КАМЕРА СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ
COMBUSTION CHAMBER (VERSIONS) AND METHOD OF FUEL DISTRIBUTION IN COMBUSTION CHAMBER

ЗАЯВЛЕНИЕ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ
[0001] Настоящее изобретение выполнено при правительственной поддержке по контракту №DE-FC26-05NT42643, предоставленному Министерством Энергетики. Правительство имеет определенные права на настоящее изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение, в целом, относится к камере сгорания и способу распределения топлива в камере сгорания.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Камеры сгорания обычно используются в производственных процессах и процессах, связанных с выработкой электроэнергии, для воспламенения топлива с созданием рабочих газов, имеющих высокую температуру и давление. Например, турбомашины, такие как газовые турбины, обычно содержат одну или несколько камер сгорания для выработки энергии или тяги. Обычная газовая турбина, используемая для выработки электроэнергии, содержит осевой компрессор в передней части, одну или несколько камер сгорания, расположенных вокруг средней части, и турбину в задней части. К указанному компрессору может подаваться атмосферный воздух, при этом вращающиеся лопатки и стационарные лопатки в компрессоре сообщают кинетическую энергию рабочей текучей среде (воздуху) с получением сжатой рабочей течей среды, находящейся в высокоэнергетическом состоянии. Затем сжатая рабочая текучая среда выходит из компрессора и проходит через одну или несколько форсунок в камеру сжигания, расположенную в каждой камере сгорания, в которой сжатая рабочая текучая среда смешивается с топливом и воспламеняется с образованием рабочих газов, имеющих высокую температуру и давление. Полученные рабочие газы расширяются в турбине, обеспечивая ее работу. Например, расширение рабочих газов в турбине может приводить во вращение вал, присоединенный к генератору, с производством электроэнергии.
[0004] На конструкцию и работу камер сгорания оказывают влияние различные проектные и эксплуатационные параметры. Например, высокие температуры рабочих газов обычно улучшают термодинамическую эффективность камеры сгорания. Однако повышенные температуры рабочих газов также способствуют обратному удару пламени или состояниям удержания пламени, при которых указанное пламя перемещается в направлении топлива, подаваемого форсунками, создавая при этом возможность серьезного повреждения форсунок за сравнительно короткое время. Кроме того, более высокие температуры рабочих газов обычно увеличивают скорость диссоциации двухатомного азота, увеличивая при этом образование оксидов азота (NOx). И наоборот, более низкая температура рабочих газов, обусловленная уменьшенным потоком топлива и/или работой под уменьшенной нагрузкой (неполная нагрузка), обычно снижает скорости протекания химических реакций в рабочих газах, увеличивая при этом образование окиси углерода и несгоревших углеводородов.
[0005] В конкретной конструкции камера сгорания может содержать торцевую крышку, которая проходит в радиальном направлении по меньшей мере через часть камеры сгорания, и набор трубок, который может быть расположен в виде одного или нескольких пучков трубок, проходящих через торцевую крышку для обеспечения проточного сообщения через торцевую крышку в камеру сгорания. Топливо может подаваться к топливной камере повышенного давления, расположенной внутри торцевой крышки и обеспечивающей прохождение вокруг трубок и конвективное охлаждение указанных трубок. Затем топливо может проходить в указанные трубки и смешиваться с рабочей текучей средой, проходящей через трубки, до выхода из указанных трубок в камеру сгорания.
[0006] Несмотря на эффективность в обеспечении возможности работы при более высоких рабочих температурах с одновременной защитой от обратного удара пламени или удержания пламени и контролем над нежелательными выбросами, возможна ситуация, когда топливо, проходящее вокруг трубок и в трубки, не распределяется равномерно. В частности, сами трубки могут блокировать поток топлива и препятствовать его равномерному прохождению по той стороне трубки, которая противоположна направлению прохождения потока топлива. В результате обеспечиваемое топливом конвективное охлаждение, а также концентрация топлива, проходящего через трубки предварительного смешивания, могут меняться в радиальном направлении поперек пучка трубок. В результате обоих явлений в камере сжигания могут возникать локализованные горячие зоны и/или огненные дорожки топлива, что снижает проектные допустимые пределы рабочего режима, связанные с обратным ударом пламени или удержанием пламени, и может увеличить нежелательные выбросы. Таким образом, возникает необходимость в камере сгорания и способе распределения топлива в камере сгорания, которые улучшают распределение топлива и охлаждение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Аспекты и преимущества данного изобретения изложены ниже в описании и могут быть либо поняты из описания, либо уяснены при реализации данного изобретения на практике.
[0008] В одном варианте выполнения данного изобретения предлагается камера сгорания, содержащая пучок трубок, который проходит в радиальном направлении через по меньшей мере часть камеры сгорания, причем указанный пучок трубок имеет верхнюю по потоку поверхность, отделенную в осевом направлении от нижней по потоку поверхности. От верхней по потоку поверхности через нижнюю по потоку поверхность проходит набор трубок, каждая из которых обеспечивает проточное сообщение через указанный пучок трубок. Внутри пучка трубок между смежными трубками в осевом направлении проходит отражатель.
[0009] В другом варианте выполнения данного изобретения предлагается камера сгорания, содержащая пучок трубок; который проходит в радиальном направлении через по меньшей мере часть камеры сгорания. Указанный пучок трубок имеет верхнюю по потоку поверхность, отделенную в осевом направлении от нижней по потоку поверхности. Верхняя по потоку и нижняя по потоку поверхности окружены в окружном направлении кожухом, ограничивающим по меньшей мере частично топливную камеру повышенного давления внутри пучка трубок. От верхней по потоку поверхности через нижнюю по потоку поверхность проходит набор трубок, каждая из которых обеспечивает проточное соединение через указанный пучок трубок. Указанная камера сгорания дополнительно содержит средства, предназначенные для распределения топлива вокруг указанного набора трубок.
[0010] В настоящем изобретении также предлагается способ распределения топлива в камере сгорания, который включает обеспечение прохождения топлива в топливную - камеру повышенного давления, ограниченную по меньшей мере частично верхней по потоку поверхностью, нижней по потоку поверхностью, отделенной в осевом направлении от верхней по потоку поверхности, кожухом, окружающим в окружном направлении верхнюю по потоку и нижнюю по потоку поверхности, и набор трубок, проходящих от верхней по потоку поверхности к нижней по потоку поверхности. Указанный способ дополнительно включает обеспечение соударения топлива с отражателем, который проходит в осевом направлении между смежными трубками внутри топливной камеры повышенного давления.
[0011] Признаки и аспекты вариантов выполнения, а также другие особенности будут более очевидны специалистам при рассмотрении подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи детально изложено полное раскрытие данного изобретения, достаточное для его реализации специалистом, включая предпочтительный вариант выполнения. На чертежах
[0013] фиг.1 изображает упрощенный вид сбоку иллюстративной камеры сгорания, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
[0014] фиг.2 изображает увеличенный вид сбоку пучка трубок, показанного на фиг.1, в разрезе, выполненном по линии А-А, в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения;
[0015] фиг.3 изображает пучок трубок, показанный на фиг.2, в поперечном разрезе, выполненном по линии В-В;
[0016] фиг.4 изображает увеличенный вид сбоку пучка трубок, показанного на фиг.1, в разрезе, выполненном по линии А-А, в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения;
[0017] фиг.5 изображает пучок трубок, показанный на фиг.4, в поперечном разрезе, выполненном по линии С-С;
[0018] фиг.6 изображает пучок трубок, показанный на фиг.4, в поперечном разрезе, выполненном по линии С-С, в соответствии с другим вариантом выполнения; и
[0019] фиг.7 изображает пучок трубок, показанный на фиг.4, в поперечном разрезе, выполненном по линии С-С, в соответствии с другим вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Далее подробно описаны варианты выполнения изобретения, один или несколько примеров которых изображены на сопроводительных чертежах. В описании использованы цифровые и буквенные обозначения для отсылки к элементам, показанным на чертежах. Для одинаковых или подобных частей данного изобретения использованы одинаковые или подобные обозначения на чертежах и в описании. Применительно к данному документу термины «верхний по потоку» и «нижний по потоку» относятся к относительному положению компонентов в пути прохождения текучей среды. Например, компонент А является верхним по потоку от компонента В, если текучая среда проходит от компонента А к компоненту В. И, наоборот, компонент В является нижним по потоку от компонента А, если компонент В принимает текучую среду от компонента А.
[0021] Каждый пример служит для объяснения настоящего изобретения, но не ограничивает его. Фактически, специалистам должно быть очевидным, что в данное изобретение могут быть внесены модификации и изменения без отклонения от объема правовой охраны и сущности данного изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные в качестве части одного варианта выполнения, могут использоваться в другом варианте выполнения для создания еще одного варианта выполнения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение распространяется на такие модификации и изменения, а также их эквиваленты, какие подпадают под объем правовой охраны прилагаемой формулы изобретения.
[0022] В различных вариантах выполнения изобретения предлагается камера сгорания и способ распределения топлива в указанной камере сгорания. Камера сгорания содержит в целом пучок трубок с набором трубок, который обеспечивает возможность тщательного перемешивания топлива и рабочей текучей среды перед их поступлением в камеру сгорания. В конкретных вариантах выполнения камера сгорания также содержит отражатель или средства, предназначенные для распределения топлива вокруг указанных трубок для улучшения охлаждения трубок. Несмотря на то, что варианты выполнения данного изобретения приведены в целом с иллюстративными целями в отношении камеры сгорания, расположенной в турбомашине, такой как газовая турбина, для специалиста очевидно, что варианты выполнения данного изобретения могут быть применены к любой камере сгорания и не ограничиваются камерой сгорания для турбомашины, если это специально не оговорено в формуле изобретения.
[0023] На фиг.1 показан упрощенный вид сбоку иллюстративной камеры 10 сгорания, которая может использоваться в газовой турбине, в соответствии с одним вариантом данного изобретения. Указанная камера 10 может быть окружена корпусом 12 и торцевой заглушкой 14, содержащим рабочую текучую среду 16, проходящую к камере 10. Рабочая текучая среда 16 может проходить через проточные отверстия 18, расположенные в защитном рукаве 20, с протеканием вдоль наружной стороны переходной части 22 и трубы 24, обеспечивая конвективное охлаждение переходной части 22 и трубы 24. Когда рабочая текучая среда 16 достигает торцевой заглушки 14, указанная текучая среда 16 изменяет направление на обратное и проходит через торцевую крышку 26 в камеру 28 сжигания, расположенную ниже по потоку от крышки 26.
[0024] Торцевая крышка 26 может содержать набор трубок 30, расположенных в радиальном направлении в одном или нескольких пучках 32. На фиг.2 показан увеличенный вид сбоку иллюстративного пучка 32 трубок, показанного на фиг.1, в разрезе, выполненном по линии А-А, в соответствии с первым вариантом данного изобретения, а на фиг.3 показан указанный пучок 32, представленный на фиг.2, в поперечном разрезе, выполненном по линии В-В. Как показано на чертежах, каждый пучок 32 имеет в целом верхнюю по потоку поверхность 34, отделенную в осевом направлении от нижней по потоку поверхности 36, при этом трубки 30 проходят от поверхности 34 к поверхности 36 с обеспечением проточного сообщения для указанной текучей среды 16, проходящей через пучок 32 к камере 28 сжигания. Верхняя по потоку и нижняя по потоку поверхности 34, 36 окружены в окружном направлении кожухом 38 с образованием по меньшей мере частично топливной камеры 40 повышенного давления внутри указанного пучка 32. Через верхнюю по потоку поверхность 34 и/или кожух 38 может проходить топливопровод 42, обеспечивающий проточное сообщение для топлива 44, которое поступает в топливную камеру 40 в каждом пучке 32. Одна или несколько из указанных трубок 30 может иметь отверстие 46 для топлива, обеспечивающее проточное сообщение из топливной камеры 40 в одну или несколько трубок 30. Указанные отверстия 46 могут быть выполнены с наклоном в радиальном, осевом и/или азимутальном направлении так, чтобы обеспечивать и/или сообщать вихревое движение топливу 44, проходящему через указанные отверстия 46 в трубки 30. Таким образом рабочая текучая среда 16 может проходить в трубки 30, а топливо 44 из указанной камеры 40 может проходить через отверстия 46 в трубки 30, смешиваясь с рабочей текучей средой 16. Затем смесь топлива с указанной текучей средой может проходить через трубки 30 в камеру 28 сжигания.
[0025] Конкретная форма, размер и количество трубок 30 и пучков 32 может изменяться в соответствии с конкретными вариантами выполнения. Например, трубки 30 обычно изображаются с цилиндрической формой, однако в других вариантах выполнения в пределах объема правовой охраны изобретения трубки 30 могут иметь поперечные сечения практически любой геометрической формы. Подобным образом, камера 10 сгорания может содержать один пучок 32 трубок, проходящий в радиальном направлении по всей торцевой крышке 26, или камера 10 может содержать несколько пучков 32 с трубками кольцевой, треугольной, квадратной, овальной или заданной формы в различных схемах расположения в крышке 26. Специалисту понятно, что форма, размер и количество трубок 30 в пучках 32 не ограничивается в изобретении, если это специально не изложено в формуле изобретения.
[0026] Как показано на фиг.2 и 3, каждый пучок 32 трубок дополнительно содержит средства распределения топлива 44 вокруг трубок 30. Распределение топлива 44 в радиальном направлении вокруг трубок 30 обеспечивает возможность более равномерного теплообмена между топливом 44 и трубками 30, уменьшая при этом локализованные горячие зоны в трубках 30, которые могут привести к состояниям поддержания пламени или обратного удара пламени. Кроме того, более равномерно распределенное топливо 44 приводит к более равномерному потоку топлива, поступающего через отверстия 46 для топлива в трубки 30, уменьшая любые локальные огневые дорожки или высокие концентрации топлива в камере 28 сжигания, которые могут увеличить нежелательные выбросы.
[0027] Конструкция, обеспечивающая распределение топлива 44 в радиальном направлении вокруг трубок 30, может содержать любую направляющую поток лопатку, панель, направляющий элемент или отражатель другого типа, подходящего для использования в условиях непрерывного воздействия температур и давлений, связанных с камерой 10 сгорания. Например, в конкретном варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 3, средства распределения топлива 44 вокруг трубок 30 представляет собой отражатель 50, расположенный в целом между смежными трубками 30 внутри указанной топливной камеры 40 для изменения направления прохождения топлива 44 вокруг трубок 30. В конкретных вариантах выполнения отражатель 50 может проходить в осевом направлении от поверхности 34 к поверхности 36. Альтернативно или дополнительно отражатель 50 может быть ориентирован по существу параллельно трубкам 30 или наклонен в осевом направлении относительно трубок 30 для распределения топлива 44 в топливной камере 40 в осевом направлении, а также в радиальном направлении.
[0028] Как показано на фиг.2 и 3, отражатель 50 может содержать одну или несколько пластин 52, имеющих перфорационные отверстия 54 или прорези, проходящие сквозь пластины 52. Сплошная часть пластин 52 может изменять направление топлива 44 вокруг трубок 30, а указанные отверстия 54 или прорези в пластинах 52 могут обеспечивать возможность прохождения топлива 44 через пластины 52 в требуемых местах, обеспечивая более равномерное распределение потока топлива, проходящего через топливную камеру 40. В конкретных вариантах выполнения перфорационные отверстия 54 или прорези могут быть выполнены более длинными в осевом направлении чем в окружном направлении, при этом указанные отверстия 54 или прорези могут быть расположены на одной линии с трубками 30 в радиальном направлении, обеспечивая возможность прохождения топлива 44 через пластины 52 в конкретном месте относительно трубок 30. Например, в конкретном варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 3, топливо 44 проходит от топливопровода 42 в целом в радиально наружном направлении во всех направлениях. Сплошная часть пластин 52 изменяет направление потока топлива вокруг трубок 30, а отверстия 54 или прорези в пластинах расположены на одной линии в радиальном направлении с трубками 30, обеспечивая предпочтительно возможность прохождения топлива 44 через радиально наружную часть трубок 30. Таким образом, топливо более равномерно распределяется по топливной камере 40 и обеспечивает более равномерное охлаждение всех поверхностей вокруг трубок 30.
[0029] На фиг.4 показан увеличенный вид пучка 32 трубок, представленного на фиг.1, в разрезе, выполненном по линии А-А, в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения, а на фиг.5-7 показаны виды пучка 32, представленного на фиг.4, в поперечном разрезе, выполненном по линии С-С, в соответствии с другими различными вариантами выполнения. В конкретном варианте выполнения, показанном на фиг.4-7, отражатель 50 содержит набор стержней 56, которые обеспечивают изменение направления потока топлива 44 вокруг трубок 30. Несмотря на то, что в каждом варианте выполнения показаны полые стержни 56, тем не менее, данное изобретение не ограничивается полыми стержнями 56 и также может содержать сплошные стержни 56. Как показано на фиг.5-7, наружная поверхность стержней 56 может быть различной в различных вариантах выполнения. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг.5, каждый стержень имеет наклонную наружную поверхность 68, которая обеспечивает отклонение топлива 44 вокруг трубок 30. Альтернативно, как показано в вариантах выполнения, изображенных на фиг.6 и 7, каждый стержень 56 имеет дугообразную наружную поверхность 60. В частности, в варианте выполнения, показанном на фиг.6, дугообразная наружная поверхность 60 по существу имеет круговую или выпуклую форму. Альтернативно, как показано в конкретном варианте выполнения, изображенном на фиг.7, указанная наружная поверхность 60 может иметь вогнутую форму. Конкретная форма, размер и количество стержней 56 зависят от различных эксплуатационных факторов, включая, но не ограничиваясь, размер пучка 32 трубок, количество трубок 30 в пучке 32, предполагаемый тип топлива, предполагаемый рабочий уровень и температура и/или толщина трубок 30.
[0030] Различные варианты выполнения, показанные и рассмотренные в отношении фиг.1-7, также могут включать способ распределения топлива 44 в камере 10 сгорания. Например, указанный способ может включать прохождение топлива 44 в топливную камеру 40, образованную по меньшей мере частично верхней по потоку поверхностью 34, нижней по потоку поверхностью 36, кожухом 38 и трубками 30. Указанный способ может дополнительно включать соударение или столкновение топлива 44 с отражателем 50, проходящим в осевом направлении внутри топливной камеры 40 между смежными трубками 30. Таким образом топливо 44 может быть распределено в радиальном направлении вокруг трубок 30. В конкретных вариантах выполнениях отражатель 50 может быть наклонен в осевом направлении относительно трубок 30 так, что этап соударения или столкновения обеспечивает распределение топлива 44 в осевом направлении в топливной камере 40.
[0031] Описанные в данном документе устройства и способы могут обеспечивать одно или более преимуществ по сравнению с существующими форсунками и камерами сгорания. Например, распределение топлива 44 вокруг трубок 30 обеспечивает возможность более равномерного прохождения топлива 44 по всем поверхностям трубок 30. В результате теплообмен между топливом 44 и трубками 30 увеличивается, уменьшая или исключая локализованные горячие зоны вдоль трубок 30, которые могли бы привести к состояниям поддержания или обратного удара пламени. Альтернативно или дополнительно более равномерное распределение топлива 44, проходящего через топливную камеру 40, приводит в результате к более равномерному потоку топлива, проходящему через указанные отверстия 46 в трубки 30, уменьшая тем самым любые локальные огневые дорожки или высокие концентрации топлива в камере 28 сжигания, которые могли бы увеличить нежелательные выбросы.
[0032] В изложенном описании используются примеры, характеризующие данное изобретение, включая предпочтительные варианты выполнения, а также позволяющие любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем, а также осуществление любых относящихся к этому способов. Объем правовой охраны данного изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые могут встретиться специалистам. Подразумевается, что такие другие примеры подпадают под объем правовой охраны, определенный формулой изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или, если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.