Смеситель топлива с воздухом для камер сгорания

Смеситель топлива с воздухом для камер сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится, в основном, к камерам сгорания и, в частности к универсальным относительно топлива смесителям топлива с воздухом камер сгорания с предварительным обедненным смешиванием для использования в процессах сгорания с небольшим выбросом вредных веществ.

Исторически извлечение энергии из топлива выполнялось в камерах сгорания с диффузионно-управляемым сгоранием (называемым также «сгоранием без предварительного смешивания»), когда реагенты первоначально разъединены, и реакция происходит лишь на границе раздела между топливом и окислителем, где происходит как смешивание, так и реакция. Примеры таких устройств включают, но не ограничиваясь этим, авиационные газотурбинные двигатели и производные от авиационных газовых турбин для генерирования электроэнергии, привода судов, сжатия газа, комбинированного производства тепловой и электрической энергии, снабжения электроэнергией оффшорных платформ и т.п. При конструировании таких камер сгорания инженеры сталкиваются не только с постоянными требованиями по сохранению или уменьшению общих размеров камер сгорания, увеличению максимальной рабочей температуры и увеличению удельной степени извлечения энергии, но также с постоянно увеличивающимися требованиями по уменьшению образования загрязнений и их выброса в атмосферу. Примеры основных загрязнений включают оксиды азота (NO_x), моноксид углерода (СО), несгоревшие и частично сгоревшие углеводороды и вызывающие парниковый эффект газы, такие как диоксид углерода (CO₂). За счет трудностей управления локальными изменениями состава потока за счет зависимости от механического смешивания текучих сред во время сгорания, пиковых температур, связанных с локализованным стехиометрическим сгоранием, времени пребывания в зонах с повышенными температурами и доступности кислорода диффузионно-управляемые камеры сгорания обеспечивают ограниченную способность выполнения существующих и будущих требований к выбросу вредных веществ при сохранении желаемых уровней повышенных рабочих параметров.

В последнее время камеры сгорания с обедненным предварительным смешиванием (см., например, патент США №5351477) используются для дальнейшего снижения уровней выброса нежелательных загрязнений. В этих камерах сгорания правильные количества топлива и окислителя хорошо смешиваются в смесительной камере или зоне посредством использования смесителя топлива и воздуха перед выполнением любой значительной химической реакции в камере сгорания, что облегчает управление указанными выше трудностями диффузионно-управляемых камер сгорания и других камер согласно уровню техники. Обычные смесители топлива и воздуха камер сгорания с предварительным смешиванием включают в себя комплект внутренних и наружных противоположно вращающихся завихрителей, расположенных обычно вблизи входного конца смесительного канала для придания завихрения потоку воздуха. Известны различные пути впрыска топлива в таких устройствах, включая подачу первого топлива во внутренний и/или наружный кольцевые завихрители, которые могут включать полые лопасти с внутренними полостями, соединенными с возможностью прохождения текучей среды с коллектором топлива в диске колеса, и/или впрыска второго топлива в смесительный канал с помощью множества отверстий в центральной стенке корпуса, соединенных с возможностью прохождения потока со вторым топливным резервуаром. В таких устройствах сильно сжатый воздух из компрессора проходит в смесительный канал из проходов между лопастями наружного завихрителя и/или отверстий центрального корпуса в виде перекрестного струйного потока, так что сильно сжатый воздух и топливо смешиваются перед выходом топливно-воздушной смеси из выходного конца смесительного канала в камеру сгорания и воспламеняются. Топливом для использования в камерах сгорания с обедненным предварительным смешиванием является, но не ограничиваясь этим, природный газ.

Дополнительно к камерам сгорания, способным дополнительно уменьшать уровни выброса загрязнений, технологии камер сгорания с обедненным предварительным смешиванием, универсальных относительно топлива, приобретают все большую важность. С увеличением в мире потребности в энергии и ростом стоимости природного газа владельцы электростанций продолжают поиск альтернативного топлива, в частности производных от имеющихся в избытке и дешевых природных ресурсов, таких как уголь. Рассмотрим, например, но не в качестве ограничения, существующий интерес к интегральной системе газификации с комбинированным циклом (IGCC) с современными системами сгорания, в которых были продемонстрированы чистые, эффективные и не дорогие системы получения энергии на основе угля для обеспечения более высоких уровней эффективности при одновременном обеспечении отработавших газов, которые соответствуют или ниже современных уровней выброса нежелательных загрязнений. Одним из предпочтительных признаков блоков IGCC является сжигание синтетических топливных газов (также известных как синтетический газ), которые являются газами, обогащенными моноксидом углерода и водородом, получаемыми из процессов газификации угля или других материалов. Тем не менее с учетом большой первоначальной основной стоимости существующих станций и необходимости сохранения универсальности, желательными являются камеры сгорания с обедненным предварительным смешиванием, способные сжигать природный газ, синтетический газ или их смеси. Однако обычные камеры сгорания, предназначенные для сжигания природного газа или любого другого топлива с высоким содержанием энергии, не способны сжигать синтетический газ или любое другое топливо с низким содержанием энергии при сохранении одинакового уровня производительности и образования загрязнений, поскольку необходимы значительные изменения геометрических и рабочих параметров, таких как, но не ограничиваясь этим, соотношение эквивалентности топлива и воздуха для заданной температуры пламени, а также общее падение давления, скорость впрыска топлива и число Маха потока топлива для заданной полной эффективной площади потока топлива.

Поэтому существует потребность в смесителях топлива с воздухом для использования в камерах сгорания с обедненным предварительным смешиванием, обладающих универсальностью для сжигания топлива с высоким содержанием энергии и/или топлива с низким содержанием энергии при сохранении или превышении современных уровней производительности как в отношении выдаваемой энергии, общей эффективности, работоспособности, так и образования загрязнений. Такое стремление является положительным шагом в разработке газотурбинных камер сгорания, нацеленных на полное преобразование производства энергии с экономией водорода.

Таким образом, согласно объекту настоящего изобретения создан смеситель топлива с воздухом, содержащий кольцевой кожух, имеющий продольную ось, проходящую в осевом направлении, радиальную ось, проходящую в радиальном направлении, и входную и выходную концевые части; центральное тело, проходящее в осевом направлении кольцевого кожуха; внутренний завихритель, имеющий внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружной поверхности центрального тела, при этом внутренний завихритель расположен у входной концевой части кольцевого кожуха; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре, образованном между внутренним и наружным кожухами у выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг наружной окружной концевой части внутреннего завихрителя; наружный завихритель, имеющий внутреннюю окружную концевую часть, расположенную вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители выполнены с возможностью обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока воздуха, входящего в кольцевой кожух у его входной концевой части; топливный кожух, расположенный у входной концевой части кольцевого кожуха снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с множеством входов впрыска топлива в наружном завихрителе; и радиальный завихритель для всасывания воздуха внутрь кольцевого кожуха из области снаружи кольцевого кожуха, причем радиальный завихритель расположен по потоку после места расположения в осевом направлении топливного кожуха и внутреннего и наружного завихрителей, при этом воздухом управляется концентрация топлива вблизи стенки кольцевого кожуха у выхода кольцевого кожуха.

Предпочтительно, смеситель выполнен с возможностью смешивания воздуха с топливом, выбранным из группы, состоящей из высокоэнергетического топлива, низкоэнергетического топлива и их комбинации.

Предпочтительно, распределительная камера подаваемого топлива выполнена с возможностью транспортировки низкоэнергетического топлива для впрыска в смеситель топлива и воздуха через завихритель распределительной камеры подаваемого топлива.

Предпочтительно, топливный кожух выполнен с возможностью транспортировки высокоэнергетического топлива для впрыска в смеситель топлива и воздуха через множество входов впрыска топлива в наружном завихрителе.

Предпочтительно, низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 50/50 водорода и азота, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 6,43 до примерно 8,57 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

Предпочтительно, низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 60/40 водорода и азота, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 4,2 до примерно 5,6 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

Предпочтительно, низкоэнергетическое топливо является синтетическим газом, или высокоэнергетическое топливо является природным газом, и эффективная площадь завихрителя распределительной камеры подаваемого топлива от примерно 10,82 до примерно 14,43 раз больше эффективной площади множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска природного газа для температуры пламени в диапазоне от 2000°F до 3000°F (или от 1093°С до 1649°С).

Предпочтительно, высокоэнергетическое топливо является чистым водородом, и эффективная площадь множества входов для впрыска топлива в наружном завихрителе для впрыска чистого водорода от примерно 1,6 до примерно 2,14 раз больше той же эффективной площади, когда высокоэнергетическое топливо является природным газом.

Согласно настоящему изобретению обеспечивается лучшее смешивание топлива и воздуха, что обеспечивает лучшее гашение и работу со смесями природного газа и воздуха. Дополнительно, предел обрыва пламени значительно улучшается по сравнению с существующими системами. Кроме того, настоящее изобретение можно использовать с различными топливами, что обеспечивает улучшенную универсальность относительно топлива. Например, согласно изобретению можно использовать, например, природный газ или водород в качестве высокоэнергетического топлива, и/или синтетический газ в качестве низкоэнергетического топлива. Универсальность относительно топлива такой системы исключает необходимость изменения оборудования или использования сложных структур с различными топливными входами, необходимыми для различных видов топлива. Кроме того, обеспечивается уменьшение вредных выбросов, а также динамических колебаний и модуляции внутри камер сгорания.

Также, одно или несколько указанных выше и других потребностей уровня техники выполняются с помощью смесителей топлива и воздуха, которые включают в себя кольцевой кожух; центральное тело; внутренний завихритель, расположенный вокруг наружной поверхности центрального тела; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг внутреннего завихрителя; наружный завихритель, расположенный вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители предназначены для обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока окислителя, входящего в кольцевой кожух; и топливный кожух, расположенный снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем.

Согласно другому аспекту изобретения раскрыты газовые турбины, которые включают в себя компрессор, камеру сгорания для сжигания предварительно смешанной смеси топлива и воздуха, соединенную по потоку с компрессором, и турбину, расположенную за камерой сгорания, для расширения потока высокотемпературного газа, выходящего из камеры сгорания. Камеры сгорания таких газовых турбин имеют смесители топлива с газом, которые включают в себя кольцевой кожух; центральное тело; внутренний завихритель, расположенный вокруг наружной поверхности центрального тела; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг внутреннего завихрителя; наружный завихритель, расположенный вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители предназначены для обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока окислителя, входящего в кольцевой кожух; и топливный кожух, расположенный снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем.

Согласно другому аспекту данного изобретения раскрыты газожидкостные системы, которые содержат блок разделения воздуха, предназначенный для отделения кислорода из воздуха, блок обработки газа для подготовки природного газа, камеру сгорания для реакции кислорода с природным газом при повышенных температуре и давлении для образования синтетического газа, обогащенного моноксидом углерода и водородом, и турбодетандер в соединении по потоку с камерой сгорания для выделения энергии из синтетического газа и для его охлаждения. Камера сгорания таких газо-жидкостных систем включает в себя смесители топлива с газом, которые имеют кольцевой кожух; центральное тело; внутренний завихритель, расположенный вокруг наружной поверхности центрального тела; распределительную камеру подаваемого топлива, имеющую плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух расположен по окружности вокруг внутреннего завихрителя; наружный завихритель, расположенный вокруг наружного кожуха распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний и наружный завихрители предназначены для обеспечения независимого вращения соответствующих первой и второй частей первого потока окислителя, входящего в кольцевой кожух; и топливный кожух, расположенный снаружи наружного завихрителя в радиальном направлении и по окружности вокруг кольцевого кожуха, при этом топливный кожух соединен по потоку с наружным завихрителем.

Способы предварительного смешивания топлива с высоким содержанием энергии или топлива с низким содержанием энергии в системе сгорания также входят в объем данного изобретения, при этом такие способы включают этапы всасывания первого потока окислителя во внутрь кольцевого кожуха смесителя топлива и воздуха; завихрения первой части первого потока окислителя в наружном завихрителе в первом направлении; завихрения второй части первого потока окислителя во внутреннем завихрителе во втором направлении; и впрыска топлива с высоким содержанием энергии в смеситель топлива и воздуха из топливного кожуха, соединенного по потоку с входными отверстиями для топлива в наружном завихрителе, или впрыска топлива с низким содержанием энергии в смеситель топлива и воздуха из распределительной камеры подаваемого топлива, при этом распределительная камера подаваемого топлива включает в себя плоское кольцо, образованное внутренним и наружным кожухами, проходящими в осевом направлении с образованием зазора между ними, по меньшей мере, один вход для топлива и завихритель распределительной камеры подаваемого топлива, расположенный в зазоре между внутренним и наружным кожухами в выходной части распределительной камеры подаваемого топлива, при этом внутренний кожух распределительной камеры подаваемого топлива расположен по окружности вокруг наружной окружной концевой части внутреннего завихрителя.

Выше были приведены признаки данного изобретения для лучшего понимания приведенного ниже подробного описания и для лучшего понимания вклада в данную область техники. Естественно, имеются другие признаки изобретения, описание которых будет приведено ниже, и которые являются предметом прилагаемой формулы изобретения.

В этой связи, перед пояснением нескольких предпочтительных вариантов выполнения изобретения, следует отметить, что изобретение в данной заявке не ограничивается деталями конструкции и расположением набора компонентов, указанными в последующем описании или показанными на чертежах. Возможны другие варианты выполнения изобретения, и его можно выполнять на практике различными путями. Следует также отметить, что используемая в заявке фразеология и терминология служат целям описания и не должны ограничивать изобретение.

Для специалистов в данной области техники понятно, что концепцию, на которой основано данное изобретение, можно использовать в качестве основы для разработки других структур, способов и систем для выполнения нескольких целей данного изобретения. Поэтому важно рассматривать формулу изобретения как включающую такие эквивалентные конструкции, если они не выходят за объем и идею данного изобретения.

Кроме того, целью прилагаемого реферата является обеспечение понимания патентным ведомством и в целом общественностью, в частности учеными, инженерами и практиками в данной области техники, которым не привычны патентные или правовые понятия или фразеология, после быстрого просмотра сущности технического раскрытия заявки. В соответствии с этим реферат не предназначен для определения изобретения или заявки, которые определяются лишь формулой изобретения, а также ни коим образом не ограничивает объем изобретения.

Для лучшего понимания изобретения и многих его ожидаемых преимуществ ниже приводится подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схема газовой турбины, имеющей смеситель топлива и воздуха, согласно данному изобретению;

фиг.2 - пример конфигурации камеры сгорания трубчатого типа, применяемой в показанной на фиг.1 газовой турбине, согласно данному изобретению;

фиг.3 - другой пример конфигурации кольцевой камеры сгорания, применяемой в показанной на фиг.1 газовой турбине, согласно данному изобретению;

фиг.4 - частичный вид в перспективе другого примера кольцевой камеры сгорания с низким выбросом вредных веществ, имеющей смеситель топлива и воздуха, согласно данному изобретению;

фиг.5 - вид в перспективе смесителя топлива и воздуха с фиг.4;

фиг.6 - вид сверху от выхода к входу смесителя топлива и воздуха с фиг.4;

фиг.7 - вид снизу от входа к выходу смесителя топлива и воздуха с фиг.4;

фиг.8 - частичный вид в перспективе другого смесителя топлива и воздуха согласно данному изобретению;

фиг.9 - частичный вид в перспективе еще одного смесителя топлива и воздуха согласно данному изобретению; и

фиг.10 - вид в перспективе радиального завихрителя смесителя топлива и воздуха с фиг.9.

На чертежах, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены идентичные или соответствующие части в различных проекциях, показано несколько устройств смесителя топлива и воздуха, описание которых будет приведено ниже. В последующих пояснениях используются примеры выполнения смесителей топлива и воздуха, согласно изобретению, используемых в газовой турбине. Однако для специалистов в данной области техники понятно, что те же смесители топлива и воздуха можно использовать в других применениях, в которых сгорание первично управляется посредством предварительного смешивания топлива и окислителя.

На фиг.1 показана газовая турбина 10, имеющая компрессор 14, который во время работы подает сильно сжатый воздух в камеру 12 сгорания с низким выбросом вредных веществ. После сгорания топлива, впрыскиваемого в камеру 12 сгорания с воздухом (или другим окислителем), высокотемпературные газы сгорания с высоким давлением выходят из камеры 12 сгорания и расширяются через турбину 16, которая приводит во вращение компрессор 14 через вал 18. Специалистам в данной области техники понятно, что в данном случае ссылки на воздух относятся также к любому другому окислителю, включая, но не ограничиваясь этим, чистый кислород или обогащенный поток воздуха, имеющий объемное содержание кислорода менее 21% (например, 10%). В одном варианте выполнения камера 12 сгорания представляет собой камеру сгорания трубчатого типа. В альтернативном варианте выполнения камера 12 сгорания представляет собой трубчато-кольцевую камеру сгорания или чисто кольцевую камеру сгорания. В зависимости от применения газы сгорания могут дополнительно расширяться в сопле (не показано) с целью создания силы тяги, или же газовая турбина 10 может иметь дополнительную турбину (не показана) для извлечения дополнительной энергии из газов сгорания для привода наружной нагрузки. Как показано на фиг.1, камера 12 сгорания включает в себя корпус 20 камеры сгорания, задающий зону сгорания. Дополнительно к этому, как показано на фиг.2-5 и пояснено ниже, камера 12 сгорания включает в себя смеситель топлива и воздуха для смешивания сжатого воздуха и топлива перед сгоранием в зоне сгорания.

На фиг.2 показан пример конфигурации камеры 22 сгорания с низким выбросом вредных веществ, применяемой в газовой турбине 10 согласно фиг.1. В показанном примере выполнения камера 22 сгорания представляет собой камеру сгорания трубчатого типа с единственным смесителем топлива и воздуха; однако специалистам в данной области техники понятно, что можно использовать также несколько смесителей в этой трубе камеры сгорания в зависимости от применения и желаемого выхода. Камера 22 сгорания включает в себя корпус 24 камеры сгорания и вкладыш 26 камеры сгорания, расположенный внутри корпуса 24 камеры сгорания. Камера 22 сгорания также включает в себя куполообразную пластину 28 и тепловой экран 30, предназначенный для уменьшения температуры стенок камеры сгорания. Кроме того, камера 22 сгорания включает в себя смеситель 32 топлива и воздуха для предварительного смешивания окислителя и топлива перед сжиганием. В одном варианте выполнения смесители 32 топлива и воздуха могут быть расположены для обеспечения ступенчатого введения топлива внутри камеры 22 сгорания для применений с использованием такого топлива как водород. При работе смеситель 32 топлива и воздуха принимает поток 34 воздуха, который смешан с топливом, подаваемым в смеситель 32 топлива и воздуха из распределительной камеры подаваемого топлива. Затем смесь топлива и воздуха сжигается в пламени 36 в камере 22 сгорания. Разбавление или охлаждение отверстий 38 может быть осуществлено в корпусе 24.

На фиг.3 показан другой пример конфигурации камеры 40 сгорания с низким выбросом вредных веществ, применяемой в газовой турбине 10 согласно фиг.1. В показанном варианте выполнения камера 40 сгорания включает в себя кольцевую камеру сгорания с единственным смесителем топлива и воздуха; однако специалистам в данной области техники понятно, что можно использовать также несколько расположенных по окружности смесителей в данной кольцевой камере сгорания в зависимости от применения и желаемого выхода. Как показано, внутренний кожух 42 и наружный кожух 44 задают зону сгорания внутри камеры 40 сгорания. Дополнительно к этому, камера 40 сгорания обычно включает внутренний и наружный вкладыши 46 и 48 камеры сгорания и купол 50. Кроме того, камера 40 сгорания включает в себя внутренний и наружный тепловые экраны 52 и 54, расположенные вблизи внутреннего и наружного вкладышей 46 и 48, и диффузорную секцию 56 для направления воздушного потока 58 в зону сгорания. Камера 40 сгорания также включает в себя смеситель 60 топлива и воздуха, расположенный перед зоной сгорания. При работе смеситель 60 топлива и воздуха принимает топливо из распределительной камеры подаваемого топлива через топливные трубопроводы 62 и 64. Затем топливо из топливных трубопроводов 62 и 64 смешивается с входящим воздушным потоком 58, и смесь топлива и воздуха подается в пламя 66 для сжигания.

На фиг.4 показан частичный разрез другого примера выполнения кольцевой камеры 70 сгорания с низким выбросом вредных веществ, имеющей смеситель 72 топлива и воздуха, согласно данному изобретению. Как понятно специалистам в данной области техники, кольцевая камера 70 сгорания является устройством для сгорания с непрерывным горением, подходящим для использования в газотурбинном двигателе 10, и включает в себя полое тело 74, которое задает внутри камеру 76 сгорания. Полое тело 74 является кольцевым по форме и включает в себя наружный вкладыш 48, внутренний вкладыш 46 и куполообразный конец или купол 50. Как показано на фиг.4, куполообразный конец 50 полого тела 74 соединен со смесителем 72 топлива и воздуха для обеспечения последующей подачи смеси топлива и воздуха из смесителя 72 топлива и воздуха в камеру 76 сгорания с минимальным образованием загрязнений, вызываемых воспламенением и сгоранием образованной смеси. В отличие от указанных выше модификаций смеситель 72 топлива и воздуха выполнен, в целом, в виде смесителей, раскрытых в патентах США №5351477, 5251447 и 5165241, полное содержание которых включено в данное описание посредством ссылки.

Как показано, смеситель 72 топлива и воздуха включает в себя внутренний завихритель 80 и наружный завихритель 82. Внутренний и наружный завихрители 80 и 82 предпочтительно обеспечивают вращение в противоположных направлениях. Как понятно специалистам в данной области техники, не имеет значения, в каком направлении внутренний завихритель 80 или наружный завихритель 82 вращает воздух, проходящий через него, если направление вращения одного завихрителя противоположно направлению вращения другого завихрителя. Внутренний и наружный завихрители 80 и 82 являются предпочтительно осевыми, но могут быть радиальными или некоторой комбинацией осевого и радиального завихрителя. Как известно специалистам в данной области техники, внутренний и наружный завихрители 80 и 82 имеют лопасти, которые расположены под углом от около 40° до около 60° относительно продольной оси А камеры сгорания. Дополнительно к этому, соотношение масс воздуха, проходящих через внутренний завихритель 80 и наружный завихритель 82, можно регулировать с помощью конструкции, при этом оно предпочтительно составляет примерно одну треть.

Смеситель 72 топлива и воздуха дополнительно включает в себя топливный кожух 86 с топливным входом 88, при этом топливный кожух 86 окружает по окружности смеситель на его входном конце, и кольцевой кожух 90, расположенный по потоку после топливного кожуха 86. Топливный кожух 86 может быть соединен по потоку с лопастями наружного завихрителя 82, и топливо, впрыскиваемое из него, можно дозировать с помощью подходящей подачи топлива и известного обычного механизма управления. Лопасти наружного завихрителя 82 имеют предпочтительно полую конструкцию, имеющую внутренние полости, соединенные с топливным кожухом 86, и топливные каналы для впрыска топлива из топливного кожуха 86 в кольцевой кожух 90 через топливные входы 112 (см. фиг.5). Как также хорошо известно, хотя не показано на чертежах, топливные каналы могут быть выполнены в топливном кожухе 86 с соединением по потоку с лопастями внутреннего завихрителя 80. Согласно данному изобретению топливный кожух 86 предназначен для впрыска топлива с высоким содержанием энергии в смеситель 72 топлива и воздуха. Высокоэнергетическое топливо является в данном случае топливом, имеющим нижнюю теплотворную способность от 30 до 120 МДж/кг. Примеры такого топлива включают, но не ограничиваясь этим, природный газ и водород.

Как показано на фиг.4, распределительная камера 84 подаваемого топлива с низким содержанием энергии отделяет внутренний и наружный завихрители 80 и 82 друг от друга, что обеспечивает возможность выполнения внутреннего и наружного завихрителей 80 и 82 коаксиально кольцевыми и вращения по отдельности входящего в них воздуха. Распределительная камера 84 подаваемого топлива с низким содержанием энергии включает в себя две концентричные трубчатые части 94 и 96, образующие кольцевую зону с зазором 98 между ними. На входном конце 100 распределительной камеры 84 подаваемого топлива предусмотрен топливный вход 102. Топливо, вводимое в распределительную камеру 84 подаваемого топлива, в конечном итоге впрыскивается в смеситель 72 топлива и воздуха через третий завихритель 104, расположенный у выходного конца 106 распределительной камеры 84 подаваемого топлива. При этом, как показано, третий завихритель 104 находится по существу в одной плоскости с внутренним и наружным завихрителями 80 и 82. Смеситель 72 топлива и воздуха дополнительно включает в себя центральное тело 108 в виде прямой цилиндрической секции или предпочтительно в виде по существу равномерно сужающейся от его входного конца к его выходному концу. Центральное тело 108 предпочтительно имеет такой размер, что оно заканчивается перед выходным концом 110 кольцевого кожуха 90.

На фиг.5-7 дополнительно показан смеситель 72 топлива и воздуха с фиг.4. На фиг.5 показаны в перспективе отверстия 112 впрыска топлива для ввода топлива с высоким содержанием энергии в смеситель 72 топлива и воздуха. На фиг.5 показан также вариант выполнения топливного входа 102 для введения топлива с низким содержанием энергии в распределительную камеру 84 подаваемого топлива. В других вариантах выполнения распределительная камера 84 подаваемого топлива может включать в себя несколько топливных входов 102, расположенных по окружности вокруг распределительной камеры 84 подаваемого топлива для обеспечения более равномерного процесса впрыска топлива в смеситель 72 топлива и воздуха, или же может быть предусмотрена отдельная коническая распределительная камера подаваемого низкоэнергетического топлива. Низкоэнергетическое топливо в данном случае является топливом, имеющим низкую теплотворную способность менее 30 МДж/кг. Примеры такого топлива включают, но не ограничиваясь этим, смеси Н₂ и N₂ в соотношении 60/40 или 50/50 и синтетический газ. На фиг.6 и 7 показан смеситель 72 топлива и воздуха, соответственно, на виде сверху (для наблюдателя, расположенного на выходе и смотрящего на вход) и снизу (для наблюдателя, расположенного на входе и смотрящего на выход) для иллюстрации относительного положения наружного завихрителя 82, третьего завихрителя 104 (см. фиг.6), внутреннего завихрителя 80, входного конца 100 распределительной камеры 84 подаваемого топлива (см. фиг.7) и центрального тела 108.

Эффективная площадь входов для высокоэнергетического топлива, впрыскиваемого из топливного кожуха 86 через лопасти внутреннего и/или наружного завихрителя 80 и 82, и эффективная выходная площадь третьего завихрителя 104 для впрыска низкоэнергетического топлива из распределительной камеры 84 подаваемого топлива выбраны так, что обеспечивается работа смесителя топлива и воздуха с минимизацией общего падения давления, связанного с процессом впрыска топлива, скорости впрыска топлива и числа Маха потока топлива для заданных конструктивных пределов топлива и воздуха и соотношений эквивалентности для заданной температуры пламени, за счет чего обеспечивается работа смесителя 72 топлива и воздуха с низкоэнергетическим топливом, высокоэнергетическим топливом и/или комбинацией обоих типов топлива. Дополнительно к этому, специалистам в данной области техники понятно, что способность как внутреннего, так и наружного завихрителей 80 и 82 и третьего завихрителя 104 правильно смешивать высокоэнергетическое и/или низкоэнергетическое топливо приводит к минимизации и/или исключению обратного удара пламени или удерживанию пламени внутри смесителя 72 топлива и воздуха или кольцевого кожуха 90.

Пример изменения параметров смесителя топлива и воздуха для пяти различных типов топлива показан в таблице 1, в которой указаны отношение эквивалентности, массовый расход топлива, эффективная площадь, процентное увеличение эффективной площади, скорость впрыска топлива и число Маха для заданного падения давления и температуры пламени 2500°F (1371°C) для пяти различных топлив. В приведенных в таблице 1 результатах процентное увеличение эффективной площади задается относительно эффективной площади для природного газа, т.е., например, поскольку эффективные площади для природного газа и чистого водорода составляют 0,015 и 0,018 квадратных дюйма, соответственно, то процентное увеличение эффективной площади для природного газа равна нулю, а для водорода 17,8 (т.е. 17,8=[((0,018-0,15)/0,015)*100]). Специалистам в данной области техники понятно, что процентное увеличение эффективной площади может отклоняться от величин, приведенных в таблице 1, с учетом вероятности присутствия в топливе других газов помимо N₂, таких как, но не ограничиваясь этим, СО₂, воды или пара, СО, и т.д.

Как показано в таблице 1, если низкоэнергетическое топливо является смесью в соотношении 60/40 или 50/50 водорода и азота, то эффективная площадь распределительной камеры 84 подаваемого топлива должна быть примерно в 4,67 и 7,13 раз больше эффективной площади входов топливного кожуха 86 для впрыска высокоэнергетического топлива, соответственно, для температуры пламени 2500°F (1371°C). Для синтетического газа эффективная площадь распределительной камеры 84 подаваемого топлива должна быть примерно в 12 раз больше эффективной площади входов топливного кожуха 86. Для чистого водорода эффективная площадь входов топливного кожуха 86 примерно в 1,78 раз больше той же площади при использовании природного газа в качестве высокоэнергетического топлива. Для типов топлива, содержащих Н₂, включая чистый водород, массовый расход водорода изменяется лишь между 0,012 и 0,015 фунтов на метр в секунду, что указывает на то, что для различных рассм