ТОПЛИВНЫЕ ФОРСУНКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ПРОТИВОПОЛОЖНЫМИ НАПРАВЛЕНИЯМИ ЗАВИХРЕНИЯ
FUEL ATOMISERS OF GAS TURBINE WITH OPPOSITE SWIRLING DIRECTIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к топливным форсункам и, более конкретно, к камерам сгорания газовой турбины, содержащим топливные форсунки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обычно в газовых турбинах смесь воздуха и топлива сжигается в камере сгорания с созданием выхлопных газов, обеспечивающих приведение в действие турбокомпрессорной установки. Обычные газовые турбины имеют ограниченный диапазон мощностей, определяемый, например, варьированием объема вводимого топлива. По мере уменьшения количества вводимого топлива газовая турбина обычно вырабатывает увеличивающийся объем угарного газа (СО), что обусловлено уменьшением температур. Другими словами, на выходе из камеры сгорания необходимо поддерживать относительно высокие температуры, чтобы обеспечить допустимые уровни выделений продуктов сгорания с отработавшими газами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание конкретных вариантов выполнения в соответствии с объемом первоначально заявленного изобретения. Эти варианты выполнения не предназначены для ограничения объема правовой охраны заявленного изобретения, точнее, они предназначены только для описания сущности его возможных вариантов в кратком изложении. В действительности, указанное изобретение может распространяться на множество вариантов, которые могут быть подобными рассмотренным ниже вариантам выполнения или отличными от них.
В первом варианте выполнения установка содержит первый комплект топливных форсунок, каждая из которых содержит первый воздушный канал, первый топливный канал и первый закручивающий механизм, обеспечивающий первое направление закручивания. Указанная установка также содержит второй комплект топливных форсунок, каждая из которых содержит второй воздушный канал, второй топливный канал и второй закручивающий механизм, обеспечивающий второе направление закручивания. Первый и второй комплекты топливных форсунок расположены по кольцевой схеме так, что форсунки первого комплекта чередуются с форсунками второго комплекта. Кроме того, первое и второе направления закручивания потока противоположны друг другу. Установка дополнительно содержит регулятор, выполненный с возможностью регулирования первого расхода топлива через первый топливный канал и второго расхода топлива через второй топливный канал независимо друг от друга.
Во втором варианте выполнения установка содержит регулятор газовой турбины, который имеет первый рабочий режим, при котором обеспечивается прохождение потока топлива только через первый комплект топливных форсунок, имеющих первое направление закручивания потока. Указанный регулятор также имеет второй рабочий режим, при котором обеспечивается прохождение потока топлива только через второй комплект топливных форсунок, имеющих второе направление закручивания потока, противоположное первому направлению.
В третьем варианте выполнения установка содержит регулятор, который выполнен с возможностью регулирования первого потока топлива через первый комплект топливных форсунок, создающих закручивание потока воздуха в первом направлении. Регулятор также выполнен с возможностью регулирования второго потока топлива через второй комплект топливных форсунок, создающих закручивание потока воздуха во втором направлении, противоположном первому направлению. Регулирование первого и второго потоков топлива выполняется независимо. Кроме того, первый и второй комплекты топливных форсунок расположены по кольцевой схеме так, что форсунки первого комплекта чередуются с форсунками второго комплекта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие свойства, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятны при прочтении последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые детали и на которых
Фиг.1 представляет собой принципиальную блок-схему варианта выполнения турбинной установки, содержащей камеру сгорания с топливными форсунками;
фиг.2 представляет собой вид сбоку в разрезе иллюстративного варианта выполнения турбинной установки, показанной на сриг.1;
фиг.3 представляет собой вид в аксонометрии головной части камеры сгорания газотурбинного двигателя, показанного на фиг.2, иллюстрирующий топливные форсунки;
фиг.4 представляет собой вид сбоку в разрезе одной топливной форсунки, показанной на фиг.3;
фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии с частичным разрезом топливной форсунки, показанной на фиг.4;
фиг.6 представляет собой вид ниже или выше по потоку конфигурации топливных форсунок, показанных на фиг.3, включающей пять топливных форсунок, расположенных по кольцевой схеме с чередованием, и топливную форсунку, расположенную в центре внутри указанной кольцевой схемы;
фиг.7 представляет собой вид ниже или выше по потоку другой конфигурации топливных форсунок, содержащей четыре топливные форсунки, расположенные по кольцевой схеме с чередованием, и топливную форсунку, расположенную в центре внутри указанной кольцевой схемы; и
фиг.8 представляет собой вид ниже или выше по потоку другой конфигурации топливных форсунок, содержащей четыре топливные форсунки, расположенные по кольцевой схеме с чередованием, без топливной форсунки, расположенной в центре.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание конкретных вариантов выполнения изобретения. Стремление создать всестороннее, но сжатое описание этих вариантов выполнения обусловливает то обстоятельство, что все свойства фактической реализации изобретения не могут быть приведены в данном описании. Следует понимать, что при разработке любой подобной фактической реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, требуется выполнить многочисленное количество конкретных урегулирований, связанных с реализацией, чтобы достичь конкретных целей разработчика, например, следует учитывать системные ограничения и ограничения, связанные с деловой деятельностью, которые могут меняться от одной реализации к другой. Кроме того, следует понимать, что направленные на разработку усилия могут быть сложными и трудоемкими; тем не менее, они являются обычным делом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов в данной области техники, извлекающих пользу из настоящего описания изобретения.
При представлении элементов различных вариантов выполнения изобретения подразумевается, что упоминание элементов в единственном числе и применение термина «указанный» обозначают наличие одного или более элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» носят охватывающий характер, т.е. в данном случае возможно использование дополнительных элементов кроме перечисленных элементов.
Предлагаемые варианты выполнения включают системы и способы, предназначенные для существенного снижения объема топлива, используемого в камере сгорания турбинной установки, с одновременным сведением к минимуму объема СО, вырабатываемого указанной турбинной установкой. В частности, рассматриваемые варианты выполнения предусматривают расположение первой и второй групп топливных форсунок, которые создают закручивание потоков в противоположных направлениях, по кольцевой схеме с чередованием так, что форсунки первой группы чередуются с форсунками второй группы, и так, что относительные скорости топливно-воздушных смесей, выходящих из смежных топливных форсунок, приблизительно равны нулю. Такое решение способствует уменьшению срезающих усилий между смежными топливно-воздушными смесями, а также способствует снижению обусловленного турбулентностью тепломассообмена между смежными снабженными и не снабженными топливом потоками во время работы при неполной нагрузке (например, во время постепенного уменьшения использования турбинной установкой топлива), при этом обеспечивается более быстрое окисление СО, что, в свою очередь, уменьшает объем СО, вырабатываемого турбинной установкой. Способность уменьшать объем СО, вырабатываемого турбинной установкой, предусматривает расширение возможностей работы при неполной нагрузке. Усовершенствованная работа турбинной установки при неполной нагрузке приводит к меньшему расходу топлива во время уменьшения нагрузок без отключения и последующего запуска блоков турбинной установки, при этом улучшается как надежность, так и гибкость работы турбинной установки.
Фиг.1 представляет собой принципиальную блок-схему варианта выполнения турбинной установки 10, содержащей камеру 12 сгорания с комплектом топливных форсунок 14. Как описано более подробно ниже, этот комплект форсунок 14 может содержать группы независимо регулируемых форсунок 14. Более конкретно, комплект независимо регулируемых форсунок 14 может содержать первую, вторую и третью группы топливных форсунок 16, 18, 20, регулирование которых может выполняться независимо друг от друга. Кроме того, первая, вторая и третья группы форсунок 16, 18, 20 могут быть выполнены с возможностью закручивания потока в противоположных друг другу направлениях. Например, в некоторых вариантах выполнения топливные форсунки в первой группе форсунок 16 могут быть выполнены с возможностью закручивания топливно-воздушной смеси (или, при некоторых обстоятельствах, только воздуха) в направлении, противоположном направлению закручивания потока топливными форсунками во второй группе форсунок 18. Кроме того, возможно использование любого количества групп топливных форсунок. Например, камера 12 сгорания может быть связана с 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более группами топливных форсунок.
В турбинной установке 10 может использоваться жидкое или газообразное топливо, например природный газ и/или обогащенный кислородом синтетический газ. Как изображено на чертежах, в форсунки 14 поступает несколько потоков 22, 24, 26 топлива из топливной системы. Более конкретно, в первую группу форсунок 16 может поступать первый поток 22 топлива, во вторую группу форсунок 18 может поступать второй поток 24 топлива, а в третью группу форсунок 20 может поступать третий поток 26 топлива. Как описано более подробно ниже, каждый поток 22, 24, 26 может смешиваться с соответствующим воздушным потоком и распределяться в виде топливно-воздушной смеси в камеру 12 сгорания.
Топливно-воздушная смесь сгорает в полости камеры 12 сгорания, создавая при этом горячие выхлопные газы под давлением. Камера 12 сгорания направляет эти выхлопные газы через турбину 28 к выпуску 30 для отработанных газов. По мере прохождения выхлопных газов через турбину 28 они воздействуют на одну или более лопаток турбины, обеспечивая вращение вала 32 вокруг оси турбинной установки 10. Как показано на чертеже, вал 32 может быть присоединен к различным компонентам турбинной установки 10, включая компрессор 34. Компрессор 34 также содержит лопатки, которые могут быть присоединены к валу 32. По мере вращения вала 32 лопатки в компрессоре 34 также совершают вращение, сжимая воздух, проходящий из воздухозаборника 36 через компрессор 34 в форсунки 14 и/или камеру 12 сгорания. Более конкретно, как описано более подробно ниже, первый поток 38 сжатого воздуха может быть направлен в первую группу форсунок 16, второй поток 40 сжатого воздуха может быть направлен во вторую группу форсунок 18, а третий поток 42 сжатого воздуха может быть направлен в третью группу форсунок 20. Вал 32 также может быть присоединен к нагрузке 44, которая может представлять собой транспортное средство или стационарную нагрузку, например, электрогенератор в энергоустановке или пропеллер в летательном аппарате. Нагрузка 44 может содержать любое подходяще устройство, которое может быть приведено в действие с использованием выходной мощности, создаваемой вращением турбинной установки 10.
Кроме того, как описано более подробно ниже, турбинная установка 10 может содержать регулятор 46, выполненный с возможностью регулирования первого, второго и третьего потоков 22, 24, 26, поступающих соответственно в первую, вторую и третью группы форсунок 16, 18 и 20. Более конкретно, регулирование первого, второго и третьего потоков 22, 24, 26 может выполняться регулятором 46 независимо друг от друга. Например, регулятор 46 может быть выполнен с возможностью регулирования клапанов, насосов и так далее, расположенных перед первой, второй и третьей группами форсунок 16, 18, 20, для выполнения независимого изменения первого, второго и третьего потоков 22, 24, 26 топлива. По существу, первый, второй и третий потоки 22, 24, 26 и соответствующие им первая, вторая и третья группы форсунок 16, 18 и 20 могут содержать три отдельных контура подачи топлива, регулирование которыми может выполняться независимым образом регулятором 46. Более конкретно, в некоторых вариантах выполнения регулятор 46 может быть выполнен с возможностью подключения или отключения каждого из первого, второго и третьего потоков 22, 24, 26 через соответствующие первую, вторую и третью группы форсунок 16, 18 и 20 для изменения суммарного потока топлива, поступающего в камеру 12 сгорания турбинной установки 10, обеспечивая при этом более гибкую работу турбинной установки 10 при неполной нагрузке.
Фиг.2 представляет собой вид сбоку в разрезе иллюстративного варианта выполнения турбинной установки 10, показанной на фиг.1. Турбинная установка 10 содержит одну или более форсунок 14, расположенных в одной или более камерах 12 сгорания. При эксплуатации воздух поступает в турбинную установку 10 через воздухозаборник 36 и подвергается сжатию в компрессоре 34. Затем сжатый воздух может быть смешан с топливом для сжигания в камере 12 сгорания. Например, форсунки 14 могут впрыскивать топливно-воздушную смесь в камеру 12 в соответствующей пропорции, обеспечивающей оптимальные сгорание, выделение продуктов сгорания с отработавшими газами, расход топлива и выходную мощность. При таком сгорании образуются горячие выпускаемые под давлением выхлопные газы, которые затем приводят в действие одну или более лопаток 48 в турбине 28, обеспечивая вращение вала 32 и, соответственно, приводят в действие компрессор 34 и нагрузку 44. Вращение лопаток 48 турбины вызывает вращение вала 32 и, соответственно, лопаток 50 компрессора 34 с обеспечением втягивания воздуха, поступающего через воздухозаборник 36, и его сжатия.
Фиг.3 представляет собой подробный вид в аксонометрии варианта выполнения головной части 52 камеры сгорания, содержащей торцевую крышку 54, к опорной поверхности 56 которой с помощью уплотнительных соединений 58 прикреплены форсунки 14. Головная часть 52 направляет сжатый воздух из компрессора 34 и топливо через торцевую крышку 54 к каждой из форсунок 14, которая по меньшей мере частично обеспечивает предварительное смешивание сжатого воздуха и топлива с образованием топливно-воздушной смеси перед поступлением в зону сгорания в камере 12. Как рассмотрено более подробно ниже, форсунки 14 могут содержать одну или более закручивающих лопастей, выполненных с возможностью создания завихрения на траектории потока воздуха, при этом каждая закручивающая лопасть содержит отверстия для введения топлива, предназначенные для введения топлива на указанной траектории потока воздуха.
В некоторых вариантах выполнения форсунки 14 содержат первую группу форсунок 16, вторую группу форсунок 18 и третью группу форсунок 20. В показанном варианте выполнения первая группа форсунок 16 содержит три форсунки, вторая группа форсунок 18 содержит две форсунки, а третья группа форсунок 20 содержит только одну форсунку. Как показано на чертеже, первая группа форсунок 16 и вторая группа форсунок 18 расположены на опорной поверхности 56 торцевой крышки по кольцевой схеме с чередованием, так что форсунки одной группы чередуются с форсунками другой группы. В показанном варианте выполнения третья группа форсунок 20 содержит только одну форсунку, расположенную по центру в кольцевой схеме, в которой форсунки 16, 18 первой и второй групп чередуются друг с другом. Соответственно, в указанной кольцевой схеме с чередованием за одной из форсунок 16 первой группы находится одна из форсунок 18 второй группы, за которой следует еще одна из форсунок 16 первой группы и так далее, в окружном направлении вокруг форсунки 20, расположенной по центру. Как изложено более подробно ниже, каждая из форсунок 16 первой группы может содержать закручивающий механизм (например, одну или более закручивающих лопастей), выполненный с возможностью создания завихрения в топливно-воздушной смеси (или, при некоторых обстоятельствах, только в воздухе) в направлении, противоположном направлению завихрения, создаваемого закручивающим механизмом в каждой форсунке 18 второй группы форсунок.
Несмотря на то, что первая группа форсунок 16 и вторая группа форсунок 18 представлены в данном документе как расположенные по кольцевой схеме с чередованием, в вариантах выполнения, содержащих другое количество форсунок 16, 18 (например, в одной - нечетное, а в другой - четное) в первой и второй группах (например, соответственно, 2 и 1, 3 и 2, 4 и 3, 5 и 4, 6 и 5, 7 и 6, 8 и 7, 9 и 8, 10 и 9, 11 и 10 и т.д.), две или более топливных форсунки в одной и той же группе могут быть расположены смежно друг с другом. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг.3, две форсунки 16 первой группы расположены смежно друг с другом, поскольку в первой группе форсунок 16 имеется на одну форсунку больше (например, три), чем во второй группе форсунок 18 (например, две). Однако в вариантах выполнения, содержащих одинаковое количество форсунок в первой и второй группах форсунок 16, 18 (например, соответственно, 2 и 2, 3 и 3, 4 и 4, 5 и 5, 6 и 6, 7 и 7, 8 и 8, 9 и 9, 10 и 10, и т.д.), топливные форсунки могут быть расположены по кольцевой схеме с чередованием по всей периферии опорной поверхности 56 торцевой крышки.
Кроме того, как изложено более подробно ниже, регулирование всех групп форсунок 16, 18, 20, первой, второй и третьей, может выполняться независимо друг от друга. Например, регулирование первого расхода топлива через первую группу форсунок 16 может выполняться отдельно от регулирования второго расхода топлива через вторую группу форсунок 18, регулирование первого расхода топлива через первую группу форсунок 16 может выполняться отдельно от регулирования третьего расхода топлива через третью группу форсунок 20, а регулирование второго расхода топлива через вторую группу форсунок 18 может выполняться отдельно от регулирования третьего расхода топлива через третью группу форсунок 20.
Возможность независимого регулирования потока топлива через первую, вторую и третью группы форсунок 16, 18, 20 может обеспечить изменение (например, уменьшение) суммарного расхода топлива в камере 12 сгорания во время работы турбинной установки 10. Например, в показанном на фиг.3 варианте выполнения суммарный расход топлива может быть убавлен так, что потоки топлива из всех шести форсунок 14 уменьшатся до потока лишь из одной форсунки 14. Более конкретно, как показано в таблице 1, топливо может проходить через все шесть форсунок 14 при полном потоке, когда задействованы первая, вторая и третья группа форсунок 16, 18 и 20 (например, режим 6). Затем, суммарный расход топлива может быть постепенно уменьшен путем отключения и включения первой, второй и третьей группы форсунок 16, 18 и 20, как показано в таблице 1 (например, режимы 1-5). По мере отключения топлива через заданную форсунку 14 сжатый воздух из компрессора 34 все еще может проходить через эту форсунку 14. Ниже более подробно описано взаимодействие между потоками чистого воздуха через определенные форсунки 14 и топливно-воздушной смесью через другие форсунки 14.
Таблица 1
Первая группа (16)
Вторая группа (18)
Третья группа (20)
(3 форсунки)
(2 форсунки)
(1 форсунка)
Режим 6
Включены
Включены
Включены
(6 форсунок)
Режим 5
Включены
Включены
Отключены
(5 форсунок)
Режим 4
Включены
Отключены
Включены
(4 форсунки)
Режим 3
Включены
Отключены
Отключены
(3 форсунки)
Режим 2
Отключены
Включены
Отключены
(2 форсунки)
Режим 1
Отключены
Отключены
Включены
(1 форсунка)
Несмотря на то, что в показанных вариантах выполнения первая группа форсунок 16 содержит три форсунки, вторая группа форсунок 18 содержит две форсунки, а третья группа форсунок 20 содержит одну форсунку, расположенную по центру, к опорной поверхности 56 торцевой крышки с помощью соединений 58 может быть прикреплено другое подходящее количество топливных форсунок с другим расположением. Например, в еще одном варианте выполнения первая и вторая группы форсунок 16, 18 могут обе содержать по две форсунки, а третья группа форсунок 20 может содержать одну форсунку, расположенную по центру. Фактически, первая и вторая группы форсунок 16, 18 могут содержать 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более форсунок. Однако, в целом, первая группа форсунок 16 может содержать либо такое же количество форсунок, что и вторая группа форсунок 18, либо может содержать на одну форсунку больше по сравнению со второй группой форсунок 18. Кроме того, вместо одной расположенной по центру топливной форсунки, третья группа форсунок 20 может содержать 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более форсунок, расположенных внутри кольцевой схемы с чередованием первой и второй групп форсунок 16, 18.
Фиг.4 представляет собой вид сбоку в разрезе варианта выполнения форсунки 14. В показанном варианте выполнения форсунка 14 содержит наружную периферическую стенку 60 и центральный корпус 62, расположенный внутри стенки 60. Наружная периферическая стенка 60 может рассматриваться как трубка горелки, тогда как центральный корпус 62 форсунки может рассматриваться как трубка для подачи топлива. Форсунка 14 также может содержать предварительный смеситель 64 для получения топливно-воздушной смеси, впуск 66 для воздуха, впуск 68 для топлива, закручивающие лопасти 70, смесительный канал 72 (например, кольцевой канал для смешивания воздуха и топлива) и топливный канал 74. Лопасти 70 выполнены с возможностью закручивания потока внутри форсунки 14. Соответственно, форсунка 14 может рассматриваться как мешалка с точки зрения особенности закручивания потока. Следует отметить, что различные аспекты форсунки 14 могут рассматриваться относительно осевого направления или оси 75, радиального направления или оси 78 и окружного направления или оси 80. Например, ось 76 соответствует продольной центральной линии или продольному направлению, ось 78 соответствует поперечному или радиальному направлению относительно продольной центральной линии, а ось 80 соответствует окружному направлению вокруг продольной центральной линии.
Как показано, топливо может поступать в центральный корпус 62 форсунки через впуск 68 для топлива в топливный канал 74. Топливо может проходить вдоль оси 76 вниз по потоку, как обозначено стрелкой 82, по всей длине центрального корпуса 62 до столкновения с внутренней торцевой стенкой 84 (например, торцевым участком, расположенным ниже по потоку) канала 74. После этого столкновения топливо изменяет движение на противоположное направление, как показано стрелкой 86, и поступает в противоточный канал 88 в осевом направлении вверх по потоку. В плане обсуждения, термины «вниз, ниже по потоку» может обозначать направление потока газообразных продуктов сгорания через камеру 12 сгорания к турбине 28, тогда как термин «вверх, выше по потоку» может обозначать направление от турбины 28 или направление, противоположное направлению потока газообразных продуктов сгорания через камеру 12 сгорания к турбине 28.
В конце противоточного канала 88 в направлении оси 76, расположенном напротив торцевой стенки 84, топливо сталкивается со стенкой 90 (например, торцевым участком, расположенным выше по потоку) и проходит в выпускной отсек 92 (например, расположенную выше по потоку полость или проход), как показано стрелкой 94. В некоторых вариантах выполнения топливо может проходить вокруг перегородки 96 в выпускной отсек 92, из которого топливо может быть вытеснено через отверстия 98 для ввода топлива, расположенные в закручивающих лопастях 70, при этом топливо может смешиваться с воздухом, проходящим через смесительный канал 72 из впуска 66, как показано стрелкой 100. Например, отверстия 98 могут вводить топливо поперек воздушного потока для обеспечения смешивания. Подобным образом, лопасти 70 обеспечивают закручивание потока воздуха и топлива, усиливая при этом их смешивание. Топливно-воздушная смесь выходит из смесителя 64 и продолжает смешиваться по мере ее прохождения через смесительный канал 72, как показано стрелкой 102. Подобное продолжающееся перемешивание воздуха и топлива в смесительном канале 72 обеспечивает по существу полное перемешивание топливно-воздушной смеси, выходящей из смесительного канала 72, при ее поступлении в камеру 12 сгорания, в которой смешанные воздух и топливо могут быть воспламенены.
Фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии варианта выполнения форсунки 14 с частичным вырезом, сделанным по дугообразной линии 5-5, показанной на фиг.4. Форсунка 14 содержит закручивающие лопасти 70, расположенные по периферии вокруг центрального корпуса 62 форсунки, причем лопасти 70 проходят радиально в наружном направлении от центрального корпуса 62 к стенке 60. Как показано, каждая лопасть 70 представляет собой полое тело (например, полое тело с аэродинамическим профилем), содержащее выпускной отсек 92 и перегородку 96. Топливо проходит выше по потоку по нелинейной траектории вокруг перегородки 96 к выпускному отсеку 92, а затем выходит из него через отверстия 98.
Лопасти 70 выполнены с возможностью закручивания потока и, соответственно, обеспечивают смешивание воздуха и топлива в окружном направлении 80 вокруг оси 76. Как показано на чертеже, каждая лопасть 70 изогнута или загнута от расположенного выше по потоку торцевого участка 104 к расположенному ниже по потоку торцевому участку 106. В частности, торцевой участок 104 по существу ориентирован в осевом направлении вдоль оси 76, тогда как торцевой участок 106 в целом расположен под углом, изогнут или направлен от осевого направления вдоль оси 76. В результате такого решения торцевой участок 106 каждой лопасти 70 смещает или направляет указанный поток по вращательной траектории относительно оси 76 (например, в виде вихревого потока). Этот вихревой поток улучшает смешивание воздуха и топлива внутри форсунки 14 до подачи в камеру 12 сгорания. Каждая лопасть 70 на своей первой и/или второй сторонах 108, 110 может иметь отверстия 98 для ввода топлива. Первая и вторая стороны 108, 110 могут быть соединены с образованием наружной поверхности лопасти 70. Например, первая и вторая стороны 108, 110 могут образовывать поверхность с аэродинамическим профилем, как изложено выше.
Таким образом, как описано выше, физическая форма лопастей 70 форсунки 14 может обеспечивать закручивание топливно-воздушной смеси в окружном направлении вокруг продольной центральной линии форсунки 14, как показано стрелкой 114. Более конкретно, расположенный ниже по потоку торцевой участок 106 каждой лопасти 70 может смещать или направлять топливно-воздушную смесь по вращательной траектории вокруг оси 76 (например, в виде закрученного потока). Несмотря на то, что на фиг.5 показано создание вихревого закручивания против часовой стрелки относительно оси 76, в других вариантах выполнения лопасти 70 форсунки 14 могут быть конструктивно выполнены с обеспечением вихревого закручивания потока по часовой стрелке. По существу, показанные на фиг.4 и 5 варианты выполнения являются лишь иллюстративным представлением возможных для использования типов конструкций топливных форсунок (по типу «мешалки»), создающих закручивание потока, при этом они не являются ограничительными. Возможно использование других конструкций мешалок.
По существу, как более подробно описано ниже, каждая из форсунок 16, 18 и 20 из первой, второй или третьей группы может обеспечивать закручивание топливно-воздушной смеси в направлении вихревого закручивания, противоположном направлению закручивания каждой форсунки 16, 18 и 20 в другой из первой, второй или третьей группы. Например, в некоторых вариантах выполнения все форсунки 16 первой группы могут выполнены с возможностью закручивания топливно-воздушной смеси в первом направлении вихревого закручивания, тогда как все форсунки 18 второй группы могут быть выполнены с возможностью закручивания топливно-воздушной смеси во втором направлении вихревого закручивания, причем первое направление закручивания противоположно второму направлению.
Например, фиг.6 представляет собой вид ниже или выше по потоку конфигурации топливных форсунок, показанных на фиг.3. Как показано на чертеже, первая группа форсунок 16 и вторая группа форсунок 18 расположены по кольцевой схеме 116 с чередованием (например, за одной из форсунок 16 первой группы следует одна из форсунок 18 второй группы, за которой следует одна из форсунок 16 первой группы и т.д.). Как изложено выше, каждая из форсунок 16 первой группы может быть выполнена с возможностью закручивания потока в первом направлении 118 вихревого закручивания, тогда как каждая из форсунок 18 второй группы может быть выполнена с возможностью закручивания потока во втором направлении 120 вихревого закручивания, причем первое направление 118 противоположно второму направлению 120. В частности, в показанном на фиг.6 варианте выполнения каждая из форсунок 16 первой группы выполнена с возможностью закручивания потока в направлении 118 вращения по часовой стрелке, тогда как каждая из форсунок 18 второй группы выполнена с возможностью закручивания потока в направлении 120 вращения против часовой стрелки.
В показанном варианте выполнения третья группа форсунок 20 содержит одну форсунку, расположенную по центру в кольцевой схеме с чередованием первой и второй групп форсунок 16, 18. Расположенная по центру форсунка 20 может быть выполнена с возможностью закручивания потока в третьем направлении 122 вихревого закручивания. В частности, в показанном на фиг.6 варианте выполнения расположенная по центру форсунка 20 выполнена с возможностью закручивания потока в направлении 122 по часовой стрелке. По существу, форсунка 20 может быть выполнена с возможностью закручивания потока в том же направлении, что и каждая форсунка 16 первой группы, и в противоположном направлении, что и каждая форсунка 18 второй группы.
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения могут быть использованы несколько рядов топливных форсунок, расположенных в окружном направлении. Например, конфигурация топливных форсунок может содержать 2, 3, 4, 5, 6, или более концентрических рядов форсунок, размещенных вокруг топливной форсунки, расположенной по центру. Каждый ряд форсунок может содержать первую и вторую группы форсунок 16, 18, расположенных с чередованием в соответствующем ряду. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения размер форсунки в каждом соответствующе ряду может изменяться. Например, размер форсунки 20 может отличаться от размера форсунок в первом ряду, показанных на фиг.6 (например, если она имеет другие конструкции трубки горелки, другие воздушные потоки и т.д.).
Поскольку каждая форсунка 16 первой группы создает закручивание потока в первом направлении 118, противоположном второму направлению 120, создаваемому второй группой форсунок 18, то относительные скорости (т.е. разность скоростей) топливно-воздушных смесей в тангенциальной точке 124 (например, в точке, в которой пересекаются потоки топливно-воздушных смесей из смежных форсунок) между каждой парой смежных форсунок в кольцевой схеме 116 с чередованием могут быть существенно снижены. Например, в противоположность этому, если первое и второе направления 118, 120 вихревого закручивания смежных форсунок являются одним и тем же направлением, то относительные скорости топливно-воздушных смесей в тангенциальной точке 124 будут приблизительно в два раза превышать отдельные скорости каждой топливно-воздушной смеси, увеличивая при этом срезающие усилия и обусловленный турбулентностью тепломассообмен между смежными топливно-воздушными смесями. Другими словами, относительные скорости будут складываться (например, удваивая срезающие усилия), поскольку топливно-воздушные смеси будут совершать круговое движение в противоположных направлениях в точке 124. Однако в показанном варианте выполнения, поскольку первое направление 118 вихревого закручивания является противоположным второму направлению 120, то относительные скорости топливно-воздушных смесей приблизительно равны нулю (например, срезающие усилия равны нулю), поскольку топливно-воздушные смеси совершают круговое движение в одном направлении в точке 124. Подобным образом, поскольку центрально расположенная форсунка 20 обеспечивает закручивание потока в третьем направлении 122, противоположном второму направлению 120, создаваемому второй группой форсунок 18, то относительные скорости топливно-воздушных смесей в тангенциальной точке 124 между этими форсунками также будут существенно уменьшены.
Указанное уменьшение относительных скоростей топливно-воздушных смесей между смежными форсунками может быть, в частности, полезным во время работы камеры 12 сгорания при неполной нагрузке. При более низких нагрузках на турбинную установку 10 может быть задействовано меньшее количество форсунок (например, форсунок, через которые проходит топливо). Например, вышеописанные режимы 2-4 являются вариантами, где либо первая группа форсунок 16, либо вторая группа форсунок 18 отключена (например, через них не проходит топливо). Во время этих режимов отключения пламя от задействованной группы (например, снабженной топливом) форсунок взаимодействует только с охлаждающим воздухом от незадействованной группы (например, не снабженной топливом) форсунок. Например, предположим, что в показанном на фиг.6 варианте выполнения обеспечивается работа в режиме 4, при этом через первую и третью группы форсунок 16, 20 может поступать топливо, тогда как во вторую группу форсунок 18 может не поступать топливо. По существу, пламя от первой и третьей групп форсунок 16, 20 может взаимодействовать только с охлаждающим воздухом от второй группы форсунок 18.
Таким образом, при внесении незначительных изменений (например, посредством противоположного направления закручивания потока) в закручивающие лопасти 70 форсунок одной из групп (например, второй группы форсунок 18 в показанном на фиг.6 варианте выполнения), влияние срезающих усилий и обусловленного турбулентностью тепломассообмена между смежными форсунками может быть существенно снижено. Это обстоятельство может обеспечить более быстрое окисление СO в топливно-воздушной смеси, подаваемой к камере 12 сгорания установки 10, допускающее расширение возможностей работы при неполной нагрузке, например, от начала до конца вплоть до режима 1, как изложено выше. По существу, во время периодов низкой нагрузки может использоваться меньше топлива, при этом может быть снижена необходимость в отключении и запуске блоков установки 10.
Как изложено выше, показанный на фиг.6 вариант выполнения не является единственно используемой конфигурацией топливных форсунок. Например, на фиг.7 и 8 показаны две другие иллюстративные конфигурации топливных форсунок. В вариантах выполнения, показанных на фиг.7 и 8, первая группа форсунок 16 и вторая группа форсунок 18 расположены по кольцевой схеме 116 с чередованием, при этом каждая группа содержит по две форсунки. Кроме того, каждая из форсунок 16 первой группы может быть выполнена с возможностью закручивания потока в первом направлении 118 вихревого закручивания, тогда как каждая из форсунок 18 второй группы может быть выполнена с возможностью закручивания потока во втором направлении 120 вихревого закручивания, причем первое направление 118 является противоположным второму направлению 120. Основное различие между двумя вариантами выполнения, показанными на фиг.7 и 8, заключается в том, что только вариант выполнения, показанный на фиг.7, содержит форсунку 20, расположенную по центру в кольцевой схеме 116 с чередованием.
Кроме того, два дополнительных варианта выполнения, показанных на фиг.7 и 8, не являются единственно используемыми другими конфигурациями форсунок. Например, как изложено выше, первая и вторая группы форсунок 16, 18 могут содержать 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более форсунок. Однако, в общем, первая группа форсунок 16 содержит либо такое же количество форсунок, как и вторая группа форсунок 18, либо содержит на одну форсунку больше по сравнению со второй группой форсунок 18. Кроме того, вместо одной расположенной по центру топливной форсунки, третья группа форсунок 20 может содержать 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или более форсунок, расположенных внутри кольцевой схемы с чередованием первой и второй групп форсунок 16, 18. Кроме того, как показано на фиг.8, любой из данных вариантов выполнения может не содержать третью группу форсунок 20.
Технический эффект, обеспечиваемый предложенными вариантами выполнения, заключается в создании систем и способов, обеспечивающих изменение (например, уменьшение) количества суммарного потока топлива через топливные форсунки камеры 12 сгорания турбинной установки 10 с одновременным сведением к минимуму объема СО, вырабатываемого установкой 10 во время сжигания топлива в камере 12 сгорания. В частности, как изложено выше, первая и вторая группы форсунок 16, 18 могут быть расположены по кольцевой схеме с чередованием так, что относительные скорости топливно-воздушных смесей от смежных форсунок по существу сведены к минимуму.
Как изложено выше, регулятор 46 может быть выполнен с возможностью независимого регулирования объема топлива, соответственно, в первой, второй и третьей группах форсунок 16, 18 и 20 путем регулирования клапанов, насосов и так далее, расположенных перед первой, второй и третьей группами форсунок 16, 18 и 20. По существу первая, вторая и третья группы форсунок 16, 18 и 20 могут содержать три отдельных контура подачи топлива, регулирование которыми может выполняться регулятором 46 независимо. Более конкретно, как описано выше, регулятор 46 может быть выполнен с возможностью подключения или отключения потока топлива, проходящего через первую, вторую и третью группы форсунок 16, 18 и 20 для изменения суммарного потока топлива, поступающего в камеру 12 сгорания турбинной установки 10, обеспечивая при этом более гибкую работу турбинной установки 10 при неполной нагрузке. Регулятор 46 в некоторых вариантах выполнения может быть физическим вычислительным устройством, специально выполненным с возможностью регулирования клапанов, насосов и т.д., расположенных перед первой, второй и третьей группами форсунок 16, 18 и 20. Более конкретно, регулятор 46 может содержать устройства ввода/вывода (I/O), обеспечивающие определение способа регулирования клапанов, насосов и т.д. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения регулятор 46 может также содержать средство хранения информации, предназначенное для хранения ретроспективных данных, теоретических характеристических кривых и т.д.
В изложенном описании используются примеры, характеризующие настоящее изобретение и содержащие предпочтительные варианты выполнения, а также создающие возможность любому специалисту в данной области техники осуществить на практике настоящее изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых комбинированных способов. Объем правовой охраны изобретения ограничен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые очевидны специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.