Способ смешивания вступающих в реакцию горения веществ для камеры сгорания газотурбинного двигателя Российский патент 2017 года по МПК F23R3/30 F23R3/28 F23R3/46 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройствам в газотурбинных двигателях, в которых происходит и которые позволяют осуществлять смешивание и сжигание топлива и воздуха. Такие устройства содержат следующие элементы, но не ограничены ими, топливно-воздушные форсунки, кожухи и корпуса камеры сгорания, а также потоконаправляющие элементы, используемые в воздушных суднах военного и коммерческого назначения, системах генерирования энергии и других областях.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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

Существуют различные типы камер сгорания газотурбинного двигателя: трубчатая, кольцевая и комбинированная, трубчато-кольцевая, камеры сгорания. В камере сгорания сжатая топливно-воздушная смесь проходит через топливно-воздушные завихрители и вступает в реакцию горения, создавая поток горячего газа, вызывающего падение давления и ускорение движение газового потока. Камера сгорания трубчатого типа обычно содержит индивидуальные, распределенные по окружности трубы, вмещающие пламя каждой форсунки по отдельности. Поток из каждой трубы затем направляют через проход и объединяют в кольцевом газосборнике, перед тем как поток пройдет к первой ступени лопаток. В камере сгорания кольцевого типа топливно-воздушные форсунки обычно распределены по окружности и позволяют ввести смесь в единственную кольцевую камеру, в которой происходит горение. Поток просто выходит через конец кольцевой камеры, расположенный ниже по потоку, к первой ступени турбины, при этом нет необходимости в газосборнике для объединения потока. Ключевое отличие камеры сгорания последнего типа, трубчато-кольцевой камеры сгорания, состоит в наличии отдельных труб, окруженных кольцевым корпусом, содержащим воздух, подаваемый в каждую трубу. Каждый из типов камер имеет свои достоинства и недостатки, в зависимости от условий их применения.

В камерах сгорания газовых турбин обычным для топливно-воздушных форсунок является завихрение смеси, осуществляемое по нескольким причинам. Во-первых, это улучшает смешение и, следовательно, горение, во-вторых, дополнительное завихрение стабилизирует пламя, что предотвращает затухание пламени и позволяет использовать более бедные топливно-воздушные смеси для уменьшения количества выбросов. Существуют различные конфигурации топливно-воздушных форсунок, например, с одним или множественными кольцевыми заборными патрубками с завихряющими лопатками на каждом.

Что касается других компонентов газовой турбины, необходимо осуществлять охлаждение, чтобы предотвратить расплавление материалов камеры сгорания. Обычный способ охлаждения камеры сгорания - эффузионное охлаждение, осуществляемое вокруг жаровой трубы камеры сгорания со вспомогательным защитным кожухом, нагнетаемый компрессором воздух проходит через отверстия для вторичного воздуха и охлаждающие проходы и входит в поток горячего воздуха. Такой способ позволяет отнимать тепло у охлаждаемого компонента, а также образовать тонкий пограничный слой охлаждающего воздуха между кожухом жаровой камеры и газообразными продуктами сгорания, предотвращая передачу тепла кожуху. Отверстия для вторичного воздуха выполняют две функции в зависимости от их осевого расположения на кожухе: отверстие для вторичного воздуха, расположенное ближе к топливно-воздушным форсункам, помогает осуществлять смешение газов для интенсификации процесса горения, а также обеспечивает подачу свежего воздуха для горения, во-вторых, отверстие, размещенное ближе к турбине, охлаждает поток горячего газа, и может быть приспособлено для регулирования профиля температур на выходе из камеры сгорания.

Понятно, что для интенсификации процесса горения и снижения количества выбросов могут быть применены разные способы и технологии в конструкциях камер сгорания газотурбинных двигателей. Несмотря на то, что наблюдается тенденция к уменьшению образования количества загрязняющих веществ газовыми турбинами по сравнению с другими способами генерирования энергии, все еще существуют возможности для улучшения этих характеристик. В некоторых странах происходит ужесточение государственного регулирования по выбросам, и для того, чтобы удовлетворять предъявляемым требованиям, технологию необходимо усовершенствовать.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Что касается настоящего изобретения, оно обеспечивает неизвестную из уровня техники и усовершенствованную конструкцию камеры сгорания, способную работать в обычном режиме, минимизируя количество выбросов загрязняющих веществ, являющихся результатом горения топливно-воздушной смеси, и решить другие вопросы, с которыми сталкиваются при использовании таких устройств. Изобретение содержит обычную трубчато-кольцевую камеру сгорания с форсунками для предварительно подготовленной топливно-воздушной смеси и/или отверстиями для подвода нагнетаемого компрессором воздуха и сжатого топлива в камеру сгорания при различных расположениях в продольном направлении и в направлении по окружности. Оригинальный признак изобретения заключается в том, что топливные и воздушные форсунки размещены таким образом, чтобы создавать среду для интенсификации смешения участвующих в процессе горения веществ и продуктов. Ступенчатое расположение форсунок для предварительно подготовленной смеси топлива и воздуха обеспечивает более высокую концентрацию топлива выше по потоку от другой серии форсунок, интенсифицирует смешение участвующих в процессе горения веществ и создает определенную концентрацию кислорода в области горения, что позволяет значительно сократить образование NO_x. Вдобавок, введение нагнетаемого компрессором воздуха ниже по потоку от области горения позволяет сжигать/утилизировать любое количество СО, образовавшегося во время горения, перед тем, как газ попадет в первую ступень турбины. По существу камера сгорания согласно изобретению позволяет снизить количество выбросов газовой турбиной, сокращая тем самым необходимость в устройствах контроля выбросов, а также минимизировать воздействие на окружающую среду такими устройствами. Вдобавок к этому усовершенствованию, тангенциальное направление пламени и топливно-воздушных форсунок позволяет направить пламя на соседнюю горелку в каждой трубе, в значительной степени интенсифицируя процесс воспламенения в камере сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Обращаясь к графическим материалам:

На фиг. 1 представлен двухмерный схематичный чертеж, показывающий трубчато-кольцевое устройство с форсунками, прикрепленными к наружному трубчатому кожуху и впрыскивающими топливо и воздух в общей плоскости.

На фиг. 2 показан двухмерный схематичный чертеж, представляющий основную идею тангенциально расположенных форсунок, размещенных на трубе трубчато-кольцевой камеры сгорания.

На фиг. 3 показана изометрическая боковая проекция расположенной выше по потоку части примера осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 4А показан изометрический вырез настоящего изобретения.

На фиг. 4В представлено увеличенное изображение фиг. 4А.

На фиг. 5 показан разрез А-А, отмеченный на фиг. 3.

На фиг. 6 показан разрез В-В, отмеченный на фиг. 3.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показан пример общей идеи устройства трубчато-кольцевой камеры сгорания с трубами 1, распределенными по окружности с общим радиусом, все трубы замкнуты между цилиндрическим наружным кожухом 2 и цилиндрическим внутренним кожухом 3. На чертеже также показано тангенциальное расположение форсунок на трубах. Более подробно труба показана на фиг. 2. Трубчатый кожух 4 образует трубчатый объем, в который топливно-воздушные форсунки 5 впрыскивают заранее подготовленную топливно-воздушную смесь. Форсунки образуют угол 8 между осевой линией 6 форсунки и линией, являющейся касательной к поверхности трубчатого кожуха 4, пересекающей осевую линию 6 форсунки. Этот угол определяет направление форсунок вдоль по окружности.

На фиг. 2 также показан основной принцип работы трубы в примере осуществления трубчато-кольцевой конструкции камеры сгорания, в которой заранее подготовленную топливно-воздушную смесь 9 впрыскивают в трубы 1 под углом 8. Пламя 10 образует и проходит через трубу путем 11, повторяющим форму трубчатого кожуха. Такое тангенциальное ориентирование форсунок приводит к взаимодействию пламени от каждой форсунки с пламенем от расположенной ниже по потоку соседней форсунки. Это ключевое отличие позволяет интенсифицировать процесс воспламенения и сократить количество необходимых пилотных горелок путем обеспечения воспламенения топлива соседней, расположенной ниже по потоку форсунки от пламени расположенной выше по потоку форсунки.

На фиг. 3 показана передняя или располагающаяся выше по потоку часть трубы примера осуществления без части, располагающейся ниже по потоку. Настоящее изобретение подразумевает наличие множества венцов форсунок, расположенных в продольном направлении трубы. Каждый венец форсунок может содержать по меньшей мере одну форсунку и может быть смещен под круговым углом относительно соседних венцов форсунок. Труба может также иметь несколько венцов распределенных по окружности отверстий 12 или проходов для охлаждающего воздуха, чтобы тот мог попасть в трубу в любом месте.

На фиг. 4А и 4В показан внешний вид 13 конца трубы, расположенный в начале, выше по потоку, который может иметь отверстия 14, подобные отверстиям для вторичного воздуха, позволяющим нагнетаемому компрессором воздуху попадать в трубу.

На фиг. 5 и 6 показано, как форсунки из каждой серии могут быть смещены под круговым углом относительно друг друга. Различные венцы форсунок позволяют осуществлять впрыск топливно-воздушной смеси с более высоким значением соотношения топливо/воздух около передней стенки, чем у второй серии форсунок со смесью, впрыскиваемой ниже по потоку от топливных форсунок 5, чтобы создать желаемое смешение и топливно-воздушный ступенчатый эффект, который позволит создать оптимальную среду горения, что, в свою очередь, позволяет сократить количество выбросов NO_x и СО из камеры сгорания.

Настоящее изобретение раскрыто выше на основе предпочтительного варианта осуществления. Однако специалисту в данной области будет понятно, что могут быть выполнены различные изменения и модификации раскрытого варианта изобретения без отклонения от сущности и объема притязаний настоящего изобретения. Различные изменения и модификации варианта осуществления, выбранного в данном документе с целью иллюстрации сущности изобретения, будут очевидны специалистам в данной области. Если такие модификации и вариации не выходят за пределы сущности изобретения, они должны быть включены в объем правовой охраны изобретения.

Изобретение полностью раскрыто в ясной и понятной форме, для того чтобы дать возможность специалистам в данной области техники понять и реализовать его на практике.

Способ смешивания вступающих в реакцию горения веществ для камеры сгорания газотурбинного двигателя осуществляется в трубчато-кольцевой камере сгорания, которая содержит множество распределенных по окружности труб замкнутых между двумя цилиндрическими кожухами. Указанные трубы ограничивают отдельные зоны сгорания. Каждая труба выполнена в виде трубчатого кожуха, имеющего верхний конец, расположенный выше по потоку и содержащий переднюю стенку, и имеющего нижний конец, расположенный ниже по потоку. Зона сгорания представляет собой трубчатый объем трубчатого кожуха, при этом трубчатый объем проходит в продольном направлении от передней стенки верхнего конца трубчатого кожуха до нижнего конца трубчатого кожуха. В передней стенке выполнено множество отверстий для воздуха. В трубчатом кожухе выполнены первые форсунки и вторые форсунки. Первые форсунки отстоят друг от друга и распределены по окружности вокруг зоны сгорания между передней стенкой и нижним концом трубчатого кожуха. Вторые форсунки отстоят друг от друга и распределены по окружности вокруг зоны сгорания между передней стенкой и первыми форсунками, которые расположены ниже по потоку от вторых форсунок в направлении нижнего конца трубчатого кожуха и лежат в первой плоскости, перпендикулярной продольному направлению трубчатого объема. Вторые форсунки расположены выше по потоку от первых форсунок в направлении верхнего конца трубчатого кожуха и лежат во второй плоскости, перпендикулярной продольному направлению трубчатого объема. Способ осуществляют следующим образом. Впрыскивают предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем через первые форсунки, каждая из которых подает предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем в направлении, образующем угол с касательной к трубчатому кожуху. Затем впрыскивают предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем через вторые форсунки, каждая из которых подает предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем в направлении, образующем угол с касательной к трубчатому кожуху. Предварительно смешанная топливовоздушная смесь, впрыскиваемая через первые форсунки, имеет первое соотношение топливо/воздух, а предварительно смешанная топливовоздушная смесь, впрыскиваемая через вторые форсунки, имеет второе соотношение топливо/воздух Второе соотношение топливо/воздух больше первого соотношения топливо/воздух. Впрыскивают выходящий из компрессора воздух через множество отверстий для воздуха через переднюю стенку в трубчатый объем в продольном направлении трубчатого объема. Впрыскивания предварительно смешанной топливовоздушной смеси в трубчатый объем через первые форсунки, впрыскивания предварительно смешанной топливовоздушной смеси в трубчатый объем через вторые форсунки и впрыскивания выходящего из компрессора воздуха через множество отверстий для воздуха через переднюю стенку в трубчатый объем обеспечивают создание ступенчатого топливовоздушного эффекта для улучшения горения и снижения выбросов NO_x и СО. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ смешивания вступающих в реакцию горения веществ для камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащего трубчато-кольцевую камеру сгорания, которая содержит множество распределенных по окружности труб (1), замкнутых между двумя цилиндрическими кожухами (2, 3), причем указанные трубы (1) ограничивают отдельные зоны сгорания, при этом каждая труба выполнена в виде трубчатого кожуха (4), имеющего верхний конец, расположенный выше по потоку и содержащий переднюю стенку, и имеющего нижний конец, расположенный ниже по потоку, при этом зона сгорания представляет собой трубчатый объем трубчатого кожуха, причем указанный трубчатый объем проходит в продольном направлении от передней стенки верхнего конца трубчатого кожуха до нижнего конца трубчатого кожуха, при этом в передней стенке выполнено множество отверстий (14) для воздуха, причем в трубчатом кожухе выполнены первые форсунки и вторые форсунки, при этом первые форсунки отстоят друг от друга и распределены по окружности вокруг зоны сгорания между передней стенкой и нижним концом трубчатого кожуха, а вторые форсунки отстоят друг от друга и распределены по окружности вокруг зоны сгорания между передней стенкой и первыми форсунками, которые расположены ниже по потоку от вторых форсунок в направлении нижнего конца трубчатого кожуха и лежат в первой плоскости (В), перпендикулярной продольному направлению трубчатого объема, при этом вторые форсунки расположены выше по потоку от первых форсунок в направлении верхнего конца трубчатого кожуха и лежат во второй плоскости (А), перпендикулярной продольному направлению трубчатого объема; причем способ включает следующие шаги:

a) впрыскивают предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем через первые форсунки, каждая из которых подает предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем в направлении, образующем угол с касательной к трубчатому кожуху;

b) впрыскивают предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем через вторые форсунки, каждая из которых подает предварительно смешанную топливовоздушную смесь в трубчатый объем в направлении, образующем угол с касательной к трубчатому кожуху, при этом предварительно смешанная топливовоздушная смесь, впрыскиваемая через первые форсунки, имеет первое соотношение топливо/воздух, а предварительно смешанная топливовоздушная смесь, впрыскиваемая через вторые форсунки, имеет второе соотношение топливо/воздух, причем второе соотношение топливо/воздух больше первого соотношения топливо/воздух; и

с) впрыскивают выходящий из компрессора воздух через множество отверстий (14) для воздуха через переднюю стенку в трубчатый объем в продольном направлении трубчатого объема;

причем указанные шаги впрыскивания предварительно смешанной топливовоздушной смеси в трубчатый объем через первые форсунки, впрыскивания предварительно смешанной топливовоздушной смеси в трубчатый объем через вторые форсунки и впрыскивания выходящего из компрессора воздуха через множество отверстий для воздуха через переднюю стенку в трубчатый объем обеспечивают создание ступенчатого топливовоздушного эффекта для улучшения горения и снижения выбросов NO_x и СО.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждой трубы (1) обеспечивают наличие на трубчатом кожухе распределенных по окружности отверстий (12) для охлаждающего воздуха между нижним концом трубчатого кожуха и первыми форсунками; и подают охлаждающий воздух через распределенные по окружности отверстия (12) для охлаждающего воздуха в трубчатый объем между нижним концом трубчатого кожуха и первыми форсунками.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждая из первых форсунок направляет все пламя к соседней первой форсунке для улучшения сгорания, а каждая из вторых форсунок направляет все пламя к соседней второй форсунке для улучшения сгорания.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первые форсунки смещены по окружности относительно вторых форсунок.