ТРУБЧАТАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ С УДАРНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
TUBULAR COMBUSTION CHAMBER WITH IMPACT COOLING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к трубчатым камерам сгорания. В частности, настоящее изобретение относится к трубчатым камерам сгорания с ударным охлаждением для газотурбинных двигателей.
Обзор состояния техники, к которой относится данное изобретение
x
Системы сгорания газовых турбин, использующие камеры сгорания трубчатого типа, зачастую характеризуются неравномерностью распределения воздушного потока. Проблемы, обусловленные такими аномалиями, имеют особо важное значение при разработке систем с низким выбросом NO. Достижение низких уровней оксидов азота в камерах сгорания тесно связано с температурой пламени и ее изменением на начальных участках зоны реакции. Температура пламени является функцией эффективного соотношения между топливом и воздухом в зоне реакции, которая зависит от рабочего соотношения между топливом и воздухом и степени перемешивания, достигаемой перед фронтом пламени. Очевидно, что на эти факторы влияют локальное применение топлива и сопутствующего воздуха и эффективность перемешивания. В системах впрыска правильной конструкции равномерное применение топлива, как правило, находится под контролем, однако локальное изменение воздушного потока в случае отсутствия специальных мер, направленных на устранение неравномерного распределения, зачастую не контролируется.
Для достижения существующих уровней оксидов азота, задаваемых инструкциями в некоторых регионах мира, требуется, чтобы нижний предел среднеквадратического отклонения эффективного соотношения между топливом и воздухом составлял порядка 10%. Стоимость разработки таких систем сгорания высока, но значительное влияние на нее может оказать правильный выбор конструкции. Среди изготовителей газовых турбин существуют разные подходы к конструкциям, представляющимся простыми, но зачастую оказывающимися сложными в разработке и дорогостоящими. Для дополнительного иллюстрирования этих фактов целесообразно рассмотреть известную трубчатую камеру сгорания с ударным охлаждением, схематически представленную на фиг.1.
Схематически представленная на фиг.1 трубчатая камера 10 сгорания включает в себя кожух 12, внутренний вкладыш 14 камеры сгорания, задающий границы зоны 16 горения и зоны 18 разбавления, являющихся очевидными для специалистов в данной области техники. Кроме того, камера 10 сгорания прототипа включает в себя рукав 20, имеющий отверстия 22 ударного охлаждения для направления охлаждающего воздуха к внешней поверхности вкладыша 14. Камера 10 выполнена так, что позволяет использовать разбавляющий воздух в качестве охлаждающегося воздуха до поступления разбавляющего воздуха в зону 18 разбавления через порты 24 разбавления. Воздух для горения протекает вдоль канала 26 непосредственно к лопаткам 28 завихрителя, где смешивается с топливом и затем подается в зону 16 горения для обеспечения процесса горения. На фиг.1 также показана зона или траектория 32 рециркуляции, создаваемая закрученной смесью воздуха с топливом и геометрической структурой трубы для обеспечения устойчивости процесса горения.
x
x
x
Конструкция представленного на фиг.1 типа может быть использована в простой камере сгорания с низким выбросом NO, где ударное охлаждение является более предпочтительным, чем пленочное охлаждение. В общем, использование пленочного охлаждения в этих камерах сгорания с низкой температурой пламени приводит к высоким уровням эмиссии угарного газа. Снизить такие высокие уровни позволяет внешнее ударное охлаждение жаровой трубы (вкладыша). Признак, изначально представляющийся привлекательным в иллюстрируемой конструкции, заключается в дополнительном использовании воздуха для ударного охлаждения в качестве разбавляющего воздуха. Однако в системах с эксплуатационным требованием высокой температуры на выходе в дополнение к низкому выбросу NO, поток воздуха в зоне завихрителя/реакции составляет значительную долю от общего воздушного потока, и поэтому воздушные потоки охлаждения и разбавления являются лимитированными. Следовательно, значительное преимущество для оптимизации условий протекания потоков в целом заключается в комбинировании этих потоков. При этом следует отметить, что даже в случае удовлетворительной аэродинамики воздушный поток в зоне завихрителя/реакции может подвергаться влиянию любой неравномерности распределения в поступающем потоке, а именно в воздушном канале 26. Влияние такой неравномерности распределения на соотношение между топливом и воздухом в зоне завихрителя/реакции и на выброс NO дополнительно усиливается в случае, когда падение давления в камере сгорания в целом должно быть низким.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Трубчатая камера сгорания для использования, например, в газотурбинном двигателе включает в себя в целом цилиндрический кожух, имеющий внутреннюю полость, ось, и закрытый конец оси, где закрытый конец оси включает в себя средство для ввода топлива во внутреннюю полость кожуха. Трубчатая камера сгорания также включает в себя в целом цилиндрический вкладыш камеры сгорания, который размещен коаксиально внутри кожуха и выполнен так, что в комбинации с кожухом позволяет задавать границы соответствующих радиально внешних каналов для протекания воздуха для горения и разбавляющего воздуха и соответствующих радиально внутренних полостей для зоны горения и зоны разбавления. Зона горения размещена по направлению оси со стороны закрытого конца кожуха, а зона разбавления удалена по направлению оси от закрытого конца кожуха. Кроме того, трубчатая камера сгорания включает в себя рукав ударного охлаждения, размещенный коаксиально между кожухом и вкладышем камеры сгорания и проходящий в направлении оси от закрытого конца кожуха практически по всей длине зоны горения. Рукав снабжен большим числом отверстий, которые имеют заданный размер и распределены так, что позволяют направлять воздух для горения к радиально внешней поверхности участка вкладыша камеры сгорания, задающего границы зоны горения, для ударного охлаждения. Фактически весь воздух для горения до поступления в зону горения протекает через отверстия ударного охлаждения.
Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание изобретения и составляют часть этого описания, иллюстрируют несколько примеров осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематическое поперечное сечение прототипа трубчатой камеры сгорания газовой турбины с ударным охлаждением; и
Фиг.2 - схематическое поперечное сечение трубчатой камеры сгорания газовой турбины с ударным охлаждением согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно настоящему изобретению, подробно описываемому в данном документе на примерах осуществления, трубчатая камера сгорания может включать в себя в целом цилиндрический кожух, имеющий внутреннюю полость, ось и закрытый конец оси. Закрытый конец оси может дополнительно включать в себя средство для ввода топлива во внутреннюю полость кожуха. В примере осуществления, описываемом со ссылками на фиг.2, трубчатая камера сгорания 100 включает в себя внешний кожух 112, имеющий внутреннюю полость 114, продольную ось 116 и закрытый конец 118 оси. Кожух 112 имеет в целом цилиндрическую форму относительно оси 116, но в соответствии с требованиями, предъявляемыми в случаях конкретного применения, может включать в себя секции конической и/или ступенчатой формы различного диаметра.
Закрытый или "головной" конец 118 включает в себя средство, в целом определяемое позицией 120, для ввода топлива во внутреннюю полость 114 кожуха. В примере осуществления, иллюстрируемом на фиг.2, средство ввода топлива включает в себя большое число патрубков 122, каждый из которых имеет выходное отверстие и функционально связан с источником 124 топлива. Средство 120 ввода топлива, представленное на фиг.2, предназначено для ввода газообразного топлива (например, природного газа), однако в других случаях применения возможно использование и жидкостного топлива или газообразного и жидкостного топлива. В общем, в некоторых случаях применения использование жидкостного топлива может быть сопряжено с необходимостью наличия инжектора с атомизацией топлива, такого как "воздуходувные" сопла (не показаны), известные специалистам в данной области техники.
x
Со стороны головного конца 118 камеры 100 сгорания также размещено большое число лопаток 126 завихрителя, обеспечивающих закручивание воздуха для горения, поступающего во внутреннюю полость 114. Лопатки 126 предназначены для создания большого числа отдельных каналов для протекания воздуха для горения. В предпочтительном варианте подобное большое число патрубков 122 размещено вверх по течению от лопаток 126 и предназначено для направления топлива на вход соответствующих каналов для обеспечения перемешивания и горения с низким выбросом NO. Патрубки 122 могут также исполнять функцию измерения количества топлива, поступающего в зону 140 горения.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, подробно описываемому в данном документе на примерах осуществления, трубчатая камера сгорания может включать в себя в целом цилиндрический вкладыш камеры сгорания, который размещен коаксиально внутри кожуха и выполнен так, что в комбинации с кожухом позволяет задавать границы соответствующих радиально внешних каналов для протекания воздуха для горения и разбавляющего воздуха. Вкладыш камеры сгорания может быть также выполнен так, чтобы задавать границы соответствующих радиально внутренних полостей для зоны горения и зоны разбавления. Зона горения может быть размещена по направлению оси со стороны закрытого конца кожуха, а зона разбавления может быть удалена по направлению оси от закрытого конца кожуха.
В примере осуществления, описываемом со ссылками на фиг.2, камера 100 сгорания включает в себя вкладыш 130 камеры сгорания, размещенный внутри кожуха 112 в целом концентрически относительно оси 116. Вкладыш 130 может иметь заданный размер и может быть выполнен так, чтобы задавать границы соответствующих внешнего канала 132 для протекания воздуха для горения и канала 134 для протекания разбавляющего воздуха. В примерах осуществления, иллюстрируемых на фиг.2, канал 134 для разбавляющего воздуха включает в себя большое число портов 136 разбавления, распределенных по окружности вкладыша 130.
В комбинации с внутренней полостью 114 кожуха вкладыш 130 также задает границы зоны 140 горения, размещенной по направлению оси со стороны закрытого конца 118 кожуха, в которой происходит воспламенение закрученной смеси воздуха для горения и топлива, и образуются горячие газообразные продукты сгорания. Вкладыш 130 выполнен так, что в комбинации с закрытым концом 118, включающим в себя лопатки 126 завихрителя, обеспечивает устойчивую рециркуляцию по области или траектории 144 в зоне 140 горения известным специалистам в данной области техники образом. Кроме того, в комбинации с внутренней полостью 114 кожуха вкладыш 130 задает границы зоны 142 разбавления, в которой газообразные продукты сгорания смешиваются с разбавляющим воздухом из канала 134, поступающим через порты 136 разбавления, для снижения температуры газообразных продуктов сгорания, таких как используемые при расширении для создания работы в турбине (не показано).
Кроме того, согласно настоящему изобретению, подробно описываемому в данном документе на примерах осуществления, трубчатая камера сгорания может дополнительно включать в себя рукав ударного охлаждения, размещенный коаксиально между кожухом и вкладышем камеры сгорания и проходящий в направлении оси от закрытого конца кожуха практически по всей длине зоны горения. Рукав ударного охлаждения может быть снабжен большим числом отверстий, которые имеют заданный размер и распределены так, что обеспечивают направление воздуха для горения к радиально внешней поверхности участка вкладыша камеры сгорания, задающего границы зоны горения, для ударного охлаждения.
В примере осуществления, описываемом со ссылками на фиг.2, рукав 150 ударного охлаждения представлен в виде размещенного коаксиально между кожухом 112 и вкладышем 130. Рукав 150 ударного охлаждения проходит по направлению оси от участка со стороны закрытого конца 118 к участку со стороны портов 136 разбавления вверх по течению осевого потока газообразных продуктов сгорания. Рукав 150 включает в себя большое число отверстий 152 ударного охлаждения, распределенных по окружности рукава 150 и предназначенных для направления воздуха для горения из канала 132 к внешней поверхности вкладыша 130 вблизи зоны 140 горения.
x
x
При этом в примерах осуществления, иллюстрируемых на фиг.2, фактически весь воздух для горения, поступающий, в конечном счете, в зону 140 горения, вначале проходит через отверстия 152 рукава 150 ударного охлаждения для обеспечения охлаждения, т.е. весь, за исключением возможно неизбежной утечки. Воздух для горения может составлять приблизительно 45-55% от общего объема воздуха, подаваемого в трубчатую камеру сгорания (воздух для горения плюс разбавляющий воздух) для конструкций с низким выбросом NO. Падение давления вдоль рукава 150 позволяет существенно уменьшить разность скоростей потока по окружности канала 132а непосредственно вверх по течению от лопаток 120 завихрителя и, таким образом, обеспечивает более равномерное распределение потока для работы с низким выбросом NO.
Кроме того, предпочтительным является использование небольшого количества охлаждающего воздуха, предназначенного для ударного охлаждения, для пленочного охлаждения в местном масштабе горячих участков головного конца камеры сгорания и/или участков вкладыша камеры сгорания со стороны головного конца. Как показано схематично на фиг.2, закрытый конец 118 может быть снабжен одной или более щелями 160 пленочного охлаждения, в которые подается воздух для горения, уже прошедший через отверстия 152 ударного охлаждения, но, как правило, все еще обладающий некоторой охлаждающей способностью. Воздух, используемый для пленочного охлаждения в примерах осуществления, иллюстрируемых на фиг.2, (приблизительно 8% от воздуха для горения), в конечном счете, поступает в зону 140 горения и поэтому может участвовать в процессе горения топлива. Более того, вследствие относительно небольшого количества воздуха, используемого для пленочного охлаждения, и в целом устойчивой траектории 144 рециркуляции, создаваемой в трубчатой камере 100 сгорания, использование небольшого количества воздуха для пленочного охлаждения не будет оказывать заметного влияния на траекторию 144 рециркуляции или приводить к заметному повышению уровня эмиссии угарного газа (СО).
В другом предпочтительном варианте изобретения рукав 150 ударного охлаждения вблизи отверстий 152 может иметь форму осесимметричного конуса, который с увеличением диаметра в сторону закрытого (головного) конца 118 приобретает форму усеченного конуса (показанного пунктиром на фиг.2). В любом случае конец 154 рукава должен быть выполнен так, чтобы предотвратить утечку воздуха для горения/охлаждающего воздуха из канала протекания разбавляющего воздуха после прохождения воздуха для горения через отверстия 152 ударного охлаждения.
x
Как следствие признаков трубчатой камеры сгорания, описываемой выше, и в дополнение к преимуществу более равномерного воздушного потока, направляемого на лопатки завихрителя, рассмотренному ранее, трубчатая камера сгорания может обеспечивать более равномерное предварительное перемешивание с помощью лопаток завихрителя и, следовательно, более высокое эффективное соотношение между топливом и воздухом для требуемого NO. Кроме того, описываемая выше трубчатая камера сгорания с учетом обеспечения траектория более устойчивой рециркуляции может обеспечивать более высокий запас устойчивого горения и минимизацию температурных отклонений ("разброса") в продуктах сгорания, направляемых на турбину. Наконец, трубчатая камера сгорания, раскрытая выше, позволяет также максимально повысить требования, предъявляемые к охлаждающему воздуху, и обеспечить минимальные температуры металла стенки вкладыша.
Специалистам в данной области техники очевидно, что в раскрытую трубчатую камеру сгорания с ударным охлаждением могут быть внесены различные изменения и дополнения, не выходящие за пределы принципов изобретения, содержащихся в данном документе. Примеры осуществления станут очевидными специалистам в данной области техники из рассмотрения этого описания изобретения и практики использования раскрытого устройства, однако следует понимать, что описание изобретения и примеры носят исключительно иллюстративный характер, и что истинный объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.