Система для подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания (варианты)
SYSTEM FOR WORKING FLUID SUPPLY INTO COMBUSTION CHAMBER (VARIANTS)

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение, в целом, относится к системе и способу подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания. В конкретных вариантах выполнения настоящее изобретение может подавать обедненную топливно-воздушную смесь в камеру горения через инжекторы с поздним впрыском обедненного топлива, расположенные вокруг камеры горения.
ПРЕДПОСЫЛКИ 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 один 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 в камеру горения, 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 электричества.
x
[0003] На конструкцию и работу камер сгорания влияют различные конструктивные и эксплуатационные параметры. Например, высокие температуры сгорания газа, в целом, улучшают термодинамический коэффициент полезного действия камеры сгорания. Тем не менее, высокие температуры сгорания газа также способствуют проскоку пламени или стабилизации пламени, при которых пламя горения мигрирует в сторону топлива, подаваемого форсунками, что может вызвать серьезные повреждения топливных форсунок за относительно короткий промежуток времени. Кроме того, высокие температуры сгорания газа, в целом, увеличивают скорость диссоциации двухатомного азота, увеличивают производство оксидов азота (NO). И наоборот, более низкая температура горения газа связана со снижением расхода топлива и/или работа с частичной нагрузкой (динамический диапазон), в целом, снижает скорость химической реакции горения, увеличивая производство моноксида углерода и несгоревших углеводородов.
[0004] В конкретной конструкции камеры сгорания один или несколько инжекторов с поздним впрыском обедненного топлива или трубок могут быть расположены в окружном направлении вокруг камеры горения ниже по потоку от топливных форсунок. Часть сжатой рабочей текучей среды, выходящей из компрессора, может проходить через трубки для смешивания с топливом для производства обедненной топливно-воздушной смеси. Затем может быть осуществлен впрыск обедненной топливно-воздушной смеси в камеру горения для дополнительного сжигания, чтобы повысить температуру сгорания газов и увеличить термодинамический коэффициент полезного действия камеры сгорания.
x
[0005] Инжекторы с поздним впрыском обедненного топлива являются эффективными при повышении температуры сгорания газа без соответствующего увеличения производства NO. Тем не менее, топливо, впрыснутое в камеру горения через инжекторы с поздним впрыском обедненного топлива, как правило, имеет ограниченное время пребывания внутри трубок, для адекватного смешивания со сжатой рабочей текучей средой. Кроме того, вытекающая из трубок топливно-воздушная смесь создает условия внутри трубок, которые могут быть восприимчивы к локализованной стабилизации пламени. В результате, была бы полезна усовершенствованная система для подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания, чтобы улучшить смешивание топлива и рабочей текучей среды внутри трубок и/или уменьшить условия для стабилизации пламени.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] 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.
[0007] Один вариант выполнения настоящего изобретения представляет собой систему для подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания. Система содержит камеру горения и проточный патрубок, который в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры горения. Трубка обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через проточный патрубок и в камеру горения, причем трубка имеет осевую линию. Первый набор инжекторов расположен по окружности вокруг трубки и проходит под углом, в целом, радиально по отношению к осевой центральной линии трубки, причем первый набор инжекторов обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через стенку трубки.
[0008] Еще один вариант выполнения настоящего изобретения представляет собой систему для подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания, которая содержит камеру горения, жаровую трубу, которая окружает в окружном направлении по меньшей мере часть камеры горения, и проточный патрубок, который в окружном направлении окружает по меньшей мере часть жаровой трубы. Предусмотрена трубка, которая обеспечивает проточное сообщение через проточный патрубок и жаровую трубу в камеру горения, при этом трубка имеет наружную стенку, внутреннюю стенку, отстоящую в радиальном направлении от наружной стенки, и осевую линию. Первый набор инжекторов расположен по окружности вокруг трубки и проходит под углом, в целом, радиально по отношению к осевой центральной линии трубки, причем первый набор инжекторов обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через наружную стенку и внутреннюю стенку, и в трубку.
[0009] Настоящее изобретение также может содержать систему для подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания, которая содержит камеру горения, жаровую трубу, которая в окружном направлении окружает по меньшей мере часть камеры горения, и проточный патрубок, который в окружном направлении окружает по меньшей мере часть жаровой трубы. Трубка обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через проточный патрубок и жаровую трубу, и в камеру горения. Первый набор инжекторов обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через стенку трубки, причем первый набор инжекторов расположен под углом, в целом, в радиальном направлении относительно осевой центральной линии трубки. Второй набор инжекторов расположен ниже по потоку от первого набора инжекторов, при этом второй набор инжекторов обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через стенку трубки.
[0010] После ознакомления с настоящим описанием специалисты лучше поймут признаки и аспекты таких вариантов выполнения и других вариантов выполнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Полное и всестороннее раскрытие настоящего изобретения, в том числе лучший режим использования для специалистов, изложено более конкретно в следующей части описания, включая и ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
[0012] Фиг.1 представляет собой упрощенный продольный разрез иллюстративной газовой турбины;
[0013] Фиг.2 представляет собой упрощенный вид сбоку в аксонометрии части камеры сгорания, изображенного на Фиг.1 в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0014] Фиг.3 представляет собой увеличенный вид сбоку инжектора с поздним впрыском обедненного топлива, изображенного на Фиг.2; и
[0015] Фиг.4 представляет собой разрез инжектора с поздним впрыском обедненного топлива, изображенного на Фиг.3, по линии A-A.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Ниже описаны детали настоящих вариантов выполнения изобретения, один или несколько примеров которых проиллюстрированы 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. Используемые 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 «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к относительному расположению элементов в проходе 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 B расположен ниже по потоку от элемента A, если элемент B получает поток текучей среды от элементом A.
[0017] 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 объема или сущности изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта выполнения, могут быть использованы в другом варианте выполнения с получением еще одного варианта выполнения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение окружает все такие модификации и изменения, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквиваленты.
[0018] Различные варианты выполнения настоящего изобретения включают систему для подачи рабочей текучей среды в камеру сгорания. В целом, система содержит один или несколько инжекторов с поздним впрыском обедненного топлива, которые в окружном направлении расположены вокруг камеры горения для впрыска обедненной смеси топлива и рабочей текучей среды в камеру горения. Каждый инжектор с поздним впрыском обедненного топлива обычно содержит трубку, которая обеспечивает проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды в камеру сгорания, и один или несколько наборов инжекторов, расположенных по окружности вокруг трубки, которые обеспечивают проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды через трубку и в трубку. В конкретных вариантах выполнения топливный проход может окружать один или несколько наборов инжекторов, а топливные порты могут обеспечивать проточное сообщение для протекания топлива из топливного прохода в один или несколько наборов инжекторов. Несмотря на то, что иллюстративные варианты выполнения настоящего изобретения описаны, как правило, в контексте камеры сгорания, содержащегося в газовой турбине, специалисту 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.
[0019] Фиг.1 представляет собой упрощенный разрез иллюстративной газовой турбины 10, включающей один вариант выполнения настоящего изобретения. Как показано, газовая турбина 10 может содержать компрессор 12 спереди, один или несколько камер 14 сгорания, радиально расположенных вокруг середины, и турбину 16 сзади. Компрессор 12 и турбина 16 обычно имеют общий ротор 18, соединенный с генератором 20 для производства электричества.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] Турбина 16 может содержать чередующиеся ступени статорных лопаток 42 и вращающихся рабочих лопаток 44. Первая ступень статорных лопаток 42 перенаправляет и концентрирует 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 турбины, и процесс повторяется для следующих ступеней.
[0023] Фиг.2 представляет собой упрощенный вид в аксонометрии камеры 14 сгорания, изображенной на Фиг.1, выполненной в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как видно, камера 14 сгорания может содержать жаровую трубу 46, которая окружает в окружном направлении по меньшей мере часть камеры 38 горения, и проточный патрубок 48, который в окружном направлении окружает жаровую трубу 46, ограничивая кольцевой проход 50, который окружает жаровую трубу 46. Таким образом, сжатая рабочая текучая среды 22 может протекать из нагнетательной камеры 30 компрессора через кольцевой проход 50 вдоль внешней стороны жаровой трубы 46, обеспечивая конвективное охлаждение жаровой трубе 46 перед разворотом направления потока через топливные форсунки 34 (показано на Фиг.1) и в камеру 38 горения.
[0024] Камера 14 сгорания может дополнительно содержать несколько инжекторов 60 с поздним впрыском обедненного топлива, расположенных по окружности вокруг камеры 38 горения, чтобы подавать обедненную смесь топлива и сжатой рабочей текучей среды 22 в камеру 38. Каждый инжектор 60 с поздним впрыском обедненного топлива может обычно содержать трубку 62, которая обеспечивает проточное сообщение для протекания сжатой рабочей текучей среды 22 через проточный патрубок 48 и жаровую трубу 46 и в камеру 38. Как показано на Фиг.2, по меньшей мере часть трубки 62 может проходить радиально наружу из проточного патрубка 48.
[0025] Фиг.3 и 4 обеспечивают увеличенные виды инжектора 60 с поздним впрыском обедненного топлива, изображенного на Фиг.2, для иллюстрации различных признаков и комбинаций признаков, которые могут быть представлены в различных вариантах выполнения настоящего изобретения. В частности, Фиг.3 обеспечивает увеличенный вид в аксонометрии инжектора 60 с поздним впрыском обедненного топлива, изображенного на Фиг.2, а Фиг.4 показывает вид в поперечном разрезе инжектора 60 с поздним впрыском обедненного топлива, изображенного на Фиг.3, взятом вдоль линии А-А. Как показано на Фиг.3 и 4, трубка 62 инжектора 60 с поздним впрыском обедненного топлива может иметь наружную стенку 64, внутреннюю стенку 66 и осевую центральную линию 68. В конкретных вариантах выполнения наружная и внутренняя стенки 64, 66 могут быть отделены друг от друга в радиальном направлении, образуя между ними проход 70 для текучей среды.
[0026] Каждая трубка 62 может дополнительно содержать один или несколько наборов инжекторов, которые обеспечивают проточное сообщение через наружную и внутреннюю стенки 64, 66 и в трубку 62. Например, в конкретном варианте выполнения, показанном на Фиг.3 и 4, каждая труба 62 содержит первый и второй наборы инжекторов 72, 74, расположенных по окружности вокруг трубки 62, причем как первый, так и второй набор инжекторов 72, 74 обеспечивают проточное сообщение для протекания рабочей текучей среды 22 через наружную стенку 64 и внутреннюю стенку 66 и в трубку 62.
[0027] Топливная камера, трубка или другой тракт для текучей среды может поставлять топливо в инжекторы. Например, как показано наиболее ясно на Фиг.3, проточный патрубок 48 может содержать внутренний топливный проход 76, находящийся в проточном сообщении с каждой трубкой 62. В частности, как показано наиболее ясно на Фиг.3, топливный проход 76 может соединяться или проходить в проход 70 для текучей среды, расположенный между наружной и внутренней стенками 64, 66 так, что по меньшей мере часть топливного прохода 76 окружает по меньшей мере часть первого и/или второго набора инжекторов 72, 74. Таким образом, сжатая рабочая текучая среда 22, протекающая через первый и/или второй набор инжекторов 72, 74, может предварительно нагревать топливо, протекающее через топливный проход 76 и/или проход 70 для текучей среды. Как дополнительно показано на Фиг.3 и 4, первый набор инжекторов 72 может содержать один или несколько топливных портов 78, которые обеспечивают проточное сообщение из топливного прохода 76 в первый набор инжекторов 72. Таким образом, трубки 62 могут получать то же самое или другое топливо, чем то, которое поступает в топливные форсунки 34, и смешивать указанное топливо с частью сжатой рабочей текучей среды 22, протекающей через центр трубок 62. Получающаяся в результате обедненная смесь топлива и сжатой рабочей текучей среды 22 может затем поступать в камеру 38 горения для дополнительного сжигания для повышения температуры и, следовательно, коэффициента полезного действия камеры 14 сгорания.
[0028] Первый набор инжекторов 72 может быть наклонен в радиальном направлении и/или в осевом направлении относительно осевой центральной линии 68 трубки 62. В конкретных вариантах выполнения первый набор инжекторов 72 может быть наклонен в основном по касательной к внутренней стенке 66 трубки 62, как лучше всего показано на Фиг.4. Радиальная и/или осевая ориентации первого набора топливных инжекторов 74 по отношению к осевой центральной линии 70 может привести к одному или нескольким преимуществам, которые улучшают смешивание топлива и сжатой рабочей текучей среды 22 до впрыска этой смеси в камеру 38 горения. Например, радиальный и/или аксиальный угол между первым набором инжекторов 72 и осевой центральной линией 68 увеличивает длину, объем и/или площадь поверхности первого набора инжекторов 72 между наружной и внутренней стенками 64, 66 трубки 62. Это, в свою очередь, увеличивает теплоперенос из сжатой рабочей текучей среды 22, протекающей через первый набор инжекторов 72, к топливу, протекающему вокруг первого набора инжекторов 72. Кроме того, дополнительный объем в первом наборе инжекторов 72 увеличивает время пребывания топлива, протекающего в первом наборе инжекторов 72, что улучшает смешивание топлива и сжатой рабочей текучей среды 22, протекающей через первый набор инжекторов 72 до того, как оно достигло трубку 62 и впоследствии впрыснуто в камеру 38 горения. Радиальный и/или аксиальный угол первого набора инжекторов 72 по отношению к осевой центральной линии 68 может также спровоцировать образование вихрей в топливно-воздушной смеси, когда она протекает по трубке 62 и в камеру 38 горения. Завихренная смесь может уменьшить количество вихрей, созданных поздним впрыском обедненного топлива, а также обеспечить возможность проникновения топливно-воздушной смеси дальше в камеру 38 для улучшения смешивания с газообразными продуктами сгорания.
[0029] Как показано наиболее ясно на Фиг.3, второй набор инжекторов 74 может быть расположен ниже по потоку от первого набора инжекторов 72 и под углом в осевом направлении относительно осевой центральной линии 68 трубки 62. Таким образом, второй набор инжекторов 74 может обеспечивать слой, пленку или прокладку из сжатой рабочей текучей среды 22 вдоль внутренней стенки 66, для отделения внутренней стенки 66 от топливно-воздушной смеси, вытекающей из первого набора инжекторов 72 и проходящей в трубку 62. Слой, пленка или прокладка из сжатой рабочей текучей среды 22 вдоль внутренней стенки 66 уменьшает условия, способствующие стабилизации пламени и/или проскоку пламени внутри трубки 62.
x
[0030] Из представленного в настоящем документе подробного описания изобретения специалисту в данной области техники будет легко понять, что инжекторы 60 с поздним впрыском обедненного топлива, изображенные на Фиг.2, могут включать один или несколько признаков, описанных и проиллюстрированных более подробно на Фиг.3 и 4, причем варианты выполнения настоящего изобретения не ограничены любой комбинацией таких признаков, если это только конкретно не оговорено в формуле изобретения. Кроме того, в конкретных вариантах выполнения, изображенных и описанных со ссылкой на Фиг.1-4, также могут обеспечивать способ подачи рабочей текучей среды 22 в камеру 14 сгорания. Способ может включать пропускание рабочей текучей среды 22 из компрессора 12 через камеру 38 горения и отведение или пропускание части рабочей текучей среды 22 через инжекторы 60 с поздним впрыском обедненного топлива, расположенных по окружности вокруг камеры 38 горения. В конкретных вариантах выполнения способ может дополнительно включать закручивание по спирали и/или отведение в радиальном направлении части сжатой рабочей текучей среды 22 вокруг инжекторов 60 с поздним впрыском обедненного топлива и/или между наружной и внутренней стенками 64, 66 трубок 62 до осуществления впрыска в камеру 38. В качестве альтернативы или в дополнение, способ может включать осуществление впрыска части сжатой рабочей текучей среды 22 вдоль внутренней стенки 66 трубок 62. Различные признаки инжекторов 60 с поздним впрыском обедненного топлива, описанные в настоящем документе, могу, тем самым, повысить смешивание топлива и сжатой рабочей текучей среды 22 до осуществления впрыска в камеру 38, содействия снижению NO. Кроме того, различные варианты выполнения, описанные в настоящем документе, могут уменьшать условия, способствующие стабилизации пламени внутри трубок 62.
[0031] В настоящем описании для раскрытия изобретения используются примеры, включая наилучший режим, чтобы дать возможность любому специалисту использовать изобретение на практике, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые включенные способы. Объем охраны изобретения определяется формулой изобретения, и может включать другие примеры, которые очевидны специалистам. 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.