Топливная форсунка с осевым потоком (варианты) и способ предварительного смешивания топлива и воздуха
FUEL JET WITH AXIAL FLOW (VARIANTS) AND METHOD OF FUEL AND AIR PRE-MIXING

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Изобретение относится к топливным форсункам и, в частности, к топливной форсунке с осевым потоком для газовой турбины, содержащей несколько кольцевых каналов для облегчения перемешивания.
[0002] Газотурбинные двигатели в целом содержат компрессор, предназначенный для сжатия входящего потока воздуха. Поток воздуха смешивается с топливом и воспламеняется в камере сгорания для образования газообразных продуктов сгорания. Газообразные продукты сгорания, в свою очередь, протекают в турбину. В турбине из газа высвобождается энергия для приведения во вращение вала. Вал приводит в действие компрессор и, как правило, другой узел, например электрогенератор. Для выбросов выхлопных газов, образующихся при сгорании и являющихся проблемой, установлены предельно допустимые значения. Некоторые типы газотурбинных двигателей рассчитаны на работу с незначительными выбросами выхлопных газов и, в частности, с низким уровнем выбросов NOx (оксидов азота), с минимальной динамикой горения, достаточным самовоспламенением и допустимыми пределами стабилизации горения.
[0003] В существующих форсунках для камеры сгорания с низким уровнем выбросов оксидов азота контур жидкого топлива впрыскивает топливо и воду непосредственно в зону рециркуляции (зону горения). Интенсивное горение топлива сопровождается высокой температурой, что приводит к более интенсивному образованию выбросов. В существующих конструкциях используется также распыление воздушного потока и воды для снижения уровня оксидов азота.
x
Ближайшим аналогом настоящего изобретения является топливная форсунка, описанная в патенте США №5816049, МПК F23R 3/14, 06.10.1998 г. Указанная форсунка содержит кольцевой воздушный канал, предназначенный для приема нагнетаемого компрессором воздуха, завихрительные каналы, кольцевой канал для подачи топлива, расположенный радиально внутри кольцевого воздушного канала, и кольцевой канал для подачи воздуха, расположенный радиально внутри канала для топлива. Указанная форсунка также содержит центральный корпус, верхний по потоку конец которого расположен выше по потоку относительно выпускных отверстий указанных кольцевых каналов, а нижний по потоку конец центрального корпуса расположен непосредственно у выхода из зоны предварительного смешивания. Таким образом, конструкция указанной форсунки, а именно расположение центрального корпуса относительно кольцевых каналов для топлива и воздуха не обеспечивает возможности осуществления более тщательного предварительного смешивания и охлаждения центрального корпуса для уменьшения выбросов оксидов NO.
Целесообразно обеспечить простую конструкцию с более эффективным распылением жидкого топлива в канале предварительного смешивания для снижения выбросов, наряду с оптимальным использованием воздушной завесы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
x
[0004] В одном иллюстративном варианте выполнения топливная форсунка с осевым потоком для газовой турбины содержит несколько кольцевых каналов, предназначенных для доставки продуктов для сжигания. Кольцевой воздушный канал предназначен для приема нагнетаемого компрессором воздуха, при этом рядом с осевым концом кольцевого воздушного канала расположены завихрительные лопаточные каналы. Первый кольцевой канал расположен радиально внутри кольцевого воздушного канала и имеет первые отверстия, расположенные рядом с осевым концом первого кольцевого канала и ниже по потоку от завихрительных лопаточных каналов. Второй кольцевой канал расположен радиально внутри первого кольцевого канала и имеет вторые отверстия, расположенные рядом с осевым концом второго кольцевого канала и ниже по потоку от первых отверстий. Первый кольцевой канал соединен с источником жидкого топлива или источником смеси жидкого топлива и воды. Топливная форсунка также содержит центральный корпус, соединенный с указанными кольцевыми каналами, причем второй кольцевой канал проходит ниже по потоку относительно первого кольцевого канала. Благодаря такой конструкции форсунки при подаче в зону предварительного смешивания топлива или смеси топлива и воды по первому каналу и воздуха по второму каналу воздушный поток, проходящий через отверстия второго кольцевого канала, сталкивается с топливом, протекающим через отверстия первого канала и создает кольцевую воздушную прослойку вдоль центрального корпуса форсунки. Воздушная прослойка способствует охлаждению центрального корпуса форсунки и его верхней части, таким образом, позволяя снизить температуру пламени и уменьшить выбросы оксидов NO. Также с помощью воздушной прослойки обеспечивается распыление струи жидкого топлива вблизи верхней части центрального корпуса, что способствует более быстрому и равномерному предварительному смешиванию компонентов топливной смеси и стабилизации пламени форсунки.
[0005] В другом иллюстративном варианте выполнения топливная форсунка содержит кольцевой воздушный канал, предназначенный для приема нагнетаемого компрессором воздуха, при этом рядом с нижним по потоку осевым концом кольцевого воздушного канала расположены завихрительные лопаточные каналы. По кольцевому воздушному каналу через завихрительные лопаточные каналы подается воздушная завеса / распыляемый воздух в зону предварительного смешивания, расположенную ниже по потоку от завихрительных лопаточных каналов. Кольцевой канал для жидкого топлива расположен радиально внутри кольцевого воздушного канала и обеспечивает подачу жидкого топлива в зону предварительного смешивания. Кольцевой канал для воды расположен радиально внутри кольцевого канала для жидкого топлива и обеспечивает подачу воды в зону предварительного смешивания, в которой вода охлаждает топливную форсунку и способствует смешиванию жидкого топлива и нагнетаемого компрессором воздуха.
x
[0006] В другом иллюстративном варианте выполнения способ предварительного смешивания топлива и воздуха для сжигания в газовой турбине включает обеспечение протекания нагнетаемого компрессором воздуха через кольцевой воздушный канал и через завихрительные лопаточные каналы, расположенные рядом с осевым концом кольцевого воздушного канала, в зону предварительного смешивания, расположенную ниже по потоку от завихрительных лопаточных каналов; подачу в зону предварительного смешивания топлива через первый кольцевой канал, расположенный радиально внутри кольцевого воздушного канала; а также подачу воды или воздуха через второй кольцевой канал, расположенный радиально внутри первого кольцевого канала или подачу смеси топлива и воды через первый кольцевой канал и воздуха через второй кольцевой канал в зону предварительного смешивания. Поскольку указанные кольцевые каналы соединены центральным корпусом форсунки, и второй кольцевой канал проходит ниже по потоку относительно первого кольцевого канала, на указанных этапы подачи выполняют охлаждение центрального корпуса форсунки и его верхней части, что позволяет снизить температуру пламени и уменьшить выбросы оксидов NO.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Фиг. 1 представляет собой продольный разрез газотурбинного двигателя.
[0008] Фиг. 2 представляет собой продольный разрез топливной форсунки в соответствии с описанными вариантами выполнения.
[0009] Фиг. 3 представляет собой вид с торца топливной форсунки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] На Фиг. 1 показан разрез газотурбинного двигателя 10. Газотурбинный двигатель 10 содержит компрессор 20, предназначенный для сжатия входящего потока воздуха. Далее сжатый поток воздуха поступает в камеру 30 сгорания, где он смешивается с топливом, поступающим из нескольких топливоприемных трактов 40. Камера 30 сгорания может содержать несколько жаровых труб или форсунок 50, расположенных в кожухе 55. Как известно, топливо и поток воздуха смешиваются в форсунке 50 и поджигаются. Имеющие высокую температуру газообразные продукты сгорания, в свою очередь, поступают в турбину 60, чтобы привести в действие компрессор 20 и внешние нагрузки, в частности, генератор и т.п. Форсунки 50 обычно содержат один или несколько завихрителей.
[0011] Фиг. 2 представляет собой осевой разрез топливной форсунки, выполненной в соответствии с описанными вариантами выполнения. Топливная форсунка содержит несколько кольцевых каналов. Кольцевой воздушный канал 62 ограничивает радиально расположенный наружный канал и получает нагнетаемый компрессором воздух. Несколько завихрительных лопаточных каналов 64 расположены рядом с осевым концом кольцевого воздушного канала 62, как показано на чертеже. Следующий первый кольцевой воздушный канал 66 расположен радиально внутри кольцевого воздушного канала 62. Канал 66 имеет первые отверстия 68, расположенные рядом с осевым концом воздушного канала 66. Отверстия 68 расположены ниже по потоку от лопаточных каналов 64. Следующий второй кольцевой канал 70 расположен радиально внутри первого кольцевого воздушного канала и содержит вторые отверстия 72, расположенные рядом с осевым концом канала 70 и ниже по потоку от первых отверстий 68.
[0012] В одном варианте выполнения первый кольцевой канал 66 соединен с источником жидкого топлива. В данном случае первые отверстия 68 расположены относительно кольцевого воздушного канала 62 таким образом, что воздушный поток, проходящий через лопаточные каналы 64, по меньшей мере частично распыляет жидкое топливо, протекающее через первые отверстия 68. При такой компоновке второй кольцевой канал 70 может быть соединен с источником воды. В данном случае вторые отверстия 72 расположены относительно первых отверстий 68 таким образом, что вода, проходящая через вторые отверстия 72, сталкивается с жидким топливом, протекающим через первые отверстия 68. Зона, расположенная выше по потоку от лопаточных каналов 64, рядом с первыми и вторыми отверстиями 68, 72, используется как зона предварительного смешивания.
[0013] В альтернативном режиме второй кольцевой воздушный канал 70 может быть соединен с источником воздуха. В этом случае вторые отверстия 72 расположены относительно первых отверстий 68 таким образом, что воздушный поток, проходящий через вторые отверстия 72, сталкивается с жидким топливом, протекающим через первые отверстия 68. Вторые отверстия 72 могут быть ориентированы таким образом, что воздушный поток, проходящий через вторые отверстия 72, создает кольцевую воздушную прослойку, расположенную вдоль дистального конца центрального корпуса форсунки. Кольцевая воздушная прослойка, или воздушная завеса, способствует охлаждению центрального корпуса форсунки, а также распылению струи жидкого топлива.
[0014] Кроме того, первый кольцевой воздушный канал 66 может быть соединен с источником смешанного жидкого топлива и воды. Использование воды способствует охлаждению системы, уменьшая, тем самым, количество углеродистых отложений. Кроме того, вода способствует снижению температуры пламени и снижению выбросов оксидов азота. Воздушный поток во втором кольцевом воздушном канале 68 способствует очистке поверхности, расположенной ниже по потоку от места ввода топлива, уменьшая, тем самым, проблемы, связанные со стабилизацией горения.
[0015] При работе на газе все три канала могут быть соединены лишь с источником воздуха.
[0016] Лопаточные каналы 64 способствуют сдвигу и увеличивают перемешивание газа. Больший угол (например, более 45°) повышает прочность центра рециркуляции за счет усиления вихревого движения, необходимого для устойчивости горения пламени. Топливные отверстия 68 предпочтительно расположены так, чтобы при высокой скорости воздушного потока в воздушном канале 62 топливная струя рассеивалась. Соотношением количества движения можно легко управлять, регулируя количество отверстий 68 и лопаточных каналов 64. Добавление воды также способствует рассеиванию топливной струи и снижению выбросов оксидов азота, а также охлаждению жидкого топлива, не допуская засорения (предотвращая коксование).
[0017] Со ссылкой на Фиг. 2 и 3, основной воздух для горения проходит через завихритель 74 основного воздуха для горения, расположенный на входном конце канала 76 для основного воздуха для горения. Как видно на чертеже, канал 76 окружает кольцевой воздушный канал 62. Завихритель основного воздуха для горения содержит лопатки 78, предназначенные для придания завихрения воздушному потоку, проходящему через завихритель 74. Лопаточные каналы 64, расположенные в кольцевом воздушном канале 62, могут быть ориентированы точно так же, как и лопатки 78 завихрителя 74 основного воздуха для горения, или иметь противоположную ориентацию. При использовании лопаточных каналов 64, расположенных с одинаковой ориентацией с основными лопатками 78 завихрителя, обеспечивается небольшой перепад давления через форсунку; а при расположении лопаточных каналов в противоположной ориентации достигается лучшее перемешивание.
[0018] Со ссылкой на Фиг. 2, дистальный конец 80 кольцевого воздушного канала 62 может сужаться от первой толщины до второй толщины, как показано на чертеже. Например, толщина дистального конца может быть в пределах от 0,012 до 0,020 дюйма (12-20 тысячных дюйма) (0,3-0,5 мм) или меньше. Конец 80 показан расположенным ниже по потоку от лопаточных каналов 64 и обычно радиально совмещен с первыми отверстиями 68. В варианте выполнения, в котором по первому кольцевому каналу 66 через отверстия 68 доставляется жидкое топливо, конец 80 препятствует контакту жидкого топлива с корпусом форсунки. Это является желательным для стабилизации пламени и предотвращения повреждения корпуса форсунки. Выступ помогает создать пленку жидкого топлива или жидкую топливную струю для лучшего распыления топлива.
[0019] Воздушный канал 62 обычно используется для охлаждения центрального корпуса 82 форсунки. Как показано пунктирной линией, центральный корпус форсунки может также быть выполненным суженным, при этом больший диаметр центрального корпуса форсунки способствует стабилизации пламени. Воздушный канал 62 служит для перемещения нагнетаемого компрессором воздушного потока через завихрительные лопаточные каналы 64. При помощи устройства, описанного в вариантах выполнения, упомянутый воздушный поток отклоняется таким образом, что он используется сначала для распыления струи жидкого топлива, а затем для охлаждения центрального корпуса и верхней части центрального корпуса, путем формирования воздушной подушки лишь на центральном корпусе и на верхней части. При работе на газе упомянутый воздушный поток может способствовать дальнейшему смешиванию, так как он создает сдвиговый слой выше втулки с воздухом основного завихрителя. Можно создать такую схему расположения топливных отверстий, при которой воздушно-топливная смесь в средней части втулки будет более обогащенной. Таким образом, воздушная завеса смешивается с основным воздухом, что позволяет регулировать режим подачи топливно-воздушной смеси.
[0020] Следующий направленный радиально внутрь канал 66 может быть использован для жидкого топлива или, как уже отмечалось, при работе на газе он может продуваться воздухом. Контур может содержать только жидкое топливо или эмульсионное топливо (жидкое топливо, смешанное с водой).
[0021] Другой направленный радиально внутрь канал 70 предпочтительно используется для воды, охлаждающей жидкое топливо, что позволяет избежать проблем, связанных с образованием нагара / коксованием. Как показано на чертеже, отверстия 72 расположены так, что вода, протекающая через отверстия, попадает на топливную струю и смещает любую зону воды с низкой скоростью за топливную струю (чтобы избежать стабилизации пламени непосредственно за струей). Вода помогает разбить топливную струю. На выходе вода смешивается с топливом и при горении способствует снижению локальной температуры и уменьшению образования оксидов азота.
[0022] Отверстия 68 для жидкого топлива и отверстия 72 для воды могут быть расположены близко друг к другу так, что вода может соударяться/смешиваться с жидким топливом. Как уже отмечалось, в альтернативном варианте выполнения распыляемый воздух с низким соотношением давления может быть использован вместо воды. Холодный распыляемый воздух может охлаждать канал для жидкого топлива снизу и способствовать распылению струи жидкого топлива.
[0023] В целом конструкция обеспечивает недорогой способ смешивания жидкого топлива с лучшим распылением и предварительным смешиванием (что приводит к более низкому уровню выбросов). Конструкция также улучшает воздушно-топливный режим и способствует охлаждению верхней части центрального корпуса. Лучшее распыление и предварительное смешивание способствуют уменьшению локального горения и высокой температуры, снижая, тем самым, выбросы оксидов азота. Создавая воздушную завесу для предварительного смешивания стороны газа с пограничным слоем, можно достичь быстрого смешивания вблизи верхней части центрального корпуса. При использовании конструкции можно уменьшить требуемое количество воды и исключить использование распыляемого воздуха, увеличивая, тем самым, скорость нагрева при работе на жидком топливе.
[0024] Хотя изобретение подробно описано относительно наиболее осуществимых и предпочтительных вариантов выполнения, следует понимать, что изобретение не ограничивается данными описанными вариантами, а напротив, предусматривает различные схемы модификаций и эквиваленты, находящиеся в пределах сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.