СПОСОБ ПОЭТАПНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В УСТРОЙСТВЕ С КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
METHOD OF STAGE CHANGE IN FUEL SUPPLY IN DEVICE WITH COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области турбин внутреннего сгорания и газовых турбин и, в частности, к конструкциям газовых турбин для обеспечения низкого уровня сухих выбросов и более точно относится к устройству и способам предварительного смешивания топлива и воздуха для обеспечения сверхнизких выбросов, образующихся при горении.
Устройство для предварительного смешивания может быть полезным для повышения стабильности пламени в системе выделения/преобразования энергии, такой как камера сгорания для энергоснабжения газотурбинного двигателя или генератора. Для краткости в данном описании везде используется термин «камера сгорания», но следует понимать, что в более общем случае изобретение относится к системам выделения/преобразования энергии, которые могут приводиться в действие или в качестве камеры сгорания, или в качестве устройства для риформинга топлива в зависимости от рабочих условий, а также в качестве специализированной камеры сгорания и специализированного устройства для риформинга. Если контекст явным образом не требует иного, термины «камера сгорания», «устройство для риформинга» и «система выделения/преобразования энергии» следует рассматривать как полностью взаимозаменяемые.
Устройства для предварительного смешивания, используемые в настоящее время в данной области техники, включают в себя узлы с конфигурацией, подобной «ступице и спицам», подобные тем, которые используются компаниями Дженерал электрик (General Electric), Пратт энд Уитни (Pratt & Whitney), Сименс (Siemens) и т.д. и которые размещены на входе в камеру сгорания, при этом топливо подается через ступицеобразный элемент и выходит из радиальных спицеобразных элементов и/или встроены в лопатки завихрителя. Спицеобразные элементы данных устройств для предварительного смешивания имеют множество аксиальных отверстий с одинаковыми размерами, поперечных к впускному отверстию камеры сгорания. При конструировании данных устройств для предварительного смешивания стремятся оптимизировать их для определенного отношения мгновенных потоков топлива и воздуха. Соответственно, данные устройства для предварительного смешивания лучше всего работают в узком диапазоне мощности и не обеспечивают наиболее однородной воздушно-топливной смеси во всем рабочем диапазоне двигателя. Система будет создавать зоны или со слишком бедной, или со слишком богатой воздушно-топливной смесью, отрицательно влияющие на выбросы. Таким образом, из этого следует, что дополнительное улучшение работы систем выделения/преобразования энергии может быть возможным при изменении конструкции устройства для предварительного смешивания, используемого совместно с данными системами, для обеспечения лучшего функционирования в более широком диапазоне рабочих условий.
В одном классе устройств с камерой сгорания, известном как камеры сгорания с «захваченным вихрем» (TVC), как указано в дальнейшем в данном описании, в зоне горения образована полость, например, между плохо обтекаемыми телами или в стенке камеры сгорания, в которой будут образовываться вихри и/или другая турбулентность, для стабилизации горения при бедных смесях. См., например, патент США №5857339 на имя Roquemore и др. Топливо и/или воздух могут нагнетаться в полость с захваченным вихрем через отдельные инжекторы для обеспечения большего смешивания в данной зоне и дополнительного повышения стабильности пламени. Отдельные элементы для впрыска топлива и воздуха могут быть расположены, например, на передней и задней стенках зоны с захваченным вихрем, ограниченной стенками полости камеры сгорания. См., например, патент США №5791148 на имя Burrus.
В работе Haynes и др., опубликованной в GE Global Research и озаглавленной ″Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report″, январь 2006 (DE-FC26-01NT41020), описана камера сгорания, аналогичная по конфигурации камере сгорания, описанной в патенте на имя Burrus. В некоторых вариантах осуществления, раскрытых в работе Haynes и др., в качестве альтернативы отдельным отверстиям для впуска топлива и воздуха, подобным ранее используемым на практике, топливо и воздух могут быть предварительно смешаны и введены через входной конус и/или через переднюю или заднюю стенки полости камеры сгорания. Варианты осуществления, в которых предварительная смесь вводилась как во входной конус, так и в полость камеры сгорания, приводили к образованию двух вихрей одного над другим при сильно турбулентном перемешивании.
В патенте США №7603841 на имя Steele и др., в котором описан другой вариант осуществления камеры сгорания с захваченным вихрем, раскрыта камера сгорания, имеющая предварительное смешивание на входе, а также задние форсунки, обеспечивающие ввод в полость камеры сгорания, частично ограниченную плохо обтекаемым телом. В данном варианте осуществления задние форсунки направлены в направлении, противоположном направлению потока поступающей предварительной смеси, для обеспечения турбулентного вихревого перемешивания.
До сих пор все конструкции камеры сгорания с захваченным вихрем, в которых обеспечивалось нагнетание топлива, воздуха и/или предварительно смешанных топлива и воздуха в полость камеры сгорания, были выполнены с возможностью индуцирования турбулентности для обеспечения образования дополнительных вихрей или же усиления турбулентного перемешивания в вихревой полости. Например, на фиг.3-7 работы Haynes и др. показан двойной захваченный вихрь в каждой полости камеры сгорания с захваченным вихрем. «Естественный» поток, который имел бы место в данных полостях, означающий поток текучей среды, который имел бы место естественным образом в полостях при отсутствии впрыска предварительной смеси, при условии, что поток в противном случае проходит по основной траектории потока в камере сгорания, представляет собой один вихрь. В случае, показанном на фиг.3-7 работы Haynes и др., второй вихрь в картине «двойного вихря» создается за счет впрыска предварительной смеси в полость камеры сгорания с захваченным вихрем и в противном случае не существовал бы. В других случаях, например тогда, когда создается только один вихрь, основной показанный вихрь мог бы существовать иным образом, но он существенно изменяется под действием добавляемой предварительной смеси, например, за счет его поступательного смещения из его естественного местоположения в полости, делается значительно более турбулентным или же в значительной степени искажается.
В патентной публикации США 2008/0092544 А1 на имя Rakhmailov (далее публикация ′544), принадлежащей заявителю по данной заявке, раскрыто устройство для предварительного смешивания, предусмотренное в комбинации с камерой сгорания, выполненной в соответствии с описанием патента США №7086854 на имя Rakhmailov и др. (далее патент ′854), принадлежащего заявителю по данной заявке. Устройство для предварительного смешивания в публикации ′544 предусмотрено только на входе камеры сгорания. Поток текучей среды во впускном отверстии данной камеры сгорания имеет высокую скорость, и, таким образом, предварительное смешивание на входе осуществляется в среде, обладающей высокой скоростью.
Несмотря на то, что конструкция, описанная в публикации ′544, предусматривает добавление входного устройства для предварительного смешивания к камере сгорания с рециркулирующим вихрем, описанной в патенте ′854, ни одно из данных двух описаний не содержит какого-либо упоминания о средстве для впрыска топлива, воздуха и/или предварительно смешанных топлива и воздуха непосредственно в вихревую полость. Действительно, в патенте ′854 определенно не предусмотрена возможность подачи топлива в горячий подвергающийся рециркуляции газ в полости с рециркулирующим вихрем, при этом в указанном патенте утверждается, что турбулентное механическое перемешивание может привести к уменьшению общей скорости рециркуляции, что приводит к неравномерному распределению топлива и к снижению температур в тех зонах, где рециркулирующий поток соединяется с входным потоком, что противоречит целям разработки по патенту ′854.
Каждое из соответствующих описаний патента на имя Roquemore и др., патента на имя Burrus, конструкции, приведенной в работе Haynes и другие, патента на имя Steele и др., патента ′854 и публикации ′544 полностью включено в настоящее описание путем ссылки во всех отношениях.
Было бы желательно усовершенствовать предшествующий уровень техники в ряде аспектов. Во-первых, было бы желательно усовершенствовать входные устройства для предварительного смешивания для камеры сгорания любого типа посредством выполнения устройства для предварительного смешивания в большей степени адаптируемым к более широкому диапазону условий работы. Во-вторых, было бы желательно обеспечить предварительное смешивание в вихревой зоне камеры сгорания для усиления, а не для разрушения обычного вихревого потока. В-третьих, было бы желательно разработать способы использования входных и вихревых устройств для предварительного смешивания предпочтительно в комбинации друг с другом.
Задача изобретения состоит в разработке более совершенного устройства для предварительного смешивания топлива и воздуха и способа использования его в камерах сгорания.
К желательным свойствам подобного устройства для предварительного смешивания относятся следующие:
- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать равномерное распределение топлива по площади поперечного сечения впускного отверстия камеры сгорания,
- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать получение однородной воздушно-топливной смеси в широком диапазоне условий работы двигателя,
- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать малую длину зоны предварительного смешивания,
- устройство для предварительного смешивания должно быть совместимым с широким спектром видов топлива, включая все газообразные и жидкие виды топлива, используемые в газовых турбинах,
- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать низкий уровень выбросов вредных веществ,
- устройство для предварительного смешивания или отдельное устройство для предварительного смешивания должно быть адаптируемым, чтобы способствовать стабилизации горения в полости с захваченным вихрем в камере сгорания с захваченным вихрем, в соответствии со структурами потока, для которых была предназначена камера сгорания с захваченным вихрем, включая структуры с малой турбулентностью в тех случаях, где они используются,
- должна быть обеспечена возможность согласования работы любого множества устройств для предварительного смешивания, используемых в конструкции, для обеспечения наилучшей эксплуатации в рабочем диапазоне системы,
- разработанные системы предварительного смешивания и способы должны быть применимы для широкого ряда применений.
В одном варианте осуществления данные цели могут быть достигнуты посредством выполнения входного узла для предварительного смешивания, содержащего ступицеобразный элемент, множество радиальных спицеобразных элементов и множество концентрических аэродинамических форсуночных колец, прикрепленных к спицеобразным элементам, с множеством радиально направленных отверстий для впрыска. Отверстия для впрыска выполнены с множеством разных диаметров, что способствует хорошему перемешиванию в широком диапазоне мощностей. Благодаря конфигурации и размерам отверстий узел совместим с газами и жидкостями. Радиальная концентрическая конфигурация зоны впрыска обеспечивает возможность получения короткого пути впрыска благодаря большему числу мест впрыска топлива на площади поперечного сечения.
В соответствии со вторым аспектом может быть предусмотрен предназначенный для использования совместно с конструкциями реакторов с захваченным вихрем дополнительный вариант осуществления устройства для предварительного смешивания, который обеспечивает впрыск предварительно смешанных топлива и воздуха непосредственно в полость с захваченным вихрем таким образом, чтобы это было совместимо со структурами потоков в полости, для которых система была предназначена. В том случае, когда данное устройство для предварительного смешивания используется совместно с конструкцией с рециркулирующим вихрем, оно может быть расположено так, что предварительно смешанные топливо и воздух будут соединяться с вихревым потоком тангенциально плавно и непрерывно и/или для усиления горения в тороидальной камере сгорания. В других конструкциях предварительная смесь может быть введена в одном или нескольких местах камеры сгорания с захваченным вихрем в одном или нескольких направлениях в соответствии с локальным вихревым потоком в зоне введения.
Также могут быть разработаны способы использования двух вариантов осуществления, описанных выше, совместно друг с другом, и их установочные параметры могут быть отрегулированы с обеспечением согласования друг с другом для поэтапного изменения подачи топлива во время эксплуатации. Таким образом, в результате был получен чрезвычайно низкий уровень выбросов вредных веществ.
В других вариантах осуществления альтернативные схемы расположения полостей камеры сгорания предусмотрены для реализации на практике поэтапного изменения подачи топлива в устройстве с камерой сгорания с захваченным вихрем, содержащем входное устройство для предварительного смешивания, предназначенное для впрыска воздушно-топливной смеси во впускное отверстие устройства с камерой сгорания, и одно или несколько вихревых устройств для предварительного смешивания, предназначенных для впрыска воздушно-топливной смеси в рециркулирующий вихрь в каждой из одной или нескольких полостей с захваченным вихрем. Множество полостей камеры сгорания с захваченным вихрем, подача в которые осуществляется из устройств для предварительного смешивания, могут быть расположены и простираться в аксиальном направлении, в радиальном направлении, по периферии, внутри или с обеспечением комбинаций данных расположений. Данные схемы расположения могут быть использованы совместно со способом поэтапного изменения подачи топлива, при этом соотношение долей смеси, вводимых через входное устройство для предварительного смешивания и соответствующие вихревые устройства для предварительного смешивания, может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации.
Устройство с камерой сгорания и способы в соответствии с изобретением могут быть использованы во всех применениях газовых турбин, включая, без ограничения, выработку электроэнергии на суше, двигатели реактивных самолетов коммерческой авиации, вспомогательные силовые установки (ВСУ) для летательных аппаратов, на электростанции комбинированного цикла производства электроэнергии с внутрицикловой газификацией угля (IGCC) и в теплоэлектроцентралях (СНР) или на теплоэлектростанциях.
Таким образом, согласно первому объекту изобретения создан способ поэтапного изменения подачи топлива при эксплуатации реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, имеющего, по меньшей мере, одну полость с захваченным вихрем, при этом реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем дополнительно имеет как входное устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает смешивание топлива и воздуха и ввод воздушно-топливной смеси в основное впускное отверстие реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, так и, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает смешивание топлива и воздуха и ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в, по меньшей мере, одну подобную полость с захваченным вихрем в реакторе с камерой сгорания с захваченным вихрем, причем входное устройство для предварительного смешивания содержит множество концентрических копланарных кольцевых элементов с аэродинамической формой, расположенных выше по потоку основного впускного отверстия, выровненных в аксиальном направлении в пределах проточного канала, при этом каждый кольцевой элемент имеет внутренний канал для топлива, каждый кольцевой элемент дополнительно имеет множество отверстий для впрыска топлива, в результате чего топливо проходит из внутреннего канала во входной поток текучей среды вблизи кольца, причем между каждыми двумя кольцевыми элементами образован кольцевой канал, при этом кольца дополнительно адаптированы, в результате чего (i) отверстия для впрыска топлива ориентированы для впрыска топлива под углом, имеющим абсолютную величину от приблизительно 0 до приблизительно 90 градусов относительно аксиального направления; и (ii) множество отверстий для впрыска топлива имеют неодинаковые диаметры, причем диаметры имеют разные величины, при этом каждая из величин выбрана для обеспечения заданного диапазона отношений мгновенных потоков топлива и воздуха; причем вихревое устройство для предварительного смешивания содержит отверстие для впуска топлива, отверстие для впуска воздуха, камеру, в которой топливо и воздух смешиваются, и отверстие для выпуска воздушно-топливной смеси, при этом устройство для предварительного смешивания присоединено к реактору с камерой сгорания с захваченным вихрем так, что выпускное отверстие обеспечивает ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в реакционную полость с захваченным вихрем, и так, что воздушно-топливная смесь вводится в полость с захваченным вихрем под таким углом, что воздушно-топливная смесь соединяется с потоком вихря приблизительно сонаправленно с вихревым потоком; при этом способ включает регулирование частей воздушно-топливной смеси, вводимых через входное устройство для предварительного смешивания и вихревое устройство для предварительного смешивания, для приспосабливания к отличающимся нагрузкам во время работы реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем.
Предпочтительно, при запуске и при работе на низкой мощности до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение уровня выбросов NOX, подачу топлива осуществляют только через вихревое устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, при работе на средней мощности подачу топлива осуществляют главным образом через входное устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, при работе на высокой мощности подачу топлива осуществляют как через указанное вихревое, так и через входное устройства для предварительного смешивания.
Предпочтительно, объем воздуха, проходящего через вихревое устройство для предварительного смешивания, меньше объема воздуха, проходящего через входное устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, объем воздуха, проходящего через указанное вихревое устройство для предварительного смешивания, составляет менее приблизительно 50% от объема воздуха, проходящего через входное устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, объем воздуха, проходящего через вихревое устройство для предварительного смешивания, находится в пределах от приблизительно 20% до приблизительно 40% от объема воздуха, проходящего через входное устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, по существу постоянно во время работы реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, по меньшей мере, минимальное количество воздушно-топливной смеси вводят через вихревое устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, способ применяется во время запуска реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем для приспосабливания к отличающимся нагрузкам.
Предпочтительно, способ применяется во время изменения нагрузок реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем для приспосабливания к отличающимся нагрузкам.
Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью выработки электроэнергии.
Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве воздушно-реактивного двигателя для авиации.
Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве вспомогательной установки для выработки электроэнергии.
Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве турбины внутреннего сгорания для теплоэлектроцентрали.
Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве турбины внутреннего сгорания для электростанции с парогазовой установкой с внутрицикловой газификацией угля.
Предпочтительно, реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем содержит множество полостей с захваченным вихрем, каждая из которых соединена с, по меньшей мере, одним вихревым устройством для предварительного смешивания, дополнительно включающий независимое регулирование частей воздушно-топливной смеси, вводимых через входное устройство для предварительного смешивания и каждое из вихревых устройств для предварительного смешивания, для приспосабливания к отличающимся нагрузкам во время работы указанного реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем.
Предпочтительно, множество полостей с захваченным вихрем включает в себя первую расположенную выше по потоку полость с захваченным вихрем и вторую расположенную ниже по потоку полость с захваченным вихрем, при этом расположенная ниже по потоку полость с захваченным вихрем расположена дальше по потоку в указанном реакторе с камерой сгорания с захваченным вихрем по отношению к указанной первой полости с захваченным вихрем.
Предпочтительно, при запуске и работе на низкой мощности до тех пор, пока не будет достигнут предельный уровень выбросов NOX, подачу топлива осуществляют главным образом через, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в расположенную выше по потоку полость с захваченным вихрем.
Предпочтительно, способ применяется для обеспечения до приблизительно 33% мощности.
Предпочтительно, при работе на средней мощности подачу топлива осуществляют главным образом через входное устройство для предварительного смешивания.
Предпочтительно, способ применяется для обеспечения от приблизительно 33% мощности до приблизительно 66% мощности.
Предпочтительно, при работе на высокой мощности основную подачу топлива обеспечивают через входное устройство для предварительного смешивания и, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, соединенное с каждой из полостей с захваченным вихрем.
Предпочтительно, способ применяется для обеспечения приблизительно 66% мощности и более.
Предпочтительно, по существу постоянно во время работы реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, по меньшей мере, минимальное количество воздушно-топливной смеси вводят через указанное, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в расположенную выше по потоку полость с захваченным вихрем.
Другие аспекты и преимущества изобретения будут очевидными из приложенных чертежей и нижеследующего подробного описания.
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ далее делается ссылка на нижеприведенное описание, рассматриваемое совместно с приложенными чертежами, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные компоненты и на которых:
фиг.1 - выполненный с разрезом вид в перспективе с входной стороны в направлении выходной стороны трубчато-кольцевой камеры сгорания, включающей в себя два разных устройства для предварительного смешивания в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения;
Фиг.2A - сечение входного устройства для предварительного смешивания, показанного на фиг.1;
Фиг.2B - детализированное сечение спицеобразных и кольцевых элементов, образующих устройство для предварительного смешивания;
Фиг.3 - дополнительные сечения входного устройства для предварительного смешивания, проиллюстрированного на фиг.2A и 2B, которые также показывают местоположение отверстий для впрыска топлива в форсуночных кольцах;
Фиг.4 - выполненный с частичным вырывом и в перспективе вид снаружи тороидальной камеры вихревого устройства для предварительного смешивания, показанного на фиг.1;
Фиг.5 - альтернативный вариант осуществления вихревого устройства для предварительного смешивания, используемого в комбинации с камерой сгорания с захваченным вихрем, имеющей прямолинейные стенки в полости с захваченным вихрем;
Фиг.6A-6C - примеры стратегий поэтапного изменения подачи топлива в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, и фиг.6D-6E представляют собой соответствующие графики зависимости температуры пламени от мощности двигателя; и
Фиг.7A-7D - множество разных компоновок камеры сгорания, имеющих множество полостей камеры сгорания с захваченным вихрем, которые могут быть использованы совместно с управляемыми по отдельности входным и вихревыми устройствами для предварительного смешивания.
Нижеследующее представляет собой подробное описание определенных вариантов осуществления изобретения, выбранных для представления иллюстративных примеров того, как оно может быть предпочтительно реализовано. Объем изобретения не ограничен конкретными описанными вариантами осуществления, а также объем изобретения не ограничен каким-либо определенным вариантом реализации, состава, осуществления или характеристиками, показанными на сопровождающих чертежах или приведенными или описанными в разделе «Краткое изложение сущности изобретения» или в реферате. Кроме того, следует отметить, что в данном описании описан ряд способов, каждый из которых включает множество этапов. Ничто, содержащееся в данном письменном описании, не следует воспринимать как означающее любой обязательный порядок выполнения этапов данных способов за исключением того, что указано явным образом в тексте формулы изобретения.
Настоящее изобретение применимо для любой камеры сгорания газовой турбины или реакционной камеры. Некоторые аспекты данного изобретения соответствуют любой системе выделения/преобразования энергии, имеющей впускное отверстие для газообразного топлива или топлива, имеющего вид переносимых газом частиц жидкости, и окислителя (воздуха). Другие аспекты уместны при условии, что система выделения/преобразования энергии имеет признаки камеры сгорания с захваченным вихрем, которая будет рассмотрена.
Среди множества разных устройств для выделения/преобразования энергии имеются камеры сгорания и реакционные камеры, имеющие в основном установившийся режим циркуляции вихря в соответствии с некоторым аспектом, при этом данный вихрь «находится», по меньшей мере, частично вне прямой траектории потока, проходящей от впускного отверстия к выпускному отверстию камеры сгорания. Термин «камера сгорания с захваченным вихрем» (TVC), используемый в данном описании для обозначения одного класса оборудования, для которого применимо настоящее изобретение, будет использован в качестве наиболее общего названия систем выделения/преобразования энергии (камер сгорания и/или риформинг-установок), имеющих подобные характеристики, и внутренняя часть камеры сгорания, в которой «удерживается» вихрь, будет названа «реакционной полостью с захваченным вихрем». В полости с захваченным вихрем могут «удерживаться» один вихревой поток, два вихревых потока или множество вихревых потоков. Полость с захваченным вихрем может иметь стенки с непрерывной криволинейностью, или она может иметь прямолинейные стенки или стенки с другой формой, или может быть образована между плохо обтекаемыми телами, или может иметь комбинацию стенок и плохо обтекаемых тел. Камера сгорания или реакционная камера также может иметь множество полостей с захваченными вихрями. Примеры вариантов осуществления камеры сгорания с захваченным вихрем в соответствии с патентом на имя Roquemore и др., патентом на имя Burrus, конструкцией, приведенной в работе Haynes и др., и патентом на имя Steele и др. были рассмотрены ранее. Система выделения/преобразования энергии, раскрытая в патенте ′854, хотя и отличается в отношении материалов от данных камер сгорания с захваченным вихрем, должна также рассматриваться как камера сгорания с захваченным вихрем в рамках терминологии, используемой в данном описании.
В отношении камер сгорания с захваченным вихрем могут быть уместными дополнительные соображения, связанные с конструкцией реактора. Вихрь часто предназначен для того, чтобы способствовать поддержанию стабильности пламени в камере сгорания. Кроме того, некоторые конструкции базируются на использовании малой турбулентности для того, чтобы способствовать обеспечению равномерного перемешивания, что создает возможность сжигания бедных смесей при сравнительно низких температурах горения, в результате чего обеспечивается улучшение характеристик выбросов. На практике функционирование системы выделения/преобразования энергии может подвергаться колебаниям и возмущающим воздействиям, например, в результате разрывов непрерывности потока топлива или потока газа через компрессор, небольших разрывов между поверхностями или статистических аномалий, возникающих вследствие небольших отклонений от непрерывного и ламинарного потока, которые неизбежно возникают, когда реальные текучие среды динамически перемещаются с высокими скоростями вдоль реальных поверхностей машины и вступают в химические реакции друг с другом в реальном времени. Подобные отклонения и разрывы непрерывности время от времени могут приводить к нестабильности пламени. Тщательное перемешивание топлива и воздуха перед сжиганием (или риформингом) может быть использовано для улучшения характеристик выбросов и повышения стабильности работы подобных конструкций, а также других конструкций, в которых турбулентность может допускаться или поддерживаться после введения воздушно-топливной смеси.
В конструкциях камер сгорания с захваченным вихрем устройства для предварительного смешивания, расположенные до основного впускного отверстия по ходу потока, использовались для того, чтобы способствовать перемешиванию топлива и воздуха. Однако эксперименты показали, что имеются значительные возможности улучшения эксплуатационных характеристик данных конструкций входных устройств для предварительного смешивания.
В некоторых конструкциях камер сгорания с захваченным вихрем топливо, воздух и/или предварительно смешанные топливо и воздух нагнетались непосредственно в вихрь в камере сгорания для стабилизации работы камеры сгорания в целом. Например, задачей некоторых подобных конструкций было использование вихревого устройства для предварительного смешивания или дискретного впрыска/нагнетания топлива и/или воздуха, чтобы вызвать образование одного или нескольких дополнительных вихрей (в тех зонах, в которых в противном случае существовало бы меньшее число вихрей или только один вихрь) для обеспечения большей турбулентности при смешивании и увеличения времени нахождения текучей среды в вихревой полости камеры сгорания с захваченным вихрем. Однако такой непосредственный впрыск топлива или смеси, подобный ранее используемому на практике, при котором топливо, воздух и/или предварительно смешанные топливо и воздух вводятся под давлением в естественный вихревой поток с разрушением его, может привести к неравномерному перемешиванию и горячим участкам и может быть квазиоптимальным для снижения токсичности выхлопа.
Таким образом, дополнительные и разные режимы предварительного смешивания, помимо тех, которые уже используются на практике в данной области техники, могут быть предпочтительными как для конструкций камер сгорания с захваченным вихрем (включая камеры сгорания с захваченным вихрем с малой турбулентностью), так и для конструкций без камер сгорания с захваченным вихрем. Однако существуют определенные проблемы, которые должны быть решены для обеспечения успешного использования устройства для предварительного смешивания.
В систему выделения/преобразования энергии, как правило, подается воздух для горения в сжатом состоянии, поступающий из компрессора. Предварительно смешанные топливо и воздух, находящиеся под сравнительно высокими давлениями и при сравнительно высоких температурах, которые характеризуют потоки на выходе из компрессора, имеют тенденцию быть очень взрывоопасными. Для избежания подобного взрыва предварительное смешивание в подобной среде может выполняться таким образом, чтобы уменьшилось время нахождения смеси, полученной в результате предварительного смешивания, в зоне перед вводом в камеру сгорания. Это означает, что устройство для предварительного смешивания предпочтительно должно быть расположено настолько близко к впускному отверстию камеры сгорания, насколько это возможно на практике (с обеспечением малой длины зоны предварительного смешивания), и при этом в то же время обеспечивать надлежащее время нахождения для достижения заданной степени предварительного смешивания (что достижимо частично за счет наличия малых размеров зоны предварительного смешивания). Соответственно, предпочтительны конфигурации, обеспечивающие быстрое и равномерное предварительное смешивание.
Кроме того, устройство для предварительного смешивания предпочтительно должно быть совместимо с остальной частью конструкции системы. Например, в системах с малой турбулентностью устройство для предварительного смешивания не должно «базироваться» на работе с большой турбулентностью или вызывать ввод потока с большой турбулентностью, не совместимой с конструкцией системы в целом. В других конструкциях камер сгорания с вихревым потоком устройство для предварительного смешивания должно обеспечить ввод смеси так, чтобы это было совместимо с заданным полем течения в полости.
Конструкции двух взаимодополняющих устройств для предварительного смешивания были разработаны с учетом вышеприведенных принципов и результатов наблюдений. Фиг.1 представляет собой выполненный с разрезом вид в перспективе с входной стороны в направлении выходной стороны камеры сгорания, включающей в себя примеры данных двух разных устройств 21 и 31 для предварительного смешивания в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения.
Несмотря на то, что камера сгорания по фиг.1 имеет осесимметричную внутреннюю конфигурацию, она имеет «трубчатую» конструкцию (иногда называемую «трубчато-кольцевой», чтобы провести различие между ней и «полностью кольцевыми» конструкциями), так что множество подобных «трубчатых элементов», каждый из которых такой, как показанный частично на фиг.1, могут быть расположены в виде круглой конфигурации, при этом их выпускной канал направлен обычно вокруг большой турбины. Подобные конфигурации широко используются для силовых больших газовых турбин, предназначенных для выработки электроэнергии, например, в том случае, когда вал турбины обеспечивает приведение в действие большого электрогенератора. Несмотря на то, что фиг.1-4 сфокусированы на трубчатой конструкции, специалистам в данной области техники будет понятно то, что принципы данной конструкции могут быть легко адаптированы для «полностью кольцевой» конструкции камеры сгорания, в которой одна кольцевая камера сгорания выполнена с возможностью соединения/сопряжения, например, с кольцевым каналом турбины, предназначенным для впуска текучей среды. Полностью кольцевые конструкции могут быть использованы, например, в двигателях реактивных самолетов коммерческой авиации и во вспомогательных силовых установках (ВСУ), помимо больших турбин для выработки электроэнергии. Все данные конфигурации и применения, для которых они предназначены, находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Трубчатая камера сгорания в варианте осуществления, показанном на фиг.1, имеет впускное отверстие 6, выпускное отверстие 5 и зону 7 рециркуляции с точкой 14 отвода. В трех измерениях зона 7 рециркуляции образует тороидальную конструкцию вокруг оси основного потока, проходящего из впускного отверстия 6 в выпускное отверстие 5, внутри которой будет происходить рециркуляция вихря 22 во время работы камеры сгорания, при этом часть газообразных продуктов сгорания отводится в точке 14, и обеспечивается рециркуляция данной части вдоль и внутри криволинейной стенки 23, вокруг тороидальной зоны/камеры 7 для соединения ее вновь с основным потоком во впускном отверстии 6. Сжатый воздух для горения вводится в отверстии 10, предназначенном для впуска из компрессора, до впускного отверстия 6 по ходу потока. Входное устройство 21 для предварительного смешивания расположено между отверстием 10, предназначенным для впуска из компрессора, и впускным отверстием 6 камеры сгорания. В данном варианте осуществления по существу коническое, плохо обтекаемое тело 3 и 4 предусмотрено между устройством 21 для предварительного смешивания и впускным отверстием 6 камеры сгорания для образования сопла для ускорения предварительно смешанной смеси, выходящей из устройства 21 для предварительного смешивания. (Однако следует отметить, что в кольцевой конструкции плохо обтекаемое тело может быть вместо этого «двумерным» элементом, простирающимся в виде кольца (в виде сужающегося кольца) вокруг всего впускного отверстия кольцевой камеры сгорания вместо образования конусообразной конструкции, подобной показанной).
При рассмотрении других деталей данного варианта осуществления можно отметить, что плохо обтекаемое тело 3, 4 заканчивается у плиты 11, которая в трех измерениях образует круглую стенку в центре зоны 6 впускного отверстия; плохо обтекаемое тело 3, 4 опирается на радиальные спицеобразные элементы 17, распределенные в направлении вдоль окружности в зоне 6 впускного отверстия; отверстия 16 выполнены в плите 11 для охлаждения стенок (эффузии, эффузии с соударением или тому подобного); до впускного отверстия камеры сгорания по ходу потока расположено напорное отверстие 12; и в стенке тороидальной камеры предусмотрено место 15 установки, предназначенное для воспламенителя (непоказанного). Кроме того, в данном варианте осуществления (то есть в трубчатой камере сгорания) камера сгорания расположена внутри кожуха 41, имеющего по существу трубчатую форму.
В проиллюстрированном варианте осуществления также предусмотрено второе устройство 31 для предварительного смешивания (вихревое устройство для предварительного смешивания). Второе устройство для предварительного смешивания обеспечивает нагнетание в пространство 7 рециркуляции, но по принципу работы отличается от нагнетания предварительно смешанных топлива и воздуха, которое используется на практике в устройствах по предшествующему уровню техники. В вихревых устройствах для предварительного смешивания по предшествующему уровню техники предварительно смешанные топливо и воздух вводились в полость камеры сгорания с захваченным вихрем таким заданным образом, чтобы или создать один или несколько дополнительных и совершенно новых вихрей, или по существу разрушить поля потоков вихря, существующего естественным образом. В проиллюстрированном варианте осуществления нагнетание предварительно смешанных топлива и воздуха в вихревую зону предназначено для усиления естественного вихревого потока в полости, например, при введении в полость вдоль наружной стенки в направлении, касательном к естественному рециркулирующему потоку и сонаправленном по отношению к естественному рециркулирующему потоку в полости. Таким образом, это обеспечивает усиление вихревого потока без разрушения или значительного увеличения турбулентности.
Следует понимать, что несмотря на то, что фиг.1 показывает как устройство 21 для предварительного смешивания, так и устройство 31 для предварительного смешивания в рабочем положении, любое одно из устройств 21 или 31 для предварительного смешивания может быть предусмотрено, а другое может быть исключено, хотя, как рассмотрено ниже в данном описании, существуют режимы работы, в которых предпочтительно иметь оба устройства для предварительного смешивания.
В одном варианте осуществления вихревое устройство 31 для предварительного смешивания содержит некоторое количество топливных инжекторов, каждый из которых расположен вокруг периферии наружной стенки тороидальной камеры 7 и направлен тангенциально относительно направления выпускного отверстия камеры сгорания рядом с верхней мертвой точкой тороидальной камеры 7 и, следовательно, приблизительно по касательной к нему для впрыска предварительно смешанной смеси в том же направлении, в котором проходит естественный рециркулирующий поток текучей среды в тороидальной камере 7. Только один подобный инжектор показан в сечении по фиг.1, но следует понимать, что конструкция инжектора повторяется посредством аналогичных инжекторов, расположенных рядом вокруг периферии тороидальной камеры 7.
Две системы для предварительного смешивания будут описаны далее более подробно.
Входное устройство для предварительного смешивания
о
о
о
о
о
Фиг.2A, 2B и 3 показывают дополнительные детали входного устройства 21 для предварительного смешивания. В варианте осуществления, отображаемом в виде устройства 21 для предварительного смешивания, топливо (которое может представлять собой газообразное или жидкое топливо) вводится в отверстии 13 для ввода топлива в центральный ступицеобразный элемент 1 и выходит через посредство четырех радиальных спицеобразных элементов 19 и т.д. в четыре концентрических кольца 2A, 2B и т.д., смонтированные на спицеобразных элементах для подачи топлива. Впрыск топлива осуществляется под углом, находящимся в диапазоне от 0 до 90 относительно аксиального направления (или положительным, или отрицательным, то есть определяемом или в направлении от оси, или в направлении к оси в зависимости от определенных пар колец), но в любом случае так, что абсолютная величина угла находится в диапазоне от 0 до 90и более предпочтительно - в диапазоне от 30 до 90 относительно аксиального направления, в кольцевые каналы, образованные между соседними кольцами 2A, 2B и т.д., в обладающий высокой скоростью воздух, выходящий из компрессора.
Концентрические кольца 2A, 2B и т.д. и спицеобразный элемент 19 имеют аэродинамическую форму, подобную показанной на фиг.2B. Число колец должно находиться в пределах от 2 до приблизительно 5 и предпочтительно должно обеспечивать блокировку потока менее чем на 50% или более предпочтительно - менее чем на 40%. Отверстия (проемы) 201, 202 и т.д. в кольцах 2A, 2B и т.д. выбраны для обеспечения надлежащего проникновения топлива в поступающий воздух для получения наиболее тщательно смешанной смеси (с минимальными степенями несмешивания) в рабочем диапазоне двигателя. Следовательно, они будут иметь разные размеры/диаметры в соответствии с заданными разными точками на графике нагрузки.
В альтернативном варианте осуществления топливо может подаваться к спицеобразным элементам от наружной периферии 212 кольцеобразной конструкции, а не из ступицеобразного элемента 211.
о
о
о
о
о
о
Отверстия 201 и 202 предпочтительно направлены для впрыска топлива преимущественно в радиальном направлении в поперечный поток воздуха из компрессора. В данном варианте осуществления для облегчения изготовления отверстия направлены под углом, составляющим приблизительно ±70 относительно аксиального направления. Однако данный угол не является критическим. Как правило, углы могут находиться в диапазоне от приблизительно ±0 до приблизительно ±90, предпочтительно они находятся в диапазоне от приблизительно ±60 до приблизительно ±90и более предпочтительно составляют приблизительно ±90.
Диаметры отверстий не являются одинаковыми, при этом отверстия разных диаметров выполнены для обеспечения лучших эксплуатационных характеристик в разных диапазонах мощностей, то есть при разных уровнях отношений мгновенных потоков воздуха и топлива. Различные размеры/диаметры отверстий могут быть определены или посредством экспериментов при смешивании холодных потоков, посредством вычислительной гидродинамики (CFD) или эмпирических соотношений или с помощью любой комбинации данных подходов. Общее число отверстий может быть больше соответствующего числа в обычном устройстве для предварительного смешивания.
В одной конфигурации диаметры отверстий выбраны для получения множества отверстий с тремя разными диаметрами, приспособленных для получения наилучших смесей при рабочих диапазонах соответственно низких, средних и высоких мощностей. Например, малые отверстия могут быть выполнены с размерами, обеспечивающими оптимальную работу при низкой мощности (0-30% нагрузки двигателя); средние отверстия могут быть выполнены с размерами, обеспечивающими оптимальную работу при средней мощности (0-70% нагрузки двигателя), и большие отверстия могут быть выполнены с размерами, обеспечивающими оптимальную работу при высокой мощности (70-100% нагрузки двигателя), и использованы в комбинации для обеспечения наиболее равномерного смешивания во всем диапазоне мощностей. Каждое отверстие предпочтительно спарено с отверстием другого диаметра на двух соседних кольцах через кольцевой канал, ограниченный двумя кольцами. Отверстия с каждым из диаметров отверстий (трех разных диаметров в данном примере, хотя может быть предусмотрено большее число) могут быть распределены в направлении вдоль окружности приблизительно равномерно для гарантирования получения наиболее однородной смеси в пределах площади поперечного сечения отверстия для впуска предварительной смеси.
Приведенная в качестве примера схема расположения отверстий показана на фиг.3. Углы χ1 и χ2 (не показанные на чертежах) представляют собой радиальные угловые смещения отверстий. В нижеприведенной таблице в качестве одного возможного примера показана схема расположения отверстий для одного квадранта, для восьми рядов отверстий в проиллюстрированном варианте осуществления:
Номер ряда
Угол χ1 (первое отверстие)
Угол χ2 (интервал)
Число отверстий
1
15
12
6
2
7
12,6
7
3
6
7,8
11
4
4,25
6,8
13
5
3,5
5,2
17
6
3,5
3,6
24
7
3,5
3,3
26
8
3
6,5
14
Комбинация данных признаков обеспечивает уменьшенные продолжительность/длину смешивания и размеры зоны смешивания, более широкую зону однородности смешивания в рабочем диапазоне двигателя и является совместимой с газообразным и жидким топливом.
Устройства для смешивания топлива и воздуха согласно предшествующему уровню техники также включают в себя некоторые конструкции со ступицеобразным и спицеобразными элементами, подобные рассмотренным ранее. Однако они не обеспечивают впрыска топлива из концентрических колец или не обеспечивают множества разных диаметров отверстий для впрыска, и они не имеют и/или не обеспечивают одной и той же степени однородности смешивания в любой заданный момент нагружения двигателя/в любой заданной точке на графике нагрузки двигателя. Стратегия предварительного смешивания, соответствующая предшествующему уровню техники, не обеспечит работы с более низким уровнем вредных выбросов по настоящему изобретению.
Входное устройство для предварительного смешивания, описанное выше, обеспечивает достижение ровных профилей смешивания и ультранизкие уровни выхлопов двигателя в отношении NOX (оксидов азота), СО, UHC (несгоревших углеводородов) и т.д. вследствие более высокой степени смешивания, обеспечиваемой за счет (a) неодинаковых диаметров отверстий, (b) множества отверстий и (c) меньших размеров зоны смешивания/меньшей продолжительности смешивания. Это обеспечивает лучшую равномерность смешивания в целом в большем рабочем диапазоне двигателя. Подход, описанный в настоящем описании, может быть адаптирован к любой схеме управления расходом топлива в двигателе (то есть к тому, как топливо будет дозировано подаваться в рабочем диапазоне двигателя: расход топлива в зависимости от нагрузки двигателя) и является совместимым с газообразным или жидким топливом. Он может быть адаптирован к любой камере сгорания, в которой используется жидкое и/или газообразное топливо, для любого применения, включая, без ограничения, главные воздушно-реактивные двигатели для авиации (включая турбовентиляторные двигатели, турбореактивные двигатели, прямоточные воздушно-реактивные двигатели и т.д.) и вспомогательные силовые установки (ВСУ).
2
Несколько месяцев испытаний при процессах сгорания, проводимых в нескольких точках рабочей нагрузки базового газотурбинного двигателя, показали, что данное устройство для предварительного смешивания совместно с остальными компонентами, описанными в настоящем описании, может обеспечить в результате ультранизкий уровень выбросов (NOX (оксиды азота), СО, UHC (несгоревшие углеводороды) <3 частей на миллион 15% O одновременно).
Вихревое устройство для предварительного смешивания
В одном варианте осуществления, как проиллюстрировано посредством вихревого устройства 31 для предварительного смешивания на фиг.1 и 4, топливо и воздух предварительно смешиваются перед впрыском в поток в тороидальной камере/полости. Инжекторы обеспечивают небольшие размеры зоны смешивания, множество мест впрыска и малую требуемую продолжительность предварительного смешивания. Топливо и воздух предварительно смешиваются или частично предварительно смешиваются перед впрыском в тороидальную камеру. Подвпрыск предварительной смеси способствует общей стабильности потока в тороидальной камере/полости.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, естественный поток в тороидальной камере 7, то есть поток, который существовал бы без впрыска предварительной смеси, например, в результате прохода потока текучей среды по основному проточному каналу камеры сгорания (из впускного отверстия 6 к выпускному отверстию 5), представляет собой один вихрь 22, циркулирующий от точки 14 отвода вблизи выпускного отверстия, вдоль криволинейной стенки пространства рециркуляции в тороидальной камере 7 и обратно к точке вблизи впускного отверстия 6 камеры сгорания. Несмотря на то, что в данном варианте осуществления в вихревой полости 7 имеется один вихрь, данная вихревая полость 7 является сравнительно большой, что увеличивает время пребывания для сгорания в полости. В отличие от предшествующего уровня техники устройство 31 для предварительного смешивания обеспечивает впрыск предварительно смешанных топлива и воздуха непосредственно в зону 7 рециркуляции (в полость с захваченным вихрем) по касательной к стенке 23 и, таким образом, с обеспечением выравнивания относительно естественного вихревого потока 22 в полости, для введения предварительной смеси при минимальном разрушении структуры/формы естественного вихревого потока 22 и без значительной дополнительной турбулентности.
Как показано на фиг.4, вихревое устройство 31 для предварительного смешивания в одном варианте осуществления имеет отдельный топливный коллектор 99, подача в который осуществляется посредством трубчатого впускного отверстия 39 для топлива, расположенного в непосредственной близости от отверстий 8 для входа воздуха, и который обеспечивает выпуск топлива в поступающий воздушный поток через отверстие 8 перед впрыском в полость. В показанном варианте осуществления топливный коллектор 99 окружает тороидальную камеру 7, но имеется только одно впускное отверстие 39 для топлива (хотя впускное отверстие может «повторяться» в других местах в радиальном направлении). Кроме того, в данном варианте осуществления топливный коллектор 99 разделен круглой диффузионной пластиной 38, имеющей отверстия 42 и т.д. для дозированной подачи топлива в расположенный ниже коллектор 43 для уменьшения неравномерности давления топлива в направлении вдоль окружности в конструкции с одной питающей трубой. Топливо, выходящее из расположенного ниже коллектора 43, поступает в поступающий воздушный поток (из отверстия 8), через отверстия (проемы) 100 для топлива и т.д., смешивается с поступающим воздухом и поступает в тороидальную камеру 7 через отверстие 24. Способ предварительного смешивания не имеет решающего значения, но в данном варианте осуществления реализуется посредством простой струи в поперечном потоке. В качестве топлива может применяться любой тип топлива в виде текучей среды - жидкость, газ, топливо с низкой теплотворной способностью, обогащенный водородом («синтетический») газ и т.д.
Как показано посредством множества отверстий 24 на фиг.4, элементы 8, 100 и 24 повторяются в направлении вдоль окружности по периферии тороидальной камеры 7, и топливный коллектор 99 образует цилиндрическую конструкцию, обеспечивающую подачу во все впускные отверстия устройства для предварительного смешивания. В данном варианте осуществления рециркулирующий вихревой поток проходит от выпускного отверстия 5 к впускному отверстию 6, и поступающая предварительная смесь направляется в тороидальную камеру 7 так, чтобы обеспечить в результате плавный ввод в направлении приблизительно по касательной к рециркулирующему вихревому потоку и приблизительно в том же направлении, в котором проходит рециркулирующий вихревой поток, при малой турбулентности. В одном варианте осуществления может быть приблизительно 100 или более подобных отверстий (24 и т.д.), равномерно распределенных по кольцевой периферии наружной стенки тороидальной камеры 7, каждое из которых имеет диаметр, составляющий доли дюйма, и направлено по касательной непосредственно перед точкой крайней наружной окружной периферии тороидальной камеры 7. Например, в одном варианте осуществления может быть приблизительно 100 или более форсуночных отверстий, расположенных по кольцевой периферии наружной стенки тороидальной камеры 7, каждое из которых имеет диаметр от приблизительно 0,1 дюйма (2,54 мм) до приблизительно 0,2 дюйма (5,08 мм). Как правило, желательно иметь множество форсуночных отверстий для равномерного и непрерывного введения предварительной смеси, и чем больше число отверстий, тем меньше диаметр отверстия (относительно габаритных размеров резервуара, в котором удерживается вихрь), при этом большие количества и меньшие диаметры отверстий при любой определенной шкале размеров ограничены соображениями, связанными с потоком текучей среды, поскольку трение увеличивается вследствие малых диаметров отверстий. Таким образом, поступающая смесь входит плавно, образуя граничный слой для вихря 22.
Загрузочная доза предварительной смеси, которая выпускается в тороидальную камеру через вихревое устройство 31 для предварительного смешивания, усиливает/увеличивает тороидальный поток, а также обеспечивает характеризующуюся большой интенсивностью сгорания совокупность радикалов для дополнительной стабилизации основного потока.
Устройство 31 для предварительного смешивания может быть расположено в любом месте на периферии тороидальной камеры 7, но в том случае, когда рециркулирующий поток представляет собой один вихрь, перемещающийся в направлении от выпускного отверстия к впускному отверстию, устройство 31 для предварительного смешивания предпочтительно находится в квадранте, показанном на фиг.4, и более предпочтительно расположено так, чтобы впускное отверстие было расположено близко к точке А на данном чертеже (то есть ближе к точке 14 отвода) для обеспечения большего времени пребывания.
Комбинация устройства для предварительного смешивания и камеры сгорания с захваченным вихрем, показанная на фиг.1 и 4, отображает то, как вариант осуществления настоящего изобретения может быть включен в трубчатую камеру сгорания. В случаях применения для выработки электроэнергии в больших масштабах множество подобных камер сгорания могут быть расположены по существу с круговой схемой расположения и с выходом в газовую турбину, в свою очередь соединенную с электрогенератором.
Отверстия 8 для ввода воздуха также могут быть адаптированы к кольцевой конфигурации, отличающейся от показанной трубчатой конфигурации. Конструкция и схема расположения отверстий в кольцевой конфигурации будут топологически аналогичными конструкции и схеме расположения, показанным на фиг.4, при этом размеры отверстий будут соответствовать их расположению по периферии кольцевой камеры сгорания. Кольцевая камера сгорания также может быть присоединена к газовой турбине, предназначенной для выработки электроэнергии в больших масштабах. Кроме того, кольцевой вариант адаптации изобретения может быть применен, например, для главного воздушно-реактивного двигателя, применяемого в авиации (включая турбовентиляторные двигатели, турбореактивные двигатели, прямоточные воздушно-реактивные двигатели и т.д.), или для агрегата, состоящего из газовой турбины меньшего размера и электрогенератора и предназначенного для использования в качестве вспомогательной силовой установки (ВСУ). К другим примерам относятся турбины внутреннего сгорания на электростанции с парогазовой установкой с внутрицикловой газификацией угля или на теплоэлектроцентрали (СНР) или теплоэлектростанциях.
Вихревое устройство для смешивания, описанное в настоящем описании, не ограничено конструкциями камеры сгорания с захваченным вихрем с криволинейными стенками, подобными показанным на фиг.1 и 4. Например, как показано на фиг.5, вихревое устройство для предварительного смешивания может быть использовано вместе с полостью камеры сгорания с захваченным вихрем, имеющей прямоугольные стенки 534 и т.д. Полость 532 камеры сгорания с захваченным вихрем, расположенная в камере 501 сгорания, подобной показанной на фиг.5, имеет контур окружающей стенки, который приблизительно прямоугольный с трех сторон. (В данном варианте осуществления полость 531 камеры сгорания с захваченным вихрем представляет собой по существу зеркальное отображение полости 532 камеры сгорания с захваченным вихрем и образована аналогично). Полость 532 камеры сгорания с захваченным вихрем выполнена с такими формой и размерами, что один вихрь, приближенно показанный стрелкой 533, будет образован в ней посредством основного потока 534, проходящего через камеру 501 сгорания. Предварительно смешанные топливо и воздух могут быть введены так, что будет обеспечено усиление естественного вихревого потока в полости камеры сгорания с захваченным вихрем, например, в одном или обоих местах, соответствующих стрелкам 510 и 509. В случае стрелки 510 впрыск предварительной смеси осуществляется приблизительно по касательной к вихрю 533, и предварительная смесь поступает по существу вдоль стенки 534 рядом с вихрем 533. В случае стрелки 509, отображающей дополнительное устройство для предварительного смешивания, которое может быть или не быть использовано совместно с устройством для предварительного смешивания, ассоциируемым со стрелкой 510, впрыск также осуществляется приблизительно по касательной к вихрю 533, а также по существу в направлении, совпадающем с направлением, в котором поступающий поток 535 соединяется с вихревым потоком 533.
Конструкция камеры сгорания с захваченным вихрем, подобная показанной на фиг.5, может быть использована в трехмерной прямоугольной конструкции (то есть простирающейся вверх и вниз страницы с фиг.5), поперечное сечение которой показывает фиг.5. В альтернативном варианте конструкция камеры сгорания с захваченным вихрем с подобными полостями может быть «развернута» трехмерно в виде кольца с образованием кольцевой камеры сгорания с «верхней» и «нижней» тороидальными вихревыми полостями, имеющими прямолинейные стенки, также с сечением, которое соответствует зонам 531 и 532 верхней и нижней полостей, показанным на фиг.5. Прямоугольная конструкция может быть использована в качестве трубчатой камеры сгорания, и кольцевая конструкция может быть использована в качестве кольцевой камеры сгорания и соответственно может быть установлена в рабочем положении в применениях, аналогичных тем, которые описаны в связи с вариантом осуществления по фиг.1 и 4.
Поэтапное изменение подачи топлива
Несмотря на то, что, как было указано ранее, устройства 21 и 31 для предварительного смешивания могут функционировать независимо, комбинация из двух устройств 21 и 31 для предварительного смешивания, описанная в настоящем описании, или комбинация входного и прямого вихревого инжекторов других типов могут быть использованы при реализации стратегии поэтапного изменения подачи топлива в любом применении камеры сгорания с захваченным вихрем.
Увеличение подачи топлива через вихревое устройство 31 для предварительного смешивания относительно входного устройства 21 для предварительного смешивания может сделать работу более стабильной во время изменения нагрузок двигателя или при дроссельном режиме. Добавление сравнительно одинаковых количеств воздуха в оба устройства 31 и 21 для предварительного смешивания обеспечивает возможность лучшей работы при изменении нагрузок. Это может зависеть от двигателя, так что данные доли могут изменяться. Однако, как правило, количество воздуха, проходящего через устройство 31 для предварительного смешивания, как правило, должно быть меньше, чем количество воздуха, проходящего через устройство 21 для предварительного смешивания, или, более точно, должно составлять 20-40%.
В более общем случае поэтапное изменение подачи топлива, как предусмотрено в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения, предусматривает впрыск топлива в множестве отдельных мест в камере сгорания для поддержания температур пламени в узких диапазонах так, чтобы выбросы NOX/CO/UHC находились на уровне ниже заданных значений. Во время запуска двигателя топливо сначала впрыскивается только через отверстия 100 вихревого устройства 31 для предварительного смешивания до тех пор, пока температуры (⌀) пламени не достигнут значений, соответствующих предельному уровню выбросов NOX (см. фиг.6A и 6D). В диапазоне средних мощностей (фиг.6B) осуществляется переключение работы, так что подача топлива осуществляется главным образом через входное устройство 21 для предварительного смешивания. В диапазонах высоких мощностей (фиг.6C) топливо впрыскивается как через входное устройство 21 для предварительного смешивания, так и через вихревое устройство 31 для предварительного смешивания. Подача топлива в отдельные зоны данным образом обеспечивает возможность «подъема» по кривой мощности при одновременном поддержании уровня выбросов NOX и СО в заданных пределах, как требуется с учетом требований к температуре пламени (см. фиг.6E).
Кроме того, камера сгорания может иметь конструкцию с множеством полостей камеры сгорания с захваченным вихрем, каждая из которых будет иметь отдельные отверстия для впуска из устройств для предварительного смешивания. Впрыск в соответствующие полости камеры сгорания с захваченным вихрем можно варьировать по отношению к впрыску в другие полости и по отношению к входному предварительному смешиванию для обеспечения более точного регулирования, а также для повышения равномерности температур во время изменения нагрузок за счет обеспечения возможности выполнения пошаговых изменений в подаче топлива через последовательность полостей, а не за счет больших изменений в подаче топлива в одну полость.
Рассматривая вариант осуществления на фиг.1 и 4, можно отметить, что вихревое устройство 31 для предварительного смешивания предпочтительно не полностью отключено во время работы. Напротив, предпочтительно осуществлять поэтапное изменение частей количества подаваемого топлива при переходе от одного устройства для предварительного смешивания к следующему, при этом вихревое устройство 31 для предварительного смешивания всегда поддерживается, по меньшей мере, в минимальной степени «включенным».
Другие варианты осуществления могут включать в себя множество полостей камеры сгорания с захваченным вихрем. Например, вариант осуществления, подобный показанному на фиг.7A, содержит две полости камеры сгорания с захваченным вихрем, расположенные в аксиальном направлении, а именно расположенную выше по потоку полость 702 камеры сгорания с захваченным вихрем и расположенную ниже по потоку полость 703 камеры сгорания с захваченным вихрем, с соответствующими отверстиями 742 и 743 для впуска из устройств для предварительного смешивания, а также входное устройство 791 для предварительного смешивания.
Множество полостей камеры сгорания с захваченным вихрем, подача в которые осуществляется из устройств для предварительного смешивания, может включать в себя полости камеры сгорания с захваченным вихрем, которые расположены в радиальном направлении друг относительно друга. Один пример подобного расположения показан на фиг.7B, которая показывает расположенные в радиальном направлении полости 712 и 713 и соответствующие отверстия 752 и 753 для впуска из устройств для предварительного смешивания, а также входное устройство 792 для предварительного смешивания.
Каждая полость камеры сгорания с захваченным вихрем в конструкциях с множеством полостей, таких как проиллюстрированные на фиг.7A и 7B, может иметь свое собственное отверстие для впуска из вихревого устройства для предварительного смешивания, как показано (или в альтернативном варианте отдельные впускные отверстия для топлива и/или воздуха), подача топлива в которое может осуществляться независимо от остальных полостей и/или основного впускного отверстия. Подобные конструкции/схемы расположения позволяют получить большее число воздушно-топливных зон и соответственно могут обеспечить лучшие эксплуатационные характеристики при изменении нагрузок за счет «распределения» изменений в подаче топлива по большему числу зон сгорания.
В других вариантах осуществления полости камеры сгорания с захваченным вихрем могут быть расположены только внутри камеры сгорания, как показано на фиг.7C и 7D. Подобные полости могут иметь, например, криволинейные стенки и могут быть расположены ступенчато в аксиальном направлении подобно полостям 722 и 723 на фиг.7C и могут иметь соответствующие отверстия 762 и 763 для впуска из устройств для предварительного смешивания (а также входное устройство 793 для предварительного смешивания), могут иметь прямолинейные стенки и могут быть расположены ступенчато в аксиальном направлении подобно полостям 732 и 733 на фиг.7D, и могут иметь соответствующие отверстия 772 и 773 для впуска из устройств для предварительного смешивания (а также входное устройство 794 для предварительного смешивания) или другие комбинации форм, местоположений и схем расположения полостей.
В варианте осуществления камеры сгорания с захваченным вихрем, имеющей множество полостей, расположенных в аксиальном направлении, предпочтительно полость, расположенная впереди всех по потоку (при минимуме), например полость 702 на фиг.7A, будет непрерывно снабжаться топливом во время работы, хотя и с переменным количеством топлива. При радиальной конфигурации наибольшая полость в радиальном направлении (при минимуме), например, полость 712 на фиг.7B, предпочтительно будет непрерывно снабжаться топливом во время работы, также с переменным количеством топлива.
Как указано выше, способ работы, описанный выше, не ограничен входным и вихревыми устройствами для предварительного смешивания, конкретно показанными или описанными в настоящем описании. Несмотря на то, что принцип функционирования «поэтапного изменения подачи топлива», подобный рассмотренному здесь, главным образом описан с особой ссылкой на конструкции устройств для предварительного смешивания, специально рассмотренные в настоящем описании, следует понимать, что любая камера сгорания с захваченным вихрем, в которой предусмотрена комбинация входного устройства для предварительного смешивания и направленного вихревого устройства для предварительного смешивания, может потенциально получить преимущества от использования данного способа.
Комбинация входного устройства для предварительного смешивания и одного или нескольких вихревых устройств для предварительного смешивания, подача топлива в которые может осуществляться независимо, обеспечивает лучшую оптимизацию по сравнению с той, которая могла быть обеспечена ранее для работы при ультранизком уровне выбросов. Каждое из устройств для предварительного смешивания предпочтительно обеспечивает уменьшенную продолжительность/длину зоны смешивания и/или размеры зоны смешивания, в результате чего обеспечивается более широкая зона однородности смешивания в рабочем диапазоне двигателя и, следовательно, лучшие характеристики уровня выбросов, совместимо с многими видами топлива (газообразными или жидкими), может быть адаптировано для любой схемы управления расходом топлива в двигателе и, действительно, является оптимальным для применений с поэтапным изменением подачи топлива.
Например, при схеме расположения множества полостей в аксиальном направлении, подобной схеме расположения, показанной на фиг.7A, одна стратегия поэтапного изменения подачи топлива в камеру сгорания при изменении нагрузок в большую и меньшую сторону может предусматривать подачу топлива через первое отверстие 742 для впуска из тороидального устройства для предварительного смешивания при уровне мощности от 0 до 33%, «выключение» устройства 742 для предварительного смешивания и подачу топлива главным образом через основное входное устройство 791 для предварительного смешивания в диапазоне мощностей от 33 до 66% и последующее использование основного потока через все три устройства 791, 742 и 743 для предварительного смешивания для диапазона мощностей от 66 до 100%. Аналогичным образом также другие стратегии могут быть разработаны для любой из схем расположения, показанных на фиг.1, 4, 6A-6C, 7A-7D, и других конфигураций. В некоторых вариантах осуществления устройства управления подачей топлива для соответствующих устройств для предварительного смешивания могут быть приведены в действие вручную; в других вариантах осуществления устройства управления могут быть компьютеризированы на основе таких входных параметров, как мощность, температура, концентрация NOX (оксидов азота) или СО, время и т.д., или могут быть компьютеризированы с использованием ручной коррекции.
Подход, предусматривающий поэтапное изменение подачи топлива и описанный в общих чертах выше, не ограничен использованием его при применении устройств для предварительного смешивания, имеющих конструктивные характеристики, рассмотренные в связи с фиг.1-4. Например, в работе Haynes и другие используются обычные устройства для предварительного смешивания как для основного впускного отверстия камеры сгорания, так и для полости камеры сгорания с захваченным вихрем. Тем не менее, способ, аналогичный тому, который описан выше, может быть реализован на практике при использовании такой камеры сгорания для поэтапного изменения потока топлива и воздуха при переходе от одного устройства для предварительного смешивания к другому или для комбинации устройств для предварительного смешивания, которая лучше всего подходит для работы в разных диапазонах мощностей.
Аналогичным образом, полезность поэтапного изменения подачи топлива, подобного описанному выше, распространяется на все типы применений газовых турбин, требующие переменной выходной мощности, включая выработку электроэнергии в больших масштабах, применения в авиации, включая главные воздушно-реактивные двигатели (включая турбовентиляторные двигатели, турбореактивные двигатели, прямоточные воздушно-реактивные двигатели и т.д.) и вспомогательные силовые установки (ВСУ), а также на турбины внутреннего сгорания на электростанции с парогазовой установкой с внутрицикловой газификацией угля и на теплоэлектроцентралях или теплоэлектростанциях.
Следовательно, очевидно, что изобретение обеспечивает решение задач, поставленных выше, и обеспечивает ряд преимуществ с точки зрения простоты использования и эффективности по сравнению с предшествующим уровнем техники. Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано подробно, следует понимать, что различные изменения, замены и переделки могут быть легко определены/заданы специалистами в данной области и могут быть выполнены в нем без отхода от сущности и объема настоящего изобретения, определяемых формулой изобретения.