КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ СО СВЕРХНИЗКИМИ ВЫБРОСАМИ
ULTRA LOW EMISSIONS GAS TURBINE COMBUSTOR

В отношении этой заявки испрашивается приоритет на основании заявки на патент США № 12/926322, поданной 9 ноября 2010 года, содержание которой включено в данный документ путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к трубчатым камерам сгорания. В частности, настоящее изобретение относится к трубчатым камерам сгорания для газотурбинных двигателей, работающим на газообразном топливе и имеющим ударное охлаждение и сухие низкие выбросы.
Предпосылки создания изобретения
x
Системы сгорания газовых турбин, использующие камеры сгорания трубчатого типа, зачастую характеризуются неравномерностью распределения воздушного потока. Проблемы, обусловленные такими аномалиями, имеют особо важное значение при разработке систем с низким выбросом NO. Достижение низких уровней оксидов азота в камерах сгорания тесно связано с температурой пламени и ее изменением на начальных участках зоны реакции. Температура пламени является функцией эффективного соотношения между топливом и воздухом в зоне реакции, которая зависит от рабочего соотношения между топливом и воздухом и степени перемешивания, достигаемой перед фронтом пламени. Очевидно, что на эти факторы влияют локальное применение топлива и сопутствующего воздуха и эффективность перемешивания. В системах впрыска правильной конструкции равномерное применение топлива, как правило, находится под контролем, однако локальное изменение воздушного потока в случае отсутствия специальных мер, направленных на устранение неравномерного распределения, зачастую не контролируется.
x
Для достижения существующих уровней оксидов азота, задаваемых инструкциями в некоторых регионах мира, требуется, чтобы нижний предел среднеквадратического отклонения эффективного соотношения между топливом и воздухом составлял порядка 10%. Стоимость разработки таких систем сгорания высока, но значительное влияние на нее может оказать правильный выбор конструкции. Однако использование пленочного охлаждения в этих камерах сгорания с низкой температурой пламени приводит к высоким уровням эмиссии угарного газа. Снизить такие высокие уровни позволяет внешнее ударное охлаждение жаровой трубы (вкладыша). Кроме того, в системах с эксплуатационным требованием высокой температуры на выходе в дополнение к низкому выбросу NO, поток воздуха в зоне завихрителя/реакции составляет значительную долю от общего воздушного потока, и поэтому воздушные потоки охлаждения и разбавления являются лимитированными. Следовательно, значительное преимущество для оптимизации условий протекания потоков в целом заключается в управлении этими потоками.
Одной из таких последних конструкций камеры сгорания является камера сгорания, представленная в патенте США № 7167684 Норстером, переуступленном правопреемнику настоящего изобретения, раскрытие которого включено в данный документ посредством ссылки. В рассматриваемой камере сгорания Норстера фактически весь поток воздуха для горения вначале отделяется от потока разбавляющего воздуха и используется для ударного охлаждения участка вкладыша в камере сгорания, задающего границы зоны горения, а затем каналируется к лопаткам завихрителя для перемешивания с топливом. Признаки камеры сгорания Норстера позволяют обеспечить улучшение регулирования количества воздуха, доставляемого к лопаткам завихрителя, и, таким образом, массового отношения топлива/воздуха по сравнению с предыдущими камерами сгорания с ударным охлаждением, однако дальнейшие усовершенствования аэродинамики потока воздуха для горения к лопаткам завихрителя могут обеспечить минимизацию локальных отклонений в отношении топлива/воздуха. Возможны также усовершенствования в управлении другими потоками охлаждающего воздуха в камере сгорания, которые влияют на уровень выбросов и теплоотдачу камеры сгорания. Описание таких усовершенствований приводится ниже.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним объектом настоящего изобретения является работающая на газообразном топливе трубчатая камера сгорания для использования в газовой турбине, например в газотурбинном двигателе, включающая в себя в целом цилиндрический кожух, имеющий внутреннюю полость, ось и закрытый осевой конец. В целом цилиндрический вкладыш камеры сгорания, который размещен коаксиально внутри полости кожуха и выполнен так, что в комбинации с кожухом задает границы радиально внешнего канала для потока воздуха для горения. Кроме того, вкладыш задает границы соответствующих радиально внутренних полостей для зоны горения и зоны разбавления, где зона разбавления удалена по направлению оси от закрытого конца кожуха относительно зоны горения, а зона горения размещена по направлению оси со стороны закрытого конца кожуха. Смесительное устройство размещено на закрытом конце кожуха с сообщением по потоку с каналом для воздуха для горения. Это смесительное устройство включает в себя множество лопаток для смешивания газообразного топлива, подлежащего сжиганию, по меньшей мере, с частью воздуха для горения и выпускное отверстие смесительного устройства для обеспечения поступления полученной смеси топлива/воздуха в зону горения. Рукав ударного охлаждения коаксиально размещен в канале для воздуха для горения между кожухом и вкладышем, где этот рукав снабжен множеством отверстий, которые имеют такой размер и распределены так, что позволяют направлять воздух для горения к радиально внешней поверхности участка вкладыша камеры сгорания, задающего границы зоны горения, для ударного охлаждения этого участка вкладыша. Каналирующее устройство размещено в канале для воздуха для горения для каналирования воздуха для горения от выходной области рукава ударного охлаждения до впускного отверстия смесительного устройства. Это каналирующее устройство выполнено с возможностью предотвращения разделения потока и включает в себя секцию диффузора с проходным сечением впускного отверстия и проходным сечением выпускного отверстия, причем отношение проходного сечения выпускного отверстия к проходному сечению впускного отверстия находится в интервале значений 1,3-1,5.
Другим объектом настоящего изобретения является трубчатая камера сгорания, предназначенная для сжигания газообразного топлива, для газовой турбины, включающая в себя в целом цилиндрический внешний кожух, имеющий внутреннюю полость, ось и закрытый конец. В целом цилиндрический вкладыш камеры сгорания размещен коаксиально внутри внутренней полости кожуха и выполнен так, что в комбинации с кожухом задает границы радиально внешнего канала для потока воздуха для горения, где этот вкладыш имеет внутреннюю полость, задающую границы радиально внутренней полости для зоны горения со стороны закрытого конца кожуха. Смесительное устройство включает в себя множество лопаток завихрителя, размещенных на закрытом конце кожуха. Это смесительное устройство имеет впускное отверстие, сообщающееся по потоку с каналом для потока воздуха для горения, и направленное вдоль оси выпускное отверстие, сообщающееся по потоку с зоной горения. Лопатки завихрителя отстоят одна от другой по окружности от оси кожуха в плоскости, в целом перпендикулярной оси. Функционально связанная система подачи газообразного топлива предназначена для доставки газообразного топлива в смесительное устройство в непосредственной близости от лопаток завихрителя для перемешивания с воздухом для горения, поступающим из канала для потока воздуха для горения. Соседние лопатки, отстоящие одна от другой по окружности, частично задают границы смесительных каналов для потока, направленных в целом радиально внутрь, причем каждый из смесительных каналов для потока имеет практически постоянное поперечное проходное сечение и увеличивающееся отношение высоты к ширине вдоль направления потока между лопатками завихрителя.
Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание изобретения и составляют часть этого описания, иллюстрируют несколько вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ. 1 - схематический вид поперечного сечения трубчатой камеры сгорания газовой турбины в соответствии с данным изобретением;
ФИГ. 2 - деталь смесительного устройства в составе камеры сгорания, представленной на ФИГ. 1, включающая в себя лопатки завихрителя;
ФИГ. 3 и 4 - соответственно осевой и боковой схематические виды, иллюстрирующие характеристики конструкции лопаток завихрителя камеры сгорания, показанных на ФИГ. 1; и
ФИГ. 5 - деталь камеры сгорания на ФИГ. 1 с показанными отверстиями для обеспечения поступления воздуха для минимизации разделения потока в секции диффузора.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Трубчатая камера сгорания согласно настоящему изобретению, в целом обозначаемая на фигурах цифрой 10, предназначена для использования при сжигании газообразного топлива со сжатым воздухом, поступающим из компрессора 6, и при доставке газообразных продуктов сгорания к газовой турбине 8, например, для такого расширения для создания работы, как в газотурбинном турбине. См. Фиг. 1. Компрессор 6 может представлять собой центробежный компрессор, а газовая турбина 8 - радиальную центростремительную турбину, но эти варианты являются только предпочтительными и их описание не направлено на ограничение объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентами.
В соответствии с данным изобретением, подробно описываемым в данном документе на примерах осуществления, трубчатая камера сгорания может включать в себя в целом цилиндрический кожух, имеющий внутреннюю полость, ось и закрытый осевой конец. В примере осуществления, описываемом со ссылками на фиг. 1, трубчатая камера сгорания 10 включает в себя внешний кожух 12, имеющий внутреннюю полость 14, продольную ось 16 и закрытый осевой конец 18. Кожух 12 имеет в целом цилиндрическую форму относительно оси 16, но в соответствии с требованиями, предъявляемыми в случаях конкретного применения, и для введения в настоящее изобретение определенных признаков, рассматриваемых ниже, может включать в себя секции конической и/или ступенчатой формы различного диаметра.
В соответствии с данным изобретением камера сгорания также включает в себя в целом цилиндрический вкладыш камеры сгорания, размещенный коаксиально внутри кожуха и выполненный так, что в комбинации задает границы соответствующего радиально внешнего канала для воздуха для горения. Кроме того, вкладыш задает границы соответствующих радиально внутренних полостей для зоны горения и зоны разбавления. Зона разбавления удалена по направлению оси от закрытого конца кожуха относительно зоны горения, а зона горения размещена по направлению оси со стороны закрытого конца кожуха.
В варианте осуществления, описываемом со ссылками на ФИГ. 1, камера 10 сгорания включает в себя вкладыш 20 камеры сгорания, размещенный внутри кожуха 12 в целом концентрически относительно оси 16. Вкладыш 20 может иметь заданный размер и может быть выполнен так, что в комбинации с кожухом 12 задает границы внешних каналов 26 для прохождения сжатого воздуха, подаваемого из компрессора 6 двигателя и используемого для ударного охлаждения и в качестве воздуха для горения. Вкладыш 20 также частично задает путь 28 потока разбавляющего воздуха. В варианте осуществления на ФИГ. 1 путь 28 потока для разбавляющего воздуха включает в себя множество портов 30 разбавления, распределенных по окружности вкладыша 20.
Внутренняя полость вкладыша 20 также задает границы зоны 32 горения по направлению оси со стороны закрытого конца 18, в которой происходит воспламенение закрученной смеси воздуха для горения и топлива и образуются горячие газообразные продукты сгорания. В комбинации со смесительным устройством 40 (рассматриваемом ниже) на закрытом конце 18 участок 20а вкладыша выполнен так, что обеспечивает устойчивую рециркуляцию в области 34 зоны 32 горения известным специалистам в данной области техники образом. Кроме того, внутренняя область вкладыша 20 задает границы зоны 36 разбавления, в которой газообразные продукты сгорания смешиваются с разбавляющим воздухом из портов 30 разбавления для снижения температуры газообразных продуктов сгорания перед расширением для создания работы в турбине 8.
Кроме того, согласно настоящему изобретению камера сгорания включает в себя устройство, имеющее множество лопаток для смешивания, по меньшей мере, части воздуха для горения с газообразным топливом, устройство перемешивания, имеющее точку отбора энергии для обеспечения поступления полученной смеси топлива/воздуха в зону горения. В варианте осуществления, описываемом со ссылками на ФИГ. 1, смесительное устройство 40 включает в себя завихрительную пластину 42 со множеством лопаток 44 завихрителя, размещенных по окружности завихрительной пластины 42, а также впускное отверстие 46 и выпускное отверстие 48 смесительного устройства. Каждая лопатка 44 имеет входную кромку 68, выходную кромку 70, верхнюю часть 72 и основание 74. См. Фиг. 4. Смесительное устройство 40 дополнительно включает в себя множество форсунок 50, каждая из которых в предпочтительном варианте имеет множество отверстий 52 для впрыска газообразного топлива. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что подача топлива из источника 54 в форсунки 50 осуществляется через соответствующие управляющие соединения и каналы, снабженные клапанами.
2
Далее со ссылками на фиг. 2-4 рассматриваются лопатки 44 завихрителя, имеющие в предпочтительном варианте осуществления аэродинамическую форму с углом конусности α и отстоящие одна от другой по окружности так, что создают каналы 60 для воздуха для горения с хорошим перемешиванием топлива/воздуха без разделения. В частности, каналы 60 выполнены так, что имеют постоянное поперечное проходное сечение 62 между соседними лопатками, но с меняющимся отношением высоты Н канала к ширине W канала по длине лопатки от впускного отверстия 64 канала до выпускного отверстия 66 канала со стороны соответственно входной кромки 68 лопатки и выходной кромки 70 лопатки (см. ФИГ. 3). В предпочтительном варианте отношение высоты канала к ширине канала варьируется от приблизительно 1,5 на впускном отверстии 64 канала до приблизительно 4,5 на выпускном отверстии 66 канала.
Кроме того, как лучше всего показано на ФИГ. 2, каждая лопатка 44 имеет пару форсунок 50, размещенных в углублениях в противоположных боковых стенках 44а, 44b лопатки, причем каждая форсунка расположена со стороны входной кромки 68 и снабжена множеством отверстий 52, направленных в соответствующий канал 60. Форсунки 50 могут быть выполнены с возможностью замены, например, на форсунки, имеющие разные размеры отверстий под разные виды газообразного топлива или для ремонта. Кроме того, как лучше всего показано на ФИГ. 4, входная кромка 68 лопатки в предпочтительном варианте располагается под углом β относительно направления 16а оси для улучшения условий приема входящего воздуха для горения. Угол β может быть задан таким, что входная кромка 68 лопатки будет составлять прямой угол с направлением входящего воздуха, как показано на ФИГ. 4.
В таблице 1 представлен, в частности, предпочтительный набор вариаций параметров конструкции для профиля и ориентации лопаток 44, показанных на ФИГ. 3 и 4.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, подробно описываемому в данном документе на примерах осуществления, трубчатая камера сгорания может дополнительно включать в себя рукав ударного охлаждения, коаксиально размещенный между кожухом и вкладышем камеры сгорания и проходящий в осевом направлении от закрытого конца кожуха на значительную длину зоны сгорания. Рукав ударного охлаждения может включать в себя множество отверстий, которые имеют такой размер и распределены так, что позволяют направлять воздух для горения к радиально внешней поверхности участка вкладыша камеры сгорания, задающего границы зоны горения, для ударного охлаждения.
В примере осуществления, описываемом со ссылками на ФИГ. 1, рукав 80 ударного охлаждения представлен в виде размещенного коаксиально между кожухом 12 и вкладышем 20. Рукав 80 ударного охлаждения проходит по направлению оси вдоль участка вкладыша 20, задающего границы зоны 32 горения, от положения со стороны закрытого конца 18 к положению со стороны портов 30 разбавления вверх по течению осевого потока газообразных продуктов сгорания. Рукав 80 включает в себя множество отверстий 82 ударного охлаждения, распределенных по окружности рукава 80 и предназначенных для направления воздуха для горения из канала 26 к внешней поверхности вкладыша 20 вблизи зоны 32 горения. В предпочтительном варианте изобретения рукав 80 ударного охлаждения может иметь форму осесимметричного конуса, который с увеличением диаметра от конца 84 рукава до конца 86 рукава приобретает форму усеченного конуса, который содержит выходную область для потока воздуха для горения после прохождения рукава 80 и ударного охлаждения поверхности 88 вкладыша. Конец 84 рукава в предпочтительном примере осуществления выполнен так, что предотвращает утечку воздуха для горения/охлаждающего воздуха в канале 26 по пути 28 потока разбавляющего воздуха после прохождения воздуха для горения через отверстия 82 ударного охлаждения.
x
Важно отметить, что в примере осуществления, иллюстрируемом на ФИГ. 1, фактически весь воздух для горения, поступающий в конечном счете в зону 32 горения, вначале проходит через отверстия 82 рукава 80 ударного охлаждения для обеспечения охлаждения, то есть весь, за исключением возможно неизбежной утечки. Воздух для горения может составлять приблизительно 45-55% от общего объема воздуха, подаваемого в трубчатую камеру сгорания (воздух для горения плюс разбавляющий воздух) для конструкций с низким выбросом NO.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, подробно описываемому в данном документе на примерах осуществления, трубчатая камера сгорания включает в себя устройство для каналирования воздуха для горения от выходной области ниже по потоку от рукава ударного охлаждения до впускного отверстия смесительного устройства. Это каналирующее устройство выполнено с возможностью предотвращения разделения потока и включает в себя секцию диффузора с проходным сечением впускного отверстия и проходным сечением выпускного отверстия, причем отношение проходного сечения выпускного отверстия к проходному сечению впускного отверстия находится в интервале значений 1,3-1,5 или более.
В варианте осуществления, описываемом со ссылками на ФИГ. 1, каналирующее устройство 90 включает в себя секцию 92 диффузора и направляющую секцию 94, причем обе секции содержат последовательные участки канала 26 для воздуха для горения. Секция 92 диффузора проходит между положением "А" ниже по потоку от выходной области 86 рукава и положением "В", являющемся начальным участком искривленной внутрь направляющей секции 94. Направляющая секция 94, в свою очередь, проходит от положения "В" до впускного отверстия 46 смесительного устройства 40 со стороны входных кромок 68 лопаток 44 завихрителя. Направляющая секция 94 служит для поворота воздуха для горения внутрь в сторону оси 16 и впускного отверстия 46 смесительного устройства с минимальным разделением потока за счет использования плавно искривленной внутренней поверхности 96 кожуха 12 и поверхности 42а завихрительной пластины 42 с большим радиусом кривизны. Для предотвращения образования скачкообразной ступеньки и возможного разделения потока, как показано на ФИГ. 1, поверхность 96 направляющей секции в предпочтительном примере осуществления должна иметь тот же наружный диаметр и кривизну в положении входной кромки 68, что и поверхность 42а завихрительной пластины.
Особенно предпочтительным может быть использование радиуса кривизны r, удовлетворяющего приводимым ниже соотношениям:
1
где H - высота лопатки 44 на выходной кромке 70, а
1
R - радиальное расстояние от оси 16 до внутренней поверхности 96 кожуха 18 на начальном участке направляющей секции 94 (положение В). См. Фиг. 1 и 4.
Кроме того, особенно предпочтительным может быть такая конфигурация лопаток 44, а также завихрительной пластины 42, при которой отрыв смеси воздуха и топлива от лопаток 44 завихрителя происходит по касательной к оси 16 (в пределах ±3°), что обеспечивает самый длинный путь потока для смеси воздуха и топлива и получение более однородной смеси. Возможность этого признака обеспечивается за счет вариаций отношения высоты к ширине в каналах лопаток завихрителя.
Проходное же сечение 98 диффузора в секции 92 диффузора в рассматриваемом варианте осуществления представляет собой пространство, образуемое конической внутренней поверхностью 100 кожуха 14 между положениями "А" и "В" и конической внешней поверхностью 104 стенки 114 тороидального разделительного элемента 102. Размеры и форма этих двух конических поверхностей обеспечивают непрерывное увеличение кольцевого проходного сечения диффузора от впускного отверстия секции диффузора (положение "А") до выпускного отверстия секции диффузора (положение "В") для обеспечения степени расширения проходного сечения выпускного отверстия относительно проходного сечения впускного отверстия в интервале значений 1,3-1,5 за счет плавного непрерывного расширения. Последовательное снижение средней скорости позволяет обеспечивать более оптимальное отношение между скоростями воздуха для горения, входящего в смесительное устройство 40, и топлива, впрыскиваемого из форсунок 50, и, таким образом, - более равномерное смешивание.
Из приведенного выше описания специалисту в данной области техники должно быть понятно, что для обеспечения нужной степени расширения конфигурация обеих поверхностей, задающих границы секции 92 диффузора, не должна быть конической. То есть стенка 114 с внешней поверхностью 104 тороидального элемента 102 может быть цилиндрической, а внутренняя поверхность 100 секции 42 диффузора кожуха 14 может быть конической, или наоборот. Реализация каждой из этих альтернатив может обеспечивать более радиально компактную камеру сгорания, однако приводит к повышению уровня гидравлических потерь в направляющей секции 94, обусловленному более резким поворотом (вследствие меньшего радиуса кривизны) воздуха для горения вблизи впускного отверстия 46 смесительного устройства, и поэтому не может быть предпочтительной. В варианте осуществления на ФИГ. 1 объемный поток воздуха для горения через секцию 92 диффузора проходит на некотором расстоянии от оси 16, в то время как поток через направляющую секцию 94 проходит в сторону оси 16, что обеспечивает возможность выполнения большей части поворота на удлиненной направляющей секции плавно и без скачков на впускном отверстии смесительного устройства. Тарельчатая форма криволинейной поверхности 42а смесительной пластины, образующей верхнюю границу каналов 60 лопаток завихрителя, также способствует повороту потока воздуха для горения.
Предпочтительным может быть также использование небольшой части (~14%) воздуха для горения из секции 92 диффузора для охлаждения "головного" конца вкладыша 20, а именно участка 20а вкладыша, размещенного вокруг части 34 зоны горения, в которой рециркулирующие газообразные продукты сгорания могут создавать высокую тепловую нагрузку. В варианте осуществления на ФИГ. 1 тороидальный элемент 102 может быть выполнен с внутренней стенкой 106, отстоящей от участка 20а вкладыша и снабженной направленными отверстиями 108 ударного охлаждения. В варианте осуществления на ФИГ. 1 воздух для горения для ударного охлаждения участка 20а вкладыша поступает в тороидальный элемент 102 через отверстия 112 во внешней стенке 114.
Кроме того, как лучше всего показано на ФИГ. 1, верхняя стенка 116 тороидального элемента 102 соприкасается с лопатками 44 завихрителя и задает границы нижних частей каналов 60 лопаток завихрителя.
Предпочтительным может быть также использование другой небольшой части (~1%) воздуха для горения для предотвращения разделения потока на впускном отверстии А диффузора. Как лучше всего показано на ФИГ. 5, рукав 80 ударного охлаждения закреплен на кожухе 14 посредством фланцевого соединения, требующего наличия ступеньки 120. Для предотвращения разделения потока вследствие внезапного расширение в проходном сечении на ступеньке 120, эта ступенька 120 снабжена дренажными отверстиями 122, в которые подается воздух для горения из канала 26 выше по потоку от рукава 80.
x
Как следствие признаков трубчатой камеры сгорания, описываемой выше, и в дополнение к преимуществу более равномерного воздушного потока, направляемого на лопатки завихрителя, рассмотренному ранее, трубчатая камера сгорания может обеспечивать более равномерное предварительное перемешивание с помощью лопаток завихрителя и, следовательно, более высокое эффективное соотношение между топливом и воздухом для требуемого NO. Кроме того, описываемая выше трубчатая камера сгорания с учетом обеспечения траектория более устойчивой рециркуляции может обеспечивать более высокий запас устойчивого горения и минимизацию температурных отклонений ("разброса") в продуктах сгорания, направляемых на турбину. Наконец, трубчатая камера сгорания, раскрытая выше, позволяет также максимально повысить требования, предъявляемые к охлаждающему воздуху, и обеспечить минимальные температуры металла стенки вкладыша.
Специалистам в данной области техники очевидно, что в раскрытую в данном документе трубчатую камеру сгорания с ударным охлаждением могут быть внесены различные изменения и дополнения, не выходящие за пределы принципов изобретения, содержащихся в данном документе. Примеры осуществления станут очевидными специалистам в данной области техники из рассмотрения этого описания изобретения и практики использования раскрытого устройства, однако следует понимать, что описание изобретения и примеры носят исключительно иллюстративный характер, и что истинный объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.