RU2716951C1

RU2716951C1 - Завихритель для смешивания топлива с воздухом в двигателе сгорания

Info

Publication number: RU2716951C1
Application number: RU2018136738A
Authority: RU
Inventors: Тимоти ДОЛМЭНСЛИ; Джеймс ХЕРД
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2020-03-17
Also published as: CN109073223A; WO2017182658A1; CN109073223B; EP3446039A1; US10876731B2; EP3236157A1; JP6732941B2; CA3018441C; JP2019516058A; EP3446039B1; CA3018441A1; US20190086090A1

Abstract

Завихритель (60) для смешивания топлива с воздухом в двигателе сгорания (10) имеет центральную ось (63), основание (61) завихрителя, имеющее верхнюю поверхность (62), центральную часть (64), ряд основных завихрительных элементов (65) и ряд препятствующих элементов (66). Основные завихрительные элементы (65) и препятствующие элементы (66) расположены на верхней поверхности (62) основания (61) завихрителя и размещены вокруг центральной части (64). Основные завихрительные элементы (65) образуют ряд вихревых щелей (67), выполненных с возможностью направления текучей среды к центральной части (64). Каждая вихревая щель (67) имеет вход (68) щели и выход (69) щели, при этом выход (69) щели расположен на меньшем радиальном расстоянии от центральной оси (63), чем завихрительный вход (68). Каждый препятствующий элемент (66) расположен на входе (68) щели и выполнен с возможностью образования множества каналов потока (70, 71) в вихревой щели (67). Изобретение направлено на улучшение характеристик смешивания топлива с воздухом. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к завихрителю для смешивания топлива с воздухом в двигателе сгорания и способу смешивания топлива с воздухом. Изобретение относится еще к горелке и газовой турбине.

Распределение топлива и смешивание являются критическими для всех систем сгорания. Правильное распределение топлива и правильный профиль смешивания изменяют факторы, такие как NOx, температуры стенок горелки, эффективность сгорания, и положение, и стабильность пламени. Системы сгорания с радиальным завихрителем требуют распределения топлива по меньшей мере в двух областях; одной для факела зажигания и одной для основного пламени. Каждая система должна иметь правильное количество воздуха, примешанного в нее для получения правильного разделения на факел/основное, и также должен быть достаточно хорошо перемешана, чтобы дать гомогенную фракцию смеси в каждом пламени.

Радиальные завихрители используют отверстия для впрыска для газового потока в стороне вихревые щели и в основании завихрителя для смешивания топлива с воздухом. Существует также вторичный впрыск топлива к внутренней зоне рециркуляции для направления факела зажигания к этой области.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечение полезного завихрителя с улучшенными характеристиками смешивания.

Поставленная задача решается с помощью завихрителя для смешивания топлива с воздухом по п. 1, горелки по п. 13, газовой турбины по п. 14 и способа смешивания топлива с воздухом по п. 15. Зависимые пункты формулы изобретения определяют дальнейшие разработки настоящего изобретения.

Обладающий признаками изобретения завихритель для смешивания топлива с воздухом в двигателе сгорания имеет центральную ось, основание завихрителя с верхней поверхностью, центральную часть, ряд основных компонентов завихрителя или элементов завихрителя, и ряд препятствующих компонентов или препятствующих элементов. Основные элементы завихрителя и препятствующие элементы размещаются в верхней поверхности основания завихрителя. Основные элементы завихрителя и препятствующие элементы располагаются вокруг центральной части. Основные элементы завихрителя образуют ряд вихревых щелей. Вихревые щели выполнены с возможностью направлять текучую среду к центральной части, например, к центральной оси. Каждая вихревая щель имеет вход щели и выход щели. Выход щели расположен на меньшем в радиальном направлении расстоянии от центральной оси, чем вход щели. Каждый препятствующий элемент располагается на входе щели и выполнен с возможностью образования или обеспечения в вихревой щели ряда проточных каналов, предпочтительно двух проточных каналов.

Идея изобретения заключается в разделении воздушного потока в вихревой щели на желательно два потока. Там, где эти потоки встречаются, будет область высокой турбулентности. Топливо, впрыснутое в эту область, будет хорошо смешиваться и будет также иметь полную длину вихревой щели для продолжения смешивания перед встречей со второй областью высокой турбулентности, где щели объединяются.

Основанием завихрителя может быть часть основания или компонент или элемент основания. Основание завихрителя и/или основные элементы завихрителя, и/или препятствующие элементы могут быть отдельными компонентами или могут быть сформированы как одно целое.

Входные кромки входов щелей преимущественно скруглены с целью уменьшения падения давления. В варианте основные элементы завихрителя и/или препятствующие элементы могут иметь переднюю кромку, включая скругленную форму.

Вихревые щели могут быть выполнены с возможностью направления текучей среды к центральной оси, а именно по меньшей мере одна щель имеет выход с центральной линией, которая может быть идентичной с направлением основного потока через выход щели. Центральная линия идет перпендикулярно к центральной оси завихрителя и включает в себя угол с радиальным направлением к центру выхода щели между 10° и 70°, предпочтительно между 40° и 60°.

В предпочтительных вариантах наименьший препятствующий элемент имеет скругленную или овальную форму поперечного сечения, или форму падающей капли, или форму квадрата, или форму ромба в плоскости, перпендикулярной к центральной оси, что означает в радиальной плоскости. Мешающие элементы в вихревой щели должны вызывать турбуленцию в потоке для улучшения смешивания топлива. Разные формы могут быть выбраны с целью улучшения аэродинамических характеристик, особенно характеристик индуцированной турбулентности, и/или с целью уменьшения производственных затрат.

Препятствующие элементы могут быть изготовлены из нескольких частей с отверстиями или перегородками между секциями для дополнительного индуцирования турбулентного перемешивания. Топливо предпочтительно впрыскивается в турбулентную область сразу после препятствующего элемента для получения главного преимущества.

По меньшей мере, одна, предпочтительно каждая, щель имеет высоту h_s в радиальном направлении, измеренную от верхней поверхности основания завихрителя, и, по меньшей мере один, предпочтительно каждый, препятствующий элемент имеет высоту h_o, измеренную в аксиальном направлении, измеренную от верхней поверхности основания завихрителя. Например, высота h_oпрепятствующего элемента равна или меньше чем высота h_s щели (h_o≤h_s). Другими словами, препятствующие элементы не должны иметь полную высоту вихревой щели. Главным преимуществом считается иметь высоту в 100% от щели, но дополнительные преимущества можно получить с помощью препятствующего элемента, который имеет только часть высоты вихревой щели. Любое препятствие может быть с полной высотой щели или только частью высоты, чтобы индуцировать турбуленцию в нескольких разных плоскостях.

В дополнительном варианте по меньшей мере один, препятствующий элемент разделяет часть щели, особенно входную часть щели на часть первого канала потока с первой площадью поперечного сечения и часть второго канала потока со второй площадью поперечного сечения. Первая и вторая площадь поперечного сечения равны или отличаются друг от друга максимум на 10%. Другими словами, площадь поперечного сечения одного из каналов потока максимум на 10% меньше или максимум на 10% больше, чем площадь поперечного сечения другого канала потока. Это значит, что отношение проходов не должно быть равным, а может быть определено получением наивысшего отношения турбулентности. Однако, как полагают, оптимальным является, когда проходы равны по ширине или находятся в пределах разницы в 10% друг от друга.

По меньшей мере, одна щель имеет длину щели от входа щели к выходу щели. Преимущественно по меньшей мере один препятствующий элемент, предпочтительно каждый препятствующий элемент, проникает в щель на длину менее чем 70% от длины щели, например, между 10% и 30%, предпочтительно 20%. Центрально расположенный препятствующий элемент на входе щели не должен проникать более чем на 70% от длины щели, но считается, что главное преимущество имело бы место, если проникновение составляло бы 20% длины вихревой щели извне внутрь. Баланс имеется между наличием достаточной длины, которую воздушный поток создал в том направлении, и созданием соединения между заостренными потоками. Более того, чем больше длина после впрыска топлива, тем больше перемешивание, которое происходит внутри вихревой щели. Длина препятствующего элемента должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить течение смеси топливо/воздух обратно вдоль любого из проходов и сгорание снаружи камеры сгорания.

Завихритель преимущественно содержит ряд топливных инжекторов или устройств для впрыска топлива. Топливные инжекторы могут иметь отверстия для впрыска. В предпочтительном варианте завихритель содержит ряд топливных инжекторов или устройств для впрыска. По меньшей мере, один топливный инжектор может быть инжектором газообразного топлива и/или инжектором жидкого топлива.

Как правило, основание завихрителя и/или по меньшей мере один основной элемент завихрителя, и/или по меньшей мере один препятствующий элемент может содержать по меньшей мере один топливный инжектор. Завихритель может содержать по меньшей мере один основной топливный инжектор и/или по меньшей мере один пусковой топливный инжектор, и/или по меньшей мере один вторичный основной топливный инжектор. По меньшей мере, один основной топливный инжектор и/или по меньшей мере один пусковой топливный инжектор и/или по меньшей мере один вторичный основной топливный инжектор предпочтительно расположен на или в верхней поверхности основания завихрителя или на входной кромке одного из основных элементов завихрителя или в положении вниз по потоку одного из препятствующих элементов относительно направления потока в щели от входа щели к выходу щели, или в положении вверх по потоку одного из препятствующих элементов относительно направления потока в щели от входа щели к выходу щели.

Преимущественно, топливный инжектор размещают так, чтобы смешивание топлива происходило вниз по потоку из препятствующего элемента, а именно так, чтобы или топливо могло быть впрыснуто вниз по потоку непосредственно в турбулентную область или оно может быть впрыснуто вверх по потоку таким образом, что воздушный поток несет топливо в турбулентную область.

Кроме того, препятствующий элемент может иметь по меньшей мере одну боковую поверхность, и/или основной элемент завихрителя может иметь по меньшей мере одну боковую поверхность. По меньшей мере, один топливный инжектор может быть расположен на боковой поверхности препятствующего элемента или на боковой поверхности основного элемента завихрителя.

Ряд топливных инжекторов размещены, например, на одном из основных элементов завихрителя, и/или на одном из препятствующих элементов на различных высотах, измеренных от основания завихрителя в осевом направлении. Они могут быть расположены на боковой поверхности или на выходной кромке конкретного элемента. Ряд элементов, расположен, например, на высоте между 60% и 90% от высоты щели, или между 60% и 90% от высоты основного элемента завихрителя, или между 60% и 90% от высоты препятствующего элемента.

Как правило, топливные инжекторы могут быть отверстиями или щелями, или иметь любую форму впрыска.

Например, газовое топливо может быть впрыснуто из выходной кромки препятствующего элемента (смотри позицию 1 на фиг. 2). Число инжекторов может быть 1 или более, но 3 является оптимальным, вероятно расположенными к верхней части на 2/3rds щели. Жидкость может быть также впрыснута из этой выходной кромки, если внутренние трубки подачи могут располагаться так, чтобы исключить трубки подачи газа (смотри позицию 6 на фиг. 2).

Другое расположение для инжекторов или подающих устройств могло быть на стороне центрального препятствующего элемента с расположенными в ряд, но не на одной оси, инжекторами и подающими устройствами, например, 4 подающих устройства, 2 на каждой стороне, но с различными высотами от основания щели, например, 70% или 90% от высоты на одной стороне, и 60% и 80% на другой стороне (смотри позицию 2 на фиг. 2).

Топливо может также подаваться снаружи проходов в щель (смотри позицию 3 на фиг. 2). Основная жидкость должна также размещаться на клиновидном конце препятствующего элемента (позиция 5 или 6 на фиг. 2). Пусковое топливо может быть впрыснуто в основании завихрителя в направлении внутреннего радиуса с низким проникновением или вообще изнутри радиуса завихрителя.

Пусковой или вторичный основной инжектор, или подающее устройство могут быть размещены на различных высотах на выходных кромках основного элемента завихрителя или компонента для дополнительного улучшения смешиваемости (смотри позицию 4 на фигуре 2). Пусковое топливо может впрыскиваться к основанию этой кромки, и основное топливо может впрыскиваться к верхней части. Впрыскиватель жидкого топлива также может быть расположен в одном из этих местоположений (смотри позицию 7 на фиг. 2). Хорошее местоположение пускового жидкого топлива может быть обращено под 90° к основанию, от основания щели в линии с окончанием в точке завихрителя (смотри позицию 5 на фиг. 2). Впрыскивание, расположенное под углом в центре или от конца передней части завихрителя в радиальном направлении внутрь, также является предпочтительным.

Обладающая признаками изобретения горелка для двигателя сгорания содержит по меньшей мере один завихритель, как описано предварительно. Обладающая признаками изобретения газовая турбина содержит по меньшей мере один завихритель, как описано предварительно, и/или по меньшей мере одну горелку, как описано предварительно. Горелка и газовая турбина имеют те же самые характеристики и преимущества, как описанный завихритель.

Обладающий признаками изобретения способ смешивания топлива с воздухом для использования в двигателе сгорания, например, горелке или газовой турбине включает в себя следующие этапы: инжектирование воздуха во входы щелей предварительно описанного завихрителя и впрыск топлива в воздушный поток, а именно в турбулентный воздушный поток, через по меньшей мере один топливный инжектор завихрителя. Способ имеет те же самые характеристики и преимущества, как описанный завихритель.

Топливо может быть, например, инжектировано вниз по потоку или вверх по потоку по меньшей мере из одного препятствующего элемента относительно направления потока в щели от входа щели к выходу щели. Преимущественно, топливо впрыскивается таким образом, чтобы смешивание топлива происходило внизу по потоку из препятствующего элемента. Либо топливо может впрыскиваться непосредственно вниз по потоку в турбулентную область, либо оно может впрыскиваться вверх по потоку таким образом, чтобы воздушный поток нес топливо в турбулентную область. Другими словами, топливо впрыскивается для смешивания топлива и воздуха вниз по потоку из препятствующего элемента путем впрыска топлива в турбулентную область или вверх по потоку турбулентности, созданной препятствием, так чтобы воздушный поток нес топливо в эту область.

Как правило, изобретение имеет преимуществом то, что дополнительные препятствующие элементы в вихревой щели способствуют турбуленции и помогают перемешиванию, а именно смешиванию с помощью различных форм для увеличения турбулентного смешения в точке впрыска топлива. Кроме того, предложены новые местоположения впрыска топлива, которые улучшают результат смешивания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые характерные черты и другие признаки, и преимущества этого изобретения, и способ их достижения станут более очевидным, и изобретение само по себе будет более понятно с помощью ссылки на следующее описание вариантов осуществления изобретения во взаимосвязи с прилагаемыми чертежами. Варианты осуществления не ограничивают объем настоящего изобретения, который определен в приложенной формуле изобретения. Все описанные признаки являются полезными, как отдельные признаки или в сочетании друг с другом.

Фиг. 1 схематически показывает часть турбинного двигателя в разрезе.

Фиг. 2 схематически показывает пример обладающего признаками изобретения завихрителя, вид в перспективе.

Фиг. 3 схематически показывает вид сверху завихрителя из фиг. 2.

Фиг. 4 схематически показывает другой вид в перспективе завихрителя из фиг. 2.

Фиг. 5 схематически показывает дополнительный вид в перспективе завихрителя из фиг. 2.

Фиг. 6 схематически показывает варианты обладающего признаками изобретения завихрителя с примерами для различных по форме препятствующих элементов, вид в перспективе.

Фиг. 7 схематически показывает вид в перспективе варианта завихрителя из фиг. 6 с препятствующими элементами, имеющими более низкую высоту, чем высота щели.

Фиг. 8 схематически показывает осевую проекцию сектора завихрителя с деталировкой местоположения препятствующего(их) элемента(ов) относительно вихревой щели.

Фиг. 9 представляет собой вид в перспективе одного из препятствующих элементов по окружности и в радиальном направлении внутрь, конкретно вид показывает аэродинамическое плечо, которое подвергается воздействию воздушного потока к завихрителю.

Фиг. 10 представляет собой вид в перспективе на выходную кромку препятствующего элемента в радиально наружу, конкретно вид иллюстрирует положение топливных выпусков на поверхностях каждой стороны о выходной кромки.

Фиг. 11 представляет собой боковой разрез на препятствующем элементе и, как правило, в направлении по окружности, изображение показывает аэродинамическое плечо и верхнюю пластину завихрителя.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 показывает пример газотурбинного двигателя 10 в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 включает в себя последовательно по потоку вход 12, секцию компрессора 14, секцию камеры сгорания 16 и секцию турбины 18, которые, как правило, размещены последовательно по потоку и, как правило, около или в направлении продольной или оси вращения 20. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно включает в себя вал 22, который вращается вокруг оси вращения 20, и который проходит в продольном направлении через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет секцию турбины 18 с секцией компрессора 14 с возможностью передачи приводного усилия.

При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, который забирают через вход 12 для воздуха, сжимают с помощью секции компрессора 14 и доставляют к секции сгорания или секции горелки 16. Секция горелки 16 включает в себя камеру 26 горелки, одну или более камер сгорания 28 и по меньшей мере одну горелку 30, неподвижно прикрепленную к каждой камере сгорания 28. Камеры сгорания 28 и горелки 30 расположены внутри камеры 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в камеру 26 горелки, откуда часть воздуха входит в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Топливовоздушная смесь затем сжигается и газ сгорания 34 или рабочий газ от горения направляют через камеру сгорания 28 в секцию турбины 18 по переходному каналу 17.

Этот пример газотурбинного двигателя 10 имеет компоновку 16 секции трубчатой кольцевой камеры сгорания, которая образована кольцевым массивом 19 камер сгорания, причем каждая имеет горелку 30 и камеру сгорания 28, переходный канал 17 имеет, как правило, кольцевой вход, который стыкуется с камерой сгорания 28, и выход в виде кольцеобразного сегмента. Кольцевой массив выходов переходных каналов образует кольцевое пространство для каналирования выделяющихся при горении газов к турбине 18.

Секция турбины 18 включает в себя ряд дисков 36, несущих лопатки, прикрепленных к валу 22. В настоящем примере из двух дисков 36 каждый несет кольцевой массив турбинных лопаток 38. Однако число несущих лопатки дисков может быть различным, т.е. только один диск или более чем два диска. К тому же, направляющие лопасти 40, которые неподвижно прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, размещены между ступенями кольцевых массивов турбинных лопаток 38. Между выходом из камеры сгорания 28 и входным впуском турбинных лопаток 38 обеспечены направляющие лопасти 44 и поворачивают поток рабочего газа на турбинные лопатки 38.

Газы горения из камеры сгорания 28 входят в секцию турбины 18 и приводят в действие турбинные лопатки, которые в свою очередь вращают вал 22. Направляющие лопасти 40, 44 служат для оптимизации угла газа горения или рабочего газа на турбинных лопатках 38.

Секция турбины 18 приводит в действие секцию компрессора 14. Секция компрессора 14 включает в себя осевой ряд лопастных ступеней 46 и ступени 48 роторных лопаток. Ступени 48 роторных лопаток имеют роторный диск, поддерживающий кольцевой массив лопаток. Секция компрессора 14 также имеет кожух 50, который окружает роторные ступени и поддерживает лопастные ступени 48. Ступени направляющих лопастей включают в себя кольцевой массив радиально проходящих лопаток, которые крепятся к кожуху 50. Лопасти предусмотрены для подачи газового потока под оптимальным углом для лопаток в заданной рабочей точке двигателя. Некоторые из ступеней направляющих лопастей имеют изменяющиеся лопасти, где угол лопастей около их собственной продольной оси может регулироваться до угла в соответствии с характеристиками воздушного потока, которые могут иметь место в различных рабочих условиях двигателя.

Кожух 50 определяет в радиально наружную поверхность 52 прохода 56 компрессора 14. Радиально внутренняя поверхность 54 прохода 56 образована по меньшей мере частично роторным барабаном 53 ротора, которая частично образована кольцевым массивом лопаток 48.

Настоящее изобретение описано со ссылкой на вышеупомянутый пример турбинного двигателя, имеющего единственный вал или турбокомпрессор, соединяющий единственный многоступенчатый компрессор и единственную одноступенчатую или более турбину. Однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение в равной степени применимо к двухвальному или трехвальному двигателям и которые могут использоваться для промышленных, аэро- или морских применений.

Термины вверх по потоку и вниз по потоку относятся к направлению течения воздушного потока и/или потока рабочего газа через двигатель, если не указано иное. Термины вперед и назад относятся к основному потоку газа через двигатель. Термины осевой, радиальный и кольцевой употреблены со ссылкой на ось вращения 20 двигателя.

Фиг. 2 схематически показывает вид в перспективе примера обладающего признаками изобретения завихрителя 60. Фиг. 3 схематически показывает вид сверху завихрителя из фиг. 2. Фиг. 4 схематически показывает другой вид в перспективе завихритель из фиг. 2 Фиг. 5 схематически показывает дополнительный вид в перспективе завихрителя из фиг. 2.

Завихритель 60 для смешивания топлива с воздухом имеет центральную ось 63, основание 61 завихрителя, включающее верхнюю поверхность 62, центральную часть 64, ряд основных завихрительных компонентов или завихрительных элементов 65 и ряд препятствующих компонентов или препятствующих элементов 66. Основные завихрительные элементы 65 и препятствующие элементы 66 расположены на верхней поверхности 62 основания 61 завихрителя. Основные завихрительные элементы 65 и препятствующие элементы 66 расположены вокруг центральной части 64. Основные завихрительные элементы 65 образуют ряд вихревых щелей 67. Вихревые щели выполнены с возможностью направления текучей среды к центральной части 64, например, к центральной оси 63. Каждая вихревая щель 67 имеет вход 68 щели и выход 69 щели. Выход 69 щели расположен на меньшем в радиальном направлении расстоянии от центральной оси 63, чем завихряющий вход 68. Каждый препятствующий элемент 66 расположен во входе 68 щели и выполнен с возможностью образования или обеспечения множества каналов потока, предпочтительно два канала 70 и 71 потока, в вихревой щели 67.

Каждый основной завихрительный элемент 65 включает входную кромку 72 и выходную кромку 73. Передние кромки 74 основного завихрительного элемента 65 в вихревой щели 67 предпочтительно являются скругленными для уменьшения падения давления.

Препятствующие элементы 66 на фиг. 2 имеют форму падающей капли в радиальной плоскости. Каждый препятствующий элемент 66 включает входную кромку 75 и выходную кромку 76.

Вихревые щели 67 могут выполнены с возможностью направления текучей среды к центральной оси 63. А именно по меньшей мере одна щель 67 имеет выпуск 69 с центральной линией 77, которая может быть одинаковой с направлением 79 основного потока через выпуск 69 щели. Центральная линия 77 проходит перпендикулярно к центральной оси 63 завихрителя 60 и составляет угол α с радиальным направлением 78 к центру выпуска 69 щели между 10° и 70°, например, между 40° и 60°.

Препятствующий элемент 66 разделяет часть щели 67, а именно часть входа 68 щели 67 на первую часть 70 проточного канала с первой площадью поперечного сечения и вторую часть 71 проточного канала со второй площадью поперечного сечения. Первая и вторая площадь поперечного сечения могут быть равными или отличаться друг от друга максимум на 10%.

По меньшей мере, одна щель имеет щелевую длину от входа 68 щели до выхода 69 щели. Преимущественно, каждый препятствующий элемент 66 проникает в щель 67 на длину меньшую, чем 70% от щелевой длины, например, между 10% и 30%, предпочтительно 20%.

Завихритель преимущественно содержит ряд топливных инжекторов или устройств для впрыска топлива. Топливные инжекторы могут содержать отверстия или щели, или могут иметь любую другую форму впрыска. В предпочтительном варианте завихритель содержит ряд топливных инжекторов или устройств для впрыска топлива. По меньшей мере, один топливный инжектор может быть инжектором для газообразного топлива и/или инжектором для жидкого топлива.

Фигура 2 показывает примеры для различных положений топливных инжекторов. Показанные топливные инжекторы в положениях 1-7 могут присутствовать отдельно или в каждой комбинации, или все, как показано на фиг. 2.

Как правило, основание завихрителя и/или по меньшей мере один основной завихрительный элемент 65 и/или по меньшей мере один препятствующий элемент 66 могут содержать по меньшей мере один основной топливный инжектор 1-7. Завихритель 60 может содержать по меньшей мере один основной топливный инжектор и/или по меньшей мере один пусковой инжектор, и/или по меньшей мере один вторичный основной топливный инжектор. По меньшей мере, один основной топливный инжектор и/или по меньшей мере один пусковой инжектор, и/или по меньшей мере один вторичный основной топливный инжектор предпочтительно расположен на или в верхней поверхности 62 основания 61 завихрителя или на выходной кромке 73 одного из основных завихрительных элементов 65 или в положении вниз по потоку от одного из препятствующих элементов 66 относительно направления потока 79 в щели 67 или в положении вверх по потоку от одного из препятствующих элементов 66 относительно направления потока 79 в щели 67.

Кроме того, препятствующий элемент 66 может иметь по меньшей мере одну боковую поверхность 80, и/или основной завихрительный элемент 65 может иметь по меньшей мере одну боковую поверхность 81. По меньшей мере, один топливный инжектор может быть расположен на боковой поверхности 80 препятствующего элемента 66 (смотри местоположение 2) или на боковой поверхности 81 основного завихрительного элемента 65.

Инжекторы или подающие устройства в положении 2 на стороне 80 препятствующих элементов 66 могут, например, иметь положения инжекторов или подающих устройств, расположенных в ряд, но не одной оси, например, 4 подающих устройства, 2 на любой стороне, но с различными высотами от верхней поверхности 62 основания 61 завихрителя, например, 70% и 90% от высоты на одной стороне 80 и 60% и 80% на другой стороне 80.

Топливо также может подаваться снаружи проходов в щель 67, например, в положении 3.

Предпочтительно газовое топливо может впрыскиваться из выходной кромки 76 препятствующих элементов 66 посредством одного или более инжекторов в положении 1. Число отверстий для впрыска может быть 1 или более, но оптимальным, как полагают, будет 3, вероятно расположенных к верху на 2/3rds щели, другими словами на высоте в 2/3 от высоты щели h_s. Жидкое топливо может также впрыскиваться из этой выходной кромки 76, например, посредством инжектора в положении 6, а именно, если внутренние подающие трубки устройства могут располагаться, чтобы исключить газовые подающие трубки.

Основное жидкое топливо может также располагаться на клиновидном конце препятствующих элементов 66 в положении 5 или 6. Пусковое топливо может впрыскиваться в основании 61 завихрителя 60 в направлении к внутреннего радиусу с низким проникновением или вообще изнутри радиуса завихрителя.

Пусковое или вторичное основное подающее устройство может располагаться на различных высотах в осевом направлении, измеренных от верхней поверхности 62 на выходных кромках 73 основных завихрительных элементов 65, например, в положении 4. Это дополнительно улучшает смешиваемость. Инжектор пускового топлива находится предпочтительно в положении на более низкой высоте (по отношению к основанию) этой кромки, и инжектор основного топлива предпочтительно располагается на большей высоте (по отношению к верху). Инжектор жидкого топлива может также размещаться в одном из этих местоположений, например, в положении 7. Удачное расположение пускового жидкого топлива должно быть обращено на 90 градусов к основанию, от основания щели на линии с концом завихрительной точки (позиция 8 на чертеже ниже). Также было бы полезно впрыскивание под углом в центре или из конца носовой части завихрителя радиально внутрь.

Центрально расположенный препятствующий элемент 66 во входе 68 завихрителя должен проникать более чем на 70% от длины щели 67, но считается, что главное преимущество будет иметь место, если проникновение составляло 20% от длины вихревой щели 67 снаружи внутрь. Баланс находится между наличием достаточной длины, чтобы воздушный поток разложился в этом направлении, и образованием соединения между заостренными потоками. Кроме того, чем больше длина после впрыска топлива, тем большее перемешивание может происходить в вихревой щели. Длина центрально расположенного препятствующего элемента 66, который располагается внутри щели 67, должна быть также достаточно большой, чтобы предотвратить обратное течение топливно-воздушной смеси по любому из проходов и сжигание вне камеры сгорания.

Фиг. 6 схематически показывает вид в перспективе вариантов обладающего признаками изобретения завихрителя с примерами для различных по форме препятствующих элементов. Как правило, препятствующие элементы могут иметь различные формы, а именно в поперечном сечении в радиальной плоскости. Фиг. 6 показывает примеры для различного по форме препятствующего элемента в одном завихрителе 60. Завихритель 60 может, как правило, содержать препятствующие элементы только одной из этих форм или любую комбинацию различных по форме препятствующих элементов. На фиг. 6 препятствующий элемент 82 имеет квадратную форму, препятствующий элемент 85 имеет ромбовидную форму, препятствующий элемент 83 имеет круглую форму, препятствующий элемент 84 имеет овальную форму, и препятствующий элемент 66 имеет форму падающей капли.

Препятствие может состоять из нескольких частей с отверстиями или перегородками между секциями для дополнительного индуцирования турбулентного смешения. Топливо должно впрыскиваться в турбулентную область сразу после препятствия для получения главного преимущества.

По меньшей мере, одна, предпочтительно каждая, щель имеет высоту h_s в осевом направлении, измеренную от верхней поверхности основания завихрителя, и по меньшей мере один, предпочтительно каждый, препятствующий элемент имеет высоту h_o в осевом направлении, измеренную от верхней поверхности основания завихрителя. Например, высота h_o препятствующего элемента равна или меньше, чем высота h_s щели (h_o≤h_s). Другими словами, препятствующие элементы не должны иметь полную высоту вихревой щели. Главное преимущество, как предполагают, составлять 100% от высоты щели, но дополнительные преимущества могут быть получены с помощью препятствующего элемента, который является лишь частью высоты вихревой щели. Любое препятствие может быть полной высоты щели или частью высоты для индуцирования турбулентности в нескольких различных плоскостях.

Фиг. 7 схематически показывает вид в перспективе варианта завихрителя из фиг. 6 с препятствующими элементами 66, 82, 83, 84, 85, имеющими высоту h_o ниже, чем высота щели h_s. Любое препятствие может быть полной высоты h_s щели или частью высоты для индуцирования турбулентности в нескольких различных плоскостях.

Теперь делается ссылка на предпочтительный вариант осуществления настоящего завихрителя и относительно фиг. 8-11.

Фиг. 8 показывает сектор завихрителя 60 в аксиальном виде и один конкретный вариант настоящего завихрителя. Верхняя пластина (108 на фиг. 9, 10 и 11) была удалена для ясности. Как обсуждено выше, завихритель 60 имеет центральную ось 63, основание (пластину) 61 завихрителя, содержащую верхнюю поверхность 62. Кольцевой массив основных завихрительных элементов 65 проходит в осевом направлении от пластины основания 61 до верхней пластины 108. Основные завихрительные элементы 65, пластина основания 61 и верхняя пластина 108 определяют вихревые щели 67. Ряд препятствующих элементов 66, 84 размещен по окружности между основными завихрительными элементами 65.

Каждый препятствующий элемент 66, 84 имеет входную кромку 75 и выходную кромку 76, выходная кромка 76 расположена в радиально внутрь входной кромки 75. Основные завихрительные элементы 65 и препятствующие элементы 66 расположены на верхней поверхности 62 пластины основания 61 и размещаются вокруг центральной части 64.

Вихревые щели 67 имеют центральную линию 100 и выполнены с возможностью направления текучей среды 79 к центральной части 64. Текучая среда представляет собой сжатый воздух из секции компрессора газовой турбины. Каждая вихревая щель 67 имеет вход 68 щели, или, более точно, плоскость входа щели, образованную по радиусу Ri (от оси 63), и выход 69 щели или, более точно, плоскость выхода щели. Выход 69 щели расположен на меньшем в радиальном направлении расстоянии, или радиально внутрь, от центральной оси 63, чем завихрительный вход 68.

Важно отметить, что каждый препятствующий элемент 66 расположен, чтобы пересекать одно из входа 68 щели, то есть плоскость 68Р входа щели проходит через или разрезает препятствующий элемент 66. Препятствующий элемент 66 и непосредственно смежный или обращенный к основному завихрительному элементу образуют множество проточных каналов и, в частности, два канала потока 70, 71, и которые затем подают текучую среду в вихревую щель 67.

Примечательно, что выходная кромка 76 препятствующего элемента 66, 84 расположена или вставлена в вихревую щель 64 радиально снаружи на расстояние 102 вплоть до 0,2Ri. По меньшей мере, один топливный инжектор 1, т.е. выход 116, 116А, 116В топливного инжектора 1, образован в препятствующем элементе 66, 84 и расстоянии вплоть до 0,2Ri от выходной кромки 76. Другими словами, выход(ы) 116, 116А, 116В топлива расположены радиально внутрь от плоскости 68Р входа. Выходы 116, 116А, 116В топлива могут быть расположены на любой части поверхности препятствующего элемента, который находится в радиально внутрь от плоскости 68Р входа.

Указанное расположение препятствующего элемента 66, 84 и выхода(ов) 116, 116А, 116В топлива гарантирует, что отсутствует предварительное смешивание топлива и воздуха перед или радиально наружу от вихревой щели и исключает обратную вспышку газов горения. Кроме того, вставка препятствующего элемента в вихревую щель приводит к уменьшенной площади потока вихревой щели так, что в каналах 71, 70 потока текучая среда или воздух имеет скорость выше, чем в радиально внутрь от выходной кромки 76. Это дополнительно уменьшает или исключает обратную вспышку газов сгорания.

Вихревая щель 67 образована между нагнетающей поверхностью 81Р и засасывающей поверхностью 81S противоположных основных завихрителей 65, и имеет ширину W. Выходная кромка 76 препятствующего(их) элемента(ов) 66, 84 смещена от центральной линии 100 на расстояние 0,05 W. Предпочтительно, смещение имеется к засасывающей поверхности 81S. Это является полезным, потому что распределение давления или градиент текучей среды, входящей в вихревую щель, не является равномерным. Смещение выходной кромки 76 помогает распределять давление более полезно, чтобы не происходила обратная вспышка через любой из каналов 71 или 70.

Препятствующий элемент 66, 84 имеет поперечное сечение в форме аэродинамической поверхности и имеет линию хорды 104, которая проходит от входной кромки 75 к выходной кромке 76. Линия хорды 104 наклонена под углом β между 5° и 25°, предпочтительно между 10° и 20° и предпочтительно приблизительно 15% от центральной линии 100. В этой конфигурации, в частности, когда угол β направлен к засасывающей поверхности 81S основного завихрительного элемента 65, препятствующий элемент помогает поворачивать поток 79 текучей среды в вихревую щель 67 и, тем самым, уменьшая аэродинамические потери.

Завихритель 60 дополнительно содержит верхнюю пластину 108, которая выполнена, в общем, в форме кольца, и которая расположена примыкающей противоположными по оси торцам основных завихрительных элементов 65 к основанию 61 завихрителя. По меньшей мере, часть 110 противоположной по оси торцевой поверхности 114 к торцу пластины основания, препятствующих элементов 66, 84. Таким образом, верхняя пластина 108 дополнительно определяет вихревые щели 67. Часть 110 противоположной в осевом направлении торцевой поверхности 114 препятствующих элементов 66, 84 может иметь ту же самую радиальную протяженность (0,2Ri) как предел вставки препятствующего элемента в вихревую щель. Таким образом, радиально внешняя периферия верхней пластины имеет тот же самый радиус, что и входная кромка 72 основных завихрительных элементов, хотя это не обязательно должно быть так во всех примерах.

Таким образом, оставшаяся часть 112 торцевой поверхности 114 препятствующих элементов 66, 84 проходит радиально наружу от верхней пластины 108, как можно видеть на фиг. 9. Текучий поток 79 падает на эту поверхность, и преимущественно поверхность плавно очерчена, чтобы обеспечить аэродинамическую поверхность для текучей среды 79. Это аэродинамическое профилирование помогает сгладить воздушный поток 79 и уменьшить потери при обеспечении постоянного потока воздуха для правильного впрыска топлива из выходов 116, 116А, 116В.

Показанная на фиг. 11 выходная кромка 75 имеет высоту H_LE и выходная кромка 76 имеет высоту Н_ТЕ. H_LE входной кромки меньше, чем высота Н_ТЕ выходной кромки, и имеется плавный переход по оставшейся части 112 поверхности 114 от части 110, покрытой верхней пластиной 108. Это плечо наклонено под углом, чтобы встречать воздушный поток 79, когда он поворачивает от осевого направления к обычно радиальному направлению, поскольку он проходит через вихревые щели.

Чтобы подчеркнуть аэродинамическую форму препятствующего элемента 66, 84 в плоскости, перпендикулярной центральной оси 63, форма представляет собой симметричную падающую каплю 84 (фиг. 8) или криволинейную падающую каплю 66 (фиг. 2-5). Формы поперечных сечений имеют максимальную толщину T_max ближе к входной кромке 75, чем выходной кромке 76 и, форма, как правило, суживается к концу от максимальной толщины T_max к входной кромке 75.

Обратимся теперь к конфигурациям впрыска топлива. Каждый препятствующий элемент 66, 84 имеет первую поверхность 80A и вторую поверхность 80В, соответственно обращенные к засасывающей поверхности (1S и нагнетающей поверхности 81Р основных завихрительных элементов 65, в которых есть по меньшей мере один топливный инжектор 1, имеющий выходы 116А, 116В в каждой из первой поверхности 80А и второй поверхности 80В, соответственно.

В предпочтительном варианте осуществления, показанном, в частности, на фиг. 8-11 есть множество топливных инжекторов 1, имеющих по меньшей мере один выход 116А, 116В в каждой из первой поверхности 80A и второй поверхности 80В. Выходы 116А топливных инжекторов 1 в первой поверхности 80A смещены в осевом направлении от выходов 116В топливных инжекторов 1 во второй поверхности 80В. Выходы 116В топливных инжекторов 1 на второй поверхности 80В расположены симметрично вокруг срединной высоты выходной кромки 76. Здесь выходы 116А топливных инжекторов 1 на первой поверхности 80A расположены примерно в середине шага выходов 116В топливных инжекторов 1 на второй поверхности 80В. Для показанного примера варианта осуществления есть три выхода 116А, 116В топливных инжекторов 1 на каждой из первой поверхности 80A и второй поверхности 80В. В этих конфигурациях топливо распределяется более равномерно поперек осевой высоты вихревой щели 67 или, и преимущественно, внутри потока текучей среды таким образом, что он сгорает в правильном месте внутри камеры сгорания.

Claims

1. Завихритель (60) для смешивания топлива с воздухом в двигателе сгорания (10), при этом завихритель (60) имеет центральную ось (63), основание (61) завихрителя, содержащее верхнюю поверхность (62), центральную часть (64), ряд основных завихрительных элементов (65) и ряд препятствующих элементов (66, 84);

при этом каждый препятствующий элемент (66, 84) имеет входную кромку (75) и выходную кромку (76), причем выходная кромка (76) расположена радиально внутрь входной кромки (75);

при этом основные завихрительные элементы (65) и препятствующие элементы (66) расположены на верхней поверхности (62) основания (61) завихрителя и размещены вокруг центральной части (64);

причем основные завихрительные элементы (65) образуют ряд вихревых щелей (67), имеющих центральную линию (100) и выполненных с возможностью направления текучей среды (79) к центральной части (64), при этом каждая вихревая щель (67) имеет вход (68) щели, образованный на радиусе Ri, и выход (69) щели, причем выход (69) щели расположен на меньшем в радиальном направлении расстоянии от центральной оси (63), чем завихрительный вход (68);

причем каждый препятствующий элемент (66) расположен так, чтобы пересекать вход (68) щели, и выполнен с возможностью образования множества каналов потока (70, 71) в вихревой щели (67), причем каждый препятствующий элемент (66) и непосредственно смежный основной завихрительный элемент образуют два канала (70, 71) потока, которые затем подают текучую среду (79) в вихревую щель (67);

выходная кромка (76) препятствующего элемента (66, 84) расположена в вихревой щели (64) на расстоянии вплоть до 0,2Ri, причем выходная кромка (76) препятствующего элемента (66, 84) вставлена в вихревую щель (64) радиально снаружи на расстояние (102) вплоть до 0,2Ri, и

по меньшей мере один топливный инжектор (1) образован в препятствующем элементе (66, 84) и на расстоянии вплоть до 0,2Ri от выходной кромки (76).

2. Завихритель (60) по п. 1,

в котором вихревая щель (67) образована между нагнетающей поверхностью (81Р) и засасывающей поверхностью (81S) противоположной основным завихрителям (65), причем вихревая щель (67) завихрителя имеет ширину W,

при этом выходная кромка (76) препятствующего элемента (66, 84) смещена от центральной линии (100) на расстояние 0,05W, предпочтительно смещение направлено к засасывающей поверхности (81S).

3. Завихритель (60) по любому из пп. 1, 2,

в котором препятствующий элемент (66, 84) имеет линию хорды (104), которая проходит от входной кромки (75) к выходной кромке (76),

при этом линия хорды (104) наклонена под углом β между 5 и 25°, предпочтительно между 10 и 20° и предпочтительно приблизительно 15° от осевой линии (100).

4. Завихритель (60) по любому из пп. 1-3,

дополнительно содержащий верхнюю пластину (108), выполненную в общем в форме кольца и которая расположена примыкающей в осевом направлении противоположными концами основных завихрительных элементов (65) к основанию (61) завихрителя, и по меньшей мере часть (110), противоположную в осевом направлении торцевой поверхности (114) препятствующих элементов (66, 84), причем верхняя пластина (108) дополнительно образует вихревые щели (67).

5. Завихритель (60) по п. 4,

в котором оставшаяся часть (112) торцевой поверхности (114) препятствующих элементов (66, 84) проходит радиально наружу от верхней пластины (108), оставшаяся часть (112) торцевой поверхности (114) плавно оконтурена для обеспечения аэродинамической поверхности для текучей среды (79).

6. Завихритель (60) по любому из пп. 1-5,

в котором входная кромка (75) имеет высоту H_LE и выходная кромка (76) имеет высоту Н_ТЕ, при том H_LE является меньшей, чем H_TE.

7. Завихритель (60) по любому из пп. 1-6,

в котором по меньшей мере один препятствующий элемент (66, 84) имеет форму в поперечном сечении в плоскости, перпендикулярной центральной оси (63), которая представляет собой симметричную падающую каплю (84) или криволинейную падающую каплю (66), и форма имеет максимальную толщину T_maxближе к входной кромке (75), чем к выходной кромке (76), и форма в общем сужается от максимальной толщины T_max.к входной кромке (75).

8. Завихритель (60) по любому из пп. 1-7,

в котором каждый препятствующий элемент (66, 84) имеет первую поверхность (80А) и вторую поверхность (80В), соответственно обращенные к засасывающей поверхности (81S) и нагнетающей поверхности (81Р) основных завихрительных элементов (65),

при этом предусмотрен по меньшей мере один топливный инжектор (1), имеющий выход в каждой из первой поверхности (80A) и второй поверхности (80В).

9. Завихритель (60) по п. 8,

в котором предусмотрено множество топливных инжекторов (1), имеющих по меньшей мере один выход в каждой из первой поверхности (80А) и второй поверхности (80В).

10. Завихритель (60) по любому из пп. 7-9,

в котором выходы топливных инжекторов (1) в первой поверхности (80А) в радиальном направлении смещены от выходов топливных инжекторов (1) во второй плоскости (80В).

11. Завихритель (60) по любому из пп. 7-10,

в котором выходы топливных инжекторов (1) во второй поверхности (80В) расположены симметрично около средней высоты выходной кромки (76).

12. Завихритель (60) по п. 11,

в котором выходы топливных инжекторов (1) на первой поверхности (80А) расположены на половине шага выходов топливных инжекторов (1) на второй поверхности (80В).

13. Завихритель (60) по любому из пп. 7-12,

в котором три выхода топливных инжекторов (1) находятся на каждой из первой поверхности (80А) и второй поверхности (80В).

14. Горелка (30) для двигателя сгорания (10), содержащая по меньшей мере один завихритель (60) по любому из предшествующих пунктов.

15. Газовая турбина (10), содержащая по меньшей мере одну горелку (30) по предшествующему пункту.

16. Способ смешивания топлива с воздухом для применения в двигателе сгорания, включающий этапы, на которых:

инжектируют воздух во входы (68) щелей завихрителя (60) по любому из пп. 1-3,

впрыскивают топливо в воздушный поток через по меньшей мере один топливный инжектор (1-7) завихрителя (60).