Система для подачи топлива в камеру сгорания (варианты)
SYSTEM FOR FUEL SUPPLY TO COMBUSTION CHAMBER (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к системе для подачи топлива в камеру сгорания. В конкретных вариантах выполнения один или несколько инжекторов, расположенных в окружном направлении вокруг камеры сгорания, могут подавать обедненную смесь жидкого топлива, газообразного топлива и/или рабочей текучей среды в камеру сгорания.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Камеры сгорания традиционно используются в промышленных и энергетических процессах для воспламенения топлива для производства продуктов сгорания, имеющих высокую температуру и давление. Например, газовые турбины обычно содержат одну или несколько камер сгорания для генерации электроэнергии или тяги. Типичная газовая турбина, используемая для генерации электроэнергии, содержит осевой компрессор спереди, одну или несколько камер сгорания в середине, и турбину сзади. Окружающий воздух может подаваться в компрессор, а вращающиеся лопатки и неподвижные лопатки в компрессоре поступательно передают кинетическую энергию рабочей текучей среде (воздуху) для получения сжатой рабочей текучей среды в сильно энергетическом состоянии. Сжатая рабочая текучая среда выходит из компрессора и проходит через одну или несколько сопловых лопаток в камеру сгорания в каждом узле камер сгорания, где сжатая рабочая текучая среда смешивается с топливом и воспламеняется для создания газообразных продуктов сгорания, имеющих высокую температуру и давление. Газообразные продукты сгорания расширяются в турбине для создания работы. Например, расширение газообразных продуктов сгорания в турбине может вращать вал, соединенный с генератором для производства электроэнергии.
[0003] Газообразные продукты сгорания, выходящие из турбины, содержат различные количества оксидов азота, моноксида углерода, несгоревших углеводородов и других нежелательных выбросов, с фактическим количеством каждого выброса, зависящим от конструкции камеры сгорания и рабочих параметров. Так, например, более длительное время пребывания топливно-воздушной смеси в камере горения обычно увеличивает концентрацию оксидов азота, тогда как более короткое время пребывания топливно-воздушной смеси в камере горения, как правило, увеличивает концентрацию моноксида углерода и несгоревших углеводородов. Аналогично, более высокие температуры газообразных продуктов сгорания, связанные с работой при более высокой мощности, обычно увеличивает концентрацию оксидов азота, тогда как более низкие температуры газообразных продуктов сгорания, связанные с более низкими концентрациями топливно-воздушных смесей и/или работой с неполной загрузкой, как правило, увеличивает концентрацию моноксида углерода и несгоревших углеводородов.
[0004] В конкретной конструкции камеры сгорания, один или несколько инжекторов, каналов или трубок с поздним впрыском обедненного топлива могут быть расположены в окружном направлении вокруг камеры сгорания ниже по потоку от топливных форсунок. Часть сжатой рабочей текучей среды, выходящей из компрессора, может быть отведена для протекания через инжекторы для смешивания с топливом и с созданием обедненной топливно-воздушной смеси. Обедненная топливно-воздушная смесь может затем поступать в камеру горения, где она воспламеняется для повышения температуры газообразных продуктов сгорания и повышения термодинамического коэффициента полезного действия камеры сгорания. Несмотря на то, что расположенные в окружном направлении инжекторы с поздним впрыском обедненного топлива эффективны с точки зрения повышения температуры газообразных продуктов сгорания, не вызывая соответствующее увеличение нежелательных выбросов, жидкое топливо, подаваемое в инжекторы с поздним впрыском обедненного топлива, часто является причиной чрезмерного коксования в топливных каналах. Кроме того, периферическая доставка обедненной топливно-воздушной смеси в камеру горения также может содействовать протеканию жидкого топлива вдоль внутренней части камеры горения и переходного патрубка, создавая локализованные горячие полосы, которые могут снижать нижний предел усталостного цикла для этих компонентов. В результате, было бы полезно иметь систему для подачи жидкого и/или газообразного топлива для сжигания с поздним впрыском обедненного топлива без образования локализованных горячих полос вдоль внутренней части камеры горения и переходного патрубка.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Аспекты и преимущества изобретения изложены ниже в последующем описании, или же могут быть очевидны из описания, или же могут быть поняты путем использования изобретения на практике.
[0006] Один вариант выполнения настоящего изобретения представляет собой систему для подачи топлива в камеру сгорания, которая содержит камеру горения и топливную форсунку, которая находится в проточном сообщении с камерой горения. Несколько каналов, расположенных в окружном направлении вокруг камеры горения, находятся в проточном сообщении с камерой горения. Камера для жидкого топлива находится в проточном сообщении с указанными несколькими каналами. Перегородка в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры для жидкого топлива внутри указанных каналов и образует впадины вокруг камеры для жидкого топлива.
[0007] В другом варианте выполнения настоящее изобретение представляет собой систему для подачи топлива в камеру сгорания, которая содержит камеру горения и жаровую трубу, которая в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры горения. Несколько каналов проходит через жаровую трубу в камеру горения. Камера для жидкого топлива проходит внутри каждого из указанных каналов. Перегородка в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры для жидкого топлива внутри указанных каналов и образует впадины вокруг камеры для жидкого топлива.
[0008] В еще одном варианте выполнения система для подачи топлива в камеру сгорания содержит камеру горения и жаровую трубу, которая в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры горения. Несколько инжекторов, расположенных в окружном направлении вокруг камеры горения, обеспечивают проточное сообщение через жаровую трубу и в камеру горения. Камера для жидкого топлива расположена по центру внутри по меньшей мере некоторых из указанных инжекторов. Перегородка, в окружном направлении окружающая по меньшей мере часть камеры для жидкого топлива внутри по меньшей мере некоторых из указанных инжекторов, образует впадины вокруг камеры для жидкого топлива.
[0009] После ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области лучше поймут признаки и аспекты таких вариантов выполнения, и других вариантов выполнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Полное и всестороннее раскрытие настоящего изобретения, в том числе лучший режим использования для специалистов, изложено более конкретно в оставшейся части описания, включая и ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
[0011] Фиг.1 представляет собой упрощенный продольный разрез иллюстративной газовой турбины;
[0012] Фиг.2 представляет собой частично в аксонометрии и частично сбоку в разрезе части камеры горения, изображенной на Фиг.1, в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0013] Фиг.3 представляет собой вид сбоку в разрезе части камеры горения, изображенной на Фиг.1, в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0014] Фиг.4 представляет собой вид сбоку в разрезе инжектора, изображенного на Фиг.2, в соответствии с конкретным вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0015] Фиг.5 представляет собой вид сверху в радиальном направлении инжектора, изображенного на Фиг.4; и
[0016] Фиг.6 представляет собой вид сверху в радиальном направлении инжектора, изображенного на Фиг.4, в соответствии с альтернативным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Ниже подробно описаны варианты выполнения изобретения, один или несколько примеров которых проиллюстрировано на прилагаемых чертежах. В подробном описании используются численные и буквенные обозначения для обозначения признаков на чертежах. Похожие или одинаковые обозначения на чертежах и в описании используются для обозначения похожих или аналогичных частей изобретения. Как используется в настоящем документе, термины «первый», «второй» и «третий» могут быть использованы взаимозаменяемо, чтобы отличить один элемент от другого элемента, и не предназначены для обозначения места или значения отдельных элементов. Кроме того, термины «расположенный выше по потоку» и «расположенный ниже по потоку» относятся к относительному расположению элементов в канале для текучей среды. Например, элемент A расположен выше по потоку от элемента B, если текучая среда течет от элемента A к элементу B. Напротив, элемент В расположен ниже по потоку от элемента A, если элемент B получает поток текучей среды от элементом A.
[0018] Каждый пример дается путем разъяснения изобретения, а не его ограничения. На самом деле, для специалиста будет очевидно, что в настоящем изобретении могут быть сделаны модификации и изменения без отхода от его объема или сущности. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта выполнения, могут быть использованы в другом варианте выполнения, получая еще один вариант выполнения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает все такие модификации и изменения, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквиваленты.
[0019] Различные варианты выполнения настоящего изобретения включают систему для подачи топлива в камеру сгорания. Камера сгорания обычно содержит камеру горения, ограниченную, по меньшей мере частично, жаровой трубой, которая в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры горения. Система содержит один или несколько каналов или инжекторов, расположенных в окружном направлении вокруг камеры горения для обеспечения проточного сообщения с камерой горения, и камеру для жидкого топлива, обеспечивающую проточное сообщение с каналами или инжекторами. Кроме того, перегородка в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры для жидкого топлива и образует впадины вокруг камеры для жидкого топлива. Таким образом, перегородка ограничивает проточные каналы внутри и снаружи перегородки, а впадины перемешивают поток текучей среды между каналами для улучшения распыления жидкого топлива, испарения и/или перемешивания перед впрыскиванием в камеру горения. Несмотря на то, что иллюстративные варианты выполнения настоящего изобретения будут описаны в целом в контексте камеры сгорания, содержащейся в газовой турбине, исключительно с целью иллюстрации, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что варианты выполнения настоящего изобретения могут быть применены к любой камере сгорания и не ограничиваются камерой сгорания газовой турбины, если это специально не оговорено в формуле изобретения.
[0020] Фиг.1 представляет собой упрощенный продольный разрез иллюстративной газовой турбины 10, которая может содержать различные варианты выполнения настоящего изобретения. Как показано, газовая турбина 10 может содержать компрессор 12 спереди, одну или несколько камер 14 сгорания, расположенных в радиальном направлении вокруг середины, и турбину 16 сзади. Компрессор 12 и турбина 16 обычно имеют общий ротор 18, соединенный с генератором 20 для производства электроэнергии.
[0021] Компрессор 12 может представлять собой компрессор с осевым потоком, в котором рабочая текучая среда 22, такая как атмосферный воздух, поступает в компрессор 12 и проходит через чередующиеся ступени неподвижных лопаток 24 и вращающихся лопаток 26. Корпус 28 компрессора содержит рабочую текучую среду 22, которая, посредством неподвижных лопаток 24 и вращающихся лопаток 26, ускоряется и перенаправляет рабочую текучую среду 22 для производства непрерывного потока сжатой рабочей текучей среды 22. Большая часть сжатой рабочей текучей среды 22 протекает через нагнетательную камеру 30 компрессора в камеру 14 сгорания.
[0022] Камера 14 сгорания может представлять собой камеру сгорания любого типа, известного в данной области техники. Например, как показано на Фиг.1, корпус 32 камеры сгорания может в окружном направлении окружать всю или часть камеры 14 сгорания для вмещения сжатой рабочей текучей среды 22, протекающей из компрессора 12. Одна или несколько топливных форсунок 34 может быть радиально расположена в торцевой крышке 36 для подачи топлива в камеру 38 горения, расположенную ниже по потоку от топливных форсунок 34. Возможные виды топлива включают, например, одно или несколько из: доменного газа, коксового газа, природного газа, испаренного сжиженного природного газа (СПГ), водорода и пропана. Сжатая рабочая текучая среда 22 может вытекать из нагнетательной камеры 30 компрессора по наружной стороне камеры 38 горения, доходя до торцевой крышки 36 и изменяя направление на обратное, проходить через топливные форсунки 34 для смешивания с топливом. Смесь топлива и сжатой рабочей текучей среды 22 поступает в камеру 38 горения, где она воспламеняется для производства газообразных продуктов сгорания, имеющих высокую температуру и давление. Поток газообразных продуктов сгорания проходит через переходной патрубок 40 в турбину 16.
[0023] Турбина 16 может содержать чередующиеся ступени статорных лопаток 42 и вращающихся рабочих лопаток 44. Первая ступень статорных лопаток 42 перенаправляет и фокусирует газообразные продукты сгорания на первую ступень рабочих лопаток 44 турбины. Когда газообразные продукты сгорания проходят через первую ступень рабочих лопаток 44 турбины, газообразные продукты сгорания расширяются, вызывая вращение рабочих лопаток 44 турбины и ротора 18. Газообразные продукты сгорания затем поступают в следующую ступень статорных лопаток 42, которая перенаправляет газообразные продукты сгорания к следующей ступени вращающихся рабочих лопаток 44, и процесс повторяется для следующих ступеней.
[0024] Различные варианты выполнения, описанные в настоящем документе, содержат один или несколько инжекторов, каналов или трубок 50, расположенных в окружном направлении вокруг камеры 38 горения ниже по потоку от топливных форсунок 34. Часть сжатой рабочей текучей среды 22, выходящей из компрессора 12, может быть отведена для протекания через инжекторы 50 для смешивания с таким же или другим жидким и/или газообразным топливом, которое поступает в топливные форсунки 34 для получения обедненной топливно-воздушной смеси. Обедненная топливно-воздушная смесь может затем поступать в камеру 38 горения, где она воспламеняется для повышения температуры газообразных продуктов сгорания и повышения термодинамического коэффициента полезного действия камеры 14 сгорания.
[0025] Фиг.2 представляет собой вид, частично в аксонометрии и частично сбоку в разрезе, части камеры 38 горения, изображенной на Фиг.1, выполненной в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения. В этом конкретном варианте выполнения жаровая труба 52 в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры 38 горения, а проточный патрубок 54 в окружном направлении окружает по меньшей мере часть жаровой трубы 52 для создания кольцевого канала 56 между трубой 52 и патрубком 54. Таким образом, часть сжатой рабочей текучей среды 22 может протекать через кольцевой канал 56 для отвода тепла от жаровой трубы 52, перед тем, как она достигнет конца торцевой крышки 36 и изменит направление на обратное, с дальнейшим протеканием потока через топливные форсунки 34, как описано выше со ссылкой на Фиг.1.
[0026] Как показано на Фиг.2, инжекторы, каналы или трубки 50 расположены в окружном направлении вокруг камеры 38 горения, жаровой трубы 52 и проточного патрубка 54 для обеспечения проточного сообщения через проточный патрубок 54 и жаровую трубу 52 в камеру 38 горения. Кроме того, жидкое и/или газообразное топливо может подаваться к инжекторам 50 для смешивания с частью сжатой рабочей текучей среды 22, которая протекает через инжекторы 50 и в камеру 38 горения. Например, камера 60 для жидкого топлива может в окружном направлении окружать камеру 38 горения, при этом часть камеры 60 может проходить внутри одного или нескольких инжекторов 50 для обеспечения проточного сообщения для протекания жидкого топлива в инжекторы 50. Камера 60 может содержать одно или несколько отверстий 62 для жидкого топлива, которые обеспечивают проточное сообщение для протекания жидкого топлива в инжекторы 50 и смешивания со сжатой рабочей текучей средой 22 перед тем, как достичь камеру 38 горения. В качестве альтернативы или в дополнение, проточный патрубок 54 может содержать внутренний топливный канал 64, а каждый инжектор 50 может содержать один или несколько отверстий 66 для газообразного топлива, расположенных в окружном направлении вокруг инжектора 50. Отверстия 66 могут, таким образом, обеспечивать проточное сообщение для протекания газообразного топлива в инжекторы 50 и смешивания его со сжатой рабочей текучей средой 22 перед тем, как достичь камеры 38 горения. Таким образом, инжекторы 50 могут подавать обедненную смесь жидкого и/или газообразного топлива для дополнительного сгорания, чтобы повысить температуру и, следовательно, коэффициент полезного действия камеры 14 сгорания.
[0027] Фиг.3 представляет собой вид сбоку в разрезе части камеры 38 горения, изображенной на Фиг.1, выполненной в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения. В этом конкретном варианте выполнения патрубок 68 принудительного охлаждения в окружном направлении окружает по меньшей мере часть переходного патрубка 40 с образованием кольцевого канала 70 между переходным патрубком 40 и патрубком 68. Патрубок 68 может иметь несколько отверстий 72, которые обеспечивают возможность протекания части сжатой рабочей текучей среды 22 через кольцевой канал 70 для отвода тепла от переходного патрубка 40.
[0028] Как показано на Фиг.3, инжекторы, каналы или трубки 50 расположены в окружном направлении вокруг камеры 38 горения, переходного патрубка 40 и патрубка 68 для обеспечения проточного сообщения через патрубок 68 и переходной патрубок 40 в камеру 38 горения. Кроме того, камера 60 может проходить через корпус 32 и внутрь одного или нескольких инжекторов 50 для обеспечения проточного сообщения для протекания жидкого топлива в инжекторы 50. В качестве альтернативы или в дополнение, камера 74 с газообразным топливом может также проходить через корпус 32 для обеспечения проточного сообщения для протекания газообразного топлива через топливные отверстия 66 для газообразного топлива, расположенные в окружном направлении вокруг инжекторов 50, как было описано выше в отношении варианта выполнения, изображенного на Фиг.2. Таким образом, камеры 60, 74 для жидкого и/или газообразного топлива могут подавать жидкое и/или газообразное топливо через инжекторы 50 и в камеру 38 горения для дополнительного сгорания.
[0029] Фиг.4 представляет собой вид сбоку в разрезе инжектора 50, изображенного на Фиг.2, выполненного в соответствии с конкретным вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано, инжектор 50 может содержать канал, трубку или другую конструкцию для обеспечения проточного сообщения через проточный патрубок 54 и жаровую трубу 52 и в камеру 38 горения. В конкретном варианте выполнения, показанном на Фиг.4, часть инжектора 50 проходит внутрь камеры 38 горения для усиления смешивания жидкого и/или газообразного топлива и сжатой рабочей текучей среды 22 перед смешиванием с газообразными продуктами сгорания, проходящими через камеру 38 горения.
[0030] Как описано выше, камера 60 может проходить, по меньшей мере частично, внутрь инжектора 50, а топливные отверстия 66 для газообразного топлива, расположенные в окружном направлении вокруг инжектора 50, могут обеспечивать проточное сообщение для протекания газообразного топлива из внутреннего топливного канала 64 в проточном патрубке 54 в инжектор 50. Кроме того, перегородка 80, соединенная с инжектором 50, жаровой трубой 52 и/или камерой 60, может в окружном направлении окружать по меньшей мере часть камеры 60 внутри инжектора 50. Перегородка 80 может ограничивать первый проточный канал 82 между камерой 60 и перегородкой 80, и второй проточный канал 84 между перегородкой 80 и инжектором 50. В конкретных вариантах выполнения перегородка 80 на входе в инжектор 50 может содержать расширяющееся отверстие или отверстие 86 в виде раструба, как показано на Фиг.4, чтобы предпочтительно отводить большую часть сжатой рабочей текучей среды 22 в первый проточный канал 82.
[0031] Фиг.5 и 6 представляют собой виды сверху в радиальном направлении инжектора 50, изображенного на Фиг.4, если смотреть изнутри камеры 38 горения, чтобы более четко проиллюстрировать конкретные признаки перегородки 80, выполненной в соответствии с различными вариантами выполнения настоящего изобретения. Как показано на Фиг.5 и 6, одна или несколько стоек 88 может проходить между перегородкой 80 и инжектором 50, жаровой трубой 52 и/или камерой 60, для удержания перегородки 80 на месте. Часть сжатой рабочей текучей среды 22 может протекать через первый проточный канал 82 между камерой 60 и перегородкой 80 для смешивания с жидким топливом, вытекающим из топливного отверстия 62 для жидкого топлива. Другая часть сжатой рабочей текучей среды 22 также может проходить через второй проточный канал 84 между перегородкой 80 и инжектором 50 для смешивания с газообразным топливом, вытекающим из топливного отверстия 66 для газообразного топлива.
[0032] Как видно наиболее четко на Фиг.5 и 6, расположенная ниже по потоку часть перегородки 80 может содержать чередующиеся впадины 90 и вершины 92, которые в окружном направлении окружают камеру 60 и топливные отверстия 62 для жидкого топлива. В конкретном варианте выполнения, изображенном на Фиг.5, топливные отверстия 62 для жидкого топлива в радиальном направлении совпадают с вершинами 92 и расположены между соседними впадинами 90. В противоположность этому, на Фиг.6 топливные отверстия 62 для жидкого топлива в радиальном направлении совпадают с впадинами и расположены между соседними вершинами 92. Чередующиеся впадины 90 и вершины 92 в перегородке 80 проталкивают поток текучей среды через первый проточный канал 82 в радиальном направлении наружу, одновременно оттягивая поток текучей среды через второй проточный канал 84 в радиальном направлении внутрь. В результате впадины 90 и вершины 92 в перегородке 80 создают сдвиг между текучей среды, протекающей через первый и второй проточные каналы 82, 84 для повышения испарения, распыления и/или смешивания жидкого топлива с газообразным топливом и/или сжатой рабочей текучей средой 22.
X
[0033] Обычный специалист в данной области техники с учетом изобретательской идеи, изложенной в настоящем документе, поймет, что различные варианты выполнения, показанные и описанные со ссылкой на Фиг.1-6, могут обеспечивать одно или несколько преимуществ, по сравнению с существующими конструкциями камеры сгорания. Например, обедненная топливно-воздушная смесь, подаваемая в камеру 38 горения, может увеличить температуру газообразных продуктов сгорания для повышения коэффициента полезного действия камеры 14 сгорания, не вызывая соответствующего увеличения выбросов NO. Кроме того, различные варианты выполнения, описанные в настоящем документе, обеспечивают возможность подачи жидкого топлива через инжекторы 50, не создавая локализованных горячих полос вдоль внутренней части камеры 38 горения и переходного патрубка 40, что может снизить малоцикловой предел усталости для этих компонентов.
[0034] В настоящем описании для раскрытия изобретения используются примеры, включая наилучший режим, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники использовать изобретение на практике, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые включенные способы. Патентоспособный объем изобретения определяется формулой изобретения, и может включать другие примеры, которые очевидны специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры попадают в объем формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые ничем не отличаются от буквального языка формулы изобретения или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.