Камера сгорания (варианты)
COMBUSTION CHAMBER (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к системе и способу подачи рабочей топливной текучей среды в камеру сгорания. В конкретных вариантах выполнения центральная топливная форсунка может подавать обедненную топливно-воздушную смесь в камеру сгорания.
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 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 смешивается с топливом перед поступлением в камеру сгорания, где топливно-воздушная смесь воспламеняется в первичной зоне реакции для создания газообразных продуктов сгорания, имеющих высокую температуру и давление. Газообразные продукты сгорания протекают через переходной патрубок и в турбину, где они расширяются 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 камеры сгорания влияют различные конструктивные и эксплуатационные параметры. Например, высокие температуры сгорания газа в целом улучшают термодинамический КПД 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 обедненная топливно-воздушная смесь может протекать в камеру горения во вторичную зону реакции, где продукты сгорания, поступившие из первичной зоны реакции, воспламеняют обедненную топливно-воздушную смесь. Дополнительное сгорание обедненной топливно-воздушной смеси повышает температуру сгорания газов и увеличивает термодинамический КПД камеры сгорания.
X
[0005] Несмотря на то, что расположенные по окружности инжекторы с поздним впрыском обедненного топлива являются эффективными, с точки зрения повышения температур газообразных продуктов сгорания, без получения соответствующего увеличения объема выбросов NO, жидкое топливо, подаваемое к инжекторам с поздним впрыском обедненного топлива, часто приводит к чрезмерному коксованию в топливных проходах. Кроме того, доставка обедненной топливно-воздушной смеси в камеру горения в окружном направлении также может создавать локализованные горячие полосы вдоль внутренней поверхности камеры горения и переходного патрубка, что снижает нижний предел усталостного цикла для этих компонентов. В результате была бы полезна камера сгорания, которая могла бы подавать как жидкое, так и газообразное топливо для горения с поздним впрыском обедненного топлива без образования локализованных горячих полос вдоль внутренней поверхности камеры горения и переходного патрубка.
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 камеру сгорания, которая содержит камеру горения, которая задает продольную ось. Первичная зона реакции находится в камере горения, а вторичная зона реакции находится внутри камеры горения ниже по потоку от первичной зоны реакции. Центральная топливная форсунка проходит по оси внутри камеры горения до вторичной зоны реакции, при этом несколько инжекторов для текучей среды расположено по окружности внутри центральной топливной форсунки ниже по потоку от первичной зоны реакции. Каждый инжектор для текучей среды задает дополнительную продольную ось в наружном направлении от центральной топливной форсунки, которая по существу перпендикулярна продольной оси камеры горения.
[0008] Еще один вариант выполнения настоящего изобретения представляет собой камеру сгорания, которая содержит несколько топливных форсунок и камеру горения, расположенную ниже по потоку от указанных топливных форсунок, при этом камера горения задает продольную ось. Первичная зона реакции расположена внутри камеры горения вблизи указанных топливных форсунок, а вторичная зона реакции расположена внутри камеры горения ниже по потоку от первичной зоны реакции. Центральная топливная форсунка проходит по оси внутри камеры горения через первичную зону реакции, а несколько инжекторов текучей среды расположено по окружности внутри центральной топливной форсунки ниже по потоку от первичной зоны реакции. Каждый инжектор текучей среды задает дополнительную продольную оси в наружном направлении от центральной топливной форсунки, которая по существу перпендикулярна продольной оси камеры горения.
[0009] В еще одном варианте выполнения камера сгорания содержит торцевую крышку, которая проходит в радиальном направлении по меньшей мере через часть камеры сгорания, и несколько топливных форсунок, расположенных радиально в торцевой крышке. Камера горения, расположенная ниже по потоку от торцевой крышки, задает продольную ось. Первичная зона реакции расположена внутри камеры горения смежно с топливными форсунками, причем по меньшей мере одна топливная форсунка проходит в осевом направлении внутри камеры горения ниже по потоку от первичной зоны реакции. Внутри указанной по меньшей мере одной топливной форсунки расположено по окружности несколько инжекторов для текучей среды ниже по потоку от первичной зоны реакции, при этом каждый инжектор для текучей среды задает дополнительную продольную ось в наружном направлении от указанной по меньшей мере одной топливной форсунки, которая по существу перпендикулярна продольной оси камеры горения.
[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 вид сбоку в разрезе иллюстративной газовой турбины;
[0013] Фиг.2 представляет собой увеличенный вид сбоку в частичном разрезе камеры сгорания, изображенной на Фиг.1, в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0014] Фиг.3 представляет собой увеличенный вид сбоку в разрезе части центральной топливной форсунки, изображенной на Фиг.2;
[0015] Фиг.4 представляет собой увеличенный вид сбоку в частичном разрезе камеры сгорания, изображенной на Фиг.1, в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения;
[0016] Фиг.5 представляет собой увеличенный вид сбоку в разрезе части центральной топливной форсунки, изображенной на Фиг.4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Ниже подробно описаны варианты выполнения настоящего 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 А расположен выше по потоку от элемента В, если текучая среда течет от элемента А к элементу В. Напротив, элемент В расположен ниже по потоку от элемента А, если элемент В получает поток текучей среды от элементом А.
[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 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 охватывает все такие модификации и изменения, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквиваленты.
[0019] Различные варианты выполнения настоящего изобретения включают камеру сгорания и способ подачи топлива в камеру сгорания. Камера сгорания обычно содержит камеру горения с первичной зоной реакции и вторичной зоной реакции, расположенной ниже по потоку от первичной зоны реакции. Центральная топливная форсунка проходит по оси внутри камеры горения, а несколько инжекторов для текучей среды расположено по окружности внутри центральной топливной форсунки ниже по потоку от первичной зоны реакции. Каждый инжектор для текучей среды задает продольную ось в наружном направлении от центральной топливной форсунки, которая по существу перпендикулярна продольной оси камеры горения. В конкретных вариантах выполнения камера сгорания может дополнительно содержать один или несколько проходов для топлива и/или текучей среды, которые обеспечивают инжекторы для текучей среды топливом и/или рабочей текучей средой. Несмотря на то, что иллюстративные варианты выполнения настоящего изобретения описаны, как правило, в контексте камеры сгорания, содержащейся 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.
[0020] Фиг.1 представляет собой упрощенный разрез иллюстративной газовой турбины 10, включающей различные варианты выполнения настоящего изобретения. Как показано, газовая турбина 10 может в целом содержать компрессор 12 спереди, одну 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.
[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 размещения 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 выпускного прохода 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 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.
[0024] Фиг.2 представляет собой увеличенный вид сбоку и в частичном разрезе камеры 14 сгорания, изображенной на Фиг.1, выполненной в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как видно, корпус 32 камеры сгорания и торцевая крышка 36 ограничивают внутри камеры 14 сгорания объем 50, также известный как головная часть, а жаровая труба 52 охватывает в окружном направлении и ограничивает по меньшей мере часть камеры 38 горения. Проточный патрубок 54 может охватывать в окружном направлении по меньшей мере часть камеры 38 горения, ограничивая внутренний кольцевой канал 56 между жаровой трубой 52 и проточным патрубком 54, и внешний кольцевой канал 58 между проточным патрубком 54 и корпусом 32. Таким образом, большая часть сжатой рабочей текучей среды 22 может протекать из компрессора 12 через внутренний кольцевой канал 56, обеспечивая конвективное охлаждение жаровой трубы 24. Когда сжатая рабочая текучая среда 22 достигает головной части или объема 50, сжатая рабочая текучая среды 22 меняет свое направление потока для протекания через топливные форсунки 34 и в камеру 38 горения.
[0025] Корпус 32 камеры сгорания может содержать несколько кольцевых секций, которые облегчают сборку и/или компенсируют тепловое расширение во время работы. Например, как показано в конкретном варианте выполнения, изображенном на Фиг.2, корпус 32 камеры сгорания может содержать первый кольцевой корпус 60, прилегающий к торцевой крышке 36, и второй кольцевой корпус 62, расположенный выше по потоку от первого кольцевого корпуса 60. Для обеспечения соединения или стыка 66 между первым и вторым кольцевыми корпусами 60, 62 зажим, сварной шов и/или несколько болтов 64 могут охватывать в окружном направлении камеру 14 сгорания.
[0026] В конкретных вариантах выполнения фланец 70 может проходить в радиальном направлении между первым и вторым кольцевыми корпусами 60, 62, при этом фланец 70 может содержать один или несколько внутренних проходов для текучей среды, которые обеспечивают проточное сообщение через соединение 66. Например, фланец 70 может содержать топливный проход 72, который проходит в радиальном направлении через корпус 32 для обеспечения проточного сообщения через корпус 32 к внутреннему кольцевому каналу 56. Несколько лопаток 74 могут охватывать в окружном направлении камеру 38 горения и проходить в радиальном направлении в кольцевой канал 56 для направления потока сжатой рабочей текучей среды 22. В конкретных вариантах выполнения лопатки 74 могут быть расположены под углом, чтобы придавать завихрение сжатой рабочей текучей среде 22, проходящей через внутренний кольцевой канал 56. Фланец 70 может быть соединен с одной или несколькими лопатками 74, а топливный проход 72 может проходить внутрь одной или нескольких лопаток 74 так, чтобы топливо могло проходить через четвертичные топливные отверстия 76 в лопатках 74 для смешивания со сжатой рабочей текучей средой 22, протекающей через внутренний кольцевой канал 56. В качестве альтернативы или в дополнение, фланец 70 может содержать проход 78 для разбавителя, который обеспечивает проточный путь для протекания сжатой рабочей текучей среды 22 из внешнего кольцевого прохода 58 в топливные форсунки 34 или вокруг них перед протеканием в камеру 38 горения.
[0027] Как показано на Фиг.2, топливно-воздушная смесь, поступающая в камеру 38 горения, воспламеняется в первичной зоне 80 реакции вблизи топливных форсунок 34. Кроме того, по меньшей мере одна топливная форсунка, такая как центральная топливная форсунка 84, изображенная на Фиг.2, проходит по оси внутри камеры 38 горения через первичную зону 80 реакции до вторичной зоны 82 реакции. Различные комбинации проходов для топлива и/или текучей среды могут проходить по оси внутри центральной топливной форсунки 84. Например, как показано в данном конкретном варианте выполнения, изображенном на Фиг.2, источник 86 газообразного топлива может быть подсоединен к проходу 88 для газообразного топлива, проходящему по оси внутри центральной топливной форсунки 84, и/или источник 90 жидкого топлива может быть подсоединен к проходу 92 для жидкого топлива, проходящему в осевом направлении внутри центральной топливной форсунки 84. В качестве альтернативы или в дополнение, первый и/или второй проходы 94, 96 для текучей среды могут проходить по оси внутри центральной топливной форсунки 84. Сжатая рабочая текучая среда 22, которая протекает через внутренний кольцевой канал 56 в головную часть 50, может изменить направление своего течения на обратное и протекать в первый проход 94 для текучей среды. Кроме того, более холодная и имеющая более высокое давление сжатая рабочая текучая среда 22, которая проходит через наружный кольцевой канал 58, может протекать через проход 78 для разбавителя и во второй проход 96 для текучей среды.
[0028] Фиг.3 представляет собой увеличенный вид сбоку в разрезе части центральной топливной форсунки 84, изображенной на Фиг.2. Как показано на Фиг.2 и 3, несколько инжекторов 100 для текучей среды расположено по окружности внутри центральной топливной форсунки 84 ниже по потоку от первичной зоны 80 реакции, при этом каждый инжектор 100 задает продольную ось 102 по существу перпендикулярно продольной оси 104, ограниченной камерой 38 горения. Как показано наиболее четко на Фиг.3, сжатая рабочая текучая среда 22, протекающая через первый проход 94, может сливаться с инжектором 100. Кроме того, более холодная и находящаяся при более высоком давлении сжатая рабочая текучая среда 22, протекающая через второй проход 96, может обтекать инжекторы 100 и вдоль расположенной ниже по потоку поверхности 106 центральной топливной форсунки 84 для конвективного охлаждения расположенной ниже по потоку поверхности 106, также до слияния с инжекторами 100. Сжатая рабочая текучая среда 22 может затем проходить через инжекторы 100, по существу перпендикулярно потоку газообразных продуктов сгорания в камере 38 горения, для усиления перемешивания между сжатой рабочей текучей средой 22 и газообразными продуктами сгорания, для резкого охлаждения газообразных продуктов сгорания ниже по потоку от первичной зоны 80 реакции.
[0029] При желании, для повышения температуры газообразных продуктов сгорания газообразное и/или жидкое топливо может подаваться через, соответственно, проходы 88, 92 для газообразного и жидкого топлива. Как показано наиболее ясно на Фиг.3, по меньшей мере часть прохода 88 для газообразного топлива может охватывать в окружном направлении один или несколько инжекторов 100, а несколько топливных отверстий 110 может обеспечивать проточное сообщение между проходом 88 для газообразного топлива и одним или несколькими инжекторами 100 внутри центральной топливной форсунки 84. В качестве альтернативы или в дополнение, несколько топливных отверстий 112 могут обеспечивать проточное сообщение между проходом 92 для жидкого топлива и одним или несколькими инжекторами 100 внутри центральной топливной форсунки 84. Таким образом, газообразное и/или жидкое топливо может смешиваться со сжатой рабочей текучей средой 22, подаваемой по первому и/или второму проходу 94, 96 внутри инжекторов 100 для создания обедненной топливно-воздушной смеси. Инжекторы 100 могут затем осуществлять впрыск обедненной топливно-воздушной смеси по существу перпендикулярно потоку газообразных продуктов сгорания в камере 38 горения, для усиления перемешивания между обедненной топливно-воздушной смесью и газообразными продуктами сгорания, при этом газообразные продукты сгорания воспламеняют обедненную топливно-воздушную смесь во вторичной зоне 82 реакции для повышения температуры сгорания газа. Кроме того, впрыск обедненной топливно-воздушной смеси из центральной топливной форсунки 84 позволяет избежать образования локализованных горячих полос вдоль внутренней поверхности камеры 38 горения и переходного патрубка 40.
[0030] На Фиг.4 показан увеличенный вид сбоку и в частичном разрезе камеры 14 сгорания, изображенной на Фиг.1, в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения, а на Фиг.5 показан увеличенный вид сбоку в разрезе части центральной топливной форсунки 84, изображенной на Фиг.4. Как показано на Фиг.4, камера 14 сгорания снова содержит корпус 32, топливные форсунки 34, жаровую трубу 52, проточный патрубок 54 и внутренний кольцевой канал 56, как описано выше в отношении варианта выполнения, изображенного на Фиг.2. Кроме того, центральная топливная форсунка 84 снова проходит внутри камеры 38 горения через первичную зону 80 реакции и содержит проходы 88, 92 для газообразного и жидкого топлива, инжекторы 100 и топливные отверстия 110, 112, как описано выше. В этом конкретном варианте выполнения, как показано наиболее ясно на Фиг.5, несколько отверстий 114 для текучей среды через расположенную ниже по потоку поверхность 106 находятся в проточном сообщении с первым проходом 94 для текучей среды. В результате, часть сжатой рабочей текучей среды 22, протекающей через первый проход 94, может проходить через отверстия 114 для текучей среды для обеспечения эффузионного охлаждения расположенной ниже по потоку поверхности 106 центральной топливной форсунки 84.
X
[0031] Специалисту в данной области техники из представленных в настоящем документе идей будет понятно, что различные варианты выполнения, изображенные и описанные со ссылкой на Фиг.2-5, также могут обеспечивать способ подачи топлива в камеру 14 сгорания. Способ может включать, например, подачу по меньшей мере либо жидкого, либо газообразного топлива через центральную топливную форсунку 84, проходящую по оси внутри камеры 38 горения через первичную зону 80 реакции. Кроме того, способ может включать смешивание жидкого и/или газообразного топлива с рабочей текучей средой 22 внутри центральной топливной форсунки 84 для создания обедненной топливно-воздушной смеси, и осуществление впрыска топливно-воздушной смеси по существу перпендикулярно потоку газообразных продуктов сгорания через камеру 38 горения. В конкретных вариантах выполнения первый проход 94 может обеспечивать проточное сообщение между внутренним кольцевом каналом 56 и одним или несколькими инжекторами 100 внутри центральной топливной форсунки 84, и/или второй проход 96 может обеспечивать проточное сообщение между внешним кольцевым проходом 58 и одним или несколькими инжекторами 100 внутри центральной топливной форсунки 84. В результате, описанные в настоящем документе различные варианты выполнения могут подавать жидкое и/или газообразное топливо для горения обедненной смеси с поздним впрыском для повышения коэффициента полезного действия камеры 14 сгорания, не создавая соответствующего увеличения выбросов NO. Кроме того, различные описанные в настоящем документе варианты выполнения, позволяют избежать создания локализованных горячих полос вдоль внутренней части камеры 38 горения и переходного патрубка 40, что может снизить нижний предел усталостного цикла для этих компонентов.
[0032] 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 ограничивается 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.