УЗЕЛ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОНСТРУКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИМ ЗАХВАТЫВАЕМЫЙ ВИХРЬ Российский патент 2021 года по МПК F23R3/20 F23R3/28 F23R3/34 F23R3/36 F23R3/40 F02C3/20 F02C7/22 

Данное изобретение относится к технологиям снижения выбросов в газотурбинных двигателях, а конкретнее - к способам и узлам камер сгорания, предусматривающим использование захватываемого вихря для снижения выбросов NO_x в газотурбинных двигателях.

Газовые турбины обычно используются в промышленных приложениях. Чтобы достичь цели, заключающейся в экологичной эксплуатации газовой турбины, газовую турбину можно эксплуатировать в режиме горения с низким выбросом сухих газов (DLE), в котором газовая турбина дает низкие выбросы, в частности, низкие выбросы NO_x. NO_x - это родовой термин для оксидов азота, упоминание о которых наиболее уместно в контексте загрязнения воздуха, а именно - для оксида азота (NO) и диоксида азота (NO₂). Чтобы достичь этой цели, приходится достигать надлежащего - равномерного - смешивания воздуха и топлива в камере сгорания газовой турбины.

В общем случае, аппаратные средства сгорания, такие, как узел камеры сгорания, для газотурбинных двигателей проектируют в расчете на некоторое конкретное топливо, например, природный газ, дизельное топливо, синтетический газ, газ из отходов органического происхождения и другие углеводородные топлива с изменяющимся числом Воббе. Вместе с тем, для аппаратного средства, которое изначально проектировали для одного топлива, а позже эксплуатируют на другом топливе, произойдет «проскок» режима оптимальной эксплуатации, что приведет к обратному удару пламени (возгоранию пламени на поверхности камеры сгорания), срыву пламени (заглоханию двигателя), динамике горения (целостности аппаратных средств), высокому перепаду давления (снижению характеристик) или высоким уровням выбросов.

Низкие выбросы NO_x основаны на пониженных пиковых температурах пламени внутри камеры сгорания, чтобы ограничить образование тепловых NO_x посредством стратегий стадийности, таких, как сжигание предварительно подготовленных бедных смесей. Поскольку в приложениях, связанных с низкими выбросами NO_x, температуры горения уменьшаются, преобладающими становятся несколько других нежелательных явлений горения, и с ними следует бороться. Предел низких выбросов NO_x зачастую ограничен возникновением нестабильности горения в виде «бедного» срыва пламени (LBO), также известного как просто срыв пламени. «Бедный» срыв пламени возникает, когда тепловая энергия, генерируемая за счет горения смеси топлива и воздуха, больше не достаточна для нагревания поступающей топливо-воздушной смеси до температуры воспламенения.

Несколько традиционных подходов предусматривают запуск двигателя вблизи предела «бедного» срыва пламени. В общем случае, топливо будет вводиться в несколько отверстий для впрыска топлива и с отличающейся стадийностью по диапазону нагрузки. Для управления пламенем и его локальной стабилизации используют предварительный и основной впрыск топлива, тем самым избегая LBO. Чтобы определить маршрут эксплуатации двигателя по диапазону нагрузки, в общем случае используют график расхода топлива или интеллектуальное управление раздельными потоками топлива, такие, как в документе WO2007/082608. Однако эти способы не позволяют эксплуатировать газовую турбину надежно - так, чтобы достичь высокого кпд и низких выбросов во всех ситуациях.

Поэтому существует потребность в технологии, в частности - узле камеры сгорания и способе применения такого узла камеры сгорания, для газовых турбин, которые обеспечивают эффективное горение, имея при этом низкие выбросы.

Таким образом, задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать технологию, в частности - узел камеры сгорания и способ применения такого узла камеры сгорания, для газовых турбин, которые обеспечивают эффективное горение, имея при этом низкие выбросы.

Вышеупомянутые задачи решаются посредством способа эксплуатации узла камеры сгорания газовой турбины по п.1 формулы изобретения согласно предлагаемой технологии, и узла камеры сгорания для газовой турбины по п.8 формулы изобретения согласно предлагаемой технологии. Преимущественные варианты осуществления предлагаемой технологии предложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В первом аспекте согласно предлагаемой технологии представлен способ эксплуатации узла камеры сгорания для газотурбинного двигателя. При осуществлении способа, обеспечивают сгорание, по меньшей мере, первого топлива в реакционной зоне камеры сгорания узла камеры сгорания. Реакционная зона имеет фронт реакционной зоны. Одновременно со сгоранием первого топлива или после этого, в камеру сгорания впрыскивают аммиак, чтобы сформировать захватываемый вихрь в камере сгорания. Аммиак впрыскивают таким образом, что захватываемый вихрь формируется в камере сгорания в некотором положении ниже по течению от фронта реакционной зоны.

Вследствие сгорания первого топлива, в реакционной зоне генерируется рабочий газ, так же известный как горючий газ или газообразные продукты сгорания. Газообразные продукты сгорания включают в себя выбросы, в частности, NO_x и/или N₂O. Затем выбросы - наряду с другими газообразными продуктами сгорания - протекают ниже по течению через камеру сгорания к переходному каналу, расположенному рядом с узлом камеры сгорания. По дороге ниже по течению, выбросы проходят кольцевую полость, т.е. протекают рядом с ней, и поэтому принимают вид захватываемого вихря, который располагается ниже по течению от фронта реакционной зоны или, иными словами, ниже по течению от фронта пламени, до того, как покидает камеру сгорания. Захватываемый вихрь в камере сгорания обеспечивает приток радикалов NH₂, получающихся из аммиака, впрыскиваемого в кольцевую полость, в проходящие мимо выбросы и преобразует NO_x и N₂O в незагрязняющие продукты, главным образом - воду и азот. Таким образом, выбросы, в частности NO_x и/или N₂O, снижаются в газообразных продуктах сгорания, а значит - и в выхлопе газотурбинного двигателя.

В одном варианте осуществления способа первое топливо включает в себя или представляет собой одно из водорода, углеводорода, смеси углеводородов, аммиака и их комбинации. Таким образом, данный способ можно использовать для многообразия топлив разных типов.

В еще одном варианте осуществления способа сгорание, по меньшей мере, первого топлива включает в себя сгорание, по меньшей мере, второго топлива. Способ дополнительно включает в себя впрыск второго топлива в камеру сгорания таким образом, что второе топливо попадает в реакционную зону. Второе топливо менее реактивно, чем первое топливо. Помимо этого, сгорание первого топлива включает в себя впрыск первого топлива в камеру сгорания таким образом, что первое топливо попадает в реакционную зону. Первое топливо и второе топливо впрыскивают таким образом, что первое и второе топлива предварительно смешиваются с первым и вторым потоками воздуха, формируя первую и вторую линии токов предварительного смешивания, соответственно, до того, как первое и второе топлива попадают в реакционную зону. Каждая из линий токов предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания топлива с соответственным потоком воздуха и заканчивается в некотором месте, где топлива попадают в реакционную зону. Таким образом, каждая из первой и второй линий токов предварительного смешивания формируются, по существу, в камере сгорания, вместе с тем, некоторая часть одной или обеих линий токов предварительного смешивания могут простираться наружу из камеры сгорания; например, некоторая часть одной или обеих линий токов предварительного смешивания может простираться в завихритель.

Длина второй линии тока предварительного смешивания больше, чем длина первой линии тока предварительного смешивания. Таким образом, оба топлива, а именно, первое и второе топлива предварительно смешиваются независимо, и поэтому достигается желательное оптимальное предварительное смешивание потока каждого топлива с воздухом. Это приводит к стабильному пламени, которое допустимо для изменений нагрузки или изменений соотношения первого топлива и второго топлива. Помимо этого, ввиду желательного предварительного смешивания каждого топлива, в узле камеры сгорания достигается горение топлива при избытке воздуха, которое приводит к низким выбросам, в частности - NO_x. Благодаря разным длинам линий токов предварительного смешивания, снижение выбросов за счет использования двух топлив с их желательным независимым предварительным смешиванием дополняет снижение выбросов, достигаемое путем вышеупомянутого впрыска аммиака посредством захватываемого вихря.

В еще одном варианте осуществления способа первое топливо включает в себя или представляет собой одно из водорода, углеводорода, такого, как метан, смеси углеводородов, такой как природный газ, и их комбинации. Второе топливо включает в себя или представляет собой одно из водорода, углеводорода, такого, как метан, смеси углеводородов, такой, как природный газ, аммиака, и их комбинации. Первое топливо увеличивает стабильность пламени. Первое топливо также обеспечивает сгорание низкореактивного топлива такого, как газообразный аммоний, когда тот используют в качестве второго топлива.

В еще одном варианте осуществления способа сгорание, по меньшей мере, первого топлива включает в себя сгорание, по меньшей мере, третьего топлива. Способ дополнительно включает в себя впрыск третьего топлива в камеру сгорания таким образом, что третье топливо попадает в реакционную зону. Третье топливо менее реактивно, чем второе топливо. Третье топливо впрыскивают таким образом, что третье топливо предварительно смешивается с третьим потоком воздуха, образуя третью линию тока предварительного смешивания до того, как третье топливо попадает в реакционную зону. Третья линия тока предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания третьего топлива с третьим потоком воздуха и заканчивается в некотором месте, где третье топливо попадает в реакционную зону. Таким образом, каждая из первой, второй и третьей линий токов предварительного смешивания формируется, по существу, в камере сгорания; вместе с тем, некоторая часть одной или нескольких линий токов предварительного смешивания может простираться наружу из камеры сгорания, например, некоторая часть одной или нескольких линий токов предварительного смешивания может простираться в завихритель.

Длина третьей линии тока предварительного смешивания больше, чем длина второй линии тока предварительного смешивания. Таким образом, три топлива, а именно, первое, второе и третье топлива предварительно смешиваются независимо и поэтому достигается желательное оптимальное предварительное смешивание потока каждого топлива с воздухом. Это приводит к стабильному пламени, которое допустимо для изменений нагрузки или изменений соотношения топлив. Помимо этого, ввиду желательного предварительного смешивания каждого топлива, в узле камеры сгорания достигается горение топлива при избытке воздуха, которое приводит к низким выбросам, в частности - NO_x. Благодаря разным длинам линий токов предварительного смешивания, снижение выбросов за счет использования трех топлив с их желательным независимым предварительным смешиванием дополняет снижение выбросов, достигаемое путем вышеупомянутого впрыска аммиака посредством захватываемого вихря.

В еще одном варианте осуществления способа, первое топливо включает в себя или представляет собой водород; второе топливо включает в себя или представляет собой углеводород, например, метан, или смесь углеводородов, например, природный газ; а третье топливо включает в себя или представляет собой аммиак.

В еще одном варианте осуществления способа узел камеры сгорания, используемый для способа, имеет жаровую трубу, кольцевую полость в жаровой трубе и предкамеру, имеющую выход предкамеры. Осевое расстояние кольцевой полости от выхода предкамеры равно 50 % длины (L) жаровой трубы или больше, в частности, находится между 50 % и 75 % длины жаровой трубы. При осуществлении способа, аммиак впрыскивают в жаровую трубу таким образом, что в кольцевой полости жаровой трубы формируется захватываемый вихрь. В наиболее современных газотурбинных двигателях реакционная зона или пламя ограничивается внутри первой половины жаровой трубы, и поэтому относительное положение кольцевой полости по отношению к длине жаровой трубы, используемой для способа согласно рассматриваемому варианту осуществления, гарантирует, что захватываемый вихрь формируется выше по течению от фронта реакционной зоны или фронта пламени.

В еще одном аспекте согласно предлагаемой технологии представлен узел камеры сгорания для газотурбинного двигателя. Узел камеры сгорания включает в себя горелку, имеющую пластину горелки, предкамеру, имеющую выход предкамеры, т.е. выпуск предкамеры, жаровую трубу, радиальная протяженность которой больше, чем у предкамеры. И предкамера, и жаровая труба являются, по существу, трубчатыми конструкциями, которые простираются от пластины горелки к переходному каналу рядом с узлом камеры сгорания. За горелкой следует предкамера, за которой, в свою очередь, следует жаровая труба, которая заканчивается на входе переходного канала. Вход жаровой трубы выровнен с выходом предкамеры. В узле камеры сгорания, камера сгорания ограничена жаровой трубой и предкамерой. Конфигурация камеры сгорания обеспечивает сгорание, по меньшей мере, первого топлива в реакционной зоне. Узел камеры сгорания, который в нижеследующем тексте также именуется просто узлом, включает в себя одну или несколько первых форсунок, которые впрыскивают первое топливо в камеру сгорания. В узле, конфигурация жаровой трубы, включающей в себя кольцевую полость, обеспечивает поддержание захватываемого вихря, предпочтительно - сформированного в результате циркуляции смеси газообразного аммония и воздуха внутри кольцевой полости. Осевое расстояние кольцевой полости от выхода предкамеры равно 50 % длины (L) жаровой трубы или больше, в частности, находится между 50 % и 75 % длины жаровой трубы. В газотурбинных двигателях, реакционная зона или пламя ограничивается внутри первой половины жаровой трубы, и поэтому относительное положение кольцевой полости по отношению к длине жаровой трубы гарантирует, что захватываемый вихрь формируется выше по течению от фронта реакционной зоны или фронта пламени. Подводить захватываемый вихрь можно с использованием любого подходящего соединения, такого, как газообразный аммоний, который генерирует радикалы, реагирующие с выбросами, особенно - с NO_x и/или N₂O, и преобразует выбросы в незагрязняющие соединения.

В одном варианте осуществления, узел камеры сгорания включает в себя элемент подвода аммиака для подачи в кольцевую полость таким образом, что в кольцевой полости жаровой трубы формируется захватываемый вихрь. Аммиак генерирует радикалы NH₂, которые реагируют с выбросами, особенно - с NO_x и/или N₂O, и преобразует выбросы в незагрязняющие соединения.

В одном варианте осуществления узел камеры сгорания включает в себя одну или несколько вторых форсунок в дополнение к первым форсункам. Вторые форсунки впрыскивают второе топливо в камеру сгорания. Второе топливо менее реактивно, чем первое топливо. Узел адаптирован к предварительному смешиванию первого и второго топлив с первым и вторым потоками воздуха для формирования первой и второй линий токов предварительного смешивания, соответственно, до того, как топлива попадают в реакционную зону камеры сгорания. Каждую из первой и второй линий токов предварительного смешивания формируют в камере сгорания; вместе с тем, некоторая часть одной или обеих линий токов предварительного смешивания может простираться наружу из камеры сгорания; например, некоторая часть одной или обеих линий токов предварительного смешивания может простираться в завихритель. Каждая из линий токов предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания топлива с соответственным потоком воздуха и заканчивается в некотором месте, где топливо попадает в реакционную зону. Длина второй линии тока предварительного смешивания больше, чем длина первой линии тока предварительного смешивания. Таким образом, узел камеры сгорания адаптирован к использованию двух топлив, а именно, первого и второго топлив, которые предварительно смешиваются независимо внутри узла камеры сгорания и поэтому достигается желательное оптимальное предварительное смешивание потока каждого топлива с воздухом, что приводит к стабильному пламени, которое допустимо для изменений нагрузки или изменений соотношения первого топлива и второго топлива. Помимо этого, ввиду желательного предварительного смешивания каждого топлива, в узле камеры сгорания достигается горение топлива при избытке воздуха, которое приводит к низким выбросам, в частности - NO_x. Благодаря разным длинам линий токов предварительного смешивания, снижение выбросов за счет использования двух топлив с их желательным независимым предварительным смешиванием дополняет снижение выбросов, достигаемое средством вышеупомянутого захватываемого вихря, поддерживаемого в кольцевой полости.

В еще одном варианте осуществления узел камеры сгорания включает в себя источник первого топлива, подающий первое топливо в одну или несколько первых форсунок, и источник второго топлива, подающий второе топливо в одну или несколько вторых форсунок. Первое топливо включает в себя или представляет собой одно из водорода, углеводорода, такого, как метан, смеси углеводородов, такой, как природный газ, аммиака, и их комбинации. Второе топливо включает в себя или представляет собой углеводород, такой, как метан, смесь углеводородов, такую, как природный газ, аммиак и их комбинации.

В еще одном варианте осуществления узел камеры сгорания включает в себя одну или несколько третьих форсунок в дополнение к первым и вторым форсункам. Третьи форсунки впрыскивают третье топливо в камеру сгорания. Третье топливо менее реактивно, чем второе топливо. Узел камеры сгорания адаптирован к предварительному смешиванию третьего топлива с третьим потоком воздуха для формирования третьей линии тока предварительного смешивания до того, как третье топливо попадает в реакционную зону камеры сгорания. Третья линия тока предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания третьего топлива с третьим потоком воздуха и заканчивается в некотором месте, где третье топливо попадает в реакционную зону. Таким образом, каждая из первой, второй и третьей линий токов предварительного смешивания формируется, по существу, в камере сгорания; вместе с тем, некоторая часть одной или нескольких линий токов предварительного смешивания могут простираться наружу из камеры сгорания; например, некоторая часть одной или нескольких линий токов предварительного смешивания может простираться в завихритель, заключенный внутри узла камеры сгорания.

Длина третьей линии тока предварительного смешивания больше, чем длина второй линии тока предварительного смешивания. Таким образом, три топлива, а именно, первое, второе и третье топлива предварительно смешиваются независимо в узле камеры сгорания, и поэтому достигается желательное оптимальное предварительное смешивание потока каждого топлива с воздухом. Это дает узлу камеры сгорания возможность генерировать и поддерживать стабильное пламя, которое допустимо для изменений нагрузки или изменений соотношения топлив. Помимо этого, ввиду желательного предварительного смешивания каждого топлива, в узле камеры сгорания достигается горение топлива при избытке воздуха, которое приводит к низким выбросам, в частности - NO_x, из узла камеры сгорания. Благодаря разным длинам линий токов предварительного смешивания, снижение выбросов за счет использования трех топлив с их желательным независимым предварительным смешиванием дополняет снижение выбросов, достигаемое посредством вышеупомянутого захватываемого вихря, поддерживаемого в кольцевой полости.

В еще одном варианте осуществления узел камеры сгорания включает в себя источник первого топлива, подающий первое топливо в одну или несколько первых форсунок, источник второго топлива, подающий второе топливо в одну или несколько вторых форсунок, и источник третьего топлива, подающий третье топливо в одну или несколько третьих форсунок. Первое топливо включает в себя или представляет собой водород; второе топливо включает в себя или представляет собой углеводород, например, метан, или смесь углеводородов, например, природный газ; а третье топливо включает в себя или представляет собой аммиак.

В еще одном варианте осуществления одна или несколько первых форсунок в узле камеры сгорания расположены на передней грани предкамеры. Передняя грань предкамеры образована пластиной горелки, таким образом - иными словами - первые форсунки расположены на поверхности пластины горелки, обращенной к камере сгорания. Пластина горелки может быть частью пускового воспламенителя, входящего в состав узла камеры сгорания. Узел камеры сгорания также включает в себя расположенный ниже по течению завихритель и расположенный выше по течению завихритель. Расположенный ниже по течению завихритель включает в себя упомянутую одну или несколько вторых форсунок и вводит смесь второго топлива, впрыскиваемого вторыми форсунками, и второго потока воздуха в камеру сгорания. Расположенный выше по течению завихритель включает в себя упомянутую одну или несколько третьих форсунок и вводит смесь третьего топлива, впрыскиваемого третьими форсунками, и третьего потока воздуха в камеру сгорания. Расположенный ниже по течению завихритель и расположенный выше по течению завихритель расположены около или вокруг предкамеры.

В еще одном варианте осуществления узла камеры сгорания отношение ширины к длине кольцевой полости составляет 1:1, т.е. осевая длина кольцевой полости и радиальная длина кольцевой полости (т.е., иными словами, глубина кольцевой полости), находятся в отношении 1:1. Это обеспечивает предпочтительные размеры кольцевой полости.

Вышеупомянутые атрибуты и другие признаки и преимущества согласно предлагаемой технологии и способ их достижения станут яснее, а сама предлагаемая технология станет более понятной, при обращении к нижеследующему описанию вариантов осуществления согласно предлагаемой технологии, рассматриваемых совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

на фиг.1 схематически изображена в сечении некоторая часть газотурбинного двигателя, в который встроен возможный вариант осуществления узла камеры сгорания согласно предлагаемой технологии;

на фиг.2 схематически иллюстрируется узел камеры сгорания согласно фиг.1;

на фиг.3 схематически иллюстрируется возможный вариант осуществления узла камеры сгорания согласно предлагаемой технологии, эксплуатируемого с двумя или несколькими разными топливами;

на фиг.4 схематически иллюстрируется узел камеры сгорания согласно фиг.3 с дополнительным изображением подробностей конструкции узла камеры сгорания;

на фиг.5 схематически иллюстрируется еще один возможный вариант осуществления узла камеры сгорания согласно предлагаемой технологии, эксплуатируемого с двумя или несколькими разными топливами;

на фиг.6 схематически иллюстрируется узел камеры сгорания согласно фиг.5 с дополнительным изображением подробностей конструкции узла камеры сгорания; и

на фиг.7 схематически иллюстрируется перспективное изображение узла камеры сгорания согласно фиг.5 и 6 и в соответствии с аспектами предлагаемой технологии.

В нижеследующем тексте будут подробно описаны вышеупомянутые и другие признаки согласно предлагаемой технологии. Различные варианты осуществления описываются со ссылками на чертежи, где одинаковые позиции везде употребляются для обозначения одинаковых элементов. В нижеследующем описании - в целях пояснения - приводятся многочисленные конкретные подробности, чтобы обеспечить глубокое понимание одного или нескольких вариантов осуществления. Можно отметить, что иллюстрируемые варианты осуществления предназначены для пояснения, а не ограничивают изобретение. Может быть очевидно, что практическая реализация таких вариантов осуществления возможна и без этих конкретных подробностей.

Можно отметить, что в данном описании термины «первый (-ая, -ое, -ые)», второй (-ая, -ое, -ые)», и т.д., употребляются лишь для того, чтобы облегчить рассмотрение, и не несут никакого конкретного или хронологического смысла, если явно не указано иное.

Основной замысел согласно предлагаемой технологии заключается в применении конструктивного элемента, обеспечивающего захватываемый вихрь, для снижения выбросов из узла камеры сгорания газотурбинного двигателя. Захватываемый вихрь формируют с помощью аммиака, подаваемого или впрыскиваемого в кольцевую полость, находящуюся в стенке, окружающей камеру сгорания. Кольцевая полость, а значит - и захватываемый вихрь, располагается таким образом, что когда внутри камеры сгорания происходит сгорание, положение кольцевой полости, а значит - и захватываемого вихря, оказывается ниже по течению от фронта пламени. Иными словами, пламя находится выше по течению от захватываемого вихря, и поэтому выбросы NO_x и N₂O, являющиеся результатом сгорания, продвигаются через камеру сгорания и проходят кольцевую полость до того, как покидают камеру сгорания. Захватываемый вихрь в камере сгорания обеспечивает приток радикалов NH₂, получающихся из аммиака, в проходящие мимо выбросы и преобразование NO_x и N₂O в незагрязняющие продукты, главным образом - воду и азот. Таким образом, выбросы, в частности NO_x и/или N₂O, снижаются в газообразных продуктах сгорания, а значит - и в выхлопе газотурбинного двигателя. Помимо того, что его используют в захватываемом вихре, аммиак предпочтительно можно использовать также в качестве топлива при горении, и таким образом выбросы, генерируемые за счет сгорания аммиачного топлива, очищаются аммиаком захватываемого вихря, тем самым делая узел камеры сгорания самоочищающейся системой.

На фиг.1 показан в сечении пример газотурбинного двигателя 10, в состав которого входит узел 100 камеры сгорания согласно предлагаемой технологии. Газотурбинный двигатель 10, именуемый далее просто двигателем 10, содержит - в последовательности протекания - вход 12, компрессор или секцию 14 компрессора, секцию 16 камер сгорания и секцию 18 турбины, которые в общем случае скомпонованы в последовательности протекания и - вообще говоря - вокруг и в направлении продольной оси или оси вращения, обозначенной позицией 20.

При эксплуатации газотурбинного двигателя 10, воздух 24, забор которого происходит через вход 12 воздуха, сжимается секцией 14 компрессора и подается в секцию сгорания или секцию горелок, обозначенную позицией 16. Секция 16 горелок содержит напорную камеру 26 горелок, имеющую узел 100 камеры сгорания. Узел 100 камеры сгорания простирается вдоль продольной оси 35 узла 100 камеры сгорания и включает в себя одну или несколько камер 28 сгорания, ограниченных или огороженных предкамерой 80 и жаровой трубой 70, и, по меньшей мере, одну горелку 30, крепящуюся к каждой камере 28 сгорания. Камеры 28 сгорания и горелки 30 находятся внутри напорной камеры 26 горелок. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, попадает в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в напорную камеру 26 горелок, откуда порция воздуха попадает в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Затем топливовоздушная смесь сгорает, а получающиеся в результате сгорания газообразные продукты 34 сгорания или рабочий газ как результат сгорания направляются или направляется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины по переходному каналу 17.

Сразу же после их генерирования в результате сгорания, газообразные продукты 34 сгорания включают в себя NO_x и N₂O, от которых газообразные продукты сгорания позже очищают до того, как газообразные продукты 34 сгорания покидают камеру 28 сгорания и текут в переходный канал 17. Очистка от NO_x и N₂O, собирательно именуемых далее выбросами, означает снижение количеств или концентрации выбросов в газообразных продуктах 34 сгорания. Выбросы удаляют, по меньшей мере - частично, из газообразных продуктов 34 сгорания, делая это с помощью захватываемого вихря, в котором используют газообразный аммоний. Захватываемый вихрь формируют в кольцевой полости 60, присутствующей в окруженной стенкой камере 28 сгорания. Узел 100 камеры сгорания, включающий в себя кольцевую полость 60 и захватываемый вихрь, подробнее поясняется ниже со ссылками на фиг.2—7.

Этот возможный газотурбинный двигатель 10 имеет трубчато-кольцевую компоновку 16 секции камер сгорания, которая образована кольцевой матрицей жаровых труб 70, каждая из которых имеет горелку 30 и камеру 28 сгорания, переходный канал 17 имеет в основном круглый вход, который сопрягается с камерой 28 сгорания, и выход в форме кольцевого сегмента. Кольцевая матрица выходов переходных каналов образует кольцевое пространство для направления газообразных продуктов сгорания в секцию 18 турбины.

Секция 18 турбины содержит некоторое количество несущих рабочие лопатки дисков 36, крепящихся к валу 22. В данном примере имеются два диска 36, каждый из которых несет венец рабочих лопаток 38 турбины. Вместе с тем, количество несущих рабочие лопатки дисков может быть разным, т.е. возможен лишь один диск или больше двух дисков. Кроме того, между ступенями венцов рабочих лопаток 38 турбины находятся направляющие лопатки 40, которые крепятся к статору 42 газотурбинного двигателя 10. Между выходом камеры 28 сгорания и предыдущими рабочими лопатками 38 турбины предусмотрены лопатки 44 входного направляющего аппарата, поворачивающие поток рабочего газа на рабочие лопатки 38 турбины.

Газообразные продукты сгорания из камеры 28 сгорания попадают в секцию 18 турбины и приводят в движение рабочие лопатки 38 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 22. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла попадания газообразных продуктов сгорания или рабочего газа 34 на рабочие лопатки 38 турбины.

Секция 18 турбины осуществляет привод секции 14 компрессора. Секция 14 компрессора содержит осевой ряд ступеней 46 спрямляющих лопаток и ступеней 48 рабочих лопаток. Ступени 48 рабочих лопаток содержат диск ротора, служащий опорой венцу рабочих лопаток. Секция 14 компрессора также содержит корпус 50, который окружает ступени ротора и служит опорой ступеням 48 спрямляющих лопаток. Ступени спрямляющих лопаток направляющего аппарата включают в себя венец радиально простирающихся спрямляющих лопаток, которые установлены на корпус 50. Спрямляющие лопатки предусмотрены для доставки потока газов под оптимальным углом для рабочих лопаток в некоторой заданной точке рабочего цикла двигателя. Некоторые из ступеней спрямляющих лопаток направляющего аппарата имеют поворотные лопатки, где угол спрямляющих лопаток относительно их собственной продольной оси можно регулировать, чтобы получить угол, соответствующий характеристикам потока воздуха, которые могут возникать в разных условиях эксплуатации двигателя.

Корпус 50 ограничивает радиально внешнюю поверхность 52 канала 56 компрессора 14. Радиально внутренняя поверхность 54 канала 56, по меньшей мере, частично ограничена барабаном 53 ротора, входящим в состав ротора и частично ограниченным венцом ступеней 48 рабочих лопаток.

Данное изобретение описывается применительно к вышеупомянутому возможному турбинному двигателю, имеющему один-единственный вал или каскад, соединяющий один-единственный многоступенчатый компрессор и одну-единственную одно- или многоступенчатую турбину. Вместе с тем, следует учесть, что предлагаемая технология с тем же успехом применима к двух- или трехвальным двигателям и может быть использована для промышленных, авиационных или морских приложений.

Термины «выше по течению» и «ниже по течению» в нижеследующем тексте употребляются в отношении направления течения газообразных продуктов 34 сгорания или рабочего газа 34 через камеру 28 сгорания к переходному каналу 17, если не указано иное. Термины «вперед» и «назад» также употребляются в отношении направления течения газообразных продуктов 34 сгорания или рабочего газа 34 через камеру 28 сгорания к переходному каналу 17, если не указано иное. Термины «осевой (-ая, -ое, -ые)», «радиальный (-ая, -ое, -ые)», и «окружной (-ая, -ое, -ые)» в нижеследующем тексте приводятся в отношении продольной оси 35 камеры 28 сгорания.

Можно отметить, что в данном описании термины «первый (-ая, -ое, -ые)», второй (-ая, -ое, -ые)», и т.д., употребляются лишь для того, чтобы облегчить рассмотрение, и не несут никакого конкретного или хронологического смысла, если явно не указано иное.

На фиг.2 схематически иллюстрируется возможный вариант осуществления узла 100 камеры сгорания. Узел 100 включает в себя горелку 30, имеющую пластину 33 горелки, предкамеру 80 и жаровую трубу 70, радиальная протяженность которой больше, чем у предкамеры 80. Как упоминалось выше, камера 28 сгорания ограничена жаровой трубой 70 и предкамерой 80. Камера 28 сгорания простирается вдоль продольной оси 35. Сгорание топлива, например, по меньшей мере, первого топлива 1, в секции 16 камер сгорания имеет место в камере 28 сгорания. Сгорание имеет место в реакционной зоне 109, которую также именуют пламенем. Реакционная зона 109 или пламя 109 имеет фронт 9 реакционной зоны или фронт 9 пламени, который представляет собой место, наиболее отдаленное ниже по течению от реакционной зоны 109 или пламени 109.

Пластина 33 горелки может включать в себя в себя пусковой воспламенитель (не показан на фиг.2), и пластина 33 горелки может быть некоторой частью пускового воспламенителя. Узел 100 включает в себя одну или несколько первых форсунок 103, конфигурация которых обеспечивает впрыск первого топлива 1 в камеру 28 сгорания. В пластине 33 горелки могут быть расположены первые форсунки 103. Ниже по течению с горелкой 30, в частности, пластиной 33 горелки, выровнена предкамера 80. Предкамера 80 имеет переднюю грань 81, которая представляет собой вход предкамеры 80. Передняя поверхность 81 предкамеры 80 выровнена с горелкой 30, в частности, с пластиной 33 горелки. Предкамера 80 имеет полую аксиально простирающуюся в целом цилиндрическую конструкцию. Предкамера 80 включает в себя выход 82 предкамеры. Выход 82 предкамеры представляет собой выпуск предкамеры 80. Ниже по течению от выхода 82 предкамеры выровнена жаровая труба 70. Жаровую труба 70 и предкамера 80 в общем случае расположены коаксиально вокруг продольной оси 35. Вход жаровой трубы 70 расположен у выхода 82 предкамеры, иными словами, жаровая труба 70 берет начало или начинается там, где находится выход 82 предкамеры. Жаровая труба 70 имеет полую аксиально простирающуюся в целом цилиндрическую конструкцию. Жаровая труба 70 включает в себя выход 72 жаровой трубы 70. Ниже по течению от выхода 72 жаровой трубы 70 выровнен переходный канал.

В узле 100, жаровая труба 70 включает в себя кольцевую полость 60. Кольцевая полость 60, также именуемая в дальнейшем просто полостью 60, ориентирована в окружном направлении вокруг продольной оси 35, также именуемой далее просто осью 35. Полость 60 реализована в стенке 101 жаровой трубы 70, окружающей камеру 28 сгорания. Полость 60 сформирована как как радиально простирающаяся впадина в стенке 101. Конфигурация полости 60 обеспечивает поддержание захватываемого вихря 66. Захватываемый вихрь 66 представляет собой кружащую или завихряемую массу газообразного аммония 6, которая занимает место, по существу, внутри полости 60. Газообразный аммиак 6, также именуемый просто аммиаком 6, подают в полость 60 посредством элемента 62 подвода аммиака. Под влиянием высокого массового расхода газообразных продуктов 34 сгорания, аммиак 6 поддерживается в виде захватываемого вихря 66 в полости 60.

Осевое расстояние D кольцевой полости 60 от выхода 82 предкамеры равно 50 % длины (L) жаровой трубы 70 или больше, в частности, находится между 50 % и 75 % длины L жаровой трубы 70. Длина L жаровой трубы 70 - это осевое расстояние между началом жаровой трубы 70, которое совмещено или совпадает с выходом 82 предкамеры, и выходом 72 жаровой трубы 70, который может быть совмещен или совпадать со входом (не показан) переходного канала 17.

Во время эксплуатации газотурбинного двигателя 10, т.е. при осуществлении способа эксплуатации узла 100, сначала сжигают первое топливо 1 в реакционной зоне 109, а после этого или одновременно с этим впрыскивают аммиак 6 в камеру 28 сгорания, чтобы сформировать захватываемый вихрь 66 в камере 28 сгорания. Аммиак 6 впрыскивают таким образом, что захватываемый вихрь 66 формируется в камере 28 сгорания в некотором положении ниже по течению от фронта 9 реакционной зоны. Первое топливо включает в себя или представляет собой одно из водорода, углеводорода, такого, как газообразный метан, смеси углеводородов, такой, как природный газ, аммиака, или их комбинации, т.е. смеси двух или более газов, выбранных из водорода, углеводорода, такого, как газообразный метан, смеси углеводородов, такой, как природный газ, и аммиака.

Реакционная зона 109 в общем случае ограничивается внутри первой половины жаровой трубы 70, т.е. реакционная зона 109 или пламя 109 в общем случае содержатся в пределах 50 % длины L жаровой трубы 70. Сгорание топлива, т.е. в примере согласно фиг.2 - первого топлива 1 и, по выбору, второго топлива 2 (показанного на фиг.3—6) и дополнительно, по выбору, третьего топлива 3 (показанного на фиг.3—6) - приводит к генерированию газообразных продуктов 34 сгорания, которые текут (или рабочего газа 34, который течет) в общем случае аксиально к переходному каналу 17. Помимо других соединений или веществ, газообразные продукты 34 сгорания включают в себя загрязняющие вещества, такие, как выбросы NO_х и/или N₂O. Наряду с загрязняющими веществами, газообразные продукты 34 сгорания текут из реакционной зоны 109, в частности, мимо фронта реакционной зоны 9, к выходу 72 жаровой трубы 70. Когда газообразные продукты 34 сгорания проходят полость 60, которая расположена в промежутке между фронтом 9 реакционной зоны и выходом 72 жаровой трубы 70, радикалы NH₂, генерируемые вследствие завихрения аммиака 6 в захватываемом вихре 66, вступают в контакт с загрязняющими веществами, такими, как NO_х и/или N₂O, например, протекая в направлении, обозначенном на фиг.2 стрелкой 69. Радикалы NH₂ вступают в реакцию с загрязняющими веществами, такими, как NO_х и/или N₂O, генерируя незагрязняющие продукты реакции, такие, как азот и вода.

Возможный вариант осуществления узла 100 камеры сгорания согласно фиг.2 иллюстрирует применение захватываемого вихря 66 при использовании первого топлива 1; вместе с тем, захватываемый вихрь 66 можно использовать для снижения выбросов из узла 100 камеры сгорания при использовании второго топлива 2 и - по выбору - третьего топлива 3 в дополнение к первому топливу 1. Принцип снижения выбросов или работы захватываемого вихря 66 при снижении выбросов остается тем же самым независимо от того, используют одно топливо, т.е. первое топливо 1, или используют больше одного топлива, т.е. второе топливо 2, либо второе топливо 2 и третье топливо 3. Далее эксплуатация узла 100 камеры сгорания для второго топлива 2 в дополнение к первому топливу 1 и - по выбору - для третьего топлива 3 в дополнение ко второму топливу 2 поясняется со ссылками на фиг.3 to 7; вместе с тем, специалист в данной области техники заметит, что полость 60 и захватываемый вихрь 66, формируемый и поддерживаемый внутри полости 60, во всех случаях одинаковы структурно и функционально.

На фиг.2, 3 и 4 показан возможный вариант осуществления узла 100, имеющий стенку 101, также именуемую внутренней стенкой 101, которая ограничивает камеру 28 сгорания в радиальном направлении. Помимо этого, узел 100 имеет пластину 33 горелки, которая ограничивает камеру 28 сгорания в осевом направлении. Как можно увидеть на фиг.4, узел 100 включает в себя внешнюю стенку 102, которая находится радиально снаружи внутренней стенки 101. Внутренняя стенка 101 и внешняя стенка 102 могут быть вращательно симметричными вокруг оси 35. Воздух 24 (показанный на фиг.1) направляется в пространстве 25 между внутренней стенкой 101 и внешней стенкой 102 к пластине 33 горелки, что обозначено стрелкой 108, поэтому внутренняя стенка 101 охлаждается, а воздух 24 подогревается до того, как он попадает в камеру 28 сгорания. Внутренняя стенка 101 также может иметь двухслойную компоновку для достижения эффективностей охлаждения.

Узел 100 включает в себя первые форсунки 103, адаптированные к впрыску первого топлива 1 в камеру 28 сгорания, как упоминалось выше, и дополнительно включает в себя одну или несколько вторых форсунок 104, адаптированных к впрыску второго топлива 2 в камеру 28 сгорания, и одну или несколько третьих форсунок 105, адаптированных к впрыску третьего топлива 3 в камеру 28 сгорания. Второе топливо 2 менее реактивно, чем первое топливо 1, а третье топливо 3 менее реактивно, чем второе топливо 2. Этого можно достичь, например, когда первое топливо 1 представляет собой водород, второе топливо 2 представляет собой природный газ, а третье топливо 3 представляет собой газообразный аммоний. Узел 100 включает в себя источник 201 первого топлива, который подает первое топливо 1 в первые форсунки 103, источник 202 второго топлива, который подает второе топливо 2 во вторые форсунки 104, и источник 203 третьего топлива, который подает третье топливо 3 в третьи форсунки 105.

Узел 100 адаптирован к предварительному смешиванию первого топлива 1 с первым потоком 91 воздуха, второго топлива 2 со вторым потоком 92 воздуха и третьего топлива 3 с третьим потоком 93 воздуха. Потоки 91, 92, 93 воздуха можно подавать в камеру 28 сгорания независимо друг от друга, как схематически изображено на фиг.3, или попеременно, как схематически изображено на фиг.4, вместе в форме единого потока 90 воздуха, направляемого через завихритель 107, входящий в состав узла 100. Завихритель 107 расположен аксиально на пластине 33 горелки для завихрения воздуха 24 до того, как воздух 24 попадает в камеру 28 сгорания. После прохождения пространства 25, воздух 24 проходит через завихритель 107 в направлении радиально внутрь к оси 35 и попадает в камеру 28 сгорания.

Первое топливо 1, второе топливо 2 и третье топливо 3 впрыскивают таким образом, что первое, второе и третье топлива 1, 2, 3 предварительно смешиваются с первым, вторым и третьим потоками 91, 92, 93 воздуха, или частями потока 90 воздуха, обозначаемыми как первый, второй и третий потоки 91, 92, 93 воздуха, образуя первую линию 112 тока предварительного смешивания, вторую линию 113 тока предварительного смешивания и третью линию 114 тока предварительного смешивания, соответственно, до того, как первое, второе и третье топлива 1, 2, 3 попадают в реакционную зону 109.

Каждая из линий 112, 113, 114 токов предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания топлива 1, 2, 3 с соответственным потоком 91, 92, 93 воздуха и заканчивается в некотором месте, а именно, первом, втором и третьем местах 1ʽ, 2ʽ, 3ʽ, где топлива 1, 2, 3 попадают в реакционную зону 109. Началом предварительного смешивания топлив 1, 2, 3 обычно является точка впрыска топлив 1, 2, 3 или - иными словами - положение того места, где находятся первые, вторые и третьи форсунки 103, 104, 105.

Форсунки 103, 104 и 105 расположены в пластине 33 горелки, при этом первая форсунка 103 находится ближе к оси 35, чем вторая форсунка 104, а вторая форсунка 104 находится ближе к оси 35, чем третья форсунка 105. Поэтому первое топливо 1 впрыскивают в поток 90 воздуха ниже по течению относительно направления потока 90 воздуха, с которого второе топливо 2 впрыскивают в поток 90 воздуха, так что длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания больше, чем длина L1 первой линии 112 тока предварительного смешивания. Помимо этого, третья форсунка 105 расположена таким образом, что третье топливо 3 впрыскивают в поток 90 воздуха выше по течению относительно направления потока 90 воздуха, с которого второе топливо 2 впрыскивают в поток 90 воздуха, так что длина L3 третьей линии 114 тока предварительного смешивания больше, чем длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания.

Длина L1 первой линии 112 тока предварительного смешивания составляет от 20 мм до 150 мм, в частности - от 40 мм до 60 мм, длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания составляет от 40 мм до 300 мм, в частности - от 80 мм до 120 мм, а длина L3 третьей линии 114 тока предварительного смешивания составляет от 60 мм до 400 мм, в частности - от 125 мм до 175 мм.

Вполне допустимо, чтобы в пластине 33 горелки было скомпоновано множество первых форсунок 103, каждая из которых имеет одно и то же расстояние до оси 35. Вполне допустимо, чтобы в пластине 33 горелки было скомпоновано множество вторых форсунок 104, каждая из которых имеет одно и то же расстояние до оси 35. Вполне допустимо, чтобы в пластине 33 горелки было скомпоновано множество третьих форсунок 105, каждая из которых имеет одно и то же расстояние до оси 35. Узел 100, включающий в себя первые, вторые и третьи форсунки 103, 104, 105, также включает в себя, как упоминалось выше, полость 60, которая поддерживает захватываемый вихрь 66, предпочтительно - образованный аммиаком 6, подаваемым в полость 60 посредством элемента 62 подвода аммиака.

Пламя 109 в камере 28 сгорания имеет внутреннюю зону 110 рециркуляции, которая стабилизирует пламя 109 за счет переноса горячих газообразных продуктов 34 сгорания в невыгоревшую топливовоздушную смесь, и внешнюю зону 111 рециркуляции.

Узел 100 можно эксплуатировать во время процесса воспламенения или во время эксплуатации газотурбинного двигателя 10 под частичной нагрузкой таким образом, что в камеру 28 сгорания впрыскивают только первое топливо 1 и/или второе топливо 2. Во время эксплуатации газотурбинного двигателя 10 под основной нагрузкой, в камеру 28 сгорания впрыскивают третье топливо 3 и, по меньшей мере, одно из первого топлива 1 и второго топлива 2.

Излишне говорить, что узел 100, в частности, такой, как описанный в возможном варианте осуществления согласно фиг.3 и 4, может включать в себя в себя первые форсунки 103 и вторые форсунки 104, или - в качестве альтернативы - узел 100, в частности, такой, как описанный в возможном варианте осуществления согласно фиг.3 и 4, может включать в себя в себя первые форсунки 103, вторые форсунки 104 и третьи форсунки 105.

В варианте осуществления узла 100, который включает в себя первые форсунки 103 и вторые форсунки 104 без третьих форсунок 105, узел 100 может включать в себя в себя соответствующие первый и второй источники 201, 202 топлива, которые подают первое топливо 1 и второе топливо 2, соответственно. Второе топливо 2 менее реактивно, чем первое топливо 1. Узел 100 предварительно смешивает первое и второе топлива 1, 2 с первым и вторым потоками 91, 92 воздуха, образуя первую и вторую линии 112, 113 токов предварительного смешивания соответственно, до того, как топлива 1, 2 попадают в реакционную зону 109 камеры 28 сгорания. Каждая из первой и второй линий 112, 113 токов предварительного смешивания образуется в камере 28 сгорания; вместе с тем, некоторая часть одной или обеих линий 112, 113 токов предварительного смешивания может простираться в завихритель 107, или - иными словами - одна из линий 112, 113 токов предварительного смешивания может или обе они могут начинаться внутри завихрителя 107 и направляться оттуда в камеру 28 сгорания. Как упоминалось выше, длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания больше, чем длина L1 первой линии 112 тока предварительного смешивания. Узел 100, включающий в себя первые и вторые форсунки 103, 104, также включает в себя, как упоминалось выше, полость 60, которая поддерживает захватываемый вихрь 66, предпочтительно - образуемый аммиаком 6, подаваемым в полость 60 посредством элемента 62 подвода аммиака.

В контексте эксплуатации узла 100 представлен еще один вариант осуществления способа согласно предлагаемой технологии. При осуществлении способа, наряду со сгоранием, по меньшей мере, первого топлива 1 также осуществляют сгорание второго топлива 2 в реакционной зоне 109 камеры 28 сгорания. Первое топливо 1 и второе топливо 2 впрыскивают в камеру 28 сгорания по отдельности или независимо друг от друга, например, через первые форсунки 103, расположенные в пластине 33 горелки, и вторые форсунки, расположенные на пластине 33 горелки или у направляющих лопаток завихрителя 107, таким образом, что первое топливо 1 и второе топливо 2 попадают в реакционную зону 109 в первом месте 1ʽ и втором месте 2ʽ, предпочтительно - отличающихся друг от друга. Первая и вторая линии 112, 113 токов предварительного смешивания простираются между точкой или местом или положением первых и вторых форсунок 103, 104 и первым местом 1ʽ и вторым местом 2ʽ, а длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания больше, чем длина L1 первой линии 112 тока предварительного смешивания.

В узле 100 с первыми и вторыми форсунками 103, 104 и/или при осуществлении способа с использованием первого и второго топлив 1, 2, первое топливо 1 включает в себя или представляет собой одно из водорода, углеводорода, такого, как метан, смеси углеводородов, такой, как природный газ, и их комбинации. Второе топливо 2 включает в себя или представляет собой углеводород, такой, как метан, смесь углеводородов, такую, как природный газ, аммиак и их комбинацию.

Далее обратимся к фиг.5 to 7, чтобы пояснить еще один возможный вариант осуществления узла 100 и способ согласно предлагаемой технологии.

Как показано на фиг.5, 6 и 7, узел 100 включает в себя первую форсунку 103, предпочтительно - расположенную в пластине 33 горелки, которая совмещена или совпадает с передней поверхностью 81 предкамеры 80, для впрыска первого топлива 1, например - водорода, в камеру 28 сгорания.

Узел 100 дополнительно включает в себя завихритель 211 для введения смеси второго топлива 2 и второго потока 92 воздуха и завихритель 217 для введения смеси третьего топлива 3 и третьего потока 93 воздуха. Первое и второе топлива 1, 2 вводят в часть камеры 28 сгорания, ограниченную предкамерой 80. Завихритель 211 находится ниже по течению относительно завихрителя 217, и поэтому завихритель 211 также именуют расположенным ниже по течению завихрителем 211, а завихритель 217 также именуют расположенным выше по течению завихрителем 217. Внутри расположенного ниже по течению завихрителя 211 находятся вторые форсунки 104, расположенные, например, на направляющих лопатках 211a (изображенных на фиг.7) расположенного ниже по течению завихрителя 211, или в пространстве между направляющими лопатками 211a расположенного ниже по течению завихрителя 211. Внутри расположенного выше по течению завихрителя 217 находятся третьи форсунки 105, расположенные, например, на направляющих лопатках 217a (изображенных на фиг.7) расположенного выше по течению завихрителя 217, или в пространство между направляющими лопатками 217a расположенного выше по течению завихрителя 217. Таким образом, внутри расположенного ниже по течению завихрителя 211 и расположенного выше по течению завихрителя 217 второй поток 92 воздуха и третий поток 93 воздуха смешиваются со вторым топливом 2 и третьим топливом 3, соответственно.

Положение P1, например - центральное положение в предкамере 80, расположенной ниже по течению от завихрителя 211, отстоит в осевом направлении (предпочтительно - параллельном оси 35) от передней поверхности 81 предкамеры 80 на отрезок a1. Положение P2 расположенного выше по течению завихрителя 217 отстоит от передней поверхности 81 предкамеры 80 на отрезок a2, который меньше, чем отрезок a1. Таким образом, положение P1 аксиально отстоит от положения P2 на разность a1—a2.

Как показано на фиг.5, внешний диаметр d2 расположенного выше по течению завихрителя 217 может быть больше, чем внешний диаметр d1 расположенного ниже по течению завихрителя 211. Третьи форсунки 105 находятся в радиально крайнем снаружи положении - или в его окрестности - в расположенном выше по течению завихрителе 217, тогда как вторые форсунки 104 находятся в радиально крайнем снаружи положении - или в его окрестности - в расположенном ниже по течению завихрителе 211, тем самым гарантируя, что радиальная протяженность или часть длины L3 третьей линии 114 тока предварительного смешивания больше, чем радиальная протяженность или часть длины L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания. В возможном варианте осуществления узла 100 диаметр d2 расположенного выше по течению завихрителя 217 находится между 150 миллиметрами (мм) и 450 мм, а конкретнее - составляет примерно 250 мм, в то время как диаметр d1 расположенного ниже по течению завихрителя 211 находится между 50 и 250 мм, а конкретнее - составляет примерно 100 мм.

Как упоминалось выше, в узле 100 согласно предлагаемой технологии, включающем в себя вариант осуществления узла 100, изображенный на фиг.5 и 6, длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания больше, чем длина L1 первой линии 112 тока предварительного смешивания. В дополнение к этому, длина L3 третьей линии 114 тока предварительного смешивания больше, чем длина L2 второй линии 113 тока предварительного смешивания. Узел 100, включающий в себя расположенный выше по течению и расположенный ниже по течению завихрители 217, 211, также включает в себя, как упоминалось выше, полость 60, которая поддерживает захватываемый вихрь 66, предпочтительно - образованный аммиаком 6, подаваемым в полость 60 посредством элемента 62 подвода аммиака.

Узел 100, изображенный на фиг.5 и 6 и применимый для варианта осуществления узла 100, изображенного на фиг.2—4, может дополнительно включать в себя, по меньшей мере, один датчик 239 температуры для измерения температуры, по меньшей мере, в одной области узла 100, в частности - одной области камеры 28 сгорания. Датчик 239 температуры генерирует измерительный сигнал 241, подаваемый в контроллер 245, который также входит в состав узла 100. Контроллер 245 принимает измерительный сигнал 241 из одной или нескольких разных областей внутри узла 100, в частности - из одного или нескольких разных мест внутри камеры 28 сгорания, и корректирует массовые расходы первого топлива 1, второго топлива 2 и/или третьего топлива 3, чтобы управлять процессом сгорания или параметрами сгорания на основе измеренной температуры или измеренных температур в разных областях камеры 28 сгорания.

Как показано на фиг.6, Узел 100, включает в себя топливные каналы 5, которые проводят или подают первое топливо 1, второе топливо 2 и третье топливо 3 в первые форсунки 103, вторые форсунки 104 и третьи форсунки 105, соответственно, по разным топливным каналам 5.

На фиг.6 также показаны зоны 110, 111 рециркуляции, которые стабилизируют зону 109 рециркуляции или пламя 109. Как упоминалось выше, первые форсунки 103 могут быть частью пускового воспламенителя 31.

Полость 60 присутствует во всех вышеупомянутых вариантах осуществления узла 100 согласно предлагаемой технологии. Место полости 60 является таким, как пояснялось ранее со ссылками на фиг.2. Полость 60 может иметь различные размеры; например, в одном варианте осуществления, который показан на фиг.4 и принципы которого применимы также для одного или нескольких других вариантов осуществления узла 100, отношение ширины к длине кольцевой полости составляет 1:1, т.е. осевая длина L_C кольцевой полости 60 равна радиальной длине D_C кольцевой полости 60. Радиальная длина D_C представляет собой глубину кольцевой полости 60.

Хотя предлагаемая технология подробно описана со ссылками на определенные варианты осуществления, следует учесть, что предлагаемая технология не ограничивается именно этими вариантами осуществления. Наоборот, ввиду данного описания, где описываются возможные режимы практического осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будут ясны многочисленные модификации и изменения, которые в рамках объема притязаний и существа изобретения в него можно внести. Поэтому объем притязаний изобретения указывается нижеследующей формулой изобретения, а не вышеизложенным описанием. Все изменения, модификации и вариации, находящиеся пределах смысла и диапазона эквивалентности формулы изобретения, следует считать заключенными в пределах объема его притязаний.

Изобретение относится к технологиям снижения выбросов в газотурбинных двигателях, а конкретнее - к способам и узлам камер сгорания, предусматривающим использование захватываемого вихря для снижения выбросов NO_x в газотурбинных двигателях. Представлен узел 100 камеры сгорания газотурбинного двигателя, имеющий конструктивный элемент, обеспечивающий захватываемый вихрь 66. Захватываемый вихрь формируют с помощью аммиака 6, впрыскиваемого в кольцевую полость 60, находящуюся в стенке, окружающей камеру сгорания 28 узла камеры сгорания. Кольцевая полость, а значит, и захватываемый вихрь, располагается таким образом, что, когда внутри камеры сгорания происходит сгорание, положение кольцевой полости, а значит, и захватываемого вихря, оказывается ниже по течению от фронта пламени. Выбросы, являющиеся результатом сгорания, продвигаются через камеру сгорания и проходят мимо кольцевую полость до того, как покидают камеру сгорания. Захватываемый вихрь в камере сгорания обеспечивает приток радикалов NH₂, получающихся из аммиака захватываемого вихря, в проходящие мимо выбросы и преобразует NO_x и N₂O, присутствующие в выбросах, в незагрязняющие продукты, главным образом - воду и азот. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ эксплуатации узла (100) камеры сгорания для газотурбинного двигателя (10), заключающийся в том, что:

- обеспечивают сгорание, по меньшей мере, первого топлива (1) в реакционной зоне (109) камеры (28) сгорания узла (100) камеры сгорания, причем реакционная зона (109) содержит фронт (9) реакционной зоны; и

- впрыскивают аммиак (6) в камеру (28) сгорания, чтобы сформировать захватываемый вихрь (66) в камере (28) сгорания, причем аммиак (6) впрыскивают таким образом, что захватываемый вихрь (66) формируется в камере (28) сгорания в некотором положении ниже по течению от фронта (9) реакционной зоны.

2. Способ по п.1, в котором первое топливо (1) содержит или представляет собой одно из водорода, углеводорода, смеси углеводородов, аммиака и их комбинации.

3. Способ по п.1, в котором сгорание, по меньшей мере, первого топлива (1) включает в себя сгорание, по меньшей мере, второго топлива (2), при этом способ дополнительно заключается в том, что:

- впрыскивают второе топливо (2) в камеру (28) сгорания таким образом, что второе топливо (2) попадает в реакционную зону (109), причем второе топливо (2) менее реактивно, чем первое топливо (1);

- при этом, сгорание первого топлива (1) предусматривает впрыск первого топлива (1) в камеру (28) сгорания таким образом, что первое топливо (1) попадает в реакционную зону (109);

- при этом первое топливо (1) и второе топливо (2) впрыскивают таким образом, что первое и второе топлива (1, 2) предварительно смешиваются с первым и вторым потоками (91, 92) воздуха, формируя первую и вторую линии (112, 113) токов предварительного смешивания, соответственно, до того, как первое и второе топлива (1, 2) попадают в реакционную зону (109); и

- при этом каждая из линий (112, 113) токов предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания топлива (1, 2) с соответственным потоком (91, 92) воздуха и заканчивается в некотором месте (1ʽ, 2ʽ), где топливо (1, 2) попадает в реакционную зону (109), и при этом длина (L2) второй линии (113) тока предварительного смешивания больше, чем длина (L1) первой линии (112) тока предварительного смешивания.

4. Способ по п.3, в котором первое топливо (1) содержит или представляет собой одно из водорода, углеводорода, смеси углеводородов и их комбинации, и при этом второе топливо (2) включает в себя или представляет собой одно из углеводорода, смеси углеводородов, аммиака и их комбинации.

5. Способ по п.3, в котором сгорание, по меньшей мере, первого топлива (1) предусматривает сгорание, по меньшей мере, третьего топлива (3), при этом способ дополнительно заключается в том, что:

- впрыскивают третье топливо (3) в камеру (28) сгорания таким образом, что третье топливо (3) попадает в реакционную зону (109), причем третье топливо (3) менее реактивно, чем второе топливо (2);

- при этом третье топливо (3) впрыскивают таким образом, что третье топливо (3) предварительно смешивается с третьим потоком (93) воздуха, образуя третью линию (114) тока предварительного смешивания до того, как третье топливо (3) попадает в реакционную зону (109); и

- при этом третья линия (114) тока предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания третьего топлива (3) с третьим потоком (93) воздуха и заканчивается в некотором месте (3ʽ), где третье топливо (3) попадает в реакционную зону (109), и при этом длина (L3) третьей линии (114) тока предварительного смешивания больше, чем длина (L2) второй линии (113) тока предварительного смешивания.

6. Способ по п.5,

- в котором первое топливо (1) содержит или представляет собой водород;

- причем второе топливо (2) содержит или представляет собой углеводород или смесь углеводородов; и

- при этом третье топливо (3) содержит или представляет собой аммиак.

7. Способ по любому из пп.1—6, в котором узел (100) камеры сгорания содержит жаровую трубу (70), кольцевую полость (60) в жаровой трубе (70) и предкамеру (80), имеющую выход (82) предкамеры, и при этом осевое расстояние (D) кольцевой полости (60) от выхода (82) предкамеры равно 50 % длины (L) жаровой трубы (70) или больше, в частности, находится между 50 % и 75 % длины (L) жаровой трубы (70);

- при этом аммиак (6) впрыскивают в жаровую трубу (70) таким образом, что в кольцевой полости (60) жаровой трубы (70) формируется захватываемый вихрь (66).

8. Узел (100) камеры сгорания для газотурбинного двигателя, содержащий:

- горелку (30), имеющую пластину (33) горелки;

- предкамеру (80), имеющую выход (82) предкамеры (80);

- жаровую трубу (70) имеющую радиальную протяженность больше, чем у предкамеры (80), причем камера (28) сгорания ограничена жаровой трубой (70) и предкамерой (80), и при этом конфигурация камеры (28) сгорания обеспечивает сгорание, по меньшей мере, первого топлива (1) в реакционной зоне (109);

- одну или более первых форсунок (103), конфигурация которых обеспечивает впрыск первого топлива (1) в камеру (28) сгорания,

отличающийся тем, что

жаровая труба (70) содержит кольцевую полость (60), конфигурация которой обеспечивает поддержание захватываемого вихря (66), причем осевое расстояние (D) кольцевой полости (60) от выхода (82) предкамеры равно 50 % длины (L) жаровой трубы (70) или больше, в частности, находится между 50 % и 75 % длины (L) жаровой трубы (70),

причем узел (100) дополнительно содержит элемент (62) подвода аммиака для подачи в кольцевую полость (60) таким образом, что в кольцевой полости (60) жаровой трубы (70) формируется захватываемый вихрь (66).

9. Узел (100) камеры сгорания по п.8, отличающийся тем, что содержит:

- одну или более вторых форсунок (104), конфигурация которых обеспечивает впрыск второго топлива (2), менее реактивного, чем первое топливо (1), в камеру (28) сгорания,

при этом узел (100) сгорания выполнен с возможностью предварительного смешивания первого и второго топлив (1, 2) с первым и вторым потоками (91, 92) воздуха для формирования первой и второй линий (112, 113) токов предварительного смешивания, соответственно, до того, как топлива (1, 2) попадают в реакционную зону (109) камеры (28) сгорания, причем каждая из линий (112, 113) токов предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания топлива (1, 2) с соответственным потоком (91, 92) воздуха и заканчивается в некотором месте (1ʽ, 2ʽ), где топливо (1, 2) попадает в реакционную зону (109), и

- при этом длина (L2) второй линии (113) тока предварительного смешивания больше, чем длина (L1) первой линии (112) тока предварительного смешивания.

10. Узел (100) камеры сгорания по п.9, отличающийся тем, что содержит:

- источник (201) первого топлива, конфигурация которого обеспечивает подачу первого топлива (1) в одну или более первых форсунок (103); и

- источник (202) второго топлива, конфигурация которого обеспечивает подачу второго топлива (2) в одну или более вторых форсунок (104),

- при этом первое топливо (1) содержит или представляет собой одно из водорода, углеводорода, смеси углеводородов и их комбинации, и при этом второе топливо (2) содержит или представляет собой углеводород, смесь углеводородов и их комбинацию.

11. Узел (100) камеры сгорания по п.9, отличающийся тем, что содержит одну или более третьих форсунок (105), выполненных с возможностью впрыска третьего топлива (3), менее реактивного, чем второе топливо, в камеру (28) сгорания,

- причем узел (100) камеры сгорания выполнен с возможностью предварительного смешивания третьего топлива (3) с третьим потоком (93) воздуха для формирования третьей линии (114) тока предварительного смешивания до того, как третье топливо (3) попадает в реакционную зону (109) камеры (28) сгорания, при этом третья линия (114) тока предварительного смешивания начинается с началом предварительного смешивания третьего топлива (3) с третьим потоком (93) воздуха и заканчивается в некотором месте (3ʽ), где третье топливо (3) попадает в реакционную зону(109), и

- при этом длина (L3) третьей линии (114) тока предварительного смешивания больше, чем длина (L2) второй линии (113) тока предварительного смешивания.

12. Узел (100) камеры сгорания по п.11, отличающийся тем, что дополнительно содержит:

- источник (201) первого топлива, конфигурация которого обеспечивает подачу первого топлива (1) в одну или более первых форсунок (103);

- источник (202) второго топлива, конфигурация которого обеспечивает подачу второго топлива (2) в одну или более вторых форсунок (104); и

- источник (203) третьего топлива, конфигурация которого обеспечивает подачу третьего топлива (3) в одну или более третьих форсунок (105);

- при этом первое топливо (1) содержит или представляет собой водород;

- при этом второе топливо (2) содержит или представляет собой углеводород или смесь углеводородов; и

- при этом третье топливо (3) содержит или представляет собой аммиак.

13. Узел (100) камеры сгорания по п.11 или 12, отличающийся тем, что одна или более первых форсунок (103) расположены на передней грани (81) предкамеры (80), и при этом узел (100) камеры сгорания содержит:

- расположенный ниже по течению завихритель (211), имеющий упомянутую одну или более вторых форсунок (104), причем конфигурация расположенного ниже по течению завихрителя (211) обеспечивает введение смеси второго топлива (2), впрыскиваемого упомянутой одной или более вторыми форсунками (104), и второго потока (92) воздуха в камеру (28) сгорания; и

- расположенный выше по течению завихритель (217), имеющий упомянутую одну или более третьих форсунок (105), причем конфигурация расположенного выше по течению завихрителя (217) обеспечивает введение смеси третьего топлива (3), впрыскиваемого упомянутой одной или более третьими форсунками (105), и третьего потока (93) воздуха в камеру (28) сгорания;

- при этом расположенный ниже по течению завихритель (211) и расположенный выше по течению завихритель (217) расположены у предкамеры (80).

14. Узел (100) камеры сгорания по любому из пп.8—13, отличающийся тем, что отношение ширины к длине кольцевой полости (60) составляет 1:1.