КАРТРИДЖ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПЛЕНКООБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА Российский патент 2018 года по МПК F23R3/28 F23R3/34 F23R3/38 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Предложенное изобретение относится в целом к картриджу предварительного пленкообразования для жидкого топлива для камеры сгорания газовой турбины. В частности, предложенное изобретение относится к картриджу предварительного пленкообразования для жидкого топлива, имеющему общую поверхность предварительного пленкообразования для многослойного впрыска воды и жидкого топлива.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Камера сгорания для газовой турбины может быть предназначена и выполнена с возможностью сжигания жидкого топлива газообразного топлива или топлива обоих указанных видов в области горения. Из уровня техники хорошо известны форсунки предварительного пленкообразования для жидкого топлива с принудительным нагнетанием воздуха, выполненные для выпуска распыленного жидкого топлива в область горения. В форсунке данного типа топливо распыляется тонким непрерывным слоем и затем подвергается воздействию потока распыляющего воздуха.

[0003] В одной конфигурации распыляющий воздух протекает через концентричные проходы для завихрения воздуха, выполненные с возможностью генерирования отдельных вихревых воздушных потоков на выходе из форсунки. Одновременно жидкое топливо протекает через расположенные по окружности отверстия и затем на одиночную или общую поверхность предварительного пленкообразования, на которой происходит распространение жидкого топлива в тонкий равномерный слой до выпуска от кромки поверхности предварительного пленкообразования в поперечно протекающий поток воздуха. При впрыске топлива в область горения для сжигания в газообразных продуктах сгорания происходит локальное образование зон высокой температуры, что повышает выбросы NOx. Усиленное смешивание топливно-воздушной комбинации из топливной форсунки с вихревой топливно-воздушной смесью в камере сгорания снижает пиковую температуру пламени внутри камеры сгорания и, следовательно, снижает уровни выбросов NOx. Кроме этого, в камеру сгорания может впрыскиваться вода для дополнительного снижения (охлаждения) температуры пламени, что дополнительно снижает уровни выбросов NOx.

[0004] Использование распыляющего воздуха для "разрезания" жидкого топлива снижает объем воздуха, применяемого для других целей, например, для охлаждения камеры сгорания и/или других частей газовой турбины, и, следовательно, влияет на общую эффективность газовой турбины. Кроме этого, для обеспечения достаточной кинетической энергии для взаимодействия с топливом и распыляющим воздухом должен подаваться большой объем воды при достаточно высоком давлении, что требует наличие насосов высокого давления, что также может влиять на общую эффективность газовой турбины. Кроме этого, использование распыляющего воздуха для распыления жидкого топлива может в результате приводить к появлению относительно крупных капель топлива, которые могут собираться на внутренней поверхности жаровой трубы и/или теплозащитном покрытии, которое размещено, как правило, вдоль данной внутренней поверхности, или смачивать их. Таким образом, существует необходимость в усовершенствованном картридже предварительного пленкообразования для жидкого топлива для камеры сгорания газовой турбины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Аспекты и преимущества предложенного изобретения изложены далее в описании, или могут быть очевидны из указанного описания, или могут быть получены при практической реализации предлагаемого изобретения.

[0006] В одном варианте выполнения изобретения предложен картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива. Данный картридж содержит основной корпус, проход для воды, выполненный внутри основного корпуса, проход для жидкого топлива, выполненный внутри основного корпуса, проход для сжатого воздуха, выполненный внутри основного корпуса, и оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку части указанного картриджа. Оконечный элемент предварительного пленкообразования включает верхнюю по потоку или переднюю концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней или нижней по потоку концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями. Указанная внутренняя сторона образует поверхность предварительного пленкообразования, оканчивающуюся на режущей или острой кромке для распыления эмульсии. Оконечный элемент предварительного пленкообразования также имеет отверстия для впрыска воды, ориентированные тангенциально относительно осевой центральной линии указанного картриджа. Отверстия для впрыска воды проходят через поверхность предварительного пленкообразования вблизи передней концевой части и проточно сообщаются с указанным проходом для воды. Через поверхность предварительного пленкообразования между отверстиями для впрыска жидкого топлива и режущей или острой кромкой для распыления эмульсии тангенциально ориентированы отверстия для впрыска жидкого топлива. Данные отверстия для впрыска жидкого топлива проточно сообщаются с указанным проходом для жидкого топлива. Вокруг режущей или острой кромки для распыления эмульсии в осевом направлении ориентированы отверстия для впрыска воздуха. Данные отверстия для впрыска распыляющего воздуха проточно сообщаются с указанным проходом для сжатого воздуха. Радиально снаружи от указанных отверстий для впрыска распыляющего воздуха ниже по потоку от режущей кромки для распыления эмульсии выполнена режущая кромка для распыляющего воздуха.

[0007] В другом варианте выполнения изобретения предложен картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива. Указанный картридж содержит проход для воды, выполненный внутри основного корпуса, проход для жидкого топлива, выполненный внутри основного корпуса радиально снаружи от прохода для воды, проход для сжатого воздуха, выполненный внутри основного корпуса радиально снаружи от прохода для воды, и оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку части данного картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива. Указанный оконечный элемент включает переднюю или верхнюю по потоку концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней или нижней по потоку концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями. Данная внутренняя сторона ограничивает поверхность предварительного пленкообразования, оканчивающуюся на режущей или острой кромке для распыления эмульсии. Указанный оконечный элемент также имеет расположенные выше по потоку отверстия для впрыска воздуха, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования вблизи с передней концевой частью и проточно сообщающиеся с указанным проходом для сжатого воздуха. При этом через поверхность предварительного пленкообразования ниже по потоку от расположенных выше по потоку отверстий для впрыска воздуха тангенциально сориентированы отверстия для впрыска воды. Данные отверстия для впрыска воды проточно сообщаются с указанным проходом для воды. Через поверхность предварительного пленкообразования между отверстиями для впрыска воды и режущей или острой кромкой для распыления эмульсии тангенциально вовнутрь ориентированы отверстия для впрыска жидкого топлива. Данные отверстия для впрыска жидкого топлива проточно сообщаются с указанным проходом для жидкого топлива. Указанный оконечный элемент дополнительно имеет отверстия для впрыска распыляющего воздуха, ориентированные в осевом направлении вокруг режущей или острой кромки для распыления эмульсии и проточно сообщающиеся с указанным проходом для сжатого воздуха. При этом, радиально снаружи от указанных отверстий для впрыска распыляющего воздуха и ниже по потоку от режущей кромки для распыления эмульсии выполнена режущая кромка для распыляющего воздуха.

[0008] В другом варианте выполнения изобретения предложена газовая турбина. Данная газовая турбина содержит компрессор, камеру сгорания, расположенную ниже по потоку от данного компрессора, и турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания. Указанная камера сгорания содержит топливную форсунку, проходящую вниз по потоку от концевой крышки и ограничивающую проход для картриджа для топлива внутри данной камеры сгорания. В проходе для картриджа для топлива проходит картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива, который содержит основной корпус, проход для воды, выполненный внутри основного корпуса, проход для жидкого топлива, выполненный внутри основного корпуса, проход для сжатого воздуха, выполненный внутри основного корпуса, и оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку части данного картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива вблизи концевой части топливной форсунки. При этом оконечный элемент предварительного пленкообразования содержит переднюю или верхнюю по потоку концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней или нижней по потоку концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями. Указанная внутренняя сторона ограничивает дугообразную поверхность предварительного пленкообразования, оканчивающуюся на режущей или острой кромке для распыления эмульсии. Указанный оконечный элемент предварительного пленкообразования также имеет отверстия для впрыска воды, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования вблизи передней концевой части и проточно сообщающиеся с указанным проходом для воды. Через поверхность предварительного пленкообразования между отверстиями для впрыска воды и режущей или острой кромкой для распыления эмульсии тангенциально ориентированы отверстия для впрыска жидкого топлива, проточно сообщающиеся с указанным проходом для жидкого топлива. Кроме этого, вокруг режущей или острой кромки для распыления эмульсии ориентированы в осевом направлении отверстия для впрыска распыляющего воздуха, проточно сообщающиеся с указанным проходом для сжатого воздуха. При этом радиально снаружи от указанных отверстий для впрыска распыляющего воздуха и ниже по потоку от режущей кромки для распыления эмульсии выполнена режущая кромка для распыляющего воздуха.

[0009] Признаки и аспекты этих и других вариантов выполнения изобретения станут более ясны для специалистов в данной области техники при рассмотрении описания предложенного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] В дальнейшей части описания изобретения приведено более подробное и полное раскрытие предложенного изобретения, в том числе и наилучший метод осуществления, предназначенное для специалиста в данной области техники и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

[0011] на фиг. 1 изображена функциональная блок-схема примера газовой турбины, которая может содержать различные варианты выполнения предложенного изобретения;

[0012] на фиг. 2 изображен упрощенный вид сбоку в сечении примера камеры сгорания, которая может быть выполнена в соответствии с различными вариантами выполнения предложенного изобретения;

[0013] на фиг. 3 изображена, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, частичная аксонометрическая проекция, в сечении, примера топливной форсунки, содержащей картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива;

[0014] на фиг. 4 изображена, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенная аксонометрическая проекция концевой части топливной форсунки, показанной на фиг. 3, содержащей расположенную снизу по потоку концевую часть картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива;

[0015] на фиг. 5 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенный вид сбоку в сечении концевой части топливной форсунки, содержащей расположенную снизу по потоку концевую часть картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива;

[0016] на фиг. 6 изображен, в соответствии с по меньшей мере одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенный вид части головки предварительного пленкообразования, показанной на фиг. 5;

[0017] на фиг. 7 изображен, в соответствии с по меньшей мере одним вариантом выполнения предлагаемого изобретения, увеличенный вид части головки предварительного пленкообразования, показанной на фиг. 5;

[0018] на фиг. 8 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, вид сверху картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива в сечении, выполненном по линии 8-8, показанной на фиг. 5;

[0019] на фиг. 9 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, вид сверху картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива в сечении, выполненном по линии 9-9, показанной на фиг. 5;

[0020] на фиг. 10 изображено, в соответствии с одним вариантом выполнения предлагаемого изобретения, увеличенный вид сбоку в сечении концевой части топливной форсунки, содержащей расположенную внизу по потоку концевую часть картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива;

[0021] на фиг. 11 изображено, в соответствии с одним вариантом выполнения предлагаемого изобретения, вид сверху картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива в сечении, выполненном по линии 11-11, показанной фиг. 8.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Далее ссылка сделана на варианты предложенного изобретения, причем по меньшей мере один из примеров данных вариантов приведен на прилагаемых чертежах. В подробном описании использованы цифровые и буквенные обозначения для ссылки на признаки, используемые на чертежах. Подобные или аналогичные обозначения на чертежах и в описании использованы для ссылки на подобные или аналогичные элементы предложенного изобретения. Используемые здесь термины "первый", "второй" и "третий" могут использоваться взаимозаменяемо для отличия одно компонента от другого и не определяют местоположение или значимость отдельных компонентов. Кроме этого, термины "расположенный выше по потоку" и "расположенный ниже по потоку" относятся к относительному направлению по отношению к потоку текучей среды в проточной части для текучей среды. Например, термин "расположенный выше по потоку" относится к направлению, противоположному протеканию текучей среды, а термин "расположенный ниже по потоку" относится к направлению, совпадающему с протеканием текучей среды. Термин "радиально" относится к относительному направлению, являющемуся по существу перпендикулярным к осевой центральной линии конкретного компонента, а термин "в осевом направлении" относится к относительному направлению, являющемуся по существу параллельным осевой центральной линии конкретного компонента.

[0023] Каждый пример представлен посредством объяснения предложенного изобретения, причем такое объяснение не носит ограничительного характера. В действительности, для специалистов в данной области техники очевидно, что в предложенном изобретении могут произведены модификации и изменения в пределах объема правовой защиты или существа предложенного изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта изобретения, могут быть использованы в другом варианте изобретения для создания еще одного варианта изобретения. Таким образом, предложенное изобретение охватывает такие модификации и изменения, которые подпадают под объем правовой охраны пунктов прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.

[0024] Предпочтительные варианты выполнения предложенного изобретения описаны для иллюстрации, в целом в контексте картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива, установленного в камеру сгорания промышленной газовой турбины. Однако специалисты в данной области техники могут легко понять, что варианты выполнения предложенного изобретения могут быть применены к любой камере сгорания, установленной в любой турбомашине, например, в газовой турбине морского или воздушного судна, и не ограничены камерой сгорания промышленной газовой турбины, если на это не сделана отдельная ссылка в пунктах формулы изобретения.

[0025] Далее рассмотрим прилагаемые чертежи, на которых одинаковые цифровые обозначения указывают на одинаковые элементы для всех фигур. На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема примера газовой турбины 10, которая может содержать различные варианты выполнения предложенного изобретения. Как изображено на данной фигуре, газовая турбина 10 в целом содержит впускную секцию 12, которая может содержать группу фильтров, охлаждающих змеевиков, влагоотделителей и/или других устройств для очищения и другой обработки рабочей текучей среды 14 (например, воздуха), входящей в газовую турбину 10. Рабочая среда 14 протекает в компрессорную секцию, в которой происходит постепенная передача компрессором 16 кинетической энергии рабочей текучей среде 14 для производства сжатой рабочей текучей среды 18.

[0026] Сжатую рабочую текучую среду 18 смешивают с топливом 20 из источника 22 топлива, например, из блока подготовки топлива, для образования горючей смеси внутри по меньшей мере одной камеры сгорания 24. Горючую смесь сжигают для производства газообразных продуктов 26 сгорания, имеющих высокую температуру, давление и скорость. При этом, газообразные продукты 26 сгорания протекают через турбину 28 турбинной секции для выполнения работы. Например, турбина 28 может быть соединена с валом 30 таким образом, что вращение турбины 28 приводит в действие компрессор 16 для производства сжатой рабочей текучей среды 18. Как вариант или в дополнение, вал 30 может соединять турбину 28 с генератором 32 для производства электричества. Из турбины 28 выхлопные газы 34 протекают через выхлопную секцию 36, соединяющую турбину 28 с выхлопной трубой 38, расположенной ниже по потоку от турбины 28. При этом выхлопная секция 36 может содержать, например, теплоутилизационный парогенератор (не изображено) для очищения и извлечения дополнительного тепла от выхлопных газов 34 до сброса в окружающую среду.

[0027] На фиг. 2 изображено упрощенное поперечное сечение примера камеры сгорания 24, которая может быть выполнена в соответствии с различными вариантами выполнения предложенного изобретения. Как изображено на данной фигуре, камера сгорания 24 окружена, по меньшей мере частично, внешним кожухом 40. Внешний кожух 40 образует, по меньшей мере частично, напорную камеру 42 высокого давления вокруг камеры сгорания 24. При этом напорная камера 42 высокого давления может быть выполнена с возможностью проточного сообщения с компрессором 16 или с другим источником для подачи сжатой рабочей текучей среды 18 в камеру сгорания 24. В одной конфигурации с внешним кожухом 40 соединена концевая крышка 44. При этом концевая крышка 44 может быть выполнена с возможностью проточного сообщения с источником 22 топлива.

[0028] Как изображено на фиг.2, по меньшей мере одна топливная форсунка 46 проходит вниз по потоку от задней крышки 44 по существу в осевом направлении относительно осевой центральной линии камеры сгорания 24. Топливные форсунки 46 принимают топливо 20 непосредственно из источника 22 топлива и/или через концевую крышку 44. При этом один конец кольцевой облицовочной трубы 48, например, жаровой трубы и/или переходного канала, окружает нижний по потоку конец 50 топливных форсунок 46 для определения, по меньшей мере частично, области 52 горения внутри камеры сгорания 24. Кроме этого, облицовочная труба 48 ограничивает, по меньшей мере частично, проточную часть 54 для горячего газа для направления газообразных продуктов 26 сгорания из области 52 горения через камеру сгорания 24. Например, проточная часть 54 для горячего газа может быть выполнена с возможностью проведения газообразных продуктов 26 сгорания к турбине 28 и/или выхлопной секции 36 (фиг. 1).

[0029] На фиг. 3 изображена, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, аксонометрическая проекция, в поперечном сечении, примера топливной форсунки 46. Как изображено на фиг. 3, топливная форсунка 46 в целом содержит трубу или трубопровод 56, проходящий в осевом направлении между верхней по потоку концевой частью 58 и нижней по потоку концевой частью или конечной частью 60. При этом верхняя по потоку концевая часть 58 может быть выполнена с возможностью соединения с концевой крышкой 44 посредством фланца и/или по меньшей мере одного крепежного отверстия. При этом, нижняя по потоку концевая часть 60 топливной форсунки 46 может иметь расположенные кольцевым образом отверстия 62 для топлива.

[0030] В частных вариантах выполнения топливная форсунка 46 может содержать завихряющие лопатки 64, проходящие радиально наружу и в осевом направлении относительно осевой центральной линии топливной форсунки 46. Завихряющие лопатки 64 обеспечивают осевое или угловое завихрение сжатому воздуху 18 из камеры 42 высокого давления (фиг.2), усиливая смешивание сжатого воздуха 18 с топливом, например, с газообразным или жидким топливом, из источника 22 топлива выше по потоку от области 52 горения. Как изображено на фиг. 3, в различных вариантах выполнения труба или трубопровод 56 определяет, по меньшей мере частично, проход 66 для картриджа для топлива, проходящий в осевом направлении через топливную форсунку 46.

[0031] В некоторых вариантах выполнения предложенного изобретения в проходе 66 для картриджа для топлива расположен картридж 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива. При этом концевая крышка 44 может ограничивать, по меньшей мере частично, проход 66 для картриджа для топлива. Таким образом, обеспечена возможность установки картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива через проход 66 для картриджа для топлива через концевую крышку 44.

[0032] На фиг. 4 изображена, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, частичная аксонометрическая проекция, в поперечном сечении, конечной части 60 топливной форсунки 46, показанной на фиг. 3, содержащей нижнюю по потоку концевую часть 102 картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива. На фиг. 5 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенный вид сбоку в сечении конечной части 60 топливной форсунки 46, содержащей нижнюю по потоку концевую часть 102 картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива в соответствии с изображением на фиг. 4. Как изображено на фиг.4, нижняя по потоку концевая часть 102 картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива проходит по меньшей мере частично через конечную часть 60 топливной форсунки 46 для обеспечения проточного сообщения с областью 52 горения (фиг. 2).

[0033] Как изображено на фиг. 4, в одном варианте выполнения предложенного изобретения картридж 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива содержит проход 104 для воды, проход 106 для жидкого топлива и проход 108 для сжатого воздуха, причем каждый проход из перечисленных проходов выполнен в основном корпусе 110. При этом проход 104 для воды выполнен с возможностью проточного сообщения с источником воды и/или с источником разбавителя, указанный проход 106 для жидкого топлива выполнен с возможностью проточного сообщения с источником жидкого топлива, и проход 108 для сжатого воздуха проточно сообщается с источником сжатого воздуха. Указанный основной корпус 110 может быть представлен, по меньшей мере частично, внешним трубопроводом или трубой 112. При этом внешняя труба 112 может быть по существу цилиндрической.

[0034] В одном варианте выполнения предложенного изобретения проход 104 для воды ограничен, по меньше мере частично, внутренней трубой или трубопроводом 114, расположенным в основном корпусе 110. При этом внутренняя труба 114 соосно выровнена с осевой центральной линией картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива и выполнена с возможностью проточного сообщения с источником воды и/или с источником разбавителя. В свою очередь, проход 106 для жидкого топлива ограничен, по меньшей мере частично, промежуточной трубой или трубопроводом 116, расположенным в основном корпусе 110 и окружающим внутреннюю трубу 114. При этом промежуточная труба 116 отделена в радиальном направлении от внутренней трубы 114 таким образом, что между указанными внутренней и промежуточной трубами в радиальном направлении наружу от прохода 104 для воды ограничен проход 106 для жидкого топлива. Кроме этого, промежуточная труба 116 выполнена с возможностью проточного сообщения с источником жидкого топлива. В свою очередь, проход 108 для сжатого воздуха ограничен, по меньшей мере частично, внешней трубой 112. Данная внешняя труба 112 окружает промежуточную трубу 116. При этом внешняя труба 112 отделена в радиальном направлении от промежуточной трубы 116 таким образом, что между указанными промежуточной и внешней трубами в радиальном направлении наружу от прохода 104 для воды и/или от прохода 106 для жидкого топлива ограничен проход 108 для сжатого воздуха. Кроме этого, внешняя труба 112 выполнена с возможностью проточного сообщения с источником сжатого воздуха.

[0035] Как изображено на фиг. 4 и 5, в некоторых вариантах выполнения предложенного изобретения картридж 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива содержит оконечный элемент 118 предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку части 102 основного корпуса 110 и/или картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива. Указанный оконечный элемент 118 предварительного пленкообразования содержит переднюю концевую часть 120, отделенную в осевом направлении от задней концевой части 122. Указанный оконечный элемент 118 предварительного пленкообразования также содержит внутреннюю сторону 124, проходящую, по меньшей мере частично, между передней концевой частью 120 и задней концевой частью 122. При этом внутренняя сторона 124 определяет, по меньшей мере частично, поверхность 126 предварительного пленкообразования указанного оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования. В одном варианте выполнения предложенного изобретения поверхность 126 предварительного пленкообразования выполнена дугообразной. Например, поверхность 126 предварительного пленкообразования может быть выпуклой или колоколообразной. В одном варианте выполнения поверхность 126 предварительного пленкообразования заканчивается на режущей или острой кромке 128 для распыления эмульсии, выполненной вблизи задней концевой части 122. При этом задняя концевая часть 122 заканчивается на режущей или острой кромке 130 для распыляющего воздуха.

[0036] Как изображено на фиг. 5, в одном варианте выполнения предложенного изобретения оконечный элемент 118 предварительного пленкообразования имеет отверстия 132 для впрыска воды или разбавителя, отверстия 134 для впрыска жидкого топлива и отверстия 136 для впрыска распыляющего воздуха. При этом на фиг. 6 изображен, в соответствии с по меньшей мере одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенный вид участка оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования, показанного на фиг. 5, на котором изображена часть режущей кромки 128 для распыления эмульсии, часть режущей кромки 130 для распыляющего воздуха и пример отверстия 136 для впрыска распыляющего воздуха. Как изображено на фиг. 6, между режущей кромкой 128 для распыления эмульсии и режущей кромкой 130 для распыляющего воздуха выполнен зазор или смещение 138. При этом режущая кромка 128 для распыления эмульсии расположена радиально внутри от отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха.

[0037] На фиг. 7 изображен, в соответствии с по меньшей мере одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенный вид участка оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования, показанного на фиг. 5, на котором в разрезе изображен пример отверстия 132 для впрыска воды/разбавителя и пример отверстия 134 для впрыска жидкого топлива. Как изображено на фиг. 5 и 7, вдоль участка внутренней стороны 124 выполнена полка или ступень 140. При этом в одном варианте выполнения полка или ступень 140 выполнена на внутреннее стороне 124 и проходит в радиальном направлении и по окружности вокруг внутренней стороны 124. Данная полка или ступень 140 выполнена ниже по потоку от отверстий 132 для впрыска воды и выше по потоку от отверстий 134 для впрыска жидкого топлива.

[0038] На фиг. 8 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, вид сверху картриджа 100 предварительного пленкообразования для впрыска жидкого топлива в сечении, выполненном по линии 8-8, показанной на фиг. 5, на котором подробно показаны отверстия 132 для впрыска воды. Как изображено на фиг. 5 и 8, отверстия 132 для впрыска воды проходят через поверхность 126 предварительного пленкообразования вблизи верхней по потоку концевой части 120. При этом, по меньшей мере некоторые из отверстий 132 для впрыска воды сориентированы для направления капель или струй 142 воды 144 или другого разбавителя из прохода 104 для воды на поверхность 126 предварительного пленкообразования. Например, в различных вариантах выполнения предложенного изобретения отверстия 132 для впрыска воды сориентированы тангенциально относительно по меньшей мере одного из внутренней стороны 124, осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования и/или центральной линии картриджа 100 предварительного смешивания для жидкого топлива, для придания, таким образом, завихрения струе 142 воды 144 при протекании данной струи вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования. В результате струя 142 воды 144 имеет окружную, радиальную и осевую скорость относительно осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования, частично зависящую от диаметра и формы отверстий 132 для впрыска воды и давления внутри прохода 104 для воды.

[0039] На фиг. 9 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, вид сверху картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива в сечении, выполненном по линии 9-9, показанной на фиг. 5, на котором подробно показаны отверстия 134 для впрыска жидкого топлива. Как изображено на фиг. 5 и 9, отверстия 134 для впрыска жидкого топлива проходят через поверхность 126 предварительного пленкообразования ниже по потоку от отверстий 132 для впрыска воды. По меньшей мере некоторые из отверстий 134 для впрыска жидкого топлива ориентированы для направления капель или струй 146 жидкого топлива 148 из прохода 106 для жидкого топлива на поверхность 126 предварительного пленкообразования. Например, в различных вариантах выполнения предложенного изобретения отверстия 134 для впрыска жидкого топлива ориентированы тангенциально относительно по меньшей мере одного из внутренней стороны 124, осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования и/или центральной линии картриджа 100 предварительного смешивания для жидкого топлива, для придания, таким образом, завихрения струе 146 жидкого топлива 148 при ее протекании вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования. В результате струя 146 жидкого топлива 148 имеет окружную, радиальную и осевую скорость относительно осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования, частично зависящую от диаметра и формы отверстий 134 для впрыска жидкого топлива и давления внутри прохода 106 для жидкого топлива. В некоторых вариантах выполнения предложенного изобретения окружная, радиальная и осевая скорость струи 142 воды 144 отлична от окружной, радиальной и осевой скорости струи 146 жидкого топлива 148.

[0040] Как изображено на фиг. 4, в некоторых вариантах выполнения предложенного изобретения отверстия 136 для впрыска распыляющего воздуха ориентировано в осевом направлении вокруг задней концевой части 122 оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования относительно осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования и/или картриджа 100 предварительного смешивания для жидкого топлива. В одном варианте выполнения отверстия 136 для впрыска распыляющего воздуха ориентированы в осевом направлении между режущей кромкой 128 для распыления эмульсии и режущей кромкой 130 для распыляющего воздуха. При этом, как изображено на фиг. 4 и 6, по меньшей мере одно отверстие из отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха ориентировано для направления потока или струи 150 сжатого воздуха 152 из прохода 108 для сжатого воздуха вниз по потоку от режущей кромки 130 для распыляющего воздуха и/или задней концевой части 122 головки 118 предварительного пленкообразования по направлению к области 52 горения (фиг. 2).

[0041] В одном варианте выполнения предложенного изобретения по меньшей мере некоторые из отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха ориентированы или расположены под углом относительно осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования и/или картриджа 100 предварительного смешивания для жидкого топлива для придания, таким образом, завихрения потоку 150 сжатого воздуха 152 при выходе данного потока из отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха. В результате поток 150 сжатого воздуха 152 имеет окружную, радиальную и осевую скорость относительно осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования, частично зависящую от диаметра и формы отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха и давления внутри прохода 108 для сжатого воздуха. В некоторых вариантах выполнения предложенного изобретения окружная, радиальная и осевая скорость потока 150 сжатого воздуха 152 отлична от по меньшей мере одной скорости из окружной, радиальной и осевой скорости струи 142 воды 144 и струи 146 жидкого топлива 148.

[0042] На фиг. 10 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, увеличенный вид сбоку в сечении расположенной внизу по потоку концевой части 60 топливной форсунки 46, содержащей расположенную внизу по потоку концевую часть 102 картриджа 100 предварительного пленкообразования для жидкого топлива. При этом, как изображено на фиг. 10, в одном варианте выполнения оконечный элемент 118 предварительного пленкообразования имеет верхние по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха, выполненных выше по потоку от отверстий 132 для впрыска воды и/или выше по потоку от отверстий 134 для впрыска жидкого топлива и выше по потоку от отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха. В одном варианте выполнения расположенные выше по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха выполнены выше по потоку от полки или ступени 140.

[0043] На фиг. 11 изображен, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения, вид сверху картриджа 100 предварительного пленкообразования для впрыска жидкого топлива в сечении, выполненном по линии 11-11, показанной на фиг.10, на котором подробно показаны расположенные выше по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха. Как изображено на фиг. 10 и 11, расположенные выше по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха проходят через поверхность 126 предварительного пленкообразования выше по потоку от отверстий 132 для впрыска воды. При этом по меньшей мере некоторые из расположенных выше по потоку отверстий 154 для впрыска воздуха ориентированы для направления внутреннего потока 156 сжатого воздуха 152 из прохода 108 для сжатого воздуха или другого источника сжатого воздуха, например, из напорной камеры 42 высокого давления, на внутреннюю сторону 124 и/или поверхность 126 предварительного пленкообразования. Например, в различных вариантах выполнения предложенного изобретения расположенные выше по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха ориентированы тангенциально относительно по меньшей мере одного из внутренней стороны 124, осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования и/или центральной линии картриджа 100 предварительного смешивания для жидкого топлива, для придания, таким образом, завихрения внутреннему потоку 156 сжатого воздуха 152 при его протекании вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования. В результате внутренний поток 156 сжатого воздуха 152 имеет окружную, радиальную и осевую скорость относительно осевой центральной линии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования, частично зависящую от диаметра и формы расположенных выше по потоку отверстий 154 для впрыска воздуха и давлении внутри прохода 108 для сжатого воздуха или внутри другого источника сжатого воздуха.

[0044] Как изображено, в комбинации, на фиг. 10 и 11, в одном варианте выполнения предложенного изобретения расположенные выше по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха проточно соединены с проходом 108 для сжатого воздуха через проход 158 для потока, выполненный через полые опоры 160, проходящие между внешней трубой 112, промежуточной трубой 116 и внутренней трубой 114, что обеспечивает возможность проточного сообщения между проходом 108 для сжатого воздуха и соответствующим по меньшей мере одним отверстием из расположенных выше по потоку отверстий 154 для впрыска воздуха. При этом в некоторых вариантах выполнения предложенного изобретения окружная, радиальная и осевая скорость внутреннего потока 156 сжатого воздуха 152 из расположенных выше по потоку отверстий 154 для впрыска воздуха отлична от, по меньшей мере, одной скорости из окружной, радиальной и осевой скорости струи 142 воды 144, струи 146 жидкого топлива 148 и потока 150 сжатого воздуха 152 из отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха.

[0045] Как проиллюстрировано в различных вариантах выполнения на фиг. 4-11, при эксплуатации воду 144 подают в проход 104 для воды, жидкое топливо 148 подают в проход 106 для жидкого топлива, и сжатый воздух 152 подают в проход 108 для сжатого воздуха. При этом струю 142 воды 144 направляют на поверхность 126 предварительного пленкообразования через отверстия 132 для впрыска воды. При протекании вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования струя 142 воды 144 имеет первую окружную, радиальную и осевую скорость. Кроме этого, струю 146 жидкого топлива 148 направляют на поверхность 126 предварительного пленкообразования через отверстия 134 для впрыска жидкого топлива. При протекании вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования данная струя 146 жидкого топлива 148 имеет вторую окружную, радиальную и осевую скорость. В одном варианте выполнения предложенного изобретения струя 142 воды 144 протекает поверх или над полкой или ступенью 140 выше по потоку от струи 146 жидкого топлива, что, таким образом, усиливает образование пленки между водой и топливом вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования.

[0046] При протекании струи 142 воды 144 и струи 146 жидкого топлива 148 над и/или вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования выше по потоку от режущей кромки 128 для распыления эмульсии происходит образование квазиэмульсии 162 (фиг. 7) из воды 144 и жидкого топлива 148. В свою очередь, при протекании над режущей кромкой 128 для распыления эмульсии происходит частичное распыление квазиэмульсии 162 из воды 144 и жидкого топлива 148. Дальнейшее распыление реализовано при пересечении частично распыленной квазиэмульсии из воды 144 и жидкого топлива 148 с потоком или струей 144 сжатого воздуха 146, протекающей из отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха. В одном варианте выполнения обеспечено протекание частично распыленной квазиэмульсии и сжатого воздуха 152 над режущей кромкой 130 для распыляющего воздуха, что значительно усиливает дальнейшее распыление квазиэмульсии 162 вследствие оптимизации размера осевого зазора или смещения 138, обычно всегда превышающего нулевое значение. Таким образом, распыленная квазиэмульсия снижает температуру пламени внутри области 52 горения при использовании уменьшенного количества воды 146, которая подается при меньшем давлении воды, чем необходимо для обычной технологии, что в результате повышает общую эффективность газовой турбины 10.

[0047] В другом варианте выполнения предложенного изобретения внутренний поток 156 сжатого воздуха 152 направляют на поверхность 126 предварительного пленкообразования через расположенные выше по потоку отверстия 154 для впрыска воздуха. При протекании вдоль поверхности 126 предварительного пленкообразования внутренний поток 156 сжатого воздуха 152 имеет третью окружную, радиальную и осевую скорость. При этом внутренний поток 156 сжатого воздуха 152 может дополнительно усиливать смешивание струи 142 воды 144 и струи 146 жидкого топлива 148 выше по потоку от режущей кромки 128 для распыления эмульсии и/или от отверстий 136 для впрыска распыляющего воздуха.

[0048] Различные варианты предложенного в настоящем документе изобретения обеспечивают различные технические преимущества по сравнению с существующими картриджами предварительного пленкообразования для жидкого топлива. Например, поскольку каждая струя из струи 142 воды 144 и струи 146 жидкого топлива 148 имеет различную окружную, осевую и радиальную скорость, то на поверхности 126 предварительного пленкообразования одновременно происходит образование отдельных или дискретных пленок как из воды 144, так и из жидкого топлива 148. В результате взаимодействие между двумя дискретными пленками из воды 144 и жидкого топлива 148 происходит в целом на режущей кромке 128 для распыления эмульсии оконечного элемента 118 предварительного пленкообразования. Таким образом, обеспечено более качественное распыление квазиэмульсии 162 из воды 144 и жидкого топлива 148 с количеством воды, меньшим, чем необходимо для удовлетворения требуемых или регламентированных уровней выбросов NOx в соответствии с обычными технологиями. Кроме этого, в предложенном изобретении требуется давление воды, которое меньше, чем в обычных технологиях, что в результате обеспечивает экономию затрат, связанных с применяемыми, как правило, водными насосами высокого давления.

[0049] В настоящем описании примеры используются для раскрытия изобретения, включая наилучший метод, а также для обеспечения возможности любому специалисту в данной области техники практически использовать изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем и реализацию любых включенных способов. Патентоспособный объем изобретения определен в пунктах формулы изобретения и может содержать другие примеры, которые понятны специалистам в данной области техники. Подобные другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если у них есть структурные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.

Изобретение относится к картриджу предварительного пленкообразования для жидкого топлива для камеры сгорания газовой турбины. Картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива содержит основной корпус, имеющий проход для воды, проход для жидкого топлива, проход для сжатого воздуха и оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку части картриджа. Оконечный элемент содержит переднюю концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями. Внутренняя сторона по меньшей мере частично ограничивает поверхность предварительного пленкообразования, оканчивающуюся на острой кромке для распыления эмульсии. Оконечный элемент имеет отверстия для впрыска воды, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования, отверстия для впрыска жидкого топлива, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования, и отверстия для впрыска распыляющего воздуха, ориентированные в осевом направлении вокруг острой кромки для распыления эмульсии. Ниже по потоку от острой кромки для распыления эмульсии и от отверстий для впрыска распыляющего воздуха выполнена острая кромка для распыляющего воздуха. Изобретение направлено на усовершенствование картриджа и повышение эффективности работы газовой турбины. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива, содержащий:

основной корпус,

проход для воды, выполненный внутри основного корпуса,

проход для жидкого топлива, выполненный внутри основного корпуса,

проход для сжатого воздуха, выполненный внутри основного корпуса,

оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку концевой части указанного картриджа и имеющий переднюю концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями, при этом внутренняя сторона ограничивает поверхность предварительного пленкообразования, которая оканчивается на острой кромке для распыления эмульсии, при этом оконечный элемент предварительного пленкообразования имеет:

отверстия для впрыска воды, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования вблизи передней концевой части и проточно сообщающиеся с проходом для воды,

отверстия для впрыска жидкого топлива, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования между отверстиями для впрыска воды и острой кромкой для распыления эмульсии и проточно сообщающиеся с проходом для жидкого топлива,

отверстия для впрыска распыляющего воздуха, ориентированные в осевом направлении вокруг острой кромки для распыления эмульсии и проточно сообщающиеся с проходом для сжатого воздуха, и

острую кромку для распыляющего воздуха, выполненную радиально снаружи от указанных отверстий для впрыска распыляющего воздуха и ниже по потоку от предназначенной для распыления эмульсии острой кромки.

2. Картридж по п. 1, в котором поверхность предварительного пленкообразования выполнена дугообразной.

3. Картридж по п. 1, в котором каждое отверстие для впрыска воды ориентировано с обеспечением направления струи воды на поверхность предварительного пленкообразования.

4. Картридж по п. 1, в котором по меньшей мере одно отверстие для впрыска воды ориентировано с обеспечением придания завихрения соответствующей струе воды.

5. Картридж по п. 1, в котором каждое отверстие для впрыска жидкого топлива ориентировано с обеспечением направления струи жидкого топлива на поверхность предварительного пленкообразования.

6. Картридж по п. 1, в котором по меньшей мере одно отверстие для впрыска жидкого топлива ориентировано с обеспечением придания завихрения соответствующей струе жидкого топлива.

7. Картридж по п. 1, в котором острая кромка для распыления эмульсии смещена в осевом направлении от острой кромки для распыляющего воздуха.

8. Картридж по п. 1, в котором отверстия для впрыска распыляющего воздуха ориентированы с обеспечением придания завихрения потоку сжатого воздуха, выходящему из отверстий для впрыска распыляющего воздуха.

9. Картридж по п. 1, содержащий ступень, проходящую радиально и по окружности вдоль внутренней стороны оконечного элемента предварительного пленкообразования ниже по потоку от отверстий для впрыска воды.

10. Картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива, содержащий:

проход для воды, выполненный внутри основного корпуса,

проход для жидкого топлива, выполненный внутри основного корпуса радиально снаружи от прохода для воды,

проход для сжатого воздуха, выполненный внутри основного корпуса радиально снаружи от прохода для жидкого топлива,

оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку концевой части картриджа и имеющий переднюю концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями, при этом внутренняя сторона ограничивает поверхность предварительного пленкообразования, которая оканчивается на острой кромке для распыления эмульсии, при этом указанный оконечный элемент предварительного пленкообразования имеет:

расположенные выше по потоку отверстия для впрыска воздуха, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования вблизи передней концевой части и проточно сообщающиеся с проходом для сжатого воздуха,

отверстия для впрыска воды, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования ниже по потоку от расположенных выше по потоку отверстий для впрыска воздуха и проточно сообщающиеся с проходом для воды,

отверстия для впрыска жидкого топлива, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования между отверстиями для впрыска воды и острой кромкой, предназначенной для распыления эмульсии, и проточно сообщающиеся с проходом для жидкого топлива,

отверстия для впрыска распыляющего воздуха, ориентированные в осевом направлении вокруг острой кромки для распыления эмульсии и проточно сообщающиеся с проходом для сжатого воздуха, и

острую кромку для распыляющего воздуха, выполненную радиально снаружи от указанных отверстий для впрыска распыляющего воздуха и ниже по потоку от предназначенной для распыления эмульсии острой кромки.

11. Картридж по п. 10, в котором каждое отверстие из расположенных выше по потоку отверстий для впрыска воздуха ориентировано с обеспечением направления внутреннего потока сжатого воздуха на поверхность предварительного пленкообразования.

12. Картридж по п. 11, в котором по меньшей мере одно отверстие из расположенных выше по потоку отверстий для впрыска воздуха ориентировано с обеспечением придания завихрения соответствующему потоку разбавителя.

13. Картридж по п. 10, в котором каждое из отверстий для впрыска воды ориентировано с обеспечением направления струи воды на поверхность предварительного пленкообразования.

14. Картридж по п. 13, в котором по меньшей мере одно отверстие для впрыска воды ориентировано с обеспечением придания завихрения соответствующей струе воды.

15. Картридж по п. 10, в котором каждое отверстие для впрыска жидкого топлива ориентировано с обеспечением направления струи жидкого топлива на поверхность предварительного пленкообразования.

16. Картридж по п. 15, в котором по меньшей мере одно отверстие из отверстий для впрыска жидкого топлива ориентировано с обеспечением придания завихрения соответствующей струе жидкого топлива.

17. Картридж по п. 10, в котором острая кромка для распыления эмульсии смещена в осевом направлении от острой кромки для распыляющего воздуха.

18. Картридж по п. 17, в котором отверстия для впрыска распыляющего воздуха ориентированы с обеспечением завихрения потока сжатого воздуха, выходящего из прохода для сжатого воздуха, причем острая кромка для распыления эмульсии имеет форму, предназначенную для направления квазиэмульсии из воды, жидкого топлива и сжатого воздуха в поток сжатого воздуха из отверстий для впрыска распыляющего воздуха.

19. Газовая турбина, содержащая:

компрессор, камеру сгорания, расположенную ниже по потоку от компрессора, и турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания, причем камера сгорания содержит топливную форсунку, проходящую вниз по потоку от концевой крышки и ограничивающую проход для картриджа для топлива,

картридж предварительного пленкообразования для жидкого топлива, расположенный в проходе для картриджа для жидкого топлива и имеющий основной корпус, проход для воды, выполненный внутри основного корпуса, проход для жидкого топлива, выполненный внутри основного корпуса, проход для сжатого воздуха, выполненный внутри основного корпуса, и оконечный элемент предварительного пленкообразования, расположенный на нижней по потоку части картриджа предварительного пленкообразования для жидкого топлива вблизи концевой части топливной форсунки и имеющий переднюю концевую часть, отделенную в осевом направлении от задней концевой части, и внутреннюю сторону, проходящую между указанными передней и задней концевыми частями, при этом внутренняя сторона ограничивает дугообразную поверхность предварительного пленкообразования, которая оканчивается на острой кромке для распыления эмульсии, при этом

оконечный элемент предварительного пленкообразования содержит:

отверстия для впрыска воды, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования вблизи передней концевой части и проточно сообщающиеся с проходом для воды,

отверстия для впрыска жидкого топлива, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования между отверстиями для впрыска воды и острой кромкой для распыления эмульсии и проточно сообщающиеся с проходом для жидкого топлива,

отверстия для впрыска распыляющего воздуха, ориентированные в осевом направлении вокруг предназначенной для распыления эмульсии острой кромки и проточно сообщающиеся с проходом для сжатого воздуха.

20. Турбина по п. 19, содержащая расположенные выше по потоку отверстия для впрыска воздуха, ориентированные тангенциально через поверхность предварительного пленкообразования вблизи передней концевой части и проточно сообщающиеся с проходом для сжатого воздуха.