трубчатая камера сгорания газотурбинного двигателя и диффузионное регулируемое сопло предварительного приготовления смеси

Формула изобретения

1. Трубчатая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая расположенные по кольцу вверху основные камеры сгорания и расположенную ниже вторичную камеру сгорания, соединенную с основными камерами горлом, центральное диффузионное регулируемое сопло предварительного приготовления смеси, расположенное перед второй камерой сгорания и имеющее выпускной конец, направленный внутрь второй камеры сгорания, причем указанное сопло выполнено в виде концентрично расположенных, начиная от оси, топливной трубки, воздухоотводящей трубки, имеющей по существу одинаковую длину с топливной трубкой и нижний завихритель на ее конце, топливовоздушный канал, включающий в себя радиальные топливораспределительные трубки, простирающиеся внутрь топливовоздушного канала, и верхний завихритель воздуха, отличающаяся тем, что верхний завихритель воздуха в топливовоздушном канале расположен перед радиальными топливораспределительными трубками.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что диффузионное регулируемое сопло предварительного приготовления смеси снабжено элементами Вентури, установленными после выпускного конца топливовоздушного канала.

3. Диффузионное регулируемое сопло предварительного приготовления смеси, содержащее концентрично расположенные, начиная от оси, топливную трубку и воздухоподводящую трубку, имеющую по существу одинаковую длину с топливной трубкой и выходной завихритель воздуха на своем выпускном конце, топливовоздушный канал с радиальными лучами топливораспределительных трубок по направлению к его входному концу и верхний завихритель, отличающееся тем, что завихритель в топливовоздушном канале расположен перед радиальными топливораспределительными трубками.

4. Сопло по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено элементом Вентури, установленным на выходе топливовоздушного канала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к камерам сгорания газовых турбин и в частности к усовершенствованиям в области камер сгорания газовых турбин, связанным с дальнейшим снижением содержания в воздуха загрязняющих веществ, таких как окислы азота (NOx).

В попытке уменьшить количество NOx в выхлопных газах газовой турбины изобретатели Уилкис и Хилт разработали сдвоенную ступень, сдвоенную модель камеры сгорания, которая описана в патенте США N 4292801, выданном 6 октября 1981 г. общему поверенному настоящего изобретения. В этом вышеупомянутом патенте, который приведен здесь для сравнения, было обнаружено, что количество выделяемых NOx можно было бы значительно уменьшить по сравнению с обычной единичной ступенью, камерой с одной топливной форсункой, если были установлены две камеры сгорания таким образом, что при условии обычной рабочей нагрузки, расположенные вверху основная камера сгорания выполнена в качестве камеры предварительного приготовления смеси, в то время как фактическое сгорание происходило в находящейся ниже второй камере сгорания. При этих описанных рабочих условиях в основной камере не должно быть пламени, что приводит к уменьшению образования NO_x. При этом условии работы вспомогательное или центральное сопло обеспечивает источник пламени для работы камеры сгорания. Особая конфигурация устройства, предусмотренного в запатентованном изобретении, включает кольцевой ряд первичных (оcновных) сопел, каждое из которых подает топливо в основную камеру сгорания, и центральное вспомогательное сопло, которое подает топливо во вторую камеру сгорания. Эти сопла все можно описать как диффузионные сопла, в которых каждое сопло содержит аксиальную топливоподводящую трубку, и окружено в своем выходном конце воздушной вихревой форсункой, которая обеспечивает подачу воздуха для горения на выход топливной форсунки.

В основной заявке, N 07/501439, приведенной здесь для сравнения, авторы обнаружили, что дальнейшего уменьшения образования NO_z можно достигнуть изменением конструкции центрального или вспомогательного сопла, таким образом, что его можно охарактеризовать как комбинированное сопло предварительного приготовления и диффузии смеси. При работе для поддержания диффузионного процесса используют относительно небольшое количество топлива, в то время, как "премиксная" часть сопла обеспечивает подачу дополнительного топлива для воспламенения основной подачи топлива из верхних основных сопел, направленных в основную камеру сгорания.

В вышеописанном изобретении вихревая форсунка премикса расположена на границе зоны вторичного пламени и служит стабилизации и поддержанию пламени в различных режимах работы. Этот элемент вихревой форсунки премикса однако подвержен воздействию пламени высоких температур, которое может повлиять на срок службы вихревой форсунки.

Следовательно, задачей этой частично продолженной заявки является сохранение общей конфигурации сопла, как описано в основной заявке, с одновременным перенесением вихревой форсунки с тем, чтобы ограничить любой непосредственный контакт с пламенем. Соответственно, вихревая форсунка премикса теперь расположена выше места впрыска топлива, так что вихревая форсунка ни при каких рабочих условиях не будет находиться в непосредственном контакте с пламенем, тем самым увеличивая срок службы вихревой форсунки.

Изобретение, описанное в вышеупомянутой основной заявке, в особенности применимо в камерам сгорания газовой турбины того типа, который содержит две камеры сгорания, разделенные областью горловины Вентури. Кольцевой порядок основных сопел обеспечивает подачу топлива в верхнюю или основную камеру сгорания. Способ работы диктует то, что при загрузке основания основные сопла загораются, в то время как единственное центральное или вспомогательное сопло поддерживает сгорание премиксного топлива из основных сопел. Согласно изобретению единственное центральное или вспомогательное сопло, которое было охарактеризовано как диффузионное сопло, заменено диффузионным регулируемым премиксным соплом, которое снижает расход топлива к центральному диффузионному пламени от приблизительно 20% от общего расхода топлива до приблизительно 2% от общего расхода топлива на всю камеру сгорания. Это осуществляется путем установки воздухоподводящей трубки вокруг минимальной топливоподводящей трубки с целью поддержания горения диффузионного пламени, в то время как максимальная подача топлива внутри вспомогательного сопла происходит при помощи радиальных топливораспределительных трубок, каждая из которых обеспечивает подачу топлива в камеру предварительного приготовления смеси, которая окружает диффузионное регулирующее приспособление, содержащее аксиальную топливоподводящую трубку и окружающую ее воздухоподводящую трубку. Этим способом пользуются для воспламенения центрального потока из сопла камеры премикса, но можно использовать относительно небольшое количество топлива, но необходимое количество значительно меньше того количества, которое было бы необходимо для воспламенения основного потока премикса из остальных охватывающих основных сопел. Эта конструкция, таким образом, одновременно сводит к минимуму процентное содержание общего расхода топлива в камере сгорания, которое сгорает в виде диффузионного пламени (с высокими выделениями NO_x), но допускает достаточный подвод тепла для воспламенения основного предварительно приготовленного потока смеси за счет использования вспомогательного потока предварительно приготовленной смеси (который характеризуется низкими выделениями NO_x).

В то же самое время элемент премиксной вихревой форсунки, ранее расположенный на границе зоны вторичного пламени, теперь перемещен в точку, расположенную выше точки впрыска топлива. В частности премиксная вихревая форсунка выполнена как составная часть вспомогательного топливного сопла и расположена позади или перед радиальными топливораспределительными трубками. Вихревая форсунка будет преимущественно содержать ряд лопаток, расположенных по окружности под некоторым углом по отношению к продольной оси топливного сопла.

В другом варианте для того, чтобы способствовать стабилизации вторичного пламени на выходном конце вспомогательной камеры предваpительного приготовления смеси предусмотрена трубка Вентури.

Фиг. 1 представляет собой вид в вертикальном разрезе двигателя газовой турбины в виде частичного поперечного сечения.

Фиг. 2 представляет собой вид в вертикальном разрезе в увеличенном масштабе части секции камеры сгорания двигателя газовой турбины.

Фиг. 3 представляет собой схематичное изображение комбинированного диффузионного и премиксного сопла в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 представляет собой схематичное изображение сопла для диффузионного сжигания и предварительного приготовления смеси в соответствии с частично продолжающей заявкой.

Фиг. 5 представляет собой схематичное изображение диффузионного и премиксного сопла, изображенного на фиг.4.

Согласно фиг. 1 газовая турбина 12 содержит компрессор 14, камеру сгорания 16 и турбину 18, представленную единственной лопаткой. Хотя это конкретно и не изображено, но общеизвестно, что турбина приводным образом соединена с компрессором вдоль общей оси. Компрессор 14 сжимает поступающий воздух, который вращается в направлении или обратно возвращается в камеру сгорания 16, где он используется для охлаждения камеры сгорания, а также используется для подачи воздуха в процесс сгорания. Газовая турбина включает множество камер сгорания (16) (изображена одна из них), которые расположены по периферии газовой турбины. В одной конкретной модели газовой турбины содержится четырнадцать таких камер сгорания. Переходной канал 20 соединяет выходной конец 18 своей конкретной камеры сгорания с входной стороной турбины для подачи горячих продуктов процесса сгорания в турбину.

Изобретение особенно полезно при двухступенчатой, двухрежимной камере низких NO_x того типа, который описан в патенте США N 4292801. Как описано в этом патенте и как изображено на фиг. 2 в настоящем описании, каждая камера 16 содержит основную или верхнюю камеру сгорания 24 и вторую или нижнюю камеру сгорания 26, разделенные зоной короткой соединительной части Вентури 28. Камера сгорания 16 окружена проходным кожухом 30 камеры сгорания, который обеспечивает прохождение выходящего из компрессора воздуха в камеру сгорания. Камера сгорания дополнительно окружена наружным кожухом 31 (фиг. 1), который крепится с помощью болтов к корпусу турбины 32.

Основные сопла 36 обеспечивают подачу топлива в верхнюю камеру сгорания 24 и расположены в кольцевом порядке вокруг центрального вспомогательного сопла 38. В газовой турбине одной модели каждая камера сгорания может включать шесть основных сопел и одно вспомогательное сопло. Для завершения характеристики камеры сгорания топливо подают к соплам через трубную обвязку 42 общеизвестным в технике способом и полностью описанным к вышеупомянутом патенте. Воспламенение в основной камере сгорания вызывает при помощи свечи зажигания 48, изображенной на фиг.1, и в соседних камерах сгорания при помощи перекресных трубок 50, также общеизвестных в технике.

В патенте США N 4292801 подчеркнуто, что топливные форсунки, как основные, так и дополнительные, идентичны одна другой, следует сказать, что все сопла представляют собой сопла диффузионного типа. Согласно настоящей фиг. 2, диффузионное сопло 36 включает топливоподводящее сопло 54 и кольцевую вихревую форсунку 56. По соплу 54 подается лишь топливо, которое затем последовательно смешивается с воздухом, проходящим через вихревую форсунку для сгорания. Согласно патентным данным дополнительное сопло также является диффузионным соплом, как будет объяснено далее.

При работе с нагрузкой по базовому компоненту топлива двухступенчатую, двухрежимную камеру сгорания конструируют таким образом, чтобы она работала в премиксном режиме (режиме предварительной подготовки смеси) таким образом, что все основные форсунки 36 просто смешивают топливо и воздух для воспламенения от диффузионного пламени, поддерживаемого дополнительным или центральным диффузионным соплом 38. Это предварительное приготовление смеси из топлива основного сопла и зажигание посредством дополнительного диффузионного сопла привело к пониженному выходу NO_x в камере сгорания. Однако описанная система обладала по меньшей мере одним основным недостатком. Например, лабораторные исследования обнаружили, что хотя при использовании минимально возможного процентного соотношения топлива в дополнительном сопле, приведшее к минимуму выделения NO_x при некоторых рабочих условиях, то же самое низкое процентное содержание топлива в дополнительном сопле в действительности не обеспечило достаточный подвод тепла для удовлетворительного сжигания основного предварительно приготовленного потока при других рабочих условиях.

Авторы основной заявки N 07/501439 обнаружили, что удовлетворительное регулируемое пламя основного потока предварительно приготовленной смеси из верхних премиксных (основных) сопел 36 можно поддержать за счет минимального диффузионного запальника в совокупности с камерой предварительного приготовления смеси с центральным соплом. Таким образом, изобретение одновременно сводит к минимуму процентное содержание всего топлива в камере сгорания, которое сгорает в виде диффузионного пламени (с большими выделениями NO_x), в то же время позволяя достаточному тепловому притоку воспламенять основной поток предварительного приготовленной смеси за счет использования предварительно приготовленного дополнительного или запального потока.

Согласно фиг. 2 и 3, иллюстрируется диффузионное регулировочное премиксное (или дополнительное) сопло 100, являющееся объектом изобретения основной заявки. Сопло, также называемое как дополнительное (вспомогательное) сопло, содержит диффузионный запальник 62, содержащий топливоподводящую трубку 64. Топливоподводящая трубка включает аксиальный трубчатый участок 66 и множество радиальных, заглушенных на концах топливораспределительных трубок 68, которые проходят радиально в направлении периферии от аксиального трубчатого участка. В предпочтительном варианте имеется шесть таких распределительных трубок. Как наиболее очевидно из фиг.3, каждая топливораспределительная трубка содержит множество топливораспределительных отверстий или щелей 70, которые направляют выходящий поток топлива в направлении выходной стороны комбинированного сопла. Топливораспределительные отверстия имеют такие геометрические размеры, чтобы обеспечить необходимое процентное содержание топливного потока в описанную ниже камеру предварительного приготовления смеси.

Диффузионный запальник 62 дополнительно содержит воздухоподводящую трубку 74, коаксиальную с топливоподводящим аксиальным трубчатым участком 66 и охватывающую его. Ввод воздуха в воздухоподводящую трубку 74 обеспечивается сжатым в компрессоре воздухом, который возвращают вокруг камеры сгорания 16 в полость 76 (фиг. 1 и 2), ограниченную кожухом 30 и рубашкой 78 камеры сгорания. Диффузионный запальник 62 включает в своей выходной стороне первую или диффузионную запальную вихревую форсунку 82 в целях направления воздуха, выходящего из воздухоподводящей трубки, в пламя диффузионного запальника.

Камера предварительного приготовления смеси 84 ограничена кожуховидным усеченным конусом 85, который охватывает диффузионный запальник 62 и содержит выходную сторону (см. стрелки, обозначающие поток), заканчивающуюся рядом с выходной стороной диффузионного запальника. Выходящий из компрессора сжатый воздух также возвращается в камеру предварительного приготовления смеси 84 из полости 76 аналогично тому способу, с помощью которого воздух подают в воздухоподводящую трубку 74. Множество радиальных топливораспределительных трубок 68 расходятся через воздухораспределительную трубку 74 и проходят в камеру предварительного приготовления смеси 84 таким образом, что топливо и воздух смешиваются между собой и поступают в кольцевое пространство 86 вихревой форсунки второй или премиксной камеры между диффузионным запальником 62 и усеченным конусом 85 премиксной камеры (камеры предварительного приготовления смеси прим. пер.).

Третье или центральное вихревое сопло 90 расположено на выходе выходного торца вспомогательного сопла 100 между выступающей частью или чашей 92 на выходной стороне запальника и центральной стенкой 95 основной камеры сгорания. Сжатый в компрессоре воздух также возвращают в эту вихревую форсунку из полости 76, окружающей рубашку камеры сгорания. Цель этого третьего вихревого сопла 90 состоит в обеспечении стабильности для пламени диффузионного и премиксного сопла при объединении с основным потоком предварительно приготовленной смеси из основной камеры сгорания.

Необходимая конструкция первой, второй и третьих вихревых форсунок 82, 86 и 90, соответственно, должна быть известна специалистам в области техники сгорания и следовательно, не требует никакого дополнительного описания. Усеченный конус 85, ограничивающий камеру предварительного приготовления смеси, выполняют из любого подходящего металла, пригодного для использования в условиях газовой турбины.

Обращаясь теперь к фиг. 4 видно, что вспомогательное сопло 102 изображено в соответствии с этой частично продолженной заявкой. Диффузионное запальное премиксное сопло включает диффузионный запальник 104, содержащий топливоподводящую трубку 106. Топливоподводящая трубка имеет аксиальный трубчатый участок 108 и множество радиальных топливораспределительных трубок 110, которые расположены радиально в направлении периферии от аксиального трубчатого от аксиального трубчатого участка 108 и которые закрыты со стороны своих наиболее удаленных от центра концов. Аналогично варианту, изображенному на фиг. 3, предпочтительная конструкция включает шесть таких топливораспределительных трубок. Каждая трубка 108 также содержит множество отверстий или щелей 112 для выхода топлива, которые направляют выходящий поток топлива в направлении выходной стороны вспомогательного сопла. Как ранее обсуждено, распределительные отверстия 112 выполнены таких размеров, чтобы обеспечить необходимое процентное содержание топливного потока в камере предварительного приготовления смеси, как описано ниже.

Диффузионный запальник 104 помимо этого содержит воздухоподводящую трубку 114, коаксиальную с топливоподводящей трубкой 106 и охватывающую ее. В воздухоподводящую трубку 114 воздух поступает из компрессора и возвращается обратно вокруг камеры сгорания, как описано выше в отношении варианта, изображенного на фиг. 3. Диффузионный запальник 104 включает со своей выходной стороны первое кольцевое завихрительное пространство 116 для подачи выходящего из воздухоподводящей трубки воздуха в зону диффузионного запального пламени.

Камера предварительного приготовления смеси 118 ограничена кожухом 120, который окружает диффузионный запальник 104 и включает выходной конец 119, оканчивающийся рядом с выходным концом диффузионного запальника, т.е. рядом с первой вихревой форсункой 116. Воздух, выходящий из компрессора, также направляют обратно в камеру предварительного приготовления смеси 118, как описано выше. Множество радиальных топливораспределительных трубок 110 проходят через воздухоподводящую трубку 114 и входят в камеру предварительного приготовления смеси. Однако в этом варианте второе завихрительное кольцевое пространство 122 расположено перед радиальными топливораспределительными трубками 110. За счет такого размещения вихревой форсунки 122 она ни в какое время не подвергается непосредственному контакту с пламенем, в результате чего удлиняется срок службы вихревой форсунки, в то же время сохраняя функцию ранее описанной вихревой форсунки 86. Другими словами, воздушный поток по существу аналогичен воздушному потоку, описанному в варианте, изображенном на фиг. 3 в том, что при этом достигается одна и та же степень завихрения в воздухе и топлива, с целью сохранения стабильности пламени, но опасность теплового повреждения второй вихревой форсунки 122 сводится к минимуму. Таким образом, при условии, что характеристики пламени идентичны характеристикам пламени в ранее описанном варианте, результат должен бы быть идентичным или аналогичен в коэффициенте полезного действия в сгорании с предварительным приготовлением смеси в целом.

В предпочтительной в настоящее время конструкции вторая вихревая форсунка 122 будет представлять составную часть вспомогательной топливной форсунки 102, и вихревая форсунка будет состоять из ряда лопаток, расположенных по окружности под некоторым углом по отношению к осевой аксиальной центральной линии топливной форсунки, как будет понятно рядовым специалистам в данной области техники. Лопатки могут быть отлиты как часть форсунки, или выполнены отдельно и механически присоединены посредством сварки или пайки к форсунке. Лопатки могут быть аэродинамическими или неаэродинамическими обтекаемыми, с тем, чтобы привести к аэродинамическому потоку или отделенному от лопаток потоку. Хотя в настоящее время предпочитают использовать неаэродинамическую схему, можно также использовать и аэродинамические лопатки.

В еще одном варианте, изображенном на фиг. 5, описывается премиксное сопло с диффузионным регулированием, которое идентично соплу, изображенному на фиг. 4, но с введением элемента Вентури 124, расположенного со стороны вспомогательной камеры предварительного приготовления смеси. Элемент Вентури не является составной частью вспомогательной топливной форсунки. Элемент Вентури 124 будет дополнением к завихрению, создаваемому расположенной по ходу ранее вихревой форсунки 122 с циркулирующим потоком, который будет стремиться к повышению стабилизации интенсивного завихрительного потока.

В итоге, вышеупомянутое изобретение, как оно описано, обеспечивает образованием меньших количеств NO_x, обеспечивая в то же время возможность к дополнительному введению топливного потока через вспомогательное сопло, из-за более низкого выхода NO_x, в то время как степень снижения или способность работать в изменяющихся условиях значительно расширяется, поскольку диффузионный запальник подвержен воздействию потока предварительно приготовленной смеси запальника, в большей степени, чем полный общий поток предварительно приготовленной смеси. В то же время, срок службы премиксной вихревой форсунки, ранее расположенной с выходной стороны камеры предварительного приготовления смеси, увеличен за счет перемещения выше по ходу отверстий для инжекции топлива диффузионного запальника.

Хотя изобретение описано применительно к варианту, который в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный, следует понять, что настоящее изобретение не должно быть ограничено изложенным вариантом, а наоборот, предназначено охватывать различные модификации и эквивалентные устройства, не выходящие за пределы идеи и объема приложенных пунктов формулы изобретения.