RU2243449C2 - Камера сгорания с делителем струи сжатого воздуха - Google Patents

Abstract

Камера сгорания для газовой турбины содержит топливный инжектор, центральный корпус, содержащий кольцевой корпус и имеющий ось симметрии, делитель и удлинитель делителя, содержащий расширяющуюся предшествующую часть, расширяющуюся последующую часть и промежуточную часть, проходящую между предшествующей частью и последующей частью. Предшествующая часть присоединена к концу задней кромки делителя растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии. Топливный инжектор расположен в центральном корпусе. Делитель растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии содержит предшествующую сторону и последующую сторону. Последующая сторона суживается в сторону оси симметрии центрального корпуса. Камера сгорания содержит внешнюю центробежную форсунку, конфигурированную для введения воздушного потока в указанную камеру сгорания извне в делитель растопочного факела струи сжатого воздуха. Длина удлинителя делителя конфигурирована с возможностью отделения указанного внешнего потока воздуха от впрыскиваемого в осевом направлении потока распыленного топлива. Изобретение повышает полноту сгорания топлива, сохраняя при этом низкий уровень выброса монооксида углерода, углеводородов и дыма. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Данное изобретение относится к камерам сгорания, более конкретно к камерам сгорания газовой турбины.

В результате все более ужесточающихся требований в отношении загрязнения воздуха в странах и в мире стали действовать более строгие нормы относительно выбросов в воздух. Соблюдение норм выбросов в авиации контролируется Управлением защиты окружающей среды (УЗОС) и Международной организацией гражданской авиации. Эти нормы регулируют выброс оксидов азота (NOx), несгоревших углеводородов (НС) и монооксида углерода (СО) из самолетов вблизи аэропортов, где они являются одним из факторов создания фотохимического смога в больших городах. Большинство авиадвигателей могут соблюдать действующие нормы выброса с помощью технологий камеры сгорания и теорий, оправдавших себя за последние 50 лет развития авиадвигателей. Но с ростом экологических требований во всем мире нет гарантий того, что в будущем нормы выброса будут оставаться в пределах возможностей нынешних технологий камеры сгорания. Для более строгих норм будут необходимы новые конструкции и технологии.

В общем, эти выбросы подразделяются на два класса: выбросы, образуемые в результате высоких температур пламени (NOx); и выбросы, образуемые в результате низких температур пламени, которые препятствуют протеканию реакции "топливо-воздух" до ее завершения (НС и СО). Имеется небольшой интервал, в котором количество обоих загрязнителей сводится к минимуму. Чтобы сделать этот интервал эффективным, реагенты необходимо хорошо смешать, чтобы горение происходило ровно по всей смеси без участков местного перегрева, где образуются NOx, или участков местного недогрева, где образуются СО и НС. Участки местного перегрева образуются в тех случаях, когда топливовоздушная смесь приближается к определенному соотношению, при котором реагирует все топливо и весь воздух (т.е. в продуктах несгоревшие топливо или воздух отсутствуют). Эта смесь называется стехиометрической. Участки местного недогрева возникают, если в продукции присутствует избыток воздуха (т.н. сжигание обедненной топливной смеси), или избыток топлива (т.н. сжигание обогащенной смеси).

Современные камеры сгорания газовых турбин содержат от 10 до 30 смесителей, которые перемешивают поступающий с высокой скоростью воздух с тонко распыленным топливом. Эти смесители обычно содержат единый источник впрыска топлива, расположенный в центре устройства, выполненного с возможностью завихрять поступающий воздух в целях улучшения стабилизации пламени и смешивания. И топливный инжектор, и смеситель расположены на куполе камеры сгорания. Как правило, соотношение топлива к воздуху в смесителе богатое. Поскольку общее соотношение компонентов топливовоздушной смеси в камерах сгорания газовых турбин бедное, дополнительный воздух вводят через дискретные отверстия разбавления до выхода из камеры сгорания. Плохое смешивание и участки местного перегрева могут иметь место как у купола, где впрыскиваемое топливо должно испаряться и смешиваться до осуществления горения, так и вблизи отверстий разбавления, где воздух добавляют к богатой смеси купола. Если они сконструированы должным образом, то купольные камеры сгорания с богатой смесью являются очень стабильными устройствами с широкими пределами воспламеняемости и могут давать выбросы с низким содержанием НС и СО, и приемлемые выбросы NOx. Однако в отношении камер сгорания с куполом с богатой смесью имеется некоторое значительное ограничение, поскольку богатая смесь купола должна пройти через стехиометрические или образующие максимальное количество NOx участки перед тем, как выйти из камеры сгорания. Это обстоятельство тем более важно, что по мере увеличения рабочей степени сжатия (РСС) современных газовых турбин в целях повышения термического кпд и компактности, значения температуры и давления на входе в камеру сгорания значительно повышают степень образования NOx. При ужесточении требований норм выброса и с ростом РСС обычные камеры сгорания с куполом с обогащенной смесью вряд ли смогут отвечать таким образом поставленной задаче.

Камеры сгорания с куполом с бедной смесью потенциально могут решить некоторые из этих проблем. Одна из таких современных конструкций камеры сгорания с куполом с бедной смесью называется двойной кольцевой камерой сгорания (ДККС), поскольку содержит два смесителя, размещенных радиально друг над другом на каждой топливной форсунке и выглядящих как два кольца, если смотреть на них спереди камеры сгорания. Дополнительный ряд смесителей позволяет учитывать в конструкции работу при разных условиях. При работе в режиме малого газа топливом запитывают внешний смеситель, который выполнен с возможностью эффективной работы в условиях режима малого газа. В более интенсивных режимах оба смесителя запитывают топливом, причем основную часть топлива и воздуха подают во внутреннее кольцо, которое выполнено с возможностью действовать наиболее эффективно и давать меньшее количество выбросов в более интенсивных режимах. Эта конструкция представляет собой компромисс между низким содержанием NOx и СО/НС. Несмотря на то, что смесители сконструированы для обеспечения оптимальной работы с каждым куполом, граница между куполами гасит реакцию СО в обширной области, что делает содержание СО в этих конструкциях выше, чем в аналогичных однокольцевых камерах сгорания с куполом с обогащенной смесью (ОККС). Тем не менее, эта конструкция является довольно успешной, эксплуатируется уже в течение нескольких лет, и представляет собой превосходный компромисс между показателями выброса в режиме малого газа и высоким содержанием NOx в более интенсивных режимах работы.

Другие конструкции последнего времени в некоторой мере решают описанные выше проблемы с помощью новой концепции камеры сгорания с куполом с бедной смесью. Вместо отделения друг от друга ступени растопочного факела и основной ступени в отдельных куполах и создания значительной зоны гашения СО в области перехода, смеситель содержит концентрические, но явно выраженные воздушные потоки в устройстве: воздушный поток растопочного факела и основной воздушный поток. Однако одновременное управление выбросом СО/НС и дыма в режиме малого газа в этих конструкциях затруднено, поскольку увеличение смешения топлива с воздухом нередко приводит к высоким выбросам СО/НС, и наоборот. Завихрение основного потока воздуха естественно стремится унести пламя растопочного факела и погасить его. Чтобы предотвратить унос распыленного топлива в основной поток воздуха, растопочный факел устанавливает распыление под узким углом. Это дает пламя с длинной струей, характерное для потока с низким индексом завихрения. Такой растопочный факел дает большие значения выброса дыма, монооксида углерода и углеводородов и имеет низкую стабильность.

В соответствии с приводимым в качестве примера вариантом реализации данного изобретения камера сгорания работает со значительной полнотой сгорания и дает низкие значения выброса монооксида углерода, углеводородов и дыма. Камера сгорания содержит топливный инжектор для впрыска топлива в камеру сгорания, делитель растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии, который содержит последующую сторону, суживающуюся в сторону оси симметрии центрального корпуса, и удлинитель делителя. Удлинитель делителя содержит расходящуюся предшествующую часть, соединенную с делителем растопочного факела, расширяющуюся последующую часть и промежуточную часть, проходящую между предшествующей частью и последующей частью.

Удлинитель делителя повышает индекс эффективного завихрения потока растопочного факела для внутреннего и внешнего угла лопатки. Повышенный индекс эффективного завихрения создает более интенсивную собственную зону рециркуляции. Рециркуляционный газ обеспечивает кислород для завершения сгорания в воронке обогащенного топливом растопочного факела, обеспечивает интенсивное перемешивание и высокую скорость сгорания, и выжигает сажу, образуемую в пламени. Удлинитель делителя обеспечивает пламя стабилизированного завихрения с меньшими углами лопатки. Удлинитель делителя также уменьшает скорость топлива растопочного факела, впрыскиваемого в камеру сгорания, и скорость внутреннего воздушного потока растопочного факела. Меньшие значения скорости улучшают смешение топлива и воздуха, и увеличивают время нахождения топлива в пламени. Также посредством удлинителя делителя уменьшают унос и перенос топлива во внешнем потоке воздуха растопочного факела. Наконец, удлинитель делителя физически задерживает смешивание внутреннего и внешнего потоков воздуха растопочного факела, в результате чего такое смешивание является менее интенсивным по причине низкой скорости воздушных потоков растопочного факела на выходе удлинителя делителя. Таким образом обеспечивают камеру сгорания, которая обеспечивает хорошую полноту сгорания и при этом сохраняет низкий уровень выброса монооксида углерода, углеводородов и дыма.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическое изображение газотурбинного двигателя, содержащего камеру сгорания; и

Фиг.2 - поперечное сечение камеры сгорания, изображаемой в фиг.1 и содержащей удлинитель делителя.

Фиг.1 схематически изображает газотурбинный двигатель 10, содержащий компрессор 12 низкого давления, компрессор 14 высокого давления и камеру сгорания 16. Двигатель 10 также содержит турбину 18 высокого давления, турбину 20 низкого давления и силовую турбину 22.

Во время работы воздух проходит через компрессор 12 низкого давления, и сжатый воздух подают из компрессора 12 низкого давления в компрессор 14 высокого давления. Сильно сжатый воздух подают в камеру сгорания 16. Воздушный поток из камеры сгорания 16 приводит в действие турбины 18, 20 и 22.

Фиг.2 изображает поперечное сечение камеры сгорания 16 (изображенной в фиг.1) для газотурбинного двигателя (не показан). В одном варианте реализации газотурбинным двигателем является GE90 компании Дженерал Электрик Ко., Ивендейл, Огайо. Либо газотурбинным двигателем является F110 того же изготовителя. Камера сгорания 16 содержит центральный корпус 42, основную центробежную форсунку 43, внешнюю центробежную форсунку 44 растопочного факела, внутреннюю центробежную форсунку 46 растопочного факела и топливный инжектор 48 растопочного факела. Центральный корпус 42 имеет ось симметрии 60 и обычно имеет цилиндрическую форму с кольцевым профилем поперечного сечения (не показан). Внутреннее пламя (не показано), иногда называемое растопочным факелом, представляет собой пламя диффузии распыленного вещества, запитываемое полностью от пусковых условий газовой турбины. При более интенсивных режимах работы газотурбинного двигателя дополнительное топливо впрыскивают в камеру сгорания 16 через топливные инжекторы (не изображены), расположенные в центральном корпусе 42.

Топливный инжектор 48 растопочного факела содержит ось симметрии 62 и установлен в центральном корпусе 42, таким образом, что ось симметрии 62 топливного инжектора по существу соосна с осью симметрии 60 центрального корпуса. Топливный инжектор 48 впрыскивает топливо в растопочный факел и содержит также сторону 64 впуска, сторону 66 выпуска и корпус 68, проходящий между стороной 64 впуска и стороной 66 выпуска. Сторона выпуска 66 содержит сужающуюся форсунку 70 выпуска, которая направляет поток 72 топлива наружу из топливного инжектора 48 по существу параллельно оси симметрии 60 центрального корпуса.

Внутренняя центробежная форсунка 46 растопочного факела является кольцевой форсункой и расположена по окружности вокруг топливного инжектора 48 растопочного факела. Внутренняя центробежная форсунка 46 растопочного факела содержит сторону 80 впуска и сторону 82 выпуска. Внутренний воздушный поток 84 растопочного факела входит в сторону впуска 80 внутренней центробежной форсунки растопочного факела и выходит из стороны выпуска 82.

Делитель 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии расположен после внутренней центробежной форсунки 46 растопочного факела. Делитель 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии содержит предшествующую сторону 92 и последующую сторону 94. Предшествующая сторона 92 содержит переднюю кромку 96 и имеет диаметр 98, являющийся постоянным от передней кромки 96 до последующей стороны 94. Предшествующая сторона 92 содержит внутреннюю поверхность 99, находящуюся по существу параллельно внутренней центробежной форсунке 46 растопочного факела и в прилегании к ней.

Последующая сторона 94 делителя растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии проходит от предшествующей стороны 92 к задней кромке 100 делителя 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии. Кромка 100 имеет диаметр 102, меньший, чем диаметр 98 предшествующей стороны. Последующая сторона 94 сужается в сторону топливного инжектора 48 растопочного факела под углом 104 относительно оси симметрии 60 центрального корпуса.

Внешнее центробежное сопло 44 растопочного факела проходит по существу перпендикулярно от делителя 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии и соединена с контурной стенкой 110. Контурная стенка 110 соединена с центральным корпусом 42. Внешняя центробежная форсунка 44 растопочного факела является кольцевой и расположена по окружности вокруг делителя 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии. Внешняя центробежная форсунка 44 растопочного факела имеет сторону впуска 112 и сторону выпуска 114. Внешний воздушный поток 116 растопочного факела входит в сторону впуска 112 внешней центробежной форсунки растопочного факела и направлен под углом 118.

Удлинитель 120 делителя расположен после делителя 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии. Удлинитель 120 делителя содержит предшествующую часть 122, последующую часть 124 и промежуточную часть 126, проходящую между предшествующей частью 122 и последующей частью 124. Предшествующая часть 122 имеет первый диаметр 130, внутреннюю поверхность 132 и внешнюю поверхность 134. Внутренняя поверхность 132 предшествующей части 122 удлинителя делителя является расширяющейся и соединена с последующей стороной 94 делителя 90 растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии. Промежуточная часть 126 проходит от предшествующей части 122 и суживается в сторону оси симметрии 60 центрального корпуса. Промежуточная часть 126 содержит второй диаметр 140, который меньше первого диаметра 130 предшествующей части, внутреннюю поверхность 142 и внешнюю поверхность 144. Последующая часть 124 проходит от промежуточной части 126 и содержит внутреннюю поверхность 150, внешнюю поверхность 152 и третий диаметр 154. Последующая часть 124 расширяется от оси симметрии 60 центрального корпуса и, соответственно, третий диаметр 154 превышает второй диаметр 140 промежуточной части.

Последующая часть 124 удлинителя делителя расширяется в сторону контурной стенки 110. Контурная стенка 110 содержит вершину 156, расположенную между суживающейся секцией 158 контурной стенки 110 и расходящейся секцией 160 контурной стенки 110. Удлинитель 120 делителя содержит длину 168, проходящую от предшествующей части 122 удлинителя делителя к последующей части 124 удлинителя делителя. Контурная стенка 110 проходит к основной центробежной форсунке 43. Основная центробежная форсунка 43 расположена по окружности вокруг контурной стенки 110 и направляет завихряющийся воздушный поток 170 в полость 178 камеры сгорания.

В работе: внутренний воздушный поток 84 растопочного факела входит в сторону 80 впуска внутренней центробежной форсунки растопочного факела и ускоряется наружу от стороны 82 выпуска внутренней центробежной форсунки. Внутренний воздушный поток 84 растопочного факела проходит по существу параллельно оси симметрии 60 центрального корпуса и сталкивается с делителем 90 струи сжатого воздуха по базисной линии. Делитель 90 растопочного факела направляет внутренний воздушный поток 84 в завихряющемся движении в сторону потока 72 топлива под углом 104. Внутренний воздушный поток 84 наталкивается на поток 72 топлива и смешивается с потоком 72 топлива и распыляет его, не нарушая схемы распыления (не изображена), выходящей из топливного инжектора 48 растопочного факела.

Одновременно внешний воздушный поток 116 растопочного факела ускоряется через внешнюю центробежную форсунку 44 растопочного факела. Внешний воздушный поток 116 выходит из внешней центробежной форсунки 44, проходя по существу параллельно оси симметрии 60 центрального корпуса. Внешний воздушный поток 116 продолжается по существу параллельно оси симметрии 60 центрального корпуса и наталкивается на контурную стенку 110. Контурная стенка 110 направляет внешний воздушный поток 116 под углом 118 в сторону оси симметрии центрального корпуса в завихряющемся движении. Внешний поток воздуха 116 продолжает течь в сторону оси симметрии 60 центрального корпуса и наталкивается на предшествующую внешнюю поверхность 134 удлинителя делителя.

Предшествующая внешняя поверхность 134 удлинителя делителя направляет воздушный поток 116 в сторону промежуточной внешней поверхности 144 удлинителя делителя, где воздушный поток 116 вновь направляют в сторону расширяющейся секции 160 контурной стенки. Внешний воздушный поток 116 проходит по длине 168 удлинителя делителя и продолжает течь по существу параллельно контурной стенке 110 до попадания на него воздушного потека 170, выходящего из основной центробежной форсунки 43.

Внутренний воздушный поток 84 растопочного факела попадает на поток 72 топлива и образует топливовоздушную смесь, которая протекает через удлинитель 120 делителя. Удлинитель 120 делителя замедляет скорость смеси и тем самым увеличивает количество времени пребывания смеси в центральном корпусе 42. Увеличенное время пребывания обеспечивает большее испарение и улучшает смешивание потока 72 топлива и внутреннего воздушного потока 84 растопочного факела. Меньшая скорость также позволяет смеси находиться дольше в пламени растопочного факела (не показан) для обеспечения большей полноты сгорания смеси. Удлинитель 120 делителя повышает индекс завихрения растопочного факела и вводит пламя внутрь центрального корпуса 42, тем самым существенно улучшая стабильность пламени и снижая количество выброса монооксида углерода, углеводородов и дыма.

Длина 168 удлинителя делителя позволяет удлинителю 120 делителя изолировать внешний воздушный поток 116 растопочного факела от внутреннего воздушного потока 84 растопочного факела и задерживает какое-либо смешивание потоков 84 и 116. Длина 168 удлинителя делителя также позволяет осуществлять отдельное управление внутренним воздушным потоком 84 растопочного факела и внешним воздушным потоком 116 растопочного факела, что в результате дает меньший унос топлива или перенос внешним воздушным потоком 116 растопочного факела. Отдельное управление внутренним воздушным потоком 84 растопочного факела и внешним воздушным потоком 116 растопочного факела позволяет понизить скорость внешнего воздушного потока 116 растопочного факела. Снижение осевой скорости внешнего воздушного потока 116 растопочного факела создает меньший дифференциал скорости между внутренним воздушным потоком 84 растопочного факела и внешним воздушным потоком 116 растопочного факела. Пониженная скорость увеличивает время пребывания и уменьшает унос топлива и гашение внешним воздушным потоком 116 растопочного факела. В результате этого камера сгорания 16 работает с повышенным кпд и с меньшим выбросом монооксида углерода и углеводородов.

Увеличение индекса завихрения растопочного факела, обусловливаемое удлинителем 120 делителя, в результате создает зону 180 сильной осевой рециркуляции, которая вместе с пониженной скоростью топливовоздушной смеси растопочного факела создает сильное обратное всасывание (не изображено) в центральном корпусе 42, в результате чего несгоревшие продукты сгорания (не изображены) рециркулируют в пламени растопочного факела. В результате обратного всасывания, или обращенного воздушного потока, полнота сгорания существенно повышается. Помимо этого, рециркулирующий газообразный продукт сгорания переносит кислород из основного воздушного потока 170 в пламя растопочного факела. В итоге сажа (не изображена), образуемая в пламени растопочного факела, не поступает в выброс, а сгорает.

Описываемая выше камера сгорания рентабельна и очень надежна. Камера сгорания содержит удлинитель делителя, содержащий предшествующую часть, последующую часть и промежуточную часть, проходящую между предшествующей частью и последующей частью. Предшествующая часть является расширяющейся и проходит в суживающуюся промежуточную часть. Суживающаяся промежуточная часть проходит в расширяющуюся последующую часть. За счет удлинителя делителя обеспечивается камера сгорания, которая действует с небольшим уносом топлива и увеличенным временем пребывания топливовоздушной смеси в центральном корпусе камеры сгорания. Таким образом, создана камера сгорания, которая действует с высокой полнотой сгорания и с небольшим выбросом монооксида углерода, углеводородов и дыма.

Несмотря на то, что данное изобретение описывается с точки зрения различных конкретных вариантов реализации, специалистам данной области техники будет ясно, что данное изобретение можно осуществить с модификациями в объеме его формулы.

Claims (7)

1. Камера сгорания (16) для газовой турбины (10), содержащая топливный инжектор (48); центральный корпус (42), содержащий кольцевой корпус и имеющий ось симметрии (92), причем указанный топливный инжектор расположен в центральном корпусе; делитель (90) растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии, содержащий предшествующую сторону (92) и последующую сторону (94), причем указанная последующая сторона суживается в сторону оси симметрии центрального корпуса; и удлинитель (120) делителя, содержащий расширяющуюся предшествующую часть (122), расширяющуюся последующую часть (124) и промежуточную часть (126), проходящую между предшествующей частью и последующей частью, причем предшествующая часть присоединена к концу задней кромки делителя растопочного факела струи сжатого воздуха по базисной линии, отличающаяся тем, что также содержит внешнюю центробежную форсунку (44), конфигурированную для введения воздушного потока в указанную камеру сгорания извне в указанный делитель растопочного факела струи сжатого воздуха, причем длина (168) удлинителя делителя конфигурирована с возможностью отделения указанного внешнего потока воздуха от указанного впрыскиваемого в осевом направлении потока распыленного топлива.

2. Камера сгорания (16) по п.1, отличающаяся тем, что промежуточная часть (124) удлинителя делителя суживается в сторону оси симметрии (60) центрального корпуса.

3. Камера сгорания (16) по п.2, отличающаяся тем, что предшествующая часть (122) удлинителя делителя содержит первый диаметр (130), промежуточная часть (124) удлинителя делителя имеет второй диаметр (140), последующая часть (126) удлинителя делителя имеет третий диаметр (154), причем второй диаметр меньше указанного первого диаметра.

4. Камера сгорания (16) по п.3, отличающаяся тем, что второй диаметр (140) промежуточной части удлинителя делителя меньше третьего диаметра (154) последующей части.

5. Камера сгорания (16) по п.3, отличающаяся тем, что удлинитель (120) делителя имеет длину (168), проходящую от первого конца, прилегающего к предшествующей части (122), ко второму концу, прилегающему к последующей части (126), причем указанная длина конфигурирована с возможностью того, чтобы удлинитель делителя замедлял распыление топлива, впрыскиваемого в осевом направлении топливным инжектором (48).

6. Камера сгорания (16) по п.4, отличающаяся тем, что указанный удлинитель (120) делителя конфигурирован с возможностью уменьшения выброса монооксида углерода из указанной камеры сгорания.

7. Камера сгорания (16) по п.4, отличающаяся тем, что указанный удлинитель (120) делителя конфигурирован с возможностью уменьшения выброса углеводородов и дыма из указанной камеры сгорания.

Images