RU2304741C2 - Устройство топливной форсунки (варианты) и способ его создания - Google Patents

Устройство топливной форсунки (варианты) и способ его создания Download PDF

Info

Publication number
RU2304741C2
RU2304741C2 RU2005113955/06A RU2005113955A RU2304741C2 RU 2304741 C2 RU2304741 C2 RU 2304741C2 RU 2005113955/06 A RU2005113955/06 A RU 2005113955/06A RU 2005113955 A RU2005113955 A RU 2005113955A RU 2304741 C2 RU2304741 C2 RU 2304741C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
row
guide vanes
zone
combustion zone
fuel
Prior art date
Application number
RU2005113955/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2005113955A (ru
Inventor
Каталин Г. ФОТЕЙЧ (US)
Каталин Г. ФОТЕЙЧ
Александр Г. ЧЕНЬ (US)
Александр Г. ЧЕНЬ
Original Assignee
Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн filed Critical Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн
Publication of RU2005113955A publication Critical patent/RU2005113955A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2304741C2 publication Critical patent/RU2304741C2/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/38—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising rotary fuel injection means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к многосопловым топливовоздушным форсункам для газотурбинных двигателей. Устройство топливной форсунки снабжено группой в основном кольцевых проходов, расположенных коаксиально с осью форсунки, в которых каждый проход образует газовый тракт, имеющий ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, группой рядов направляющих лопаток, каждый из которых расположен в соответствующем одном из проходов, и группой средств ввода топлива в упомянутый воздух. Все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией и все направляющие лопатки во втором ряду размещены со второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации. Направляющие лопатки в первом из указанных рядов расположены с возможностью обеспечения первой циркуляции потока, а направляющие лопатки во втором из указанных рядов, расположенном внутри упомянутого первого ряда, расположены с возможностью обеспечения второй циркуляции потока с тем же направлением, что и первая циркуляция. Устройство дополнительно содержит третий ряд направляющих лопаток, расположенный между упомянутыми первым и вторым рядами. Устройство имеет при работе первую зону горения, вторую зону горения обедненной, по сравнению с первой зоной, смеси, расположенную внутри первой зоны горения, и третью зону горения обогащенной, по сравнению со второй зоной, смеси, расположенную внутри второй зоны горения. Первая, вторая и третья зоны представляют собой зоны горения смеси с соотношением компонентов ниже стехиометрического. Устройство входит в состав камеры сгорания газотурбинного двигателя. Устройство содержит, по меньшей мере, десять направляющих лопаток в, по крайней мере, первом и втором из рядов. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики в одном или более режимах работы. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к топливным форсункам. В частности, изобретение относится к многосопловым топливовоздушным форсункам для газотурбинных двигателей.
Настоящее изобретение было сделано при поддержке правительства США в рамках контракта DEFC02-OOCH11060 с Министерством Энергетики США. Правительство США обладает определенными правами в отношении настоящего изобретения.
Уровень техники
Технология сжигания топлива в газотурбинном двигателе является хорошо развитой отраслью. Например, известна топливная форсунка (патент США US 5713206), содержащая группу кольцевых проходов, расположенных коаксиально с осью форсунки, при этом каждый проход образует газовый тракт, имеющий ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, группу рядов направляющих лопаток, каждый из которых расположен в соответствующем одном из проходов, и группу средств ввода топлива в упомянутый воздух. При этом направляющие лопатки предназначены для улучшения перемешивания топлива и воздуха за счет рециркуляции, что способствует стабилизации пламени.
Несмотря на это, существуют возможности для дальнейшего усовершенствования конструкции топливной форсунки, в частности для обеспечения лучших эксплуатационных характеристик в одном или более режимах работы.
Раскрытие изобретения
Предложено устройство топливной форсунки, снабженное группой в основном кольцевых проходов, расположенных коаксиально с осью форсунки, в которых каждый проход образует газовый тракт, имеющий ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, группой рядов направляющих лопаток, каждый из которых расположен в соответствующем одном из проходов, и группой средств ввода топлива в упомянутый воздух, при этом все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией и все направляющие лопатки во втором ряду размещены с второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации. В предпочтительном варианте направляющие лопатки в первом из указанных рядов расположены с возможностью обеспечения первой циркуляции потока, а направляющие лопатки во втором из указанных рядов, расположенном внутри упомянутого первого ряда, расположены с возможностью обеспечения второй циркуляции потока с тем же направлением, что и первая циркуляция. Устройство может также дополнительно содержать третий ряд направляющих лопаток, расположенный между упомянутыми первым и вторым рядами. Устройство, в частности, может иметь при работе первую зону горения, вторую зону горения обедненной, по сравнению с первой зоной, смеси, расположенную внутри первой зоны горения, и третью зону горения обогащенной, по сравнению со второй зоной, смеси, расположенную внутри второй зоны горения. При этом указанные первая, вторая и третья зоны могут представлять собой зоны горения смеси с соотношением компонентов ниже стехиометрического. В частном случае устройство входит в состав камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Устройство, в частности, может содержать по меньшей мере десять направляющих лопаток в по крайней мере первом и втором из рядов.
Предлагается также способ создания вышеописанного устройства, в котором осуществляют выбор положения направляющих лопаток в первом и втором из рядов с обеспечением заданного значения по меньшей мере одного уровня выбросов и/или по меньшей мере одного уровня колебаний давления. Предпочтительно осуществляют выбор положения направляющих лопаток в первом и втором ряду с обеспечением заданного значения обоих из указанных уровней. Указанный выбор в частном случае можно осуществлять с учетом или в комбинации с соотношением «топливо/воздух» для по меньшей мере одного прохода в одном или более рабочих режимах. В другом варианте указанный выбор можно осуществлять с обеспечением заданной устойчивости по меньшей мере одной холодной зоны посредством по меньшей мере одной горячей зоны. В одном из вариантов уровни выбросов могут включать уровни несгоревших углеводородов, СО и NOх при одном или более значении мощности.
Предлагается другой вариант устройства топливной форсунки, которое снабжено средствами образования группы трактов потока, имеющих ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, по меньшей мере одним рядом направляющих лопаток, каждый из которых расположен с возможностью создания вихревого движения в соответствующем тракте потока, и средствами ввода топлива в упомянутый воздух, при этом все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией и все направляющие лопатки во втором ряду размещены с второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации. В предпочтительном варианте направляющие лопатки в первом из указанных рядов расположены с возможностью обеспечения первой циркуляции потока, а направляющие лопатки во втором из указанных рядов, расположенном внутри упомянутого первого ряда, расположены с возможностью обеспечения второй циркуляции потока с тем же направлением, что и первая циркуляция.
Устройство в частном случае содержит группу упомянутых рядов. Предпочтительно каждый из по крайней мере двух из трактов потока расположен в основном вокруг оси устройства. В другом варианте каждый из по крайней мере двух из трактов потока имеет в основном кольцевую форму. В следующем варианте каждый из по крайней мере двух из трактов потока расположен в основном концентрично с каждым из других. Устройство может иметь при работе первую зону горения, вторую зону горения, расположенную внутри первой зоны горения и имеющую более низкую, по сравнению с первой зоной, температуру, и третью зону горения, расположенную внутри второй зоны горения и имеющуюся более высокую, по сравнению со второй зоной, температуру. При этом указанные первая, вторая и третья зоны могут представлять собой зоны горения смеси с соотношением компонентов ниже стехиометрического.
Первый аспект изобретения относится к устройству топливной форсунки, снабженному группой в основном кольцевых проходов, расположенных коаксиально с осью форсунки, в которых каждый проход образует газовый тракт, имеющий ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, группой рядов (решеток) направляющих лопаток, каждый из которых расположен в соответствующем одном из проходов, и группой средств ввода топлива в упомянутый воздух. При этом все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией и все направляющие лопатки во втором ряду размещены с второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации.
В различных вариантах выполнения направляющие лопатки в первом из указанных рядов расположены (ориентированы) с возможностью обеспечения первой циркуляции потока, а направляющие лопатки во втором из указанных рядов, расположенном внутри упомянутого первого ряда, расположены с возможностью обеспечения второй циркуляции потока с тем же направлением, что и первая циркуляция. Третий ряд может быть размещен между первым и вторым рядами. В процессе работы устройства образуются первая зона горения, вторая зона горения обедненной, по сравнению с первой зоной, смеси, расположенная внутри первой зоны горения, и третья зона горения обогащенной, по сравнению со второй зоной, смеси, расположенная внутри второй зоны горения. Первая, вторая и третья зоны горения могут использовать смеси, характеризующиеся соотношением ниже стехиометрического. Устройство может использоваться с камерой сгорания газотурбинного двигателя. В по крайней мере первом и втором рядах может быть по меньшей мере десять лопаток.
Другой аспект изобретения относится к способу создания (проектирования, изготовления, оптимизации эксплуатационных характеристик) такого устройства, в котором осуществляют выбор положения (ориентации) направляющих лопаток в первом и втором из рядов с обеспечением заданного значения по меньшей мере одного уровня выбросов и/или по меньшей мере одного уровня колебаний давления. В различных вариантах выполнения ориентация лопаток в первом и втором рядах может быть выбрана таким образом, чтобы получить заданный уровень обоих параметров: уровни выбросов; уровни колебаний давления. Выбор выполняют с учетом или в комбинации с соотношением «топливо/воздух» в одном или более проходах при одном или более условиях работы. Выбор может быть выполнен с обеспечением заданной устойчивости по меньшей мере одной холодной зоны посредством по меньшей мере одной горячей зоны. Уровни выбросов могут включать уровни несгоревших углеводородов (UHC), моноокиси углерода (СО) и окислов азота (NOх) при одном или более значении мощности.
Другой аспект изобретения относится к устройству топливной форсунки, снабженному (первыми) средствами образования группы трактов потока, имеющих ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, по меньшей мере одним рядом направляющих лопаток, каждый из которых расположен с возможностью создания вихревого движения в соответствующем тракте потока и (вторыми) средствами ввода топлива в упомянутый воздух. При этом все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией и все направляющие лопатки во втором ряду размещены с второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации.
В различных вариантах выполнения ориентация лопаток в первом из рядов может быть такой, чтобы создать первую циркуляцию (потока). Лопатки во втором из рядов, расположенном внутри первого ряда, могут быть ориентированы так, чтобы создать вторую циркуляцию того же направления (того же знака). В процессе работы устройства образуются: первая зона горения; вторая зона горения внутри первой зоны горения, более холодная, чем первая зона; и третья зона горения внутри второй зоны горения, более горячая, чем вторая зона. Первая, вторая и третья зоны горения могут использовать смеси, характеризующиеся соотношением ниже стехиометрического.
Детали одного или более вариантов выполнения изобретения представлены в приложенных чертежах и приведенном ниже описании. Другие признаки, цели и преимущества изобретения станут очевидными из описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено схематическое изображение частичного сечения камеры сгорания газотурбинного двигателя.
На Фиг.2 представлено схематическое изображение расположенного ниже по направлению по потоку торца камеры сгорания, показанной на Фиг.1.
На Фиг.3 представлено схематическое изображение частичного сечения по линии 3-3 корпуса форсунки, показанной на Фиг.2.
На Фиг.4 представлено схематическое изображение частичного сечения по линии 4-4 фрагмента корпуса, показанного на Фиг.2.
Одинаковые цифры и обозначения на различных чертежах соответствуют одним и тем же элементам.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 показана камера 20 сгорания газотурбинного двигателя (например, промышленного газотурбинного двигателя, используемого для получения электроэнергии). Камера сгорания имеет конструкцию 22 стенки, окружающей внутреннее пространство 23, проходящее от расположенного выше по потоку ввода (впускного отверстия) 24, куда поступает воздух из компрессорной секции двигателя, до расположенного ниже по потоку выходного отверстия 25, выпускающего газообразные продукты сгорания в турбинную секцию. Рядом с вводом в камере сгорания имеется форсунка 26 для впрыска топлива в воздух, поступающий из компрессора, для подачи топливовоздушной смеси внутрь камеры сгорания. Имеется также воспламенитель 27 для воспламенения топливовоздушной смеси.
Форсунка 26 включает корпус 28, проходящий от расположенного выше по потоку конца (торца) 30 к расположенному ниже по потоку концу 31, с несколькими проходами между ними, образующими соответствующие топливовоздушные сопла. Топливо может подводиться к корпусу 28 по коллектору 32, прикрепленному к корпусу с расположенного выше по потоку конца 30 и запитываемому от одной или более топливных магистралей, проходящих в колене 33, входящему снаружи сквозь центральный проточный тракт двигателя. Воздух может поступать по коллектору со стороны, расположенной выше по направлению потока.
На Фиг.2 показан корпус 28, имеющий центральную ось 500 и проходы 34А-34С, выполненные в форме концентрических круглых колец вокруг общей центральной части 35 корпуса и совмещенных с соответствующими воздушными проходами в коллекторе. В другом варианте может быть сделан и центральный проход. В каждом проходе имеется круговой ряд направляющих лопаток 36, причем каждая лопатка проходит от передней кромки 38 к задней кромке 39 (Фиг.4) и имеет стороны 40 и 41 повышенного и пониженного давления (Фиг.4). Лопатки, приведенные в качестве примера, проходят, в основном, в радиальном направлении, причем хорды лопаток наклонены к продольному направлению под углом θ. Возможны и другие конфигурации проходов и лопаток. Лопатки в каждом проходе могут значительно отличаться по размаху, длине хорды, форме, углу и т.п. от лопаток в других проходах.
На Фиг.3 показаны воздушные и топливные потоки 200А-С и 202А-С, соответственно, входящие в корпус 28 из коллектора 32 и/или выше по потоку от него. Воздушные потоки имеют, в целом, кольцевую форму, входя во вводы соответствующих проходов 34А-34С, образованных в торце 30, расположенном выше по потоку. Потоки топлива могут входить в один или более распределительный коллектор 44A-44D внутри и/или снаружи проходов 34А-С. Топливо выходит из смежных распределительных коллекторов в проходы сквозь по крайней мере отчасти радиальные выпускные проходы 46, образующие вводы для топлива в проходах 34А-С. В проходах топливо смешивается с воздухом и выбрасывается в виде потока 204А-С смеси «топливо/воздух». Возможны и другие конфигурации топливной запитки.
Лопатки способствуют созданию вихревого движения вокруг оси 500 кольцевого потока 204А-С «топливо/воздух». Конфигурация лопаток и углы θ могут выбираться таким образом, чтобы получить желаемые свойства потока при одном или более условиях работы. Углы могут быть одного знака или противоположных знаков (например, для создания эффекта противоположных вихрей). Углы могут быть одной величины либо разной величины. Для примера можно привести величину углов, меньше или равных 60°, более точно 10-50° и наиболее узкий интервал 20-40°. Вдобавок к различной величине завихрений проходы 34А-С могут иметь различную протяженность. У некоторых проходов может быть изменена конфигурация (например, высверленные по кольцу отверстия). В различных режимах работы каждый проход может иметь различную запитку топливом (например, как показано в заявке США №10/260311). Такие параметры как величина завихрения, его радиальное расположение и размах проходов, могут оптимизироваться с учетом имеющихся соотношений «топливо/воздух» для получения наилучших эксплуатационных характеристик в одном или более режимах работы.
В качестве примера можно привести процесс последовательной оптимизации при доработке существующей форсунки. Параметры подвергаются итерационному изменению. Для каждой итерации комбинация соотношений «топливо/воздух» может меняться для получения соответствующих режимов работы. Для этих режимов работы могут быть измерены рабочие параметры (например, эффективность, выбросы и устойчивость). Отмечаются особенности конструкции и рабочие параметры, соответствующие требуемым эксплуатационным характеристикам, при этом данная конструкция выбирается для доработанной форсунки, а данные рабочие параметры в дальнейшем используются для изменения конфигурации системы управления. Для оптимизации может использоваться критерий качества, который включает взятые с соответствующим весом параметры выбросов (например, NOх, CO и несгоревшие углеводороды (UHC)) и другие рабочие характеристики (например, колебания уровня давления). Получаемая в результате оптимизированная конфигурация обеспечивает наилучшие (или, по крайней мере, приемлемые) обобщенные эксплуатационные характеристики на основе этих показателей. Степени свободы могут быть ограничены каскадным характером схемы подачи топлива (например, сколько топлива протекает через каждое из проходов при данном общем потоке топлива), либо могут включать также и углы вихрей для каждого из проходов, либо относительные скорости потока воздуха, соответствующие каждому из проходов, основанные на их относительной пропускной способности. Описанная технология может быть использована уже после того, как форсунка изготовлена, для настройки форсунки с целью получения оптимального рабочего режима. Описанный способ целесообразно использовать перед созданием окончательного варианта устройства.
Управление подачей топлива может быть использовано для создания зон с различными температурами. Относительно холодные зоны (например, по температуре пламени) ассоциируются с воздушно-топливными смесями с нарушенным стехиометрическим соотношением. Относительно горячие зоны получаются при соотношениях, близких к стехиометрическим. Более холодные зоны имеют тенденцию к неустойчивости. Размещение более горячей зоны рядом с более холодной зоной может способствовать устойчивости более холодной зоны. В приведенном примере функционирования различные соотношения «топливо/воздух» для разных колец сопел могут создать, к примеру, три кольцевых зоны горения ниже по потоку от форсунки: обедненные, хотя и относительно горячие, наружную и внутреннюю зоны; и еще более обедненную и холодную промежуточную зону. Наружная и внутренняя зоны обеспечивают устойчивость, в то время как промежуточная зона снижает общий поток топлива при настройке на низкую мощность (или интервал). Поскольку образование NOх ассоциируется с высокими температурами, низкие температуры промежуточной зоны дадут сравнительно низкое содержание NOх. Используя, в целом, обедненные смеси и высокую устойчивость, можно получить желаемые низкие уровни UHC и СО. Повышение/снижение отношения эквивалентности для промежуточной зоны позволит повысить/снизить мощность двигателя, сохраняя при этом требуемую устойчивость и низкий уровень выбросов.
В приведенной в качестве примера конфигурации форма лопаток выбрана таким образом, чтобы обеспечить работу в режиме, когда в наружный и внутренний проходы 34А и 34С подается обедненная смесь (например, отношение эквивалентности в области 0,4-0,7), а в промежуточный проход 34В подается еще более бедная смесь и температура там еще ниже. При этом могут образоваться три соответствующие кольцевые зоны горения ниже по потоку от форсунки: наружная и внутренняя зоны с обедненной смесью и промежуточная зона с еще более бедной смесью. Наружная и внутренняя зоны обеспечивают устойчивость, в то время как промежуточная зона сокращает общий поток топлива при установке режима низкой мощности, сохраняя при этом преимущество низкого уровня UHC и СО. Для подобного режима работы стремя зонами, приведенного в качестве примера, могут использоваться по крайней мере три прохода, работающие при различных соотношениях «топливо/воздух». Если используется более трех проходов с независимой подачей топлива, (считая центральное сопло, если оно есть), то применение различных воздушно-топливных смесей позволит ввести изменения в пространственное распределение трех зон либо позволит создать более сложные распределения (например, обедненная впадина внутри промежуточной зоны с обогащенной смесью для образования пятизонной системы). Также возможна работа с двумя зонами.
В то время как в приведенном примере используется, в целом, обедненная смесь, выходящая из сопла, возможны и другие варианты выполнения, в которых используются, в целом, обогащенные смеси. В режиме так называемого гашения между обогащенной и обедненной зонами ниже по потоку вводится дополнительный воздух для получения горения обедненной смеси. В таком режиме на выходе сопла может существовать промежуточная зона, в которой стехиометрическое соотношение значительно превышено, и которая, в силу этой причины, также имеет низкую температуру. Соотношение в смеси во внутренней и наружной зонах может быть ближе к стехиометрическому (либо обедненные, либо обогащенные), поэтому температура там выше, и они более устойчивы, стабилизируя промежуточную зону. Поскольку образование NOх связано с высокими температурами, то в условиях низкой температуры промежуточной зоны (сквозь которую протекает, в основном, топливо) содержание NOх будет относительно невелико. Через внутреннюю и наружную зоны проходит меньшая часть общего потока топлива (и/или воздуха), и поэтому увеличение содержания NOх (если оно и произойдет) будет скомпенсировано (по сравнению со случаем равномерного распределения тех же общих количеств топлива и воздуха). Другие комбинации горячих и холодных зон и абсолютных и относительных соотношений «топливо/воздух» в них могут быть использованы по крайней мере как промежуточные для различных конфигураций камеры сгорания и условий работы.
Если в качестве примера использовать сжигание метана в воздухе при давлении 1,0 атм, то пламя может в некоторых условиях стать неустойчивым при отношениях эквивалентности, приблизительно равных или превышающих 1,6 для обогащенной смеси и приблизительно равных или меньших 0,5 для обедненных. Более холодная зона(ы) может быть получена в этих интервалах (например, в более узком интервале 0,1-0,5 или 1,6-5,0). Более горячая зона(ы) может быть получена в интервале соотношений 0,5-1,6 (например, в более узком интервале 0,5-0,8 или 1,3-1,6, либо еще в более узком интервале 0,5-0,6 или 1,5-1,6, не приближаясь при этом к стехиометрическому соотношению, чтобы не получить высокой температуры пламени и, тем самым, снизить образование NOх). Другим топливам и давлениям соответствуют другие интервалы.
Выше, в качестве примера, были описаны варианты выполнения настоящего изобретения. Тем не менее, следует иметь в виду, что возможны различные модификации изобретения, соответствующие его существу и попадающие в область его притязаний. Например, в процессе доработки/переконструирования существующей форсунки детали имеющейся форсунки или соответствующей камеры сгорания могут повлиять на детали конкретного варианта выполнения. Могут использоваться более сложная конструкция и дополнительные элементы. Даже в одном и том же проходе могут использоваться лопатки многих различных конфигураций. Возможно использование некруговых концентрических каналов либо каналов других конфигураций. Несмотря на то, что в качестве иллюстрации приведена камера сгорания трубчатого типа, возможно использование камер сгорания других конфигураций, включая кольцевые. В соответствии с этим, другие такие варианты выполнения могут охватываться областью притязаний приведенной ниже формулы изобретения.

Claims (20)

1. Устройство топливной форсунки, снабженное группой в основном кольцевых проходов, расположенных коаксиально с осью форсунки, в которых каждый проход образует газовый тракт, имеющий ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, группой рядов направляющих лопаток, каждый из которых расположен в соответствующем одном из проходов, и группой средств ввода топлива в упомянутый воздух, отличающееся тем, что все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией, и все направляющие лопатки во втором ряду размещены со второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющие лопатки в первом из указанных рядов расположены с возможностью обеспечения первой циркуляции потока, а направляющие лопатки во втором из указанных рядов, расположенном внутри упомянутого первого ряда, расположены с возможностью обеспечения второй циркуляции потока с тем же направлением, что и первая циркуляция.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий ряд направляющих лопаток, расположенный между упомянутыми первым и вторым рядами.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет при работе первую зону горения, вторую зону горения обедненной, по сравнению с первой зоной, смеси, расположенную внутри первой зоны горения, и третью зону горения обогащенной, по сравнению со второй зоной, смеси, расположенную внутри второй зоны горения.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанные первая, вторая и третья зоны представляют собой зоны горения смеси с соотношением компонентов ниже стехиометрического.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно входит в состав камеры сгорания газотурбинного двигателя.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, десять направляющих лопаток в, по крайней мере, первом и втором из рядов.
8. Способ создания устройства по п.1, в котором осуществляют выбор положения направляющих лопаток в первом и втором из рядов с обеспечением заданного значения, по меньшей мере, одного уровня выбросов и/или, по меньшей мере, одного уровня колебаний давления.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что осуществляют выбор положения направляющих лопаток в первом и втором ряду с обеспечением заданного значения обоих из указанных уровней.
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что указанный выбор осуществляют с учетом или в комбинации с соотношением «топливо/воздух» для, по меньшей мере, одного прохода в одном или более рабочих режимах.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что указанный выбор осуществляют с обеспечением заданной устойчивости, по меньшей мере, одной холодной зоны посредством, по меньшей мере, одной горячей зоны.
12. Способ по п.8, отличающийся тем, что уровни выбросов включают уровни несгоревших углеводородов, СО и NOx, при одном или более значении мощности.
13. Устройство топливной форсунки, снабженное средствами образования группы трактов потока, имеющих ввод поступающего воздуха и отверстие выпуска топливовоздушной смеси, по меньшей мере, одним рядом направляющих лопаток, каждый из которых расположен с возможностью создания вихревого движения в соответствующем тракте потока, и средствами ввода топлива в упомянутый воздух, отличающееся тем, что все направляющие лопатки в первом ряду размещены с первой относительной ориентацией и все направляющие лопатки во втором ряду размещены со второй относительной ориентацией, отличной от первой относительной ориентации.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что направляющие лопатки в первом из указанных рядов расположены с возможностью обеспечения первой циркуляции потока, а направляющие лопатки во втором из указанных рядов, расположенном внутри упомянутого первого ряда, расположены с возможностью обеспечения второй циркуляции потока с тем же направлением, что и первая циркуляция.
15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно содержит группу упомянутых рядов.
16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждый из, по крайней мере, двух из трактов потока расположен в основном вокруг оси устройства.
17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждый из, по крайней мере, двух из трактов потока имеет в основном кольцевую форму.
18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждый из, по крайней мере, двух трактов потока расположен в основном концентрично с каждым из других.
19. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно имеет при работе первую зону горения, вторую зону горения, расположенную внутри первой зоны горения и имеющую более низкую, по сравнению с первой зоной, температуру, и третью зону горения, расположенную внутри второй зоны горения и имеющую более высокую, по сравнению со второй зоной, температуру.
20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанные первая, вторая и третья зоны представляют собой зоны горения смеси с соотношением компонентов ниже стехиометрического.
RU2005113955/06A 2004-05-11 2005-05-11 Устройство топливной форсунки (варианты) и способ его создания RU2304741C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/843,812 2004-05-11
US10/843,812 US7350357B2 (en) 2004-05-11 2004-05-11 Nozzle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005113955A RU2005113955A (ru) 2006-11-20
RU2304741C2 true RU2304741C2 (ru) 2007-08-20

Family

ID=34941203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005113955/06A RU2304741C2 (ru) 2004-05-11 2005-05-11 Устройство топливной форсунки (варианты) и способ его создания

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7350357B2 (ru)
EP (1) EP1596132B1 (ru)
JP (1) JP2005326144A (ru)
KR (1) KR20060047369A (ru)
RU (1) RU2304741C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9500369B2 (en) 2011-04-21 2016-11-22 General Electric Company Fuel nozzle and method for operating a combustor

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1890083A1 (en) * 2006-08-16 2008-02-20 Siemens Aktiengesellschaft Fuel injector for a gas turbine engine
JP4997018B2 (ja) * 2007-08-09 2012-08-08 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 一次燃料噴射器及び複数の二次燃料噴射ポートを有するガスタービンエンジン燃焼器のミキサ組立体のためのパイロットミキサ
US8220270B2 (en) * 2008-10-31 2012-07-17 General Electric Company Method and apparatus for affecting a recirculation zone in a cross flow
TWI593878B (zh) * 2010-07-02 2017-08-01 艾克頌美孚上游研究公司 用於控制燃料燃燒之系統及方法
JP5464376B2 (ja) * 2011-08-22 2014-04-09 株式会社日立製作所 燃焼器、ガスタービン及び燃焼器の燃料制御方法
US9188063B2 (en) 2011-11-03 2015-11-17 Delavan Inc. Injectors for multipoint injection
US9644844B2 (en) * 2011-11-03 2017-05-09 Delavan Inc. Multipoint fuel injection arrangements
US9291103B2 (en) * 2012-12-05 2016-03-22 General Electric Company Fuel nozzle for a combustor of a gas turbine engine
CN104696988A (zh) * 2013-12-10 2015-06-10 中航商用航空发动机有限责任公司 燃气轮机的燃烧室及燃烧室的操作方法
IT201700027637A1 (it) * 2017-03-13 2018-09-13 Ansaldo Energia Spa Gruppo bruciatore per un impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica, impianto a turbina a gas per la produzione di energia elettrica comprendente detto gruppo bruciatore e metodo per operare detto impianto a turbina a gas
US10724739B2 (en) 2017-03-24 2020-07-28 General Electric Company Combustor acoustic damping structure
US10415480B2 (en) 2017-04-13 2019-09-17 General Electric Company Gas turbine engine fuel manifold damper and method of dynamics attenuation
US11149948B2 (en) 2017-08-21 2021-10-19 General Electric Company Fuel nozzle with angled main injection ports and radial main injection ports
US11156162B2 (en) 2018-05-23 2021-10-26 General Electric Company Fluid manifold damper for gas turbine engine
US11506125B2 (en) 2018-08-01 2022-11-22 General Electric Company Fluid manifold assembly for gas turbine engine
US11149941B2 (en) 2018-12-14 2021-10-19 Delavan Inc. Multipoint fuel injection for radial in-flow swirl premix gas fuel injectors
KR102583223B1 (ko) * 2022-01-28 2023-09-25 두산에너빌리티 주식회사 연소기용 노즐, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈
CN115218217B (zh) * 2022-06-16 2023-06-16 北京航空航天大学 采用多孔多角度喷油环结构的中心分级燃烧室主燃级头部
CN115899771B (zh) * 2022-12-19 2024-08-09 南京航空航天大学 一种用于高温升的同心环形旋流燃烧室

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3938326A (en) 1974-06-25 1976-02-17 Westinghouse Electric Corporation Catalytic combustor having a variable temperature profile
EP0095788B1 (de) 1982-05-28 1985-12-18 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Brennkammer einer Gasturbine und Verfahren zu deren Betrieb
SU1688045A2 (ru) 1984-12-29 1991-10-30 Московский энергетический институт Горелочное устройство
US5339635A (en) 1987-09-04 1994-08-23 Hitachi, Ltd. Gas turbine combustor of the completely premixed combustion type
JPH0293210A (ja) * 1988-09-30 1990-04-04 Hitachi Ltd ガスタービン燃焼器
JP2518986Y2 (ja) * 1989-01-20 1996-12-04 川崎重工業株式会社 ガスタービンの燃焼器
JPH05203148A (ja) * 1992-01-13 1993-08-10 Hitachi Ltd ガスタービン燃焼装置及びその制御方法
DE4223828A1 (de) 1992-05-27 1993-12-02 Asea Brown Boveri Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbine
US5289685A (en) 1992-11-16 1994-03-01 General Electric Company Fuel supply system for a gas turbine engine
US5361586A (en) * 1993-04-15 1994-11-08 Westinghouse Electric Corporation Gas turbine ultra low NOx combustor
RU2050511C1 (ru) 1993-05-19 1995-12-20 Научно-технологический центр энергосберегающих процессов и установок Способ сжигания органического топлива
US5359847B1 (en) * 1993-06-01 1996-04-09 Westinghouse Electric Corp Dual fuel ultra-flow nox combustor
EP0636835B1 (en) * 1993-07-30 1999-11-24 United Technologies Corporation Swirl mixer for a combustor
US5394688A (en) 1993-10-27 1995-03-07 Westinghouse Electric Corporation Gas turbine combustor swirl vane arrangement
JP2954480B2 (ja) 1994-04-08 1999-09-27 株式会社日立製作所 ガスタービン燃焼器
JP3673009B2 (ja) * 1996-03-28 2005-07-20 株式会社東芝 ガスタービン燃焼器
US5983642A (en) 1997-10-13 1999-11-16 Siemens Westinghouse Power Corporation Combustor with two stage primary fuel tube with concentric members and flow regulating
US6092363A (en) 1998-06-19 2000-07-25 Siemens Westinghouse Power Corporation Low Nox combustor having dual fuel injection system
US6598383B1 (en) 1999-12-08 2003-07-29 General Electric Co. Fuel system configuration and method for staging fuel for gas turbines utilizing both gaseous and liquid fuels
GB0025765D0 (en) * 2000-10-20 2000-12-06 Aero & Ind Technology Ltd Fuel injector
JP3986874B2 (ja) * 2001-04-23 2007-10-03 本田技研工業株式会社 ガスタービン用燃料噴射ノズル
US6962055B2 (en) 2002-09-27 2005-11-08 United Technologies Corporation Multi-point staging strategy for low emission and stable combustion

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9500369B2 (en) 2011-04-21 2016-11-22 General Electric Company Fuel nozzle and method for operating a combustor

Also Published As

Publication number Publication date
US20050252217A1 (en) 2005-11-17
EP1596132B1 (en) 2012-08-08
JP2005326144A (ja) 2005-11-24
RU2005113955A (ru) 2006-11-20
US7350357B2 (en) 2008-04-01
EP1596132A1 (en) 2005-11-16
KR20060047369A (ko) 2006-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2304741C2 (ru) Устройство топливной форсунки (варианты) и способ его создания
US6094916A (en) Dry low oxides of nitrogen lean premix module for industrial gas turbine engines
EP2171356B1 (en) Cool flame combustion
US8316644B2 (en) Burner having swirler with corrugated downstream wall sections
EP2213944B1 (en) Apparatus for fuel injection in a turbine engine
US7966822B2 (en) Reverse-flow gas turbine combustion system
US7448218B2 (en) Premix burner and method for burning a low-calorie combustion gas
US5590529A (en) Air fuel mixer for gas turbine combustor
US6253538B1 (en) Variable premix-lean burn combustor
EP1892469B1 (en) Swirler passage and burner for a gas turbine engine
US6119459A (en) Elliptical axial combustor swirler
US20040083737A1 (en) Airflow modulation technique for low emissions combustors
EP1010946A2 (en) Fuel injector bar for a gas turbine engine combustor
US4446692A (en) Fluidic control of airflow in combustion chambers
JP2005326143A (ja) 燃料噴射装置および燃料噴射装置の設計方法
US20210095849A1 (en) Gas Turbine Combustor
KR20100069683A (ko) 연료의 2차 분사 제어 장치 및 방법
US6508061B2 (en) Diffuser combustor
US11300052B2 (en) Method of holding flame with no combustion instability, low pollutant emissions, least pressure drop and flame temperature in a gas turbine combustor and a gas turbine combustor to perform the method
US6050096A (en) Fuel injector arrangement for a combustion apparatus
EP1995521A1 (en) Swirler vane
CN212132520U (zh) 轴向分级燃烧器
JPH06281144A (ja) ガスタービン燃焼器

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080512