ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО СМЕШАННЫМ ТОПЛИВОМ И ВОЗДУХОМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Российский патент 2017 года по МПК F23R3/28 F23R3/46 

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

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

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

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

Что касается других компонентов газовой турбины, то для предотвращения расплавления материалов камеры сгорания необходимо осуществлять охлаждение. Традиционным способом охлаждения камеры сгорания является эффузионное охлаждение, реализуемое путем заключения облицовки камеры сгорания во вспомогательную смещенную облицовку, причем между указанными двумя облицовками, выходящий из компрессора воздух проходит насквозь и входит в проток для горячего воздуха через отверстия разбавления и охлаждающие каналы.

Посредством такой технологии отбирают тепло у компонента, а также создают тонкий пограничный слой охлаждающего воздуха между облицовкой и газообразными продуктами сгорания, предотвращая передачу тепла облицовке. Отверстия разбавления выполняют две функции в зависимости от их осевого расположения на облицовке: отверстие разбавления, расположенное ближе к топливовоздушным форсункам, способствует смешиванию газов для улучшения сгорания, а также обеспечивает подачу свежего воздуха для сгорания, во-вторых, отверстие, размещенное ближе к турбине, охлаждает поток горячего газа, и может быть приспособлено для регулирования температурного профиля на выходе из камеры сгорания.

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

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает новую и усовершенствованную конструкцию камеры сгорания, способной работать в обычном режиме с минимальным количеством выбросов загрязняющих веществ, являющихся результатом сгорания топливовоздушной смеси. Изобретение содержит обычную кольцевую камеру сгорания с форсунками для предварительно смешанной топливовоздушной смеси и/или отверстиями разбавления, которые вводят в камеру сгорания выходящий из компрессора воздух и сжатое топливо в различных местоположениях в продольном и окружном направлениях. Отличительным признаком изобретения является такое размещение топливных и воздушных входов, которое создает условия для улучшенного смешивания веществ, вступающих в реакцию горения, и продуктов горения. Ступенчатость форсунок для предварительно смешанных топлива и воздуха для обеспечения наличия большего количества топлива выше по потоку от другого набора форсунок, расположенных ниже по потоку, улучшает смешивание вступающих в реакцию горения веществ и создает определенную концентрацию кислорода в области сгорания, что позволяет значительно сократить образование NO_x. Кроме того, введение выходящего из компрессора воздуха ниже по потоку от области сгорания позволяет сжигать/использовать любое количество СО, образовавшегося во время сгорания, перед подачей газа в первую ступень турбины. По существу камера сгорания согласно изобретению позволяет снизить уровень выбросов газовой турбиной, сокращая тем самым необходимость в устройствах контроля выбросов, а также позволяет минимизировать воздействие на окружающую среду таких устройств. В дополнение к указанному усовершенствованию, тангенциальное воспламенение топлива и топливовоздушные форсунки направляют свое пламя на соседнюю горелку, в значительной степени улучшая процесс зажигания в камере сгорания, причем результирующий поток, выходящий из камеры сгорания имеет существенный окружной компонент скорости, который уменьшает требуемый размер первой ступени сопловых направляющих лопаток.

Краткое описание чертежей На чертежах:

фиг. 1 представляет собой двухмерный эскиз, на котором показаны форсунки, прикрепленные к наружной облицовке камеры сгорания и имеющие окружное и радиальное направление в камере сгорания (возможное продольное направление форсунки не показано);

фиг. 2 представляет собой вид сбоку в изометрии примера кольцевой камеры сгорания с предложенным ступенчатым впрыском топлива и воздуха;

фиг. 3 представляет собой вид сбоку в изометрии в разрезе, плоскость которого задана осевой линией и радиусом двигателя;

фиг .4A представляет собой вид сбоку в изометрии в направлении хвостовой части, на котором показана передняя стенка и перфорированная передняя стенка, которые может содержать настоящее изобретение;

фиг. 4B представляет собой увеличенный вид фиг. 4A;

фиг. 5A представляет собой вид спереди в изометрии примера осуществления камеры сгорания в направлении от хвостовой части вперед, на котором показаны выходные и входные форсунки;

фиг. 5B представляет собой увеличенный вид фиг. 5A; и

фиг. 6 представляет собой двухмерную схему, на которой показано поперечное сечение форсунки типовой конструкции топливовоздушной форсунки.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует принципиальное устройство кольцевой камеры сгорания с тангенциально направленными топливовоздушными форсунками. Камера сгорания состоит из наружной оболочки (или облицовки) 1, внутренней оболочки (или облицовки) 2, каждая из которых может иметь постоянный или переменный радиус в продольном направлении, и наружной стенки 6, соединяющей внутреннюю и наружную облицовки 1, 2. Как видно на указанной фигуре, пример конструкции изобретения содержит форсунки 3 предварительно смешанного топлива и воздуха, направленные преимущественно в окружном направлении, причем между линией 8, касательной к наружной облицовке, и осевыми линиями 9 форсунок 3 образован угол 10, но в дополнение к указанному направлению может также содержать радиальный или продольный компонент. Указанные различные форсунки 3 могут находиться в общей плоскости, заданной продольным направлением и точкой на осевой линии двигателя, и могут быть равномерно распределены по окружности или иметь другую схему распределения в этом направлении. Указанные форсунки вводят предварительно смешанную топливовоздушную смесь 4 в объем камеры сгорания, образованный указанными внутренней и наружной оболочкой 1, 2 и передней стенкой 6. Вступающие в реакцию вещества, впрыскиваемые топливными и воздушными форсунками 3, сгорают внутри указанной области и создают поле 5 течения через камеру сгорания, которое вращается вокруг осевой линии двигателя. Указанные форсунки, сквозь которые проходит топливо, воздух или предварительно смешанные топливо и воздух, имеют типовую конструкцию, показанную на фиг. 6. Круговая область 12, соосная с форсункой, заключает в себе область, которая может удерживать осевой завихритель и/или пусковые топливные/воздушные форсунки. Концентрический кольцевой канал 11 для потока может придать воздуху или предварительно смешанной топливовоздушной смеси завихрение в диапазоне от малого до нулевого. Минимальное завихрение, в случае если таковое вообще предусмотрено, сообщают потоку через указанный кольцевой канал для достижения существенной тангенциальной скорости потока, входящего в камеру сгорания. Такая конфигурация позволяет потоку сохранять максимальное значение окружной компоненты скорости на выходе камеры сгорания, что снижает требуемую длину лопаток первой ступени турбины.

На фиг. 2 показан пример конструкции изобретения, в котором топливные форсунки 3 размещены выше по потоку (слева) от второго набора топливовоздушных форсунок, которые находятся в общей плоскости и распределены по окружности. Может быть предусмотрено наличие одной и более топливных форсунок 3, вплоть до их неограниченного количества. Выходящий из компрессора воздух может быть также введен в объем камеры сгорания через перфорированную переднюю стенку 6, как показано на фиг. 3, 4A и 4B. Впрыскивание меси через первый ряд форсунок, расположенных вблизи передней стенки, которые могут иметь более высокое соотношение топливо/воздух, чем второй набор форсунок, вместе с впрыскиванием смеси ниже по потоку от топливных форсунок 3 обеспечивает требуемое смешивание и ступенчатый топливовоздушный эффект, что, в свою очередь, создает оптимальные условия сгорания и позволяет сократить выбросы NO_x и CO из камеры сгорания в условиях частичной загрузки и/или полной загрузки. Горячие продукты сгорания затем покидают камеру сгорания через кольцевое отверстие 7, как показано на фиг. 5A и 5 В, где они входят на первую ступень газовой турбины.

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

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

Способ смешивания вступающих в реакцию горения веществ для газотурбинного двигателя включает в себя следующие шаги - обеспечивают камеру сгорания, содержащую наружную оболочку, внутреннюю оболочку и перфорированную переднюю стенку, топливные форсунки. Вводят предварительно смешанную топливовоздушную смесь в объем камеры сгорания, причем вступающие в реакцию вещества, впрыскиваемые топливными и воздушными форсунками, сгорают внутри указанной области и создают поле течения через камеру сгорания, которое вращается вокруг осевой линии двигателя. Впрыскивают выходящий из компрессора воздух через перфорированную переднюю стенку. Выполняют впрыскивание смеси через первый ряд форсунок, расположенных вблизи передней стенки и имеющих более высокое соотношение топливо/воздух, чем второй набор форсунок, вместе с впрыскиванием смеси ниже по потоку от топливных форсунок, тем самым обеспечивая требуемое смешивание и ступенчатый топливовоздушный эффект, что, в свою очередь, создает оптимальные условия сгорания и позволяет сократить выбросы NOx и СО из камеры сгорания в условиях частичной загрузки и/или полной загрузки. Выводят горячие продукты сгорания из камеры сгорания через кольцевое отверстие. Изобретение направлено на повышение эффективности горения и уменьшение токсичности выбросов продуктов сгорания. 6 ил.

Способ смешивания вступающих в реакцию горения веществ для газотурбинного двигателя, включающий в себя следующие шаги:

обеспечивают камеру сгорания, содержащую:

наружную оболочку (1), внутреннюю оболочку (2) и перфорированную переднюю стенку (6), которая соединяет наружную оболочку (1) и внутреннюю оболочку (2), образующие объем камеры сгорания, и кольцевое пространство (7);

топливные форсунки (3), размещенные выше по потоку от второго набора топливовоздушных форсунок, которые находятся в общей плоскости и распределены по окружности;

вводят предварительно смешанную топливовоздушную смесь в объем камеры сгорания, причем вступающие в реакцию вещества, впрыскиваемые топливными и воздушными форсунками (3), сгорают внутри указанной области и создают поле (5) течения через камеру сгорания, которое вращается вокруг осевой линии двигателя;

впрыскивают выходящий из компрессора воздух через перфорированную переднюю стенку (6);

выполняют впрыскивание смеси через первый ряд форсунок, расположенных вблизи передней стенки и имеющих более высокое соотношение топливо/воздух, чем второй набор форсунок, вместе с впрыскиванием смеси ниже по потоку от топливных форсунок (3), тем самым обеспечивая требуемое смешивание и ступенчатый топливовоздушный эффект, что, в свою очередь, создает оптимальные условия сгорания и позволяет сократить выбросы NOx и СО из камеры сгорания в условиях частичной загрузки и/или полной загрузки; и затем

выводят горячие продукты сгорания из камеры сгорания через кольцевое отверстие (7).