ВТОРИЧНОЕ УСТРОЙСТВО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК F23R3/28 F23R3/34 F02C7/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данная заявка и последующий патент относятся в целом к газотурбинным двигателям, более конкретно к камере сгорания, предназначенной для использования в газотурбинном двигателе и содержащей усовершенствованное вторичное устройство сгорания для снижения выбросов и повышения эксплуатационных характеристик.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эффективность обычного газотурбинного двигателя, как правило, повышается при повышении температуры потока продуктов сгорания. Однако более высокие температуры потока продуктов сгорания могут приводить к повышенным степеням образования оксидов азота («NOx») и других типов нежелательных выбросов. Такие выбросы могут регулироваться нормами как федеральными властями, так и властями штата в США, а также аналогичными нормами за пределами США. Таким образом, между работой газотурбинного двигателя в пределах эффективного диапазона температур и одновременным поддержанием образующихся оксидов азота (NOx) и других типов регулируемых выбросов значительно ниже предписанных уровней существует компромиссный баланс. Для обеспечения такого оптимизированного баланса изменению также могут подвергаться различные другие параметры.

Несколько типов известных конструкций газотурбинных двигателей, например таких, в которых используются камеры сгорания с низким содержанием NOx и влаги, как правило, обеспечивают предварительное смешивание потоков топлива и воздуха выше по потоку от реакционной зоны или зоны горения при помощи топливных форсунок с обеспечением снижения выбросов оксидов азота. В целом такое предварительное смешивание приводит к снижению общей температуры горения и соответственно содержания выбросов оксидов азота и т.п. с одновременным обеспечением эксплуатационной эффективности.

Другой способ уменьшения общего содержания выбросов оксидов азота может заключаться в снижении температур реакционной зоны до значений ниже уровня, при котором образуются выбросы оксидов азота. По существу, ниже по потоку от первичного устройства сгорания может быть расположено вторичное устройство сгорания. Указанное вторичное устройство может содержать набор инжекторов, обеспечивающих впрыскивание топлива и других текучих сред у головного конца камеры сгорания. Вследствие высокой температуры окружающей среды топливо быстро сгорает и затем понижает степень нагрева у головного конца камеры сгорания с уменьшением общего содержания выбросов оксидов азота. Несмотря на то, что для снижения общих выбросов такие вторичные устройства сгорания могут быть эффективными, тем не менее в таких устройствах может существовать проблема надежности в случае расположения инжекторов непосредственно в тракте прохождения горячих газов.

Соответственно существует необходимость в создании усовершенствованной камеры сгорания с пониженным общим содержанием выбросов оксидов азота и т.п. Предпочтительно такая камера сгорания может обеспечивать пониженное содержание выбросов без компромиссного снижения общей мощности на выходе, эффективности и надежности элементов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, данное изобретение обеспечивает вторичное устройство сгорания, предназначенное для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя. Указанное устройство может содержать кольцевой распределитель и проходящие от него инжекторы. Каждый инжектор может иметь сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем. Одно или более сопел могут иметь наклонную конфигурацию для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания под углом.

Данное изобретение также обеспечивает вторичное устройство сгорания, предназначенное для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя. Указанное устройство может содержать кольцевой распределитель и проходящие от него инжекторы. Каждый инжектор может иметь сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем. Сопла могут иметь входное отверстие с входным диаметром и выходное отверстие с выходным диаметром, причем входной диаметр превышает выходной диаметр.

Данное изобретение также обеспечивает вторичное устройство сгорания, предназначенное для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя. Указанное устройство может содержать кольцевой распределитель и проходящие от него инжекторы. Каждый инжектор может иметь сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем. С инжекторами может сообщаться вспомогательное инжекционное устройство. Указанное инжекционное устройство может сообщаться со вспомогательным топливным компрессором, вспомогательным воздушным компрессором, вспомогательным компрессором для разбавителей, конверсионным устройством для топлива, паровым или каталитическим компонентом и/или с генератором низкокалорийного газа.

Эти и другие особенности и усовершенствования, предложенные в данном изобретении, станут более очевидны специалисту после прочтения нижеследующего подробного описания при его рассмотрении совместно с чертежами и прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 изображает схему газотурбинного двигателя с компрессором, камерой сгорания и турбиной,

фиг. 2 изображает продольный разрез инжектора, который может использоваться с камерой сгорания, показанной на фиг. 1,

фиг. 3 изображает схематический продольный разрез примера камеры сгорания, описанной в данном документе,

фиг. 4 изображает вид сбоку вторичного устройства сгорания в камере сгорания, показанной на фиг. 3,

фиг. 5 изображает продольный разрез топливного сопла вторичного устройства сгорания, показанного на фиг. 4,

фиг. 6 изображает схему камеры сгорания с вспомогательным инжекционным устройством, описанным в данном документе,

фиг. 7 изображает схему камеры сгорания с конверсионным устройством для топлива, описанной в данном документе,

фиг. 8 изображает схему камеры сгорания с подачей отходящего газа, описанной в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В соответствии с чертежами, на которых одинаковые номера позиций на различных видах относятся к одинаковым элементам, фиг. 1 изображает схематический вид газотурбинного двигателя 10, который может использоваться в данном изобретении. Двигатель 10 может содержать компрессор 15, который сжимает поступающий поток воздуха 20 и направляет поток сжатого воздуха 20 к камере сгорания 25. Камера 25 смешивает поток сжатого воздуха 20 с потоком топлива 30, находящимся под давлением, и воспламеняет полученную смесь с образованием потока газов 35 сгорания. Несмотря на то, что показана только одна камера 25 сгорания, газотурбинный двигатель 10 может содержать любое количество камер 25. Поток газов 35 сгорания, в свою очередь, подается к турбине 40 для приведения ее в действие с обеспечением создания механической работы. Производимая в турбине 40 механическая работа приводит в действие компрессор 15 (с помощью вала 45) и внешнюю нагрузку 50, например электрогенератор и т.п.

В газотурбинном двигателе 10 может использоваться природный газ, различные виды синтетического газа и/или другие виды топлива. Двигатель 10 может представлять собой один из различных газотурбинных двигателей, предлагаемых компанией Дженерал Электрик, в том числе, но без ограничения этим, например, газотурбинные двигатели большой единичной мощности, относящиеся к 7 или 9 серии, и т.п. Газотурбинный двигатель 10 может иметь различные конфигурации, и в нем могут использоваться элементы других типов. В данном изобретении также могут использоваться газотурбинные двигатели других типов. Кроме того, в данном изобретении могут совместно использоваться несколько газотурбинных двигателей, турбины других типов и энергетические установки других типов.

Вышеописанная камера 25 сгорания может содержать первичное устройство сгорания и вторичное устройство сгорания. На фиг. 2 показан пример известного инжектора 55, применяемого в случае использования вторичного устройства сгорания. В целом инжектор 55 может содержать топливный канал 60, сообщающийся с потоком топлива 30, и воздушный канал 65, сообщающийся с потоком воздуха 20. Инжектор 55 может иметь удлиненную стенку 70, проходящую от соединения 75. Инжектор 55 может иметь одно или более сопел 80, сообщающихся с топливным каналом 60 и воздушным каналом 65. Канал 60 и канал 65 могут объединяться у смешивающего канала 85 около сопла 80 и создавать топливно-воздушную смесь 90. Топливно-воздушная смесь 90 может быть введена в поток газов 35 сгорания по существу в поперечном направлении. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

На фиг. 3 изображена камера 100 сгорания, описанная в данном документе. Камера 100 может содержать первичное устройство 110 сгорания. В целом устройство 110 может содержать корпус 120, торцевую крышку 130, форсунки 140, колпак 150, проточный патрубок 160 и жаровую трубу 170. Форсунки 140 могут представлять собой набор форсунок 180 для предварительного смешивания. Форсунки 180 для предварительного смешивания могут содержать расположенный на них завихритель 190. Ниже по потоку от форсунок 140 в жаровой трубе 170 может быть расположена первичная зона 200 сгорания. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

Поступающий из компрессора 15 поток воздуха 20 может проходить вдоль тракта приточного воздуха между патрубком 160 и жаровой трубой 170. Затем у торцевой крышки 130 поток воздуха 20 может изменять направление на обратное и смешиваться с потоком топлива 30 около форсунок 140. Поток воздуха 20 и поток топлива 30 могут сгорать в зоне 200 с образованием горячих газов 35 сгорания. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

Как показано на фиг. 3 и 4, камера 100 сгорания также может содержать вторичное устройство 210 сгорания. Вторичное устройство 210 сгорания может быть расположено ниже по потоку от зоны 200 и непосредственно выше по потоку от переходного отсека 220 и турбины 40. Вторичное устройство 210 сгорания может содержать кольцевой распределитель 230 с проходящими от него инжекторами 240. Инжекторы 240 проходят в поток горячих газов 35 сгорания. Кольцевой распределитель 230 может иметь воздушный канал 250 и топливный канал 260, сообщающиеся с инжекторами 240. Как подробно изложено ниже, инжекторы 240 могут иметь проходы для воздуха и проходы для топлива. Вторичная зона 270 сгорания может проходить от кольцевого распределителя 230 вниз по потоку в направлении переходного отсека 220. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

В горячие газы сгорания из инжекторов 240 устройства 210 могут быть впрыснуты дополнительный поток воздуха 20 и дополнительный поток топлива 30. Соответственно горячие газы 35 сгорания, выходящие из первичной зоны 200, могут воспламенять эту вторичную смесь. По существу, проходящие в результате вторичные реакции могут полностью завершаться в отсеке 220 до входа в турбину 40, что обеспечивает снижение температуры и содержания выбросов в ней.

На фиг. 5 изображена часть инжектора 240, описанного в данном документе. Инжектор 240 может иметь расположенные на нем сопла 310. Каждое сопло 310 может проходить от входного отверстия 320 к выходному отверстию 330. Входное отверстие 320 может начинаться у смешивающего канала 340, сообщающегося с топливным каналом 350 и воздушным каналом 360 для создания топливно-воздушной смеси 365. Выходное отверстие 330 может проходить вдоль стенки 370 инжектора 240. Как изложено выше, известный инжектор 55 обеспечивает введение топливно-воздушной смеси 90 по существу в поперечном направлении к потоку горячих газов 35 сгорания. Однако в данном примере сопла 310 инжектора 240 могут иметь наклонную конфигурацию 380 для введения топливно-воздушной смеси 365. Более конкретно, сопла 310 могут быть расположены под углом к стенке 370 инжектора 240. Сопла 310 могут иметь конфигурацию 380 с наклоном в направлении 390 вверх по потоку относительно потока газов 35 сгорания для обеспечения увеличения скорости смешивания при уменьшенном проникновении. Сопла 310 также могут иметь конфигурацию 380 с наклоном в направлении 400 вниз по потоку для обеспечения улучшения отрыва пламени. В данном изобретении угол может быть различным.

Сопла 310 инжектора 240 также могут иметь входной диаметр 410 у входного отверстия 320 вблизи канала 340 и выходной диаметр 420 у выходного отверстия 330 вдоль стенки 370. Выходной диаметр 420 может быть увеличен относительно входного диаметра 410 для обеспечения возможности прохождения большего потока и большего проникновения топливно-воздушной смеси 365 в первичный поток. Как вариант, диаметр 420 может быть уменьшен для увеличения общей скорости потока смеси 365. Соответственно на фиг. 5 показан большой диаметр 430, который равен входному диаметру 410 или превышает его, и малый диаметр 440, который равен входному диаметру 410 или меньше него. В данном изобретении могут использоваться сопла 310 с другими диаметрами. Кроме того, в данном документе могут совместно использоваться сопла 310 с различными диаметрами. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

На фиг. 6 изображен альтернативный вариант выполнения камеры 450 сгорания, описанной в данном документе. Камера 450 может содержать первичное устройство 110 сгорания и вторичное устройство 210 сгорания, в целом аналогичные описанным выше. Аналогичным образом, камера 450 может сообщаться с потоком топлива 30 и потоком воздуха 20, поступающим из компрессора 15. Камера 450 также может обеспечивать подачу потока газов 35 сгорания к турбине 40. Однако при этом камера 450 может содержать вспомогательное инжекционное устройство 460, которое может сообщаться со вспомогательным компрессором 470 для разбавителей, вспомогательным топливным компрессором 480, вспомогательным воздушным компрессором 490 и с компрессором 15. Таким образом, к устройству 210 могут подаваться топливо/воздух и/или разбавитель, находящиеся под давлением, для увеличения скорости топливно-воздушного потока 365, проходящего через сопла 310. Соответственно увеличение скорости топливно-воздушного потока 365 может повысить общее давление вблизи устройства 210. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

На фиг. 7 изображен альтернативный вариант выполнения камеры 500 сгорания, описанной в данном документе. В этом примере вспомогательное инжекционное устройство 460 также может сообщаться с конверсионным устройством 510 для топлива, которое может сообщаться со вспомогательным топливным компрессором 480 и с поступающим паровым или каталитическим компонентом 520 для конверсии потока топлива 30. Паровой или каталитический компонент 520 может быть извлечен в газовом сепараторе 530 перед поступлением к устройству 460. Таким образом, использование конверсионного устройства 510 изменяет величину нагревания топливно-воздушного потока 365, выходящего из сопел 310. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

На фиг. 8 изображен альтернативный вариант выполнения камеры сгорания, описанной в данном документе. В этом примере вспомогательное инжекционное устройство 460 может сообщаться с генератором 550 низкокалорийного газа через теплообменник 560. Соответственно генератор 550 может обеспечивать подачу отходящего газа к устройству 460 для использования в нем. Таким образом, генератор 550 изменяет величину нагревания топливно-воздушного потока 365, выходящего из сопел 310. В данном изобретении могут использоваться другие элементы и другие конфигурации.

Рассмотренные в данном документе камеры сгорания со вторичным устройством 210 сгорания и инжекторами 240 обеспечивают варьирование угла наклона сопел, диаметра, скорости и/или величины нагревания для снижения общего содержания выбросов. Более конкретно, требуемая величина нагревания струи инжектора и ее состав, угол наклона сопел, диаметр и скорость могут быть определены и изменены. Изменение угла наклона сопел может увеличивать скорость смешивания при уменьшенном проникновении и/или может обеспечивать лучший отрыв пламени. Диаметр сопел может быть увеличен для обеспечения возможности прохождения большего потока и степени проникновения или может быть уменьшен для увеличения общей скорости. Увеличенная скорость также может быть обеспечена путем повышения давления, подаваемого к инжекторам. Аналогичным образом, величина нагревания может быть изменена с помощью конверсионного устройства для топлива или газогенератора. Таким образом, комбинация этих особенностей обеспечивает возможность более быстрого смешивания и/или улучшения отрыва пламени с получением пониженного общего содержания выбросов без потери эффективности и общей мощности на выходе.

Следует понимать, что вышеизложенное относится только к конкретным вариантам выполнения данного изобретения. Специалистом могут быть выполнены различные изменения и модификации без отклонения от сущности и объема изобретения, определенных пунктами нижеследующей формулы изобретения и их эквивалентами.

Вторичное устройство сгорания предназначено для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя и содержит кольцевой распределитель и инжекторы, проходящие от кольцевого распределителя в поток газов сгорания. Инжекторы имеют сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем и выполненные с возможностью введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания. Каждое сопло наклонено под первым углом к потоку газов сгорания вверх по потоку от вторичного устройства сгорания для увеличения скорости смешивания топливно-воздушной смеси в потоке газов сгорания, и при этом каждое сопло наклонено под вторым углом к стенке соответствующего инжектора, причем второй угол может быть различным. Изобретение направлено на уменьшение вредных выбросов. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Вторичное устройство сгорания, предназначенное для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя и содержащее

кольцевой распределитель и

инжекторы, проходящие от кольцевого распределителя в поток газов сгорания и имеющие сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем и выполненные с возможностью введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания, при этом каждое сопло наклонено под первым углом к потоку газов сгорания вверх по потоку от вторичного устройства сгорания для увеличения скорости смешивания топливно-воздушной смеси в потоке газов сгорания, и при этом каждое сопло наклонено под вторым углом к стенке соответствующего инжектора, причем второй угол может быть различным.

2. Вторичное устройство сгорания по п. 1, в котором кольцевой распределитель имеет воздушный канал и топливный канал.

3. Вторичное устройство сгорания по п. 1, в котором каждое сопло имеет входное отверстие с входным диаметром и выходное отверстие с выходным диаметром.

4. Вторичное устройство сгорания по п. 3, в котором входной диаметр равен выходному диаметру или превышает его.

5. Вторичное устройство сгорания по п. 3, в котором входной диаметр равен выходному диаметру или меньше него.

6. Вторичное устройство сгорания по п. 1, дополнительно содержащее вспомогательное инжекционное устройство, сообщающееся с инжекторами, вспомогательным топливным компрессором, вспомогательным воздушным компрессором и/или вспомогательным компрессором для разбавителей, при этом вспомогательное инжекционное устройство, вспомогательный топливный компрессор, вспомогательный воздушный компрессор и/или вспомогательный компрессор для разбавителей увеличивают скорость топливно-воздушной смеси, проходящей через сопла.

7. Вторичное устройство сгорания по п. 6, в котором вспомогательное инжекционное устройство сообщается с конверсионным устройством для топлива и с паровым или каталитическим компонентом.

8. Вторичное устройство сгорания по п. 6, в котором вспомогательное инжекционное устройство сообщается с генератором низкокалорийного газа.

9. Вторичное устройство сгорания, предназначенное для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя и содержащее

кольцевой распределитель и

инжекторы, проходящие от кольцевого распределителя в поток газов сгорания и имеющие сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем и выполненные с возможностью введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания, при этом каждое сопло наклонено под первым углом к потоку газов сгорания вверх по потоку от вторичного устройства сгорания для увеличения скорости смешивания топливно-воздушной смеси в потоке газов сгорания, и при этом каждое сопло наклонено под вторым углом к стенке соответствующего инжектора, причем второй угол может быть различным, при этом

сопла имеют входное отверстие с входным диаметром и выходное отверстие с выходным диаметром,

причем входной диаметр превышает выходной диаметр.

10. Вторичное устройство сгорания, предназначенное для введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания в камере сгорания газотурбинного двигателя и содержащее

кольцевой распределитель,

инжекторы, проходящие от кольцевого распределителя в поток газов сгорания и имеющие сопла, сообщающиеся с кольцевым распределителем и выполненные с возможностью введения топливно-воздушной смеси в поток газов сгорания, при этом каждое сопло наклонено под первым углом к потоку газов сгорания вверх по потоку от вторичного устройства сгорания для увеличения скорости смешивания топливно-воздушной смеси в потоке газов сгорания, и при этом каждое сопло наклонено под вторым углом к стенке соответствующего инжектора, причем второй угол может быть различным, и

вспомогательное инжекционное устройство, сообщающееся с инжекторами, вспомогательным топливным компрессором, вспомогательным воздушным компрессором и/или вспомогательным компрессором для разбавителей, при этом вспомогательное инжекционное устройство, вспомогательный топливный компрессор, вспомогательный воздушный компрессор и/или вспомогательный компрессор для разбавителей увеличивают скорость топливно-воздушной смеси, проходящей через сопла.

11. Вторичное устройство сгорания по п. 10, в котором вспомогательное инжекционное устройство сообщается с конверсионным устройством для топлива и с паровым или каталитическим компонентом.

12. Вторичное устройство сгорания по п. 10, в котором вспомогательное инжекционное устройство сообщается с генератором низкокалорийного газа.

13. Вторичное устройство сгорания по п. 10, в котором сопла имеют входное отверстие с входным диаметром и выходное отверстие с выходным диаметром, причем входной диаметр равен выходному диаметру или превышает его.