ТОПЛИВОВОЗДУШНАЯ ФОРСУНКА (ВАРИАНТЫ ), КАМЕРА СГОРАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ ) И СПОСОБ РАБОТЫ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ ФОРСУНКИ (ВАРИАНТЫ )
FUEL-AIR NOZZLE (VERSIONS), FIRE-FIGHTING CAMERA FOR A GAS TURBINE ENGINE (VERSIONS) AND A METHOD OF OPERATION OF A FUEL-AIR NOZZLE (OPTIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение относится в целом к газотурбинному двигателю, который сжигает углеводородное топливо, смешанное с воздухом, с образованием высокотемпературного потока газа, под действием которого турбинные лопатки вращают соединенный с ними вал, и, более конкретно, к топливной форсунке двигателя, содержащей вспомогательную форсунку, обеспечивающую предварительное смешивание топлива и воздуха с одновременным снижением содержания оксидов азота.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Газотурбинные двигатели широко используются для выработки энергии в различных областях применения. Обычный газотурбинный двигатель содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. В типичном газотурбинном двигателе компрессор обеспечивает подачу сжатого воздуха к камере сгорания. Воздух, поступающий в камеру сгорания, смешивается с топливом и сжигается. Горячие газы сгорания выпускаются из камеры сгорания и направляются на лопатки турбины с обеспечением вращения вала турбины, соединенного с указанными лопатками. Часть этой механической энергии вращающегося вала приводит в действие компрессор и/или другие механические устройства.
x
x
[0003] Поскольку постановлениями правительства не одобряется выброс в атмосферу оксидов азота, то следует поддерживать их образование в качестве побочных продуктов работы газотурбинных двигателей ниже допустимых уровней. Одним подходом для соответствия таким постановлениям является переход от диффузионных камер сгорания к камерам сгорания, которые работают на обедненных топливовоздушных смесях с использованием режима проведения операций после выполнения полного смешивания для уменьшения выбросов, например, оксидов азота (обычно обозначаемых NO) и монооксида углерода (СО). Эти камеры сгорания известны в данной области техники под различными названиями, например, системы сгорания с пониженным содержанием NO и влаги, с пониженным содержанием выбросов и влаги или системы сгорания с предварительным получением обедненной топливной смеси.
[0004] Смешивание топлива с воздухом воздействует как на уровни содержания оксидов азота, образующихся в горячих газах сгорания газотурбинного двигателя, так и на производительность указанного двигателя. В газотурбинном двигателе для содействия смешиванию топлива и воздуха в камере сгорания могут использоваться одна или более топливных форсунок, в которые поступают воздух и топливо. Топливные форсунки могут быть расположены в передней концевой части камеры сгорания и могут быть выполнены с обеспечением принятия потока воздуха, смешиваемого с поступающим топливом. Обычно каждая топливная форсунка может поддерживаться во внутреннем направлении центральным элементом, который расположен в указанной форсунке и на нижнем по потоку конце которого может быть установлено вспомогательное устройство. Как описано, например, в Патенте США №6438961, который полностью включен в данную заявку посредством ссылки, к наружной части центрального элемента может быть присоединен так называемый завихритель, расположенный выше по потоку от вспомогательного устройства. Завихритель имеет криволинейные направляющие лопатки, которые проходят в радиальном направлении от центрального элемента поперек кольцевого проточного прохода и от которых топливо поступает в указанный проход для его захвата потоком воздуха, закрученного лопатками завихрителя.
x
[0005] С образованием оксидов азота связаны различные параметры, описывающие процесс горения в газотурбинном двигателе. Например, повышенные температуры газа в зоне реакции горения отвечают за образование большего количества оксидов азота. Одним способом снижения этих температур является предварительное получение смеси топлива и воздуха и уменьшение соотношения сжигаемых топлива и воздуха. При снижении соотношения сжигаемых топлива и воздуха также снижается количество оксидов азота. Однако вследствие этого происходит снижение производительности газотурбинного двигателя. При снижении соотношения сжигаемых топлива и воздуха появляется нарастающая тенденция затухания пламени топливной форсунки и, следовательно, нестабильности работы газотурбинного двигателя. Для лучшей стабилизации пламени в камере сгорания используют вспомогательное устройство диффузионного типа, однако это приводит к увеличению NO.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Ниже изложены аспекты и преимущества изобретения, которые могут быть очевидны из нижеприведенного описания или выявлены при практической реализации изобретения.
x
[0007] По теории, чем ближе соотношение топлива и воздуха, сжигаемых при заданной температуре горения, в каждой точке камеры сгорания к стехиометрическому, тем сильнее стремится к минимуму образование оксидов азота как побочного продукта горения. С помощью топливной форсунки, выполненной в соответствии с нижеприведенным описанием, становится возможным достичь более однородного эквивалентного соотношения в плоскости верхней части центрального элемента наружной форсунки и, таким образом, в большей степени приблизиться к достижению в камере сгорания газотурбинного двигателя указанных теоретических условий требуемого стехиометрического соотношения топлива и воздуха, подвергаемых сжиганию при заданной температуре горения. Кроме того, для преодоления одного из недостатков вспомогательного устройства диффузионного типа, вспомогательное устройство предварительного смешивания также может использоваться в качестве вспомогательного устройства для стабилизации пламени в нем даже при низком соотношении топлива и воздуха с предотвращением увеличения содержания NO.
[0008] В одном варианте выполнения топливной форсунки, которая содержит трубопроводы предварительного смешивания, имеющие концентрические оси, которые проходят параллельно оси патрубка горелки с обеспечением направления топливовоздушной смеси вдоль оси от вспомогательной форсунки предварительного смешивания, около каждого из трубопроводов предварительного смешивания имеется по меньшей мере один воздушный жиклер, причем каждый из указанных жиклеров ориентирован в радиально наружном направлении от указанных трубопроводов, так что он может захватывать часть топливовоздушной смеси с обеспечением ее проведения в радиально наружном направлении от трубопроводов предварительного смешивания для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости горения форсунки и в камере сгорания газовой турбины. Воздушные жиклеры предпочтительно выполнены на нижнем по потоку конце кольцевого канала, расположенного в радиально наружном направлении относительно трубопроводов предварительного смешивания.
[0009] В другом варианте выполнения данного изобретения каждый трубопровод предварительного смешивания проходит концентрическим образом вокруг центральной продольной оси, расположенной под острым углом к оси патрубка горелки с обеспечением проведения топливовоздушной смеси в радиально наружном направлении относительно оси патрубка горелки для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости горения форсунки и в камере сгорания газовой турбины.
[0010] В еще одном варианте выполнения данного изобретения каждый трубопровод предварительного смешивания проходит концентрическим образом вокруг двунаправленной центральной продольной оси, первый луч которой расположен параллельно оси патрубка горелки, а второй луч расположен под острым углом к оси патрубка горелки с обеспечением проведения топливовоздушной смеси в радиально наружном направлении относительно оси патрубка горелки для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости горелки форсунки и в камере сгорания газовой турбины.
[0011] В еще одном варианте выполнения топливной форсунки, в которой каждый трубопровод предварительного смешивания проходит концентрическим образом вокруг центральной продольной оси, расположенной под острым углом к патрубку горелки для проведения топливовоздушной смеси в радиально наружном направлении относительно оси патрубка горелки, около каждого трубопровода предварительного смешивания имеется по меньшей мере один воздушный жиклер, причем каждый из указанных жиклеров может захватывать часть топливовоздушной смеси с обеспечением ее дальнейшего проведения в радиально наружном направлении от трубопроводов предварительного смешивания для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости горелки форсунки и в камере сгорания газовой турбины. Кроме того, один или более воздушных жиклеров предпочтительно ориентированы в радиально наружном направлении от трубопроводов предварительного смешивания для захватывания части топливовоздушной смеси с обеспечением ее дальнейшего проведения в радиально наружном направлении от указанных трубопроводов для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости горелки форсунки и в камере сгорания газовой турбины.
[0012] Особенности и аспекты этих и других вариантов выполнения станут более понятны специалистам после прочтения описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Ниже для специалистов более подробно изложено полное и достаточное описание данного изобретения, в том числе его предпочтительного варианта выполнения, приведенное со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[0014] фиг.1 изображает принципиальную схему турбинной установки, содержащей топливную форсунку, соединенную с камерой сгорания, в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения,
[0015] фиг.2 изображает разрез различных частей камеры сгорания в газотурбинной установке, описанной в данном документе,
[0016] фиг.3 изображает иллюстративный вариант выполнения элементов данного изобретения, представленный частично в аксонометрии и частично в разрезе,
[0017] фиг.4 изображает разрез другого иллюстративного варианта выполнения элементов данного изобретения,
[0018] фиг.5 изображает разрез по линии 5-5 на фиг.4,
[0019] фиг.6 изображает разрез еще одного иллюстративного варианта выполнения элементов данного изобретения,
[0020] фиг.7 изображает разрез еще одного иллюстративного варианта выполнения элементов данного изобретения,
[0021] фиг.8 изображает разрез альтернативного иллюстративного варианта выполнения части, ограниченной пунктирной линией, обозначенной номером 8 позиции на фиг.6,
[0022] фиг.9 изображает разрез еще одного иллюстративного варианта выполнения элементов данного изобретения, аналогичный виду, показанному на фиг.4,
[0023] фиг.10 схематически иллюстрирует варианты выполнения предложенных способов работы топливовоздушной форсунки для газотурбинного двигателя, и
[0024] фиг.11 схематически иллюстрирует альтернативные варианты выполнения предложенных способов работы топливовоздушной форсунки для газотурбинного двигателя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Ниже приведено подробное описание вариантов выполнения изобретения, один или более примеров которых изображены на прилагаемых чертежах. Для ссылки на элементы, изображенные на чертежах, в подробном описании используются числовые и буквенные обозначения. Одинаковые или аналогичные обозначения на чертежах и в описании используются для обозначения одинаковых или аналогичных компонентов изобретения.
[0026] Все примеры являются пояснительными и не ограничивают изобретение. Фактически, специалистам должно быть очевидно, что возможно выполнение модификаций и изменений в данном изобретении без отклонения от его сущности и объема. Например, характерные особенности, изображенные или описанные как часть одного варианта выполнения, могут быть применены в другом варианте выполнения с получением в результате еще одного варианта выполнения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение охватывает такие модификации и изменения как находящиеся в рамках объема пунктов прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.
[0027] Следует понимать, что диапазоны и интервалы, указанные в данном документе, включают все промежуточные диапазоны в пределах заданных границ, включая граничные значения, если не указано иное. Например, диапазон от 100 до 200 также включает все возможные промежуточные диапазоны, например от 100 до 150, от 170 до 190, от 153 до 162, от 145,3 до 149,6 и от 187 до 200. Далее, ограничение до 7 также охватывает ограничение до 5, до 3, и до 4,5, а также все промежуточные диапазоны в пределах указанного ограничения, например от приблизительно 0 до 5, включая 0 и 5, и от 5,2 до 7, включая 5,2 и 7.
[0028] На фиг.1 изображен упрощенный вид различных частей газотурбинной установки 10. Для запуска установки 10 может использоваться жидкое или газообразное топливо, например природный газ или обогащенный водородом синтетический газ. Как показано на чертеже, топливные форсунки 12, относящиеся к типу, более подробно описанному ниже, принимают топливо 14, смешивают его с воздухом и распределяют воздушно-топливную смесь в камеру 16 сгорания. Воздушно-топливная смесь сгорает в топке внутри камеры 16 сгорания с образованием при этом горячих отработанных газов, находящихся под высоким давлением. Камера 16 сгорания направляет отработанные газы через турбину 18 к выпуску 20 для отработанных газов. При прохождении отработанных газов через турбину 18 под их воздействием одна или более турбинных лопаток вращают вал 22, проходящий вдоль оси установки 10. Как показано на чертеже, вал 22 может быть соединен с различными элементами установки 10, в том числе с компрессором 24. Компрессор 24 также содержит лопатки, которые могут быть присоединены к валу 22. При вращении вала 22 лопатки компрессора 24 также вращаются с обеспечением, таким образом, сжатия воздуха, проходящего от воздухозаборника 26 через компрессор 24 в топливные форсунки 12 и/или камеру 16 сгорания. Вал 22 также может быть соединен с нагрузкой 28, которая может представлять собой нагрузку от транспортных средств или стационарную нагрузку, например электрогенератор силовой установки или движитель летательного аппарата. Следует понимать, что нагрузка 28 может представлять собой любое подходящее устройство, приводимое в действие с помощью крутящего момента на выходе турбинной установки 10.
[0029] Фиг.2 изображает упрощенный разрез различных частей газотурбинной установки 10, схематически показанной на фиг.1. Как схематически изображено на фиг.2, установка 10 содержит одну или более топливовоздушных форсунок 12, расположенных в передней концевой части 27 одной или более камер 16 сгорания в газотурбинном двигателе. Каждая изображенная форсунка 12 может содержать несколько топливных форсунок, объединенных в группу, и/или одиночную топливную форсунку и опирается по меньшей мере существенно или полностью на внутреннюю конструктивную опору (например, несущие проходы для текучей среды). В соответствии с фиг.2 установка 10 содержит компрессорную секцию 24 для сжатия газа, например воздуха, проходящего в установку 10 через воздухозаборник 26. При эксплуатации воздух поступает в установку 10 через воздухозаборник 26 и может быть сжат в компрессоре 24. Следует понимать, что несмотря на то что в данном документе газ может называться воздухом, указанный газ может быть любым газом, подходящим для использования в газотурбинной установке 10. Сжатый воздух, выпущенный из компрессорной секции 24, проходит в топочную секцию 16, которая в целом характеризуется набором камер 16 сгорания (на фиг.1 и 2 изображена только одна из них), расположенных кольцевым образом вокруг оси установки 10. Воздух, поступающий в топочную секцию 16, смешивается с топливом и сжигается в топочной камере 32 камеры 16 сгорания. Например, топливные форсунки 12 могут впрыскивать топливовоздушную смесь в камеру 16 сгорания при подходящем соотношении топлива и воздуха для оптимального сгорания, уровня выбросов, расхода топлива и выходной мощности. В результате сгорания образуются находящиеся под высоким давлением горячие отработанные газы, которые затем проходят из каждой камеры 16 сгорания к турбинной секции 18 (фиг.1) для приведения в действие установки 10 и выработки энергии. Горячие газы приводят во вращение одну или более лопаток (не показаны) в турбине 18 для вращения вала 22 и, следовательно, компрессора 24 и нагрузки 28. Вращение вала 22 заставляет лопатки 30 в компрессоре 24 вращаться и втягивать и сжимать воздух, поступивший в воздухозаборник 26. Однако следует понимать, что камера 16 сгорания не обязательно должна быть выполнена так, как описано выше и показано на приведенных чертежах, и в целом может иметь любую конфигурацию, которая обеспечивает возможность смешивания сжатого воздуха с топливом, его сжигания и перемещения в турбинную секцию 18 установки 10.
[0030] Фиг.3-9 схематически изображают различные варианты выполнения топливовоздушных форсунок 12 в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения данного изобретения. Например, на фиг.4, 8 и 9 по меньшей мере каждый верхний по потоку конец каждого трубопровода 41 предварительного смешивания имеет центральную ось 41d, выполненную и расположенную таким образом, что поток текучей среды, поступающий во входное отверстие 66а каждого трубопровода 41, направляется параллельно центральной оси 36 центрального элемента 52. Например, на фиг.6 и 7 по меньшей мере каждый верхний по потоку конец каждого трубопровода 41 имеет центральную ось 41d, выполненную и расположенную таким образом, что поток текучей среды, поступающий во входное отверстие 66а каждого трубопровода 41, направляется под острым углом от 0,1 до 20 градусов от центральной оси 36 центрального элемента 52. Например, как схематически показано на фиг.3, один вариант выполнения топливовоздушной форсунки 12 содержит трубопроводы 41 предварительного смешивания, которые имеют концентрические оси, проходящие параллельно оси 36 патрубка горелки с обеспечением направления топливовоздушной смеси вдоль оси от вспомогательной форсунки 40 предварительного смешивания. В вариантах выполнения, схематически изображенных на фиг.4, 5 и 9, вблизи каждого трубопровода 41 предварительного смешивания имеется по меньшей мере один воздушный жиклер 42, причем каждый жиклер 42 может захватывать часть топливовоздушной смеси с обеспечением ее проведения в радиально наружном направлении от трубопроводов 41 для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости 44 горения форсунки 12 и в топочной камере 32 камеры 16 сгорания (фиг.1 и 2). В варианте выполнения, изображенном на фиг.4 и 5, каждый жиклер 42 предпочтительно ориентирован в радиально наружном направлении от трубопроводов 41, так что он может проще захватывать большее количество топливовоздушной смеси с обеспечением ее направления в радиально наружном направлении от трубопроводов 41 для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости 44 горения форсунки 12 и в топочной камере 32 камеры 16 сгорания (фиг.1 и 2).
[0031] Как схематически изображено, например, на фиг.3, топливовоздушная форсунка 12 для газотурбинного двигателя предпочтительно имеет вытянутую в осевом направлении периферическую стенку 50, образующую наружный кожух форсунки 12. Периферическая стенка 50 форсунки 12 имеет наружную поверхность 50а и внутреннюю поверхность 50b, обращенную в противоположную сторону от поверхности 50а и ограничивающую вытянутую в осевом направлении внутреннюю полость 50 с.
[0032] Как схематически изображено, например, на фиг.3, топливовоздушная форсунка 12 для газотурбинного двигателя предпочтительно содержит полый, вытянутый в осевом направлении центральный элемент 52, расположенный во внутренней полости 50с форсунки 12 и имеющий центральную ось 36, которая совпадает с центральной осью патрубка горелки. Центральный элемент 52 ограничен стенкой 52а, которая имеет верхний по потоку конец 52b и нижний по потоку конец 52с, расположенный в осевом направлении напротив конца 52b. Стенка 52а центрального элемента ограничена наружной поверхностью 52d и внутренней поверхностью 52е, обращенной в противоположную сторону от наружной поверхности 52d. Внутренняя поверхность 52d стенки 52а ограничивает вытянутый в осевом направлении внутренний проход 53, который расположен концентрическим образом вокруг центральной оси 36 элемента 52. В кольцевом пространстве между внутренней поверхностью 50b периферической стенки 50 и наружной поверхностью 52d стенки 52а центрального элемента образован канал 51 для первичного потока воздуха.
[0033] Как схематически изображено, например, на фиг.3, топливовоздушная форсунка 12 для газотурбинного двигателя предпочтительно содержит вытянутую в осевом направлении полую линию 54 подачи топлива, проходящую в осевом направлении через внутренний проход 53 центрального элемента 52. Указанная линия 54 имеет верхний по потоку конец 54а, который расположен у верхнего по потоку концу 52b элемента 52 и предназначен для присоединения к источнику топлива (не показан). Линия 54 подачи топлива имеет нижний по потоку конец 54b, расположенный у нижнего по потоку конца 52 с центрального элемента 52. Кольцевое пространство между внутренней поверхностью 52 с элемента 52 и наружной поверхностью линии 54 подачи топлива ограничивает канал для вторичного потока воздуха и ограничивает вытянутый в осевом направлении внутренний проход 53, схематически показанный на фиг.3.
[0034] Как схематически изображено на фиг.3, первичное топливо может быть подано в топочную камеру 32 камеры 16 сгорания (фиг.2) через воздушные вихреобразователи 56, которые присоединены и проходят на пути потока через канал 51. Эти вихреобразователи 56 образуют так называемый завихритель, проходящий в радиальном направлении от наружной поверхности стенки 52а центрального элемента. Как схематически изображено на фиг.3, каждый вихреобразователь 56 завихрителя предпочтительно выполнен с внутренними топливопроводами 57, оканчивающимися в портах или отверстиях 58 для впрыскивания топлива, из которых первичное топливо (показанное стрелками, обозначенными номером 57а позиции), выходящее из топливопроводов 57, может быть впрыснуто в первичный воздух (показанный стрелками, обозначенными номером 51а позиции), проходящий мимо портов 58 в вихреобразователях 56. Когда поток 51а первичного воздуха направляется на вихреобразователи 56, ему придается завихрение, которое способствует смешиванию указанного потока 51а с первичным топливом, впрыскиваемым из портов 58 вихреобразователей 56 в проходящий поток 51а первичного воздуха. Поток 51а первичного воздуха, смешанный с первичным топливом, затем может проходить в кольцеобразное пространство 51 для предварительного смешивания, которое ограничено между периферической стенкой 50 и внутренним центральным элементом 52 и в котором указанный поток 51а и первичное топливо продолжают смешиваться друг с другом перед поступлением в топочную камеру 32.
[0035] Как схематически изображено, например, на фиг.3, топливовоздушная форсунка 12 для газотурбинного двигателя предпочтительно содержит вспомогательную форсунку 40 предварительного смешивания, которая имеет верхний по потоку конец 40а, присоединенный к нижнему по потоку концу 52 с центрального элемента 52. В варианте выполнения, изображенном на фиг.3, нижний по потоку конец 52с элемента 52 и верхний по потоку конец 40а форсунки 40 частично ограничены различными частями металлического цилиндра, образующего центральный элемент 52, и наиболее удаленной от центра стенкой, которая ограничивает вспомогательную форсунку 40. Указанная форсунка 40 имеет нижний по потоку конец 40b, расположенный в осевом направлении напротив верхнего по потоку конца 40а форсунки 40.
[0036] Как схематически изображено, например, на фиг.3, 4 и 9, вспомогательная форсунка 40 ограничивает вспомогательную топливную форсунку 60, которая имеет верхний по потоку конец 60а и нижний по потоку конец 60b. Как схематически изображено, например, на фиг.4 и 9, верхний по потоку конец 60а топливной форсунки 60 проточно соединен с нижним по потоку концом 54b линии 54 подачи топлива. Нижний по потоку конец 60b форсунки 60 ограничивает по меньшей мере один топливный жиклер 61, проточно соединенный с верхним по потоку концом 60а форсунки 60. Как схематически показано стрелками, обозначенными номером 62 позиции, например, на фиг.4 и 9, топливо 62, поступающее в форсунку 60 через нижний по потоку конец 54b линии 54, выходит из указанной форсунки 60 через топливные жиклеры 61 (показанные пунктирной линией на фиг.5).
[0037] Как схематические изображено, например, на фиг.3, 4 и 9, вспомогательная форсунка 40 предварительного смешивания также ограничивает кольцеобразную стенку 63 топливного пространства, расположенную в радиально наружном направлении относительно вспомогательной топливной форсунки 60 и предпочтительно концентрическим образом относительно оси 36 патрубка горелки, показанной на фиг.3. Как схематически изображено, например, на фиг.3, 4 и 9, стенка 63 ограничивает топливное пространство 64 между форсункой 60 и указанной стенкой 63. Как схематически изображено, например, на фиг.4 и 9, стенка 63 также ограничивает топливные отверстия 63а, через которые топливо выходит из пространства 64. Как схематически изображено, например, на фиг.4 и 9, по меньшей мере одно отверстие 63а проточно соединен с по меньшей мере одним топливным жиклером 61 через пространство 64. Предпочтительно каждое отверстие 63а проточно соединен с каждым жиклером 61 через пространство 64.
[0038] Как схематически изображено, например, на фиг.3, 4 и 9, вспомогательная форсунка 40 предварительного смешивания также ограничивает вытянутые в осевом направлении полые трубопроводы 41 предварительного смешивания, расположенные в радиально наружном направлении относительно стенки 63 топливного пространства. Как схематически изображено в варианте выполнения, показанном, например, на фиг.4 и 9, каждый трубопровод 41 предпочтительно частично ограничен стенкой 63. Как схематически изображено, например, на фиг.3, каждый трубопровод 41 имеет верхний по потоку конец 41 а, расположенный вблизи нижнего по потоку конца 52с центрального элемента 52. Как схематически изображено, например. на фиг.4 и 9, каждый трубопровод 41 ограничивает на конце 41а входное отверстие 66а, проточно соединенное с внутренним проходом 53 центрального элемента 52. Стрелки, обозначенные номером 53а позиции на фиг.4 и 9, упрощенно показывают поток воздуха 53а, который поступает во входное отверстие 66а каждого трубопровода 41 из внутреннего прохода 53 центрального элемента 52.
[0039] Как упрощенно изображено, например, на фиг.4 и 9, каждый трубопровод 41 предварительного смешивания проточно соединен с по меньшей мере одним отверстием 63а, образованным в стенке 63 топливного пространства 64. Стрелки, обозначенные номером 62а позиции на фиг.4 и 9, упрощенно показывают поток 62а топлива, который выходит из пространства 64 через отверстия 63а, образованные в стенке 63, и проходит в каждый трубопровод 41. Стрелки, обозначенные номером 62b позиции на фиг.4 и 9, упрощенно указывают поток 62b топливовоздушной смеси, который проходит вниз по потоку в трубопроводы 41 вспомогательной форсунки 40 предварительного смешивания.
[0040] Как схематически изображено, например, на сриг.4 и 9, каждый трубопровод 41 имеет нижний по потоку конец 41b, расположенный в осевом направлении напротив верхнего по потоку конца 41а трубопровода 41 и расположенный около нижнего по потоку конца 40b вспомогательной форсунки 40. Как схематически изображено, например, на фиг.4 и 9, каждый нижний по потоку конец 41b каждого трубопровода 41 ограничивает выходное отверстие 66b, которое обеспечивает возможность выхода текучей среды, то есть топливовоздушной смеси 62b, из полого трубопровода 41. Как схематически изображено, например, на фиг.4 и 9, каждый нижний по потоку конец 41b каждого трубопровода 41 имеет центральную ось 41с, вокруг которой концентрическим образом расположены стенки, ограничивающие каждый трубопровод 41. Кроме того, как схематически изображено для варианта выполнения вспомогательной форсунки 40, показанной на фиг.4 и 9, каждая центральная ось 41с представляет собой прямую линию, расположенную таким образом, что поток текучей среды, представляющей собой смесь топлива и воздуха, выходящую из выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41, направлен параллельно центральной оси 36 центрального элемента 52.
x
[0041] Несмотря на то что топливовоздушная смесь 62b стремится распространиться в радиальном направлении от каждой центральной оси 41с после ее выхода из выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41, заявителем было установлено, что радиальное распределение не очень существенно. Действительно, проведенные заявителем исследования показали, что эквивалентное соотношение в той части выходной плоскости 44 горения (фиг.4 и 9), которая расположена непосредственно ниже по потоку от выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41, может почти вдвое превышать эквивалентное соотношение, существующее в той части указанной плоскости 44 (фиг.4 и 9), которая расположена непосредственно ниже по потоку от центральной оси 36 центрального элемента 52. Высокое эквивалентное соотношение в местоположении непосредственно ниже по потоку от выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41 может обеспечивать непрерывное и эффективное поджигание топливовоздушной смеси, проходящей через вытянутую в осевом направлении внутреннюю полость 50с (фиг.3), и может обеспечивать стабильность пламени даже при его нахождении в состоянии срыва при работе с обедненной смесью. В этом заключается одна из важных ролей вспомогательного устройства предварительного смешивания, и вспомогательная форсунка 60 выполняет эту роль без повышения содержания NO.
[0042] Различные варианты выполнения данного изобретения имеют характерные особенности, которые противодействуют этому значительно повышенному эквивалентному соотношению, существующему в части выходной плоскости 44 (фиг.4 и 9), расположенной непосредственно ниже по потоку от выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41. Как схематически изображено для вариантов выполнения вспомогательной форсунки 40, показанных, например, на фиг.3, 4, 5 и 9, указанная форсунка 40 дополнительно ограничивает кольцевой канал 70, расположенный в радиально наружном направлении относительно трубопроводов 41. В вариантах выполнения, изображенных, например, на фиг.3, 4, 5 и 9, внутренняя стенка 43 канала 70 также служит для ограничения наружной стенки 43 трубопроводов 41. В вариантах выполнения, изображенных, например, на фиг.3, 4, 5 и 9, стенка 52а центрального элемента также служит для ограничения наружной стенки 52а кольцевого канала 70.
[0043] Как схематически показано для вариантов выполнения вспомогательной форсунки 40 предварительного смешивания, изображенных, например, на фиг.3, 4, 5 и 9, верхний по потоку конец канала 70 проточно соединен с внутренним проходом 53 центрального элемента 52, и, таким образом, в него поступает поток воздуха из указанного прохода 53 элемента 52. На нижнем по потоку конце кольцевого канала 70 образованы воздушные жиклеры 42. По меньшей мере один жиклер 42 расположен вблизи по меньшей мере одного выходного отверстия 66b по меньшей мере одного трубопровода 41. Предпочтительно, как изображено, например, на фиг.4, 5 и 9, по меньшей мере один жиклер 42 расположен вблизи каждого отверстия 66b каждого трубопровода 41.
[0044] Как упрощенно изображено, например, на фиг.9, каждый проход, ограничивающий один из жиклеров 42, проходит концентрическим образом вокруг центральной оси 42а, расположенной параллельно оси 41 с нижнего потока конца 41b ближайшего трубопровода 41. Таким образом, ускоренный воздух, выходящий из каждого жиклера 42, захватывает часть топливовоздушной смеси, выходящей из трубопроводов 41, и служит для направления топливовоздушной смеси, находящейся в той части выходной плоскости 44 горения (сриг.9), которая расположена непосредственно ниже по потоку от выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41. Итоговым результатом является более однородное эквивалентное соотношение в указанной плоскости 44 (фиг.9) топливовоздушной форсунки 12, что также может использоваться источником поджига в качестве вспомогательного средства.
[0045] Как схематически изображено, например, на фиг.4, каждый проход, ограничивающий один из жиклеров 42, проходит концентрическим образом вокруг центральной оси 42а, расположенной под острым углом относительно центральной оси 41с нижнего по потока конца 41b ближайшего трубопровода 41. Величина этого острого угла предпочтительно лежит в пределах от 0,1 до 20 градусов. Кроме того, воздушный жиклер 42 в варианте выполнения, показанном на фиг.4, предпочтительно выполнен и расположен таким образом, что соответствующий жиклер 42 направляет выходящий из него поток воздуха в направлении от ближайшего выходного отверстия 66b трубопроводов 41. Таким образом, в варианте выполнения, схематически изображенном, например, на фиг.4, каждый воздушный жиклер 42 направлен так, что выходящий из него воздух перемещается одновременно как вниз по потоку в радиальном направлении от центральной оси 36 центрального элемента 52, так и в радиальном направлении от центральной оси 41с нижнего по потоку конца 41b соответствующего ближайшего трубопровода 41. Таким образом, воздух, выходящий из каждого жиклера 42, захватывает часть топливовоздушной смеси, выходящей из трубопроводов 41, и служит для направления топливовоздушной смеси, находящейся в той части выходной плоскости 44 горения (фиг.4), которая расположена непосредственно ниже по потоку от выходного отверстия 66b каждого трубопровода 41, в радиально наружном направлении к периферической стенке 50 (фиг.3). Итоговым результатом является более однородное эквивалентное соотношение в указанной плоскости 44 (фиг.4) топливовоздушной форсунки 12, что также может использоваться источником поджига в качестве вспомогательного средства.
[0046] Другой вариант выполнения данного изобретения, схематически изображенный, например, на фиг.6, за исключением выполнения вспомогательной форсунки 40 предварительного смешивания, схематически показанной на фиг.6, аналогичен варианту выполнения, изображенному на фиг.3, 4, 5 и 9. Как схематически изображено на фиг.6, каждый трубопровод 41 проходит концентрическим образом вокруг центральной продольной оси 41с, расположенной под острым углом относительно центральной оси 36 центрального элемента 52. Величина этого острого угла предпочтительно лежит в диапазоне от 0,1 до 20 градусов. Таким образом, во вспомогательной форсунке 40, изображенной на фиг.6, каждый трубопровод 41 выполнен и расположен с обеспечением проведения выходящей из его выходного отверстия топливовоздушной смеси в радиально наружном направлении от центральной оси 36 элемента 52 с получением более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости 44 горения топливовоздушной форсунки 12 и в камере сгорания газовой турбины 10 и с обеспечением непрерывного и эффективного поджигания топливовоздушной смеси, которая подается через вытянутую в осевом направлении внутреннюю полость 50 с (фиг.3) форсунки 12. Несмотря на то, что это не отражено, например, на фиг.6, один или более трубопроводов 41 могут проходить в осевом направлении за пределы нижнего по потоку конца 40b вспомогательной форсунки 40с расположением концентрическим образом вокруг центральной оси 41с нижнего по потоку конца 41b трубопровода 41.
[0047] Еще один вариант выполнения данного изобретения, схематически изображенный, например, на фиг.8, за исключением выполнения трубопроводов 41 предварительного смешивания вспомогательной форсунки 40, схематически показанной на фиг.6, аналогичен варианту выполнения, изображенному на фиг.3, 4, 5, 6 и 9. В варианте выполнения, схематически изображенном на фиг.8, каждый трубопровод 41 проходит концентрическим образом вокруг двунаправленной центральной продольной оси, имеющей первый луч 41d и второй луч 41с. Как схематически изображено на фиг.8, первый луч 41d указанной оси расположен параллельно центральной оси 36 элемента 52 и проходит между верхним по потоку концом 41а и нижним по потоку концом 41b каждого трубопровода 41. Второй луч 41с указанной оси расположен под острым углом к центральной оси 36 элемента 52 и проходит через нижний по потоку конец 41 b каждого трубопровода 41. Величина этого острого угла предпочтительно лежит в диапазоне от 0,1 до 20 градусов. Таким образом, трубопровод 41, схематически изображенный на сриг.8, выполнен и расположен с обеспечением проведения топливовоздушной смеси, выходящей из выходного отверстия 66b, в радиально наружном направлении от центральной оси 36 элемента 52 с получением более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости 44 горения топливовоздушной форсунки 12 и в камере сгорания газовой турбины 10 и с обеспечением непрерывного и эффективного поджигания топливовоздушной смеси, которая подается через вытянутую в осевом направлении внутреннюю полость 50 с (фиг.3) форсунки 12.
[0048] Еще один вариант выполнения данного изобретения, схематически изображенный, например, на фиг.7, за исключением выполнения трубопроводов 41 и кольцевого канала 70 вспомогательной форсунки 40, схематически показанной на фиг.3, 4, 5 и 9, аналогичен варианту выполнения, изображенному на фиг.3, 4, 5 и 9. Как схематически показано на фиг.7, каждый трубопровод 41 проходит концентрическим образом вокруг центральной продольной оси 41с, расположенной под острым углом к центральной оси 36 центрального элемента 52. Величина этого острого угла предпочтительно лежит в диапазоне от 0,1 до 20 градусов. Таким образом, во вспомогательной форсунке 40, схематически изображенной на фиг.7, каждый трубопроводов 41 выполнен и расположен с обеспечением проведения топливовоздушной смеси, выходящей из его выходного отверстия 66b, в радиально наружном направлении от центральной оси 36 элемента 52 с получением более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости 44 горения топливовоздушной форсунки 12 и в камере сгорания газовой турбины 10 и с обеспечением непрерывного и эффективного поджигания топливовоздушной смеси, которая подается через вытянутую в осевом направлении внутреннюю полость 50с (фиг.3) форсунки 12.
[0049] Как схематически показано для варианта выполнения вспомогательной форсунки 40 предварительного смешивания, изображенной, например, на фиг.7, верхний по потоку конец кольцевого канала 70 выполнен сужающимся в направлении вниз по потоку к воздушным жиклерам 42, расположенным около каждого выходного отверстия трубопроводов 41. Как описано выше в отношении вариантов выполнения, изображенных на фиг.3, 4 и 5, каждый жиклер 42 ориентирован в радиально наружном направлении от трубопроводов 41, так что он может захватывать часть топливовоздушной смеси с обеспечением ее дальнейшего проведения в радиально наружном направлении от трубопроводов 41 для получения более однородной топливовоздушной смеси в выходной плоскости 44 горения форсунки 12 и в топочной камере 32 камеры 16 сгорания (фиг.1 и 2) и для обеспечения непрерывного и эффективного поджигания топливовоздушной смеси, которая подается через вытянутую в осевом направлении внутреннюю полость 50 с (фиг.3) форсунки 12.
[0050] Каждый вариант выполнения вспомогательной форсунки 40 предварительного смешивания обеспечивает небольшое хорошо зафиксированное пламя, созданное предварительно полученной смесью, вблизи основания топливовоздушной форсунки 12 с фиксированием, таким образом, завихренной топливовоздушной смеси, выходящей из форсунки 12. Повышенная стабильность пламени обеспечивает возможность работы при пониженном соотношении топливо/воздух с расширением тем самым эксплуатационного диапазона в режиме срыва при использовании обедненной смеси и диапазона выбросов.
[0051] При использовании топливовоздушной форсунки 12, варианты выполнения которой описаны выше, становится возможным применение предпочтительных способов работы форсунки 12 для газотурбинного двигателя 10. Один вариант такого способа работы топливовоздушной форсунки 12 для газотурбинного двигателя предпочтительно включает следующие этапы, схематически проиллюстрированные на фиг.10: этап 81 проведения первичного потока воздуха 51а (см., например, фиг.3) вниз по потоку через завихритель с обеспечением завихрения указанного потока, этап 82 проведения первичного потока топлива 57а (см., например, фиг.3) через завихритель с обеспечением его смешивания с завихренным первичным потоком воздуха 51 а ниже по потоку от завихрителя, этап 83 проведения потока вспомогательного топлива 62 (см., например, фиг.4) через полую линию 54 подачи топлива к вспомогательной форсунке 40 предварительного смешивания, этап 84 проведения вторичного потока воздуха 53а (см., например, фиг.4) вниз по потоку через центральный элемент 52 (см., например, фиг.3) к вспомогательной форсунке 40, этап 85 смешивания вспомогательного топлива 62 с вторичным потоком воздуха 53а в вытянутых в осевом направлении полых трубопроводах 41 предварительного смешивания (см., например, фиг.4), которые выпускают топливовоздушную смесь 62b (см., например, фиг.4 и 9) из нижнего по потоку конца 41 b форсунки 40, и этап 86 выпуска топливовоздушной смеси 62b из трубопроводов 41 вспомогательной форсунки 40 в направлении от центральной оси 36 элемента 52 (см., например, фиг.3, 4 и 6-9).
[0052] Другой вариант такого способа работы топливовоздушной форсунки 12 для газотурбинного двигателя 10 предпочтительно включает следующие этапы, схематически проиллюстрированные на фиг.11: этап 81 проведения первичного потока воздуха 51а (см., например, фиг.3) вниз по потоку через завихритель с обеспечением завихрения указанного потока, этап 82 проведения первичного потока топлива 57а (см., например, фиг.3) через завихритель с обеспечением его смешивания с завихренным первичным потоком воздуха 51а ниже по потоку от завихрителя, этап 83 проведения потока вспомогательного топлива 62 (см., например, фиг.4) через полую линию 54 подачи топлива к вспомогательной форсунке 40 предварительного смешивания, этап 84 проведения вторичного потока воздуха 53а (см., например, фиг.4) вниз по потоку через центральный элемент 52 (см., например, фиг.3) к вспомогательной форсунке 40, этап 85 смешивания вспомогательного топлива 62 с вторичным потоком воздуха 53а в вытянутых в осевом направлении полых трубопроводах 41 предварительного смешивания (см., например, фиг.4), которые выпускают топливовоздушную смесь 62b (см., например, фиг.4 и 9) из нижнего по потоку конца 41b форсунки 40, этап 87 отведения части вторичного потока воздуха 53а (см., например, фиг.4, 7 и 9) в кольцевой канал 70, расположенный в радиально наружном направлении относительно трубопроводов 41 вспомогательной форсунки 40, и этап 88 выпуска воздуха из кольцевого канала 70 в направлении от вспомогательной форсунки 40 (см., например, фиг.4, 7 и 9). Предпочтительно давление воздуха, выпускаемого из кольцевого канала 70, превышает давление воздуха, поступающего в указанный канал 70. Предпочтительно, как схематически изображено, например, на фиг.7, кольцевой канал 70 имеет верхний по потоку конец, выполненный сужающимся в направлении вниз по потоку. Предпочтительно, как показано, например, на фиг.7, дополнительный вариант выполнения способа включает этап выпуска топливовоздушной смеси из трубопроводов 41 вспомогательной форсунки 40 в направлении от центральной оси 36 центрального элемента 52. Предпочтительно, как схематически показано, например, на фиг.4, дополнительный вариант выполнения способа включает этап выпуска топливовоздушной смеси 62b из трубопроводов 41 вспомогательной форсунки 40 в направлении, параллельном центральной оси 36 элемента 52. Предпочтительно, как схематически показано, например, на фиг.4 и 7, дополнительный вариант выполнения способа включает этап выпуска топливовоздушной смеси 62b из кольцевого канала 70 в радиальном направлении от центральной оси 36 элемента 52.
[0053] В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.