содержат центральный элемент, который соосно выровнен с топочной трубой и проходит по меньшей мере частично через топочную трубу. Центральный элемент ограничивает циркуляционную зону, обеспечивающую стабилизацию пламени в центральной области зоны горения ниже по потоку от топливной форсунки. Картридж жидкого топлива (КЖТ) проходит по меньшей мере частично через центральный элемент, и/или топочную трубу, и/или проточный канал предварительного смешивания. КЖТ соосно выровнен с топочной трубой. Концевой узел КЖТ по меньшей мере частично расположен в центральном элементе. Указанный концевой узел КЖТ содержит инжектор для жидкого топлива, расположенный на нижнем по потоку конце центрального элемента и по существу смежно с выходным отверстием проточного канала предварительного смешивания. Концевая часть инжектора для жидкого топлива расположена по существу смежно с зоной горения в камере сгорания.

[0004] Концевая часть КЖТ и/или концевой узел КЖТ обеспечивает механизм создания пламени с использованием жидкого топлива во время запуска камеры сгорания и ее работы. Однако вследствие близкого расположения концевого узла КЖТ относительно зоны горения камеры сгорания, тепло от газообразных продуктов сгорания, и/или тепло, обусловленное нагреванием во время работы в режиме предварительного смешивания, может на протяжении длительного времени вызвать повреждение концевой части центрального элемента. Кроме того, в некоторых конструкциях, где топливная форсунка выполнена с обеспечением прохождения по ней как газообразного, так и жидкого топлива, указанное жидкое топливо вызывает образование отложений нагара или кокса на нагреваемых нижних по потоку поверхностях концевой части центрального элемента. Существующие в настоящее время конструкции используют завесу из воздуха, проходящего через центральный элемент, для охлаждения его концевой части. Однако, несмотря на общую эффективность этого устройства и/или способа охлаждения концевой части форсунки, концевые части центрального элемента, тем не менее, все еще остаются недолговечным компонентом топливных форсунок такого типа. Соответственно, в данной области техники было бы полезным создать концевой узел центрального элемента с улучшенным устройством и/или способом охлаждения концевой части центрального элемента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Аспекты и преимущества данного изобретения изложены ниже в последующем описании, при этом они могут стать очевидными из данного описания, или могут быть выявлены при реализации данного изобретения на практике.

[0006] Одним вариантом выполнения данного изобретения является топливная форсунка для камеры сгорания. Указанная топливная форсунка содержит топочную трубу и кольцевой центральный элемент, расположенный концентрически в топочной трубе. Указанный центральный элемент, проходящий вдоль продольной оси топливной форсунки и по меньшей мере частично ограничивающий проточный канал для охлаждающего воздуха, проходящий через кольцевой центральный узел форсунки. Указанный кольцевой центральный элемент также имеет нижний по потоку конец. Проточный канал предварительного смешивания ограничен между топочной трубой и кольцевым центральным элементом. Центральная циркуляционная зона для стабилизации пламени предварительно перемешанной смеси образована в области зоны горения ниже по потоку от центрального элемента. У нижнего по потоку конца кольцевого центрального элемента расположен концевой рассеивающий узел. Указанный концевой рассеивающий узел содержит отражающую пластину, проходящую в радиальном направлении через нижний по потоку конец кольцевого центрального элемента, и крышку, проходящую в радиальном направлении и расположенную ниже по потоку от отражающей пластины. Указанная отражающая пластина и указанная крышка по меньшей мере частично ограничивают охлаждающую полость между ними. Посадочное отверстие проходит через отражающую пластину. Выпускное отверстие для охлаждающего потока проходит через крышку. Указанное выпускное отверстие для охлаждающего потока соосно выровнено с указанным посадочным отверстием. Охлаждающие отверстия проходят через отражающую пластину для обеспечения проточного сообщения между каналом для охлаждающего воздуха и охлаждающей полостью. В одном варианте выполнения изобретения охлаждающие отверстия могут быть расположены под углом к продольной оси отражающей пластины в плоскости, ограниченной между продольной осью и тангенциальной осью отражающей пластины, для придания вихревого движения вокруг указанной продольной оси сжатой рабочей текучей среде, проходящей через указанные отверстия. Топливная форсунка может дополнительно содержать завихрители, проходящие между топочной трубой и кольцевым центральным элементом в проточном канале предварительного смешивания, причем указанные завихрители выполнены с возможностью сообщения вихревого движения вокруг продольной оси топливной форсунки проходящей там сжатой рабочей текучей среде. Кроме того, охлаждающие отверстия могут быть расположены под углом для сообщения вихревого движения, которое является противоположным вихревому движению, сообщаемому завихрителями. В топливной форсунке крышка может иметь холодную сторону и горячую сторону, причем выпускное отверстие для охлаждающего потока сужается радиально внутрь от холодной стороны к горячей стороне крышки. В другом варианте выполнения топливная форсунка может дополнительно содержащать кольцевой теплозащитный экран, расположенный концентрически в посадочном отверстии. Топливная форсунка может дополнительно содержащать картридж жидкого топлива, проходящий через теплозащитный экран и имеющий концевую часть для ввода топлива, проходящую через теплозащитный экран и по меньшей мере частично через канал для охлаждающего потока указанной крышки. Топливная форсунка может дополнительно содержать полость для охлаждения концевой части картриджа, по меньшей мере частично ограниченную между теплозащитным экраном и концевой частью указанного картриджа для ввода топлива. В еще одном варианте выполнения топливная форсунка может дополнительно содержать картридж для перепуска продувочного воздуха, расположенный концентрически в посадочном отверстии отражающей пластины и имеющий отверстия для охлаждающего воздуха, проточно сообщающиеся с указанной охлаждающей полостью.

[0007] Другим вариантом выполнения данного изобретения является концевой рассеивающий узел для топливной форсунки. Указанный концевой узел содержит кольцевую отражающую пластину, по меньшей мере частично ограничивающую посадочное отверстие, которое проходит концентрически через отражающую пластину вдоль продольной оси концевого рассеивающего узла. Кольцевая крышка расположена соосно ниже по потоку от отражающей пластины. Указанная крышка по меньшей мере частично ограничивает выпускное отверстие для охлаждающего потока, расположенное на одной оси с посадочным отверстием. Указанная крышка имеет наружную часть, проходящую между отражающей пластиной и крышкой. Указанная наружная часть, крышка и отражающая пластина по меньшей мере частично ограничивают охлаждающую полость между ними. Наклонные охлаждающие каналы проходят через отражающую пластину для обеспечения проточного сообщения с охлаждающей полостью. Указанные охлаждающие отверстия расположены под углом к продольной оси отражающей пластины в плоскости, ограниченной между продольной осью и тангенциальной осью отражающей пластины. В одном варианте выполнения крышка имеет холодную сторону и горячую сторону, причем выпускное отверстие охлаждающего потока сужается радиально внутрь от холодной стороны к горячей стороне крышки. В еще одном варианте выполнения концевой рассеивающий узел может дополнительно содержать кольцевой теплозащитный экран, расположенный концентрически в посадочном отверстии. Теплозащитный экран может проходить через крышку. Концевой рассеивающий узел может дополнительно содержать картридж жидкого топлива, проходящий через теплозащитный экран и имеющий концевую часть для ввода топлива, проходящую через теплозащитный экран и по меньшей мере частично через канал для охлаждающего потока указанной крышки. Концевой рассеивающий узел может также содержать полость для охлаждения концевой части картриджа, по меньшей мере частично ограниченную между теплозащитным экраном и концевой частью указанного картриджа для ввода топлива. В еще одном варианте выполнения концевой рассеивающий узел может дополнительно содержать картридж для перепуска продувочного воздуха, концентрически расположенный в посадочном отверстии отражающей пластины.

[0008] Другим вариантом выполнения данного изобретения может также являться газовая турбина, содержащая компрессорную секцию, расположенную у верхнего по потоку конца газовой турбины, топочную секцию, расположенную ниже по потоку от компрессорной секции, и турбинную секцию, расположенную ниже по потоку от топочной секции. Топочная секция содержит камеру сгорания, проточно сообщающуюся с устройством подачи топлива и устройством подачи сжатого воздуха. Указанная камера сгорания содержит торцевую крышку, соединенную с корпусом, по меньшей мере частично окружающим камеру сгорания. Топливная форсунка проходит ниже по потоку от торцевой крышки. Указанная топливная форсунка содержит топочную трубу и кольцевой центральный элемент, расположенный концентрически в топочной трубе. Указанный кольцевой центральный элемент проходит вдоль продольной оси топливной форсунки и по меньшей мере частично ограничивает проходящий в нем канал для охлаждающего воздуха. Указанный кольцевой центральный элемент имеет нижний по потоку конец. Проточный канал предварительного смешивания ограничен между топочной трубой и кольцевым центральным элементом. Центральная циркуляционная зона для стабилизации пламени предварительно перемешанной смеси образована в области зоны горения ниже по потоку от центрального элемента. Картридж жидкого топлива для обеспечения возможности работы на топливе двух видов расположен в центральном элементе. На нижнем по потоку конце центрального элемента расположен концевой узел. Указанный концевой узел содержит отражающую пластину, проходящую в радиальном направлении через нижний по потоку конец центрального элемента, и крышку, проходящую в радиальном направлении и расположенную соосно ниже по потоку от указанной отражающей пластины. Указанная отражающая пластина и указанная крышка по меньшей мере частично ограничивают охлаждающую полость между ними. Указанная крышка и отражающая пластина по меньшей мере частично ограничивают посадочное отверстие, проходящее через концевой узел. Охлаждающие отверстия проходят через отражающую пластину для обеспечения проточного сообщения между каналом для охлаждающего воздуха и охлаждающей полостью. В одном варианте выполнения охлаждающие отверстия в отражающей пластине расположены кольцеобразно вокруг посадочного отверстия. В другом варианте выполнения охлаждающие отверстия в отражающей пластине расположены под углом к продольной оси отражающей пластины в плоскости, ограниченной между продольной осью и тангенциальной осью отражающей пластины, для придания вихревого движения вокруг продольной оси охлаждающей среде, проходящей через указанные отверстия. В еще одном варианте выполнения концевой рассеивающий узел дополнительно содержит кольцевой теплозащитный экран, расположенный концентрически в посадочном отверстии, и картридж жидкого топлива, проходящий через теплозащитный экран, причем указанный экран и указанный картридж жидкого топлива по меньшей мере частично ограничивают между собой полость для охлаждения концевой части картриджа

[0009] Свойства и аспекты этих вариантов, а также других вариантов, будут более понятны специалистам по прочтении настоящего описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Полное и достаточное раскрытие данного изобретения, включая его предпочтительные варианты выполнения, для специалиста в данной области техники изложено более конкретно в остальной части описания изобретения, включающего ссылку на сопроводительные чертежи, на которых

[0011] фиг. 1 представляет собой структурную схему примерной газовой турбины в объеме данного изобретения;

[0012] фиг. 2 представляет собой упрощенный вид сбоку в разрезе примерной камеры сгорания в соответствии с различными вариантами выполнения данного изобретения; [0013] фиг. 3 представляет собой вид в аксонометрии в разрезе двухтопливной форсунки в соответствии с различными вариантами выполнения данного изобретения;

[0014] фиг. 4 представляет собой увеличенный вид в аксонометрии части двухтопливной форсунки, показанной на фиг. 3;

[0015] фиг. 5 представляет собой увеличенный вид сбоку в разрезе концевого узла центрального элемента, показанного на фиг. 4, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения;

[0016] фиг. 6 представляет собой вид сверху в аксонометрии отражающей пластины концевого узла центрального элемента, показанного на фиг. 5;

[0017] фиг. 7 представляет собой вид снизу в аксонометрии отражающей пластины, показанной на фиг. 6;

[0018] фиг. 8 представляет собой вид спереди части отражающей пластины в разрезе, взятом по линии 8-8, как показано на фиг. 6;

[0019] фиг. 9 представляет собой вид спереди концевого узла центрального элемента, показанного на фиг. 5, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения; и

[0020] фиг. 10 представляет собой вид в аксонометрии в разрезе концевого узла центрального элемента, показанного на фиг. 5, в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0021] Рассмотрим теперь подробно представленные варианты выполнения данного изобретения, один или более примеров которых проиллюстрированы на сопроводительных чертежах. В подробном описании используются численные и буквенные обозначения элементов, показанных на чертежах. Одинаковые или подобные обозначения, приведенные на чертежах и в описании, использованы для одинаковых или подобных элементов данного изобретения. Применительно к данному документу термины «первый», «второй» и «третий» могут использоваться взаимозаменяемо для отличия одного компонента от другого, при этом они не предназначены для обозначения места или значимости отдельных компонентов. Термины «выше по потоку», «ниже по потоку», «в радиальном направлении» и «в осевом направлении» обозначают направление относительно потока текучей среды в канале текучей среды. Например, термин «выше по потоку» относится к направлению, откуда проходит текучая среда, а «ниже по потоку» относится к направлению, куда проходит текучая среда. Подобным образом, термин «в радиальном направлении» относится к направлению, по существу перпендикулярному потоку текучей среды, и термин «в осевом направлении» относится к направлению, по существу параллельному потоку текучей среды.

[0022] Каждый пример приведен для объяснения данного изобретения, а не для ограничения данного изобретения. Фактически, специалистам в данной области техники следует понимать, что в данное изобретение возможно внесение модификаций и изменений без отклонения от объема правовой охраны или сущности данного изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта выполнения, могут использоваться в другом варианте выполнения для получения еще одного варианта выполнения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение охватывает подобные модификации и изменения и их эквиваленты, как подпадающие под объем правовой охраны прилагаемой формулы изобретения. Несмотря на то, что примерные варианты выполнения данного изобретения будут рассмотрены по существу в контексте топливной форсунки для камеры сгорания газовой турбины, с пояснительной целью, тем не менее, специалист в данной области техники должен понимать, что варианты данного изобретения могут быть применены к любой камере сгорания в любой турбомашине и не ограничиваются камерой сгорания газовой турбины, если только это специально не указано в формуле изобретения.

[0023] Обратимся теперь к чертежам, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы. Фиг. 1 представляет собой структурную схему примерной газовой турбины 10, в которой можно использовать различные варианты выполнения данного изобретения. Как показано, газовая турбина 10 по существу имеет впускную секцию 12, которая может содержать ряд фильтров, охлаждающих змеевиков, влагоотделителей и/или других устройств для очистки или иной обработки рабочей текучей среды 14 (например, воздуха), поступающей в газовую турбину 10. Указанная рабочая текучая среда 14 проходит в компрессорную секцию, в которой компрессор 16 постепенно сообщает кинетическую энергию рабочей текучей среде 14 для получения сжатой рабочей текучей среды 18 в высокоэнергетическом состоянии.

[0024] Полученная сжатая рабочая текучая среда 18 смешивается с топливом, полученным из устройства 20 подачи топлива, с образованием горючей смеси в одной или более камерах 22 сгорания. Указанная горючая смесь сжигается с образованием газообразных продуктов 24 сгорания, имеющих высокую температуру и давление. Указанные газообразные продукты 24 проходят через турбину 26 в турбинной секции и выполняют работу. Например, турбина 26 может быть соединена с валом 28 так, что вращение турбины 26 приводит в действие компрессор 16 для образования сжатой рабочей текучей среды 18. Как вариант, или в дополнение вал 28 может соединять турбину 26 с генератором 30 для выработки электроэнергии. Выхлопные газы 32 из турбины 26 проходят через выпускную секцию 34, соединяющую турбину 26 с выхлопной трубой 36, ниже по потоку от турбины 26. Выпускная секция 34 может содержать, например, котел-утилизатор (не показан), обеспечивающий очистку отработанных газов 32 и извлечение из них дополнительного тепла, прежде чем они будут выпущены в окружающую среду.

[0025] Указанные камеры 22 сгорания могут быть камерами сгорания любого известного в данной области техники типа, при этом данное изобретение не ограничивается какой-либо конкретной конструкцией камеры сгорания, если только это специально не указано в формуле изобретения. Фиг. 2 представляет собой упрощенный вид сбоку в разрезе примерной камеры 22 сгорания в соответствии с различными вариантами выполнения данного изобретения. Как показано на фиг. 2, корпус 40 и торцевая крышка 42 совместно ограничивают пространство для размещения сжатой рабочей текучей среды 18, проходящей в камеру 22 сгорания из компрессора 16 (фиг. 1). Сжатая рабочая текучая среда 18 может проходить через проточные отверстия 44, выполненные в кольцевом проточном патрубке 46, например в отражающем патрубке или в патрубке для потока продуктов горения, для прохождения снаружи вдоль переходного трубопровода 48 и/или жаровой трубы 50 в направлении головной части 51 камеры 22 сгорания.

[0026] Головная часть 51 по меньшей мере частично ограничена торцевой крышкой 42 и/или корпусом 40. Сжатая рабочая среда обеспечивает конвективное охлаждение переходного трубопровода 48 и/или жаровой трубы 50. В головной части 51 сжатая текучая рабочая среда 18 меняет направление на обратное и проходит через топливные форсунки 52. Топливо проходит от устройства 20 подачи топлива через один или более топливных контуров (не показаны), образованных в торцевой крышке 42, а затем в каждую или в некоторые из топливных форсунок 52. Указанное устройство 20 подачи топлива может быть выполнено с возможностью подачи газообразного и/или жидкого топлива в камеру 22 сгорания. Сжатая рабочая среда 18 смешивается с топливом по мере его прохождения через каждую из топливных форсунок 52 с образованием горючей смеси 54. Полученная горючая смесь 54 проходит от каждой из форсунок 52 в топочную камеру 56, имеющуюся в камере 22 сгорания ниже по потоку от топливных форсунок 52, для обеспечения процесса сжигания. Каждая из топливных форсунок 52 проходит ниже по потоку от внутренней поверхности 58 торцевой крышки 42. В конкретных вариантах выполнения каждая топливная форсунка 52 проходит по меньшей мере частично через узел 60 крышки, проходящий в радиальном и периферическом направлениях в указанной камере 22 сгорания.

[0027] Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе в аксонометрии одной двухтопливной форсунки 70 из топливных форсунок 52, показанных на фиг. 2, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения данного изобретения. Как показано на фиг. 3, указанная двухтопливная форсунка 70 по существу содержит кольцевую топочную трубу или наружный кожух 72, центральный узел 74, расположенный концентрически в топочной трубе 72, и проточный канал 76 предварительного смешивания, по меньшей мере частично ограниченный между топочной трубой 72 и центральным узлом 74 форсунки. Кроме того, указанная двухтопливная форсунка 70 может иметь завихрительные лопатки 78, проходящие в радиальном направлении между топочной трубой 72 и центральным узлом 74 форсунки, и ограничивающие по меньшей мере частично проточный канал 76 предварительного смешивания.

[0028] В одном варианте выполнения, как показано на фиг. 2, завихрительные лопатки 78 расположены в проточном канале 76 предварительного смешивания под углом закручивания, чтобы сообщать сжатой рабочей текучей среде 18 вихревое движение вокруг части указанного центрального узла 74 при прохождении указанной среды 18 через указанный канал 76 в направлении топочной камеры 56 (фиг. 2) камеры 22 сгорания (фиг. 2). В конкретных вариантах выполнения каждый или некоторые из указанных завихрительных лопаток 78 содержат одно или более отверстий 80 для ввода топлива, проточно сообщающихся с проточным каналом 76 предварительного смешивания. Впускное отверстие 82 проточного канала 76 предварительного смешивания по меньшей мере частично определено на верхнем по потоку конце 84 топочной трубы 72 или смежно с указанным концом. Указанное впускное отверстие 82 расположено по существу выше по потоку от завихрителей 78. Выпускное отверстие 86 проточного канала 76 предварительного смешивания по меньшей мере частично определено на нижнем по потоку конце 88 топочной трубы 72 или смежно с указанным концом. Указанное выпускное отверстие 86 расположено ниже по потоку от завихрителей 78. Топочная труба 72 может быть выполнена в виде одного компонента или может состоять из нескольких кожухов, соединенных вместе с образованием топочной трубы 72.

[0029] Как показано на фиг. 3, центральный узел 74 форсунки по существу содержит кольцевой центральный элемент 90, проходящий вдоль продольной оси 92 топливной форсунки 70, и концевой рассеивающий узел 94, расположенный на нижнем по потоку конце 96 центрального элемента 90. Центральный элемент 90 имеет верхний по потоку конец 98, который может быть выполнен с возможностью присоединения к торцевой крышке 42 (фиг. 2). Например, центральный элемент 90 может по меньшей мере частично ограничивать впускное отверстие 100 для газообразного топлива, проходящий через верхний по потоку конец 98. Указанное впускное отверстие 100 проточно сообщается с торцевой крышкой 42 (фиг. 2) и/или с устройством 20 подачи топлива (фиг. 1). Кроме того, центральный элемент 90 по меньшей мере частично ограничивает содержащую газообразное топливо полость 102. Указанная полость 102 проточно сообщается с впускным отверстием 100 для газообразного топлива и отверстиями 80 для ввода топлива завихрительных лопаток 78.

[0030] В конкретных вариантах выполнения, как показано на фиг. 3, через верхний по потоку конец 98 центрального элемента 90 проходит отверстие 104. Кольцевой внутренний патрубок 106 периферически окружает указанное отверстие 104, проходит по меньшей мере частично через центральный элемент 90, и также ограничивает содержащую газообразное топливо полость 102. Внутренний патрубок 106 по меньшей мере частично ограничивает канал 108 для охлаждающего потока в центральном элементе 90, проходящий от верхнего по потоку конца 98 центрального элемента 90 к концевому узлу 94 на нижнем по потоку конце 96 центрального элемента 90. Канал 108 проточно сообщается по меньшей мере с одним из элементов, торцевой крышкой 42 (фиг. 2), устройством подачи охлаждающей среды (не показано) или головной частью 51, В конкретных вариантах выполнения через центральный элемент 90 и/или завихрители 78 проходит одно или более отверстий 110 для подачи охлаждающей среды, обеспечивающих проточное сообщение между головной частью 51 и указанным каналом для охлаждающего потока для подачи охлаждающей среды, такой как сжатый воздух 18, в указанный канал для охлаждающего потока для охлаждения концевого узла 94 и/или центрального элемента 90.

[0031] Фиг. 4 представляет собой увеличенный вид в аксонометрии концевого узла 94, содержащего картридж 112 для жидкого топлива, здесь и далее обозначенный как «КЖТ 112», и показанный на фиг. 3, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения. Фиг. 5 представляет собой вид сбоку в разрезе концевого узла 94 без КЖТ 112, показанного на фиг. 4. Как показано на фиг. 4 и 5, концевой рассеивающий узел 94 содержит кольцевую отражающую пластину 114, проходящую в радиальном направлении через нижний по потоку конец центрального элемента 90 относительно продольной оси 92 топливной форсунки 70, и кольцевую крышку 116, расположенную коаксиально ниже по потоку от указанной пластины 114 относительно продольной оси 92 топливной форсунки 70, и охлаждающую полость 118, по меньшей мере частично ограниченную между отражающей пластиной 114 и крышкой 116.

[0032] Как показано на фиг. 4 и 5, крышка 116 имеет холодную сторону 120, отделенную от горячей стороны 122, и радиально наружную часть или кожух 124, который по периферии окружает крышку 116. В некоторых вариантах выполнения радиально наружная часть 124 проходит между отражающей пластиной 114 и крышкой 116, и по меньшей мере частично ограничивает охлаждающую полость 118. Крышка 116 по меньшей мере частично ограничивает выпускное отверстие 126 для охлаждающего потока, проходящее через крышку 116 между холодной стороной 120 и горячей стороной 122. Указанное выпускное отверстие 126 ограничивает проточный канал 128, проходящий из охлаждающей полости 118 для направления сжатой рабочей текучей среды 18 наружу из концевого узла 94. Выпускное отверстие 126 для охлаждающего потока является по существу концентрическим с продольной осью 130 концевого узла 94. Продольная ось 130 концевого узла 94 по существу выровнена с продольной осью 92 узла 70 топливной форсунки или совпадает с ней, когда концевой рассеивающий узел 94 прикреплен к центральному элементу 90 топливной форсунки 70. В конкретных вариантах выполнения выпускное отверстие 126 охлаждающего потока сужается между холодной стороной 120 и горячей стороной 122 для увеличения скорости вихревого движения сжатой рабочей текучей среды 18 на выходе из концевого узла 94 с улучшением тем самым стабилизации пламени в циркуляционной зоне, расположенной ниже по потоку от горячей стороны 122 крышки 116.

[0033] Фиг. 6 представляет собой вид сверху в аксонометрии отражающей пластины 114, а фиг. 7 представляет собой вид снизу в аксонометрии отражающей пластины 114. Как показано на фиг. 5, отражающая пластина 114 имеет верхнюю по потоку поверхность 132, отделенную от нижней по потоку поверхности 134. В конкретных вариантах выполнения, как показано на фиг. 5-7, указанная отражающая пластина 114 по меньшей мере частично ограничивает посадочное отверстие 136, проходящее через отражающую пластину 114 от верхней по потоку поверхности 132 через нижнюю по потоку поверхность 134. В конкретных вариантах выполнения посадочное отверстие 136 расположено концентрически в указанной пластине 114 относительно продольной оси 130 концевого узла 94 и/или относительно продольной оси 92 топливной форсунки 70.

[0034] Как показано на фиг. 4-6, через отражающую пластину 114 от верхней по потоку поверхности 130 через нижнюю по потоку поверхность 132 проходят охлаждающие отверстия 138. Как показано на фиг. 4 и 5, охлаждающие отверстия 138 ограничивают проход 140 в охлаждающую полость 118. В конкретных вариантах выполнения, как показано на фиг. 4 и 5, охлаждающие отверстия 138 проточно сообщаются с каналом 108 охлаждающего потока топливной форсунки 70. Таким образом, сжатая рабочая текучая среда 18 направляется через охлаждающие отверстия 138 в охлаждающую полость 118. Указанная сжатая рабочая текучая среда 18 соударяется с холодной стороной 120 крышки 116, с обеспечением по меньшей мере одного удара, охлаждая крышку 116 путем кондуктивного или конвективного охлаждения. Затем указанную сжатую рабочую текучую среду 18 направляется через выпускное отверстие 126 охлаждающего потока в зону 56 сгорания (фиг. 2). В результате, термические напряжения на концевом узле 94, особенно на горячей стороне 122 крышки 116, могут быть уменьшены с улучшением тем самым общих механических характеристик концевого узла 94 и/или топливной форсунки 70.

[0035] Фиг. 8 представляет собой вид спереди части отражающей пластины, показанной на фиг. 6, в разрезе по линии 8-8, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения данного изобретения. В конкретных вариантах выполнения, как показано на фиг. 8, каждое или некоторые из охлаждающих отверстий 138 проходят под углом 142, измеренным относительно линии 144, проходящей концентрически через каждое охлаждающее отверстие 138 от продольной оси 146 отражающей пластины 114 в плоскости, ограниченной между продольной осью 146 и тангенциальной осью 148 отражающей пластины 114. Каждое из охлаждающих отверстий 138 может быть расположено под углом в одном и том же направлении по периферии вокруг отражающей пластины 114.

[0036] Наклонные охлаждающие отверстия 138 сообщают вихревое движение сжатой рабочей текучей среде 18 при ее прохождении через охлаждающие отверстия 138 в охлаждающую полость 118, создавая тем самым вихревой поток сжатой рабочей текучей среды 18 в охлаждающей полости 118. Таким образом, сжатая рабочая текучая среда 18 будет протекать через большую часть холодной стороны 120 крышки 116 с обеспечением по меньшей мере одного удара, при котором происходит кондуктивное или конвективное охлаждение крышки 116 до прохождения рабочей текучей среды 18 через выпускное отверстие 126 охлаждающего потока из концевого узла 94. В результате используется большая часть охлаждающей способности сжатой рабочей текучей среды 18, по сравнению с прохождением рабочей текучей среды 18 по существу в осевом направлении через охлаждающую полость 118, когда используется охлаждение только за счет соударения. Таким образом, наклонные охлаждающие отверстия 138 существенно увеличивают охлаждающее действие сжатой рабочей текучей среды 18 относительно крышки 116 концевого узла 94, тем самым уменьшая тепловые напряжения и улучшая общие механические характеристики концевого узла 94 и/или топливной форсунки 70.

[0037] Обратимся снова к фиг. 5, где показано, что в некоторых вариантах выполнения концевой рассеивающий узел 94 дополнительно содержит кольцевой теплозащитный экран 150, расположенный концентрически в посадочном отверстии 136 отражающей пластины 114. Теплозащитный экран 150 проходит по меньшей мере частично через посадочное отверстие 136 в направлении выпускного отверстия 126 охлаждающего потока в крышке 116. Теплозащитный экран 150 по меньшей мере частично ограничивает охлаждающую полость 118 и/или проточный канал 128 из охлаждающей полости 118. Теплозащитный экран 150 может быть установлен в посадочном отверстии 136 с помощью посадки с натягом и/или может быть присоединен сваркой или пайкой к картриджу 112 жидкого топлива.

[0038] Фиг. 9 представляет собой вид сбоку концевого узла 94, показанного на фиг. 5, содержащего КЖТ 112, проходящий по меньшей мере частично через концевой рассеивающий узел 94 в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения данного изобретения. В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 3, КЖТ 112 проходит по меньшей мере частично через канал 108 охлаждающего потока, выполненный в центральном элементе 90 центрального узла 74 форсунки. Указанный КЖТ 112 проточно сообщается с устройством 20 подачи топлива (фиг. 2) и/или с торцевой крышкой 42 (фиг. 2), обеспечивая подачу жидкого топлива к центральному узлу 74 форсунки. Как показано на фиг. 9, КЖТ 112 проходит через отражающую пластину 114 и/или через теплозащитный экран 150 в направлении выпускного отверстия 126 охлаждающего потока в крышке 116. В некоторых вариантах выполнения теплозащитный экран 150 и/или посадочное отверстие 136 пластины 114 обеспечивает конструктивную опору для КЖТ 112. Например, КЖТ 112 может быть присоединен с помощью сварки или пайки к экрану 150 и вставлен путем посадки с натягом в отражающую пластину 114, что позволит различным компонентам иметь различное тепловое расширение и уменьшить количество паяных или сварных соединений в центральном узле 74 топливной форсунки.

[0039] Указанный КЖТ 112 по существу содержит вспомогательный канал 152 для жидкого топлива и основной канал 153 для жидкого топлива. Жидкое топливо и/или сжатая рабочая текучая среда 18 может проходить через один из каналов или через оба канала, вспомогательный канал 152 или основной канал 153, в различных режимах работы газовой турбины. В одном варианте выполнения полость 154 для охлаждения концевой части картриджа по меньшей мере частично ограничена между теплозащитным экраном 150 и концевой впускной частью 156 КЖТ 112. Застой воздуха в полости 154 обеспечивает дополнительную тепловую изоляцию концевой части 156 для ввода жидкого топлива от нагревания при работе на жидком топливе. Концевая часть 156 КЖТ 112 содержит отверстия 158 для ввода топлива.

[0040] Указанные отверстия 158 ограничивают проточный канал через концевую часть 156 КЖТ 112 для впрыска жидкого топлива в зону горения. В одном варианте выполнения отверстия 158 для ввода топлива ограничивают проточный канал через концевую часть 156 КЖТ 112 для подачи части сжатой рабочей текучей среды 18 в виде охлаждающей среды и/или в виде продувочного воздуха для предотвращения проникновения высокотемпературных газов в концевую часть 156 во время работы топливной форсунки 70 только на газообразном топливе. В другом варианте выполнения теплозащитный экран 150 проходит ниже по потоку в выпускном отверстии 126 охлаждающего потока так, чтобы направить сжатую рабочую текучую среду 18, выходящую из выпускного отверстия 126 через отверстия 158 для ввода топлива, для предотвращения проникновения высокотемпературных газообразных продуктов сгорания в отверстия 158 во время работы газовой турбины только на газообразном топливе без необходимости использования сжатой рабочей текучей среды 18 в качестве продувочной среды для концевой части 156. В результате такого решения может быть предотвращено перегревание концевой части 156 во время работы топливной форсунки 70 только на газообразном топливе.

[0041] В конкретных вариантах выполнения двухтопливная форсунка 70 (фиг. 3) может быть модифицирована для работы только на газообразном топливе. Например, как показано на фиг. 10, вместо КЖТ 112 через посадочное отверстие 136 отражающей пластины 114 и через выпускное отверстие охлаждающего потока крышки 116 сквозь центральный элемент 90 и выше по потоку от торцевой крышки 42 (фиг. 2) может проходить картридж 160 для перепуска продувочного воздуха. Указанный картридж 160 может содержать проходы 162 для охлаждающего воздуха, которые обеспечивают проточное сообщение между охлаждающей полостью 118 и центральной полостью или чашеобразной частью 164 картриджа 160, причем указанная охлаждающая полость обеспечивает вентиляцию через крышку 116, когда картридж 160 установлен вместо КЖТ 112.

[0042] По меньшей мере в одном варианте выполнения, как показано на фиг. 9, КЖТ 112 проходит через теплозащитный экран 150 концевого узла 94. Часть сжатой рабочей текучей среды 18 проводится из канала 108 для охлаждающего потока через охлаждающие отверстия 138 отражающей пластины 114. Отверстия 138 расположены под углом 142 (фиг. 8) для сообщения вихревого движения сжатой рабочей текучей среде 18, проходящей в охлаждающую полость 118 и через выпускное отверстие 126, в направлении вихревого движения, совпадающем или противоположном вихревому движению, сообщаемому завихрителями 78 (фиг. 3), расположенными в проточном канале 76 предварительного смешивания (фиг. 3).

[0043] Вихревой поток сжатой рабочей текучей среды 18 проходит в охлаждающую полость 118 концевого узла 94 и через холодную сторону 120 крышки 116 для обеспечения по меньшей мере одного удара для конвективного или кондуктивного охлаждения крышки 116. Затем вихревой поток сжатой рабочей текучей среды 18 проходит через выпускное отверстие 126 по проточному каналу 128 (фиг. 5) для обеспечения по существу оптимизированной циркуляционной зоны, расположенной ниже по потоку от горячей стороны 122 крышки 116. В результате могут быть уменьшены отложения нагара на горячей стороне 122 крышки 116. Кроме того, оптимизация формирования циркуляционной зоны у крышки 116 обеспечивает устойчивую стабилизацию пламени в концевом узле 94. В другом варианте выполнения часть вихревого потока сжатой рабочей текучей среды 18, проходящей в полость 118 и через выпускное отверстие 126 для охлаждающего потока, используется для предотвращения проникновения высокотемпературных газообразных продуктов сгорания в отверстия 158 в концевой части 156 картриджа жидкого топлива при работе только на газообразном топливе.

[0044] В по меньшей мере одном альтернативном варианте выполнения, как показано на фиг. 10, картридж 160 для перепуска продувочного воздуха может быть вставлен через посадочное отверстие 136 отражающей пластины 114. В этом случае концевой рассеивающий узел 94 может использоваться для подачи продувочного воздуха, например сжатой рабочей текучей среды 18, из канала 108 охлаждающего потока центрального элемента 90 в охлаждающую полость 118 концевого узла 94 для обеспечения равномерного охлаждения крышки 116 и обеспечения устойчивой стабилизации пламени по существу смежно с горячей стенкой 122 концевого узла 94. Часть вихревого потока сжатой рабочей текучей среды 18 может подаваться через проходы 162 для охлаждающего воздуха в картридже 160 в центральную полость 164 картриджа 160 для обеспечения охлаждения и вытеснения высокотемпературных газов из центральной полости 164 при работе только на газообразном топливе.

[0045] Рассмотренное и проиллюстрированное на фиг. 3-10 в данном документе изобретение обеспечивает различные технологические преимущества и/или улучшения по сравнению с существующими топливными форсунками, благодаря концевому узлу, содержащему картридж жидкого топлива или КЖТ для работы на двух видах топлива. Например, вихревой поток сжатой рабочей текучей среды остается в контакте с холодной стенкой крышки в течение более длительного периода времени с оптимизацией тем самым охлаждающей способности сжатой рабочей текучей среды, протекающей через указанную крышку. Кроме того, вихревой поток сжатой рабочей текучей среды, выходящей из выпускного отверстия охлаждающего потока, обеспечивает устойчивую стабилизацию пламени во время работы на газообразном топливе, а также обеспечивает барьер для уменьшения обратного проникновения высокотемпературных газов в концевой узел и/или в картридж жидкого топлива. Дополнительно, указанный усовершенствованный концевой узел препятствует образованию нагара на горячей стороне крышки, предотвращает перегрев концевой части картриджа жидкого топлива и улучшает конструктивную целостность соединения картриджа жидкого топлива с концевой частью, особенно во время различных термических циклов камеры сгорания. Каждое или некоторые из этих преимуществ приводят к улучшению надежности и эксплуатационных характеристик топливной форсунки.

[0046] В изложенном описании используются примеры, характеризующие данное изобретение, включая предпочтительные варианты выполнения, а также дающие возможность любому специалисту в данной области техники осуществить на практике данное изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых соответствующих способов. Объем правовой охраны данного изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые встретятся специалистам. Подразумевается, что подобные другие примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального изложения в формуле изобретения, или если они содержат равноценные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального изложения в формуле изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Топливная форсунка для камеры сгорания содержит топочную трубу и кольцевой центральный элемент, расположенный концентрически в указанной топочной трубе. Указанный кольцевой центральный элемент проходит вдоль продольной оси топливной форсунки и по меньшей мере частично ограничивает проточный канал для охлаждающего воздуха, проходящий через кольцевой центральный элемент. При этом концевой рассеивающий узел, расположенный на нижнем по потоку конце кольцевого центрального элемента, содержит отражающую пластину и крышку, причем указанные отражающая пластина и крышка по меньшей мере частично ограничивают охлаждающую полость между ними. Через отражающую пластину проходят охлаждающие отверстия для обеспечения проточного сообщения между каналом для охлаждающего воздуха и охлаждающей полостью. Также представлены концевой рассеивающий узел для топливной форсунки и газовая турбина. Изобретение позволяет улучшить устройство кольцевого центрального элемента, а также позволяет улучшить способ охлаждения концевой части центрального элемента. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Топливная форсунка для камеры сгорания, содержащая

a. топочную трубу,

b. кольцевой центральный элемент, расположенный концентрически в указанной топочной трубе, проходящий вдоль продольной оси топливной форсунки и по меньшей мере частично ограничивающий проточный канал для охлаждающего воздуха, проходящий через кольцевой центральный элемент, причем указанный кольцевой центральный элемент имеет нижний по потоку конец,

c. проточный канал предварительного смешивания, ограниченный между топочной трубой и кольцевым центральным элементом,

d. концевой рассеивающий узел, расположенный на нижнем по потоку конце кольцевого центрального элемента и содержащий отражающую пластину, проходящую в радиальном направлении через нижний по потоку конец кольцевого центрального элемента, и крышку, проходящую в радиальном направлении и расположенную ниже по потоку от отражающей пластины, причем указанные отражающая пластина и крышка по меньшей мере частично ограничивают охлаждающую полость между ними,

e. посадочное отверстие, проходящее через отражающую пластину;

f. выпускное отверстие для охлаждающего потока, проходящее через крышку и выровненное соосно с посадочным отверстием, и

g. охлаждающие отверстия, проходящие через отражающую пластину для обеспечения проточного сообщения между каналом для охлаждающего воздуха и охлаждающей полостью.

2. Топливная форсунка по п. 1, в которой указанные охлаждающие отверстия расположены под углом к продольной оси отражающей пластины в плоскости, ограниченной между продольной осью и тангенциальной осью отражающей пластины, для придания вихревого движения вокруг указанной продольной оси сжатой рабочей текучей среде, проходящей через указанные отверстия.

3. Топливная форсунка по п. 2, дополнительно содержащая завихрители, проходящие между топочной трубой и кольцевым центральным элементом в проточном канале предварительного смешивания, причем указанные завихрители выполнены с возможностью сообщения вихревого движения вокруг продольной оси топливной форсунки проходящей там сжатой рабочей текучей среде.

4. Топливная форсунка по п. 3, в которой охлаждающие отверстия расположены под углом для сообщения вихревого движения, которое является противоположным вихревому движению, сообщаемому завихрителями.

5. Топливная форсунка по п. 1, в которой крышка имеет холодную сторону и горячую сторону, причем выпускное отверстие для охлаждающего потока сужается радиально внутрь от холодной стороны к горячей стороне крышки.

6. Топливная форсунка по п. 1, дополнительно содержащая кольцевой теплозащитный экран, расположенный концентрически в посадочном отверстии.

7. Топливная форсунка по п. 6, дополнительно содержащая картридж жидкого топлива, проходящий через теплозащитный экран и имеющий концевую часть для ввода топлива, проходящую через теплозащитный экран и по меньшей мере частично через канал для охлаждающего потока указанной крышки.

8. Топливная форсунка по п. 7, дополнительно содержащая полость для охлаждения концевой части картриджа, по меньшей мере частично ограниченную между теплозащитным экраном и концевой частью указанного картриджа для ввода топлива.

9. Топливная форсунка по п. 1, дополнительно содержащая картридж для перепуска продувочного воздуха, расположенный концентрически в посадочном отверстии отражающей пластины и имеющий отверстия для охлаждающего воздуха, проточно сообщающиеся с указанной охлаждающей полостью.

10. Концевой рассеивающий узел для топливной форсунки, содержащий

a. кольцевую отражающую пластину, по меньшей мере частично ограничивающую посадочное отверстие, проходящее концентрически через отражающую пластину вдоль продольной оси указанного концевого рассеивающего узла,

b. кольцевую крышку, расположенную коаксиально ниже по потоку от отражающей пластины и по меньшей мере частично ограничивающую выпускное отверстие для охлаждающего потока, расположенное на одной оси с посадочным отверстием, при этом крышка имеет наружную часть, проходящую между отражающей пластиной и крышкой, причем указанная наружная часть, крышка и отражающая пластина по меньшей мере частично ограничивают расположенную между ними охлаждающую полость, и

с. наклонные охлаждающие отверстия, проходящие через отражающую пластину для обеспечения проточного сообщения с охлаждающей полостью, причем указанные охлаждающие отверстия расположены под углом к продольной оси отражающей пластины в плоскости, ограниченной между продольной осью и тангенциальной осью отражающей пластины.

11. Концевой рассеивающий узел по п. 10, в котором крышка имеет холодную сторону и горячую сторону, причем выпускное отверстие охлаждающего потока сужается радиально внутрь от холодной стороны к горячей стороне крышки.

12. Концевой рассеивающий узел по п. 10, дополнительно содержащий кольцевой теплозащитный экран, расположенный концентрически в посадочном отверстии.

13. Концевой рассеивающий узел по п. 12, в котором теплозащитный экран проходит через крышку.

14. Концевой рассеивающий узел по п. 12, дополнительно содержащий картридж жидкого топлива, проходящий через теплозащитный экран и имеющий концевую часть для ввода топлива, проходящую через теплозащитный экран и по меньшей мере частично через канал для охлаждающего потока указанной крышки.

15. Концевой рассеивающий узел по п. 14, дополнительно содержащий полость для охлаждения концевой части картриджа, по меньшей мере частично ограниченную между теплозащитным экраном и концевой частью указанного картриджа для ввода топлива.

16. Концевой рассеивающий узел по п. 10, дополнительно содержащий картридж для перепуска продувочного воздуха, концентрически расположенный в посадочном отверстии отражающей пластины.

17. Газовая турбина, содержащая компрессор, расположенный у верхнего по потоку конца газовой турбины, камеру сгорания, расположенную ниже по потоку от компрессора, и турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания, причем указанная камера сгорания проточно сообщается с устройством подачи топлива и устройством подачи сжатого воздуха и содержит торцевую крышку, соединенную с корпусом, причем указанный корпус по меньшей мере частично окружает камеру сгорания, причем ниже по потоку от торцевой крышки проходит топливная форсунка, содержащая

i. топочную трубу,

ii. кольцевой центральный элемент, расположенный концентрически в указанной топочной трубе, проходящий вдоль продольной оси топливной форсунки и по меньшей мере частично ограничивающий проточный канал для охлаждающего воздуха, проходящий через кольцевой центральный элемент, причем указанный центральный элемент имеет нижний по потоку конец,

iii. проточный канал предварительного смешивания, ограниченный между топочной трубой и кольцевым центральным элементом,

iv. концевой рассеивающий узел, расположенный на нижнем по потоку конце центрального элемента и содержащий отражающую пластину, проходящую в радиальном направлении через нижний по потоку конец центрального элемента, и крышку, проходящую в радиальном направлении и расположенную соосно ниже по потоку от отражающей пластины, причем указанная отражающая пластина и указанная крышка по меньшей мере частично ограничивают охлаждающую полость между ними, причем отражающая пластина по меньшей мере частично ограничивает посадочное отверстие, а крышка по меньшей мере частично ограничивает выходное отверстие для охлаждающего потока, расположенное на одной оси с посадочным отверстием, и

v. охлаждающие отверстия, проходящие через отражающую пластину для обеспечения проточного сообщения между каналом для охлаждающего воздуха и охлаждающей полостью.

18. Газовая турбина по п. 17, в которой охлаждающие отверстия в отражающей пластине расположены кольцеобразно вокруг посадочного отверстия.

19. Газовая турбина по п. 17, в которой охлаждающие отверстия в отражающей пластине расположены под углом к продольной оси отражающей пластины в плоскости, ограниченной между продольной осью и тангенциальной осью отражающей пластины, для придания вихревого движения вокруг продольной оси охлаждающей среде, проходящей через указанные отверстия.

20. Газовая турбина по п. 17, в которой концевой рассеивающий узел дополнительно содержит кольцевой теплозащитный экран, расположенный концентрически в посадочном отверстии, и картридж жидкого топлива, проходящий через теплозащитный экран, причем указанный экран и указанный картридж жидкого топлива по меньшей мере частично ограничивают между собой полость для охлаждения концевой части картриджа.