Способ поэтапного изменения подачи топлива в устройстве с камерой сгорания

Способ поэтапного изменения подачи топлива в устройстве с камерой сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области турбин внутреннего сгорания и газовых турбин и, в частности, к конструкциям газовых турбин для обеспечения низкого уровня сухих выбросов и более точно относится к устройству и способам предварительного смешивания топлива и воздуха для обеспечения сверхнизких выбросов, образующихся при горении.

Устройство для предварительного смешивания может быть полезным для повышения стабильности пламени в системе выделения/преобразования энергии, такой как камера сгорания для энергоснабжения газотурбинного двигателя или генератора. Для краткости в данном описании везде используется термин «камера сгорания», но следует понимать, что в более общем случае изобретение относится к системам выделения/преобразования энергии, которые могут приводиться в действие или в качестве камеры сгорания, или в качестве устройства для риформинга топлива в зависимости от рабочих условий, а также в качестве специализированной камеры сгорания и специализированного устройства для риформинга. Если контекст явным образом не требует иного, термины «камера сгорания», «устройство для риформинга» и «система выделения/преобразования энергии» следует рассматривать как полностью взаимозаменяемые.

Устройства для предварительного смешивания, используемые в настоящее время в данной области техники, включают в себя узлы с конфигурацией, подобной «ступице и спицам», подобные тем, которые используются компаниями Дженерал электрик (General Electric), Пратт энд Уитни (Pratt & Whitney), Сименс (Siemens) и т.д. и которые размещены на входе в камеру сгорания, при этом топливо подается через ступицеобразный элемент и выходит из радиальных спицеобразных элементов и/или встроены в лопатки завихрителя. Спицеобразные элементы данных устройств для предварительного смешивания имеют множество аксиальных отверстий с одинаковыми размерами, поперечных к впускному отверстию камеры сгорания. При конструировании данных устройств для предварительного смешивания стремятся оптимизировать их для определенного отношения мгновенных потоков топлива и воздуха. Соответственно, данные устройства для предварительного смешивания лучше всего работают в узком диапазоне мощности и не обеспечивают наиболее однородной воздушно-топливной смеси во всем рабочем диапазоне двигателя. Система будет создавать зоны или со слишком бедной, или со слишком богатой воздушно-топливной смесью, отрицательно влияющие на выбросы. Таким образом, из этого следует, что дополнительное улучшение работы систем выделения/преобразования энергии может быть возможным при изменении конструкции устройства для предварительного смешивания, используемого совместно с данными системами, для обеспечения лучшего функционирования в более широком диапазоне рабочих условий.

В одном классе устройств с камерой сгорания, известном как камеры сгорания с «захваченным вихрем» (TVC), как указано в дальнейшем в данном описании, в зоне горения образована полость, например, между плохо обтекаемыми телами или в стенке камеры сгорания, в которой будут образовываться вихри и/или другая турбулентность, для стабилизации горения при бедных смесях. См., например, патент США №5857339 на имя Roquemore и др. Топливо и/или воздух могут нагнетаться в полость с захваченным вихрем через отдельные инжекторы для обеспечения большего смешивания в данной зоне и дополнительного повышения стабильности пламени. Отдельные элементы для впрыска топлива и воздуха могут быть расположены, например, на передней и задней стенках зоны с захваченным вихрем, ограниченной стенками полости камеры сгорания. См., например, патент США №5791148 на имя Burrus.

В работе Haynes и др., опубликованной в GE Global Research и озаглавленной ″Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report″, январь 2006 (DE-FC26-01NT41020), описана камера сгорания, аналогичная по конфигурации камере сгорания, описанной в патенте на имя Burrus. В некоторых вариантах осуществления, раскрытых в работе Haynes и др., в качестве альтернативы отдельным отверстиям для впуска топлива и воздуха, подобным ранее используемым на практике, топливо и воздух могут быть предварительно смешаны и введены через входной конус и/или через переднюю или заднюю стенки полости камеры сгорания. Варианты осуществления, в которых предварительная смесь вводилась как во входной конус, так и в полость камеры сгорания, приводили к образованию двух вихрей одного над другим при сильно турбулентном перемешивании.

В патенте США №7603841 на имя Steele и др., в котором описан другой вариант осуществления камеры сгорания с захваченным вихрем, раскрыта камера сгорания, имеющая предварительное смешивание на входе, а также задние форсунки, обеспечивающие ввод в полость камеры сгорания, частично ограниченную плохо обтекаемым телом. В данном варианте осуществления задние форсунки направлены в направлении, противоположном направлению потока поступающей предварительной смеси, для обеспечения турбулентного вихревого перемешивания.

До сих пор все конструкции камеры сгорания с захваченным вихрем, в которых обеспечивалось нагнетание топлива, воздуха и/или предварительно смешанных топлива и воздуха в полость камеры сгорания, были выполнены с возможностью индуцирования турбулентности для обеспечения образования дополнительных вихрей или же усиления турбулентного перемешивания в вихревой полости. Например, на фиг.3-7 работы Haynes и др. показан двойной захваченный вихрь в каждой полости камеры сгорания с захваченным вихрем. «Естественный» поток, который имел бы место в данных полостях, означающий поток текучей среды, который имел бы место естественным образом в полостях при отсутствии впрыска предварительной смеси, при условии, что поток в противном случае проходит по основной траектории потока в камере сгорания, представляет собой один вихрь. В случае, показанном на фиг.3-7 работы Haynes и др., второй вихрь в картине «двойного вихря» создается за счет впрыска предварительной смеси в полость камеры сгорания с захваченным вихрем и в противном случае не существовал бы. В других случаях, например тогда, когда создается только один вихрь, основной показанный вихрь мог бы существовать иным образом, но он существенно изменяется под действием добавляемой предварительной смеси, например, за счет его поступательного смещения из его естественного местоположения в полости, делается значительно более турбулентным или же в значительной степени искажается.

В патентной публикации США 2008/0092544 А1 на имя Rakhmailov (далее публикация ′544), принадлежащей заявителю по данной заявке, раскрыто устройство для предварительного смешивания, предусмотренное в комбинации с камерой сгорания, выполненной в соответствии с описанием патента США №7086854 на имя Rakhmailov и др. (далее патент ′854), принадлежащего заявителю по данной заявке. Устройство для предварительного смешивания в публикации ′544 предусмотрено только на входе камеры сгорания. Поток текучей среды во впускном отверстии данной камеры сгорания имеет высокую скорость, и, таким образом, предварительное смешивание на входе осуществляется в среде, обладающей высокой скоростью.

Несмотря на то, что конструкция, описанная в публикации ′544, предусматривает добавление входного устройства для предварительного смешивания к камере сгорания с рециркулирующим вихрем, описанной в патенте ′854, ни одно из данных двух описаний не содержит какого-либо упоминания о средстве для впрыска топлива, воздуха и/или предварительно смешанных топлива и воздуха непосредственно в вихревую полость. Действительно, в патенте ′854 определенно не предусмотрена возможность подачи топлива в горячий подвергающийся рециркуляции газ в полости с рециркулирующим вихрем, при этом в указанном патенте утверждается, что турбулентное механическое перемешивание может привести к уменьшению общей скорости рециркуляции, что приводит к неравномерному распределению топлива и к снижению температур в тех зонах, где рециркулирующий поток соединяется с входным потоком, что противоречит целям разработки по патенту ′854.

Каждое из соответствующих описаний патента на имя Roquemore и др., патента на имя Burrus, конструкции, приведенной в работе Haynes и другие, патента на имя Steele и др., патента ′854 и публикации ′544 полностью включено в настоящее описание путем ссылки во всех отношениях.

Было бы желательно усовершенствовать предшествующий уровень техники в ряде аспектов. Во-первых, было бы желательно усовершенствовать входные устройства для предварительного смешивания для камеры сгорания любого типа посредством выполнения устройства для предварительного смешивания в большей степени адаптируемым к более широкому диапазону условий работы. Во-вторых, было бы желательно обеспечить предварительное смешивание в вихревой зоне камеры сгорания для усиления, а не для разрушения обычного вихревого потока. В-третьих, было бы желательно разработать способы использования входных и вихревых устройств для предварительного смешивания предпочтительно в комбинации друг с другом.

Задача изобретения состоит в разработке более совершенного устройства для предварительного смешивания топлива и воздуха и способа использования его в камерах сгорания.

К желательным свойствам подобного устройства для предварительного смешивания относятся следующие:

- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать равномерное распределение топлива по площади поперечного сечения впускного отверстия камеры сгорания,

- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать получение однородной воздушно-топливной смеси в широком диапазоне условий работы двигателя,

- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать малую длину зоны предварительного смешивания,

- устройство для предварительного смешивания должно быть совместимым с широким спектром видов топлива, включая все газообразные и жидкие виды топлива, используемые в газовых турбинах,

- устройство для предварительного смешивания должно обеспечивать низкий уровень выбросов вредных веществ,

- устройство для предварительного смешивания или отдельное устройство для предварительного смешивания должно быть адаптируемым, чтобы способствовать стабилизации горения в полости с захваченным вихрем в камере сгорания с захваченным вихрем, в соответствии со структурами потока, для которых была предназначена камера сгорания с захваченным вихрем, включая структуры с малой турбулентностью в тех случаях, где они используются,

- должна быть обеспечена возможность согласования работы любого множества устройств для предварительного смешивания, используемых в конструкции, для обеспечения наилучшей эксплуатации в рабочем диапазоне системы,

- разработанные системы предварительного смешивания и способы должны быть применимы для широкого ряда применений.

В одном варианте осуществления данные цели могут быть достигнуты посредством выполнения входного узла для предварительного смешивания, содержащего ступицеобразный элемент, множество радиальных спицеобразных элементов и множество концентрических аэродинамических форсуночных колец, прикрепленных к спицеобразным элементам, с множеством радиально направленных отверстий для впрыска. Отверстия для впрыска выполнены с множеством разных диаметров, что способствует хорошему перемешиванию в широком диапазоне мощностей. Благодаря конфигурации и размерам отверстий узел совместим с газами и жидкостями. Радиальная концентрическая конфигурация зоны впрыска обеспечивает возможность получения короткого пути впрыска благодаря большему числу мест впрыска топлива на площади поперечного сечения.

В соответствии со вторым аспектом может быть предусмотрен предназначенный для использования совместно с конструкциями реакторов с захваченным вихрем дополнительный вариант осуществления устройства для предварительного смешивания, который обеспечивает впрыск предварительно смешанных топлива и воздуха непосредственно в полость с захваченным вихрем таким образом, чтобы это было совместимо со структурами потоков в полости, для которых система была предназначена. В том случае, когда данное устройство для предварительного смешивания используется совместно с конструкцией с рециркулирующим вихрем, оно может быть расположено так, что предварительно смешанные топливо и воздух будут соединяться с вихревым потоком тангенциально плавно и непрерывно и/или для усиления горения в тороидальной камере сгорания. В других конструкциях предварительная смесь может быть введена в одном или нескольких местах камеры сгорания с захваченным вихрем в одном или нескольких направлениях в соответствии с локальным вихревым потоком в зоне введения.

Также могут быть разработаны способы использования двух вариантов осуществления, описанных выше, совместно друг с другом, и их установочные параметры могут быть отрегулированы с обеспечением согласования друг с другом для поэтапного изменения подачи топлива во время эксплуатации. Таким образом, в результате был получен чрезвычайно низкий уровень выбросов вредных веществ.

В других вариантах осуществления альтернативные схемы расположения полостей камеры сгорания предусмотрены для реализации на практике поэтапного изменения подачи топлива в устройстве с камерой сгорания с захваченным вихрем, содержащем входное устройство для предварительного смешивания, предназначенное для впрыска воздушно-топливной смеси во впускное отверстие устройства с камерой сгорания, и одно или несколько вихревых устройств для предварительного смешивания, предназначенных для впрыска воздушно-топливной смеси в рециркулирующий вихрь в каждой из одной или нескольких полостей с захваченным вихрем. Множество полостей камеры сгорания с захваченным вихрем, подача в которые осуществляется из устройств для предварительного смешивания, могут быть расположены и простираться в аксиальном направлении, в радиальном направлении, по периферии, внутри или с обеспечением комбинаций данных расположений. Данные схемы расположения могут быть использованы совместно со способом поэтапного изменения подачи топлива, при этом соотношение долей смеси, вводимых через входное устройство для предварительного смешивания и соответствующие вихревые устройства для предварительного смешивания, может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации.

Устройство с камерой сгорания и способы в соответствии с изобретением могут быть использованы во всех применениях газовых турбин, включая, без ограничения, выработку электроэнергии на суше, двигатели реактивных самолетов коммерческой авиации, вспомогательные силовые установки (ВСУ) для летательных аппаратов, на электростанции комбинированного цикла производства электроэнергии с внутрицикловой газификацией угля (IGCC) и в теплоэлектроцентралях (СНР) или на теплоэлектростанциях.

Таким образом, согласно первому объекту изобретения создан способ поэтапного изменения подачи топлива при эксплуатации реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, имеющего, по меньшей мере, одну полость с захваченным вихрем, при этом реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем дополнительно имеет как входное устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает смешивание топлива и воздуха и ввод воздушно-топливной смеси в основное впускное отверстие реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, так и, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает смешивание топлива и воздуха и ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в, по меньшей мере, одну подобную полость с захваченным вихрем в реакторе с камерой сгорания с захваченным вихрем, причем входное устройство для предварительного смешивания содержит множество концентрических копланарных кольцевых элементов с аэродинамической формой, расположенных выше по потоку основного впускного отверстия, выровненных в аксиальном направлении в пределах проточного канала, при этом каждый кольцевой элемент имеет внутренний канал для топлива, каждый кольцевой элемент дополнительно имеет множество отверстий для впрыска топлива, в результате чего топливо проходит из внутреннего канала во входной поток текучей среды вблизи кольца, причем между каждыми двумя кольцевыми элементами образован кольцевой канал, при этом кольца дополнительно адаптированы, в результате чего (i) отверстия для впрыска топлива ориентированы для впрыска топлива под углом, имеющим абсолютную величину от приблизительно 0 до приблизительно 90 градусов относительно аксиального направления; и (ii) множество отверстий для впрыска топлива имеют неодинаковые диаметры, причем диаметры имеют разные величины, при этом каждая из величин выбрана для обеспечения заданного диапазона отношений мгновенных потоков топлива и воздуха; причем вихревое устройство для предварительного смешивания содержит отверстие для впуска топлива, отверстие для впуска воздуха, камеру, в которой топливо и воздух смешиваются, и отверстие для выпуска воздушно-топливной смеси, при этом устройство для предварительного смешивания присоединено к реактору с камерой сгорания с захваченным вихрем так, что выпускное отверстие обеспечивает ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в реакционную полость с захваченным вихрем, и так, что воздушно-топливная смесь вводится в полость с захваченным вихрем под таким углом, что воздушно-топливная смесь соединяется с потоком вихря приблизительно сонаправленно с вихревым потоком; при этом способ включает регулирование частей воздушно-топливной смеси, вводимых через входное устройство для предварительного смешивания и вихревое устройство для предварительного смешивания, для приспосабливания к отличающимся нагрузкам во время работы реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем.

Предпочтительно, при запуске и при работе на низкой мощности до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение уровня выбросов NOX, подачу топлива осуществляют только через вихревое устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, при работе на средней мощности подачу топлива осуществляют главным образом через входное устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, при работе на высокой мощности подачу топлива осуществляют как через указанное вихревое, так и через входное устройства для предварительного смешивания.

Предпочтительно, объем воздуха, проходящего через вихревое устройство для предварительного смешивания, меньше объема воздуха, проходящего через входное устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, объем воздуха, проходящего через указанное вихревое устройство для предварительного смешивания, составляет менее приблизительно 50% от объема воздуха, проходящего через входное устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, объем воздуха, проходящего через вихревое устройство для предварительного смешивания, находится в пределах от приблизительно 20% до приблизительно 40% от объема воздуха, проходящего через входное устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, по существу постоянно во время работы реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, по меньшей мере, минимальное количество воздушно-топливной смеси вводят через вихревое устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, способ применяется во время запуска реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем для приспосабливания к отличающимся нагрузкам.

Предпочтительно, способ применяется во время изменения нагрузок реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем для приспосабливания к отличающимся нагрузкам.

Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью выработки электроэнергии.

Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве воздушно-реактивного двигателя для авиации.

Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве вспомогательной установки для выработки электроэнергии.

Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве турбины внутреннего сгорания для теплоэлектроцентрали.

Предпочтительно, способ применяется в системе, содержащей реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем и дополнительно содержащей газовую турбину, при этом система выполнена с возможностью использования в качестве турбины внутреннего сгорания для электростанции с парогазовой установкой с внутрицикловой газификацией угля.

Предпочтительно, реактор с камерой сгорания с захваченным вихрем содержит множество полостей с захваченным вихрем, каждая из которых соединена с, по меньшей мере, одним вихревым устройством для предварительного смешивания, дополнительно включающий независимое регулирование частей воздушно-топливной смеси, вводимых через входное устройство для предварительного смешивания и каждое из вихревых устройств для предварительного смешивания, для приспосабливания к отличающимся нагрузкам во время работы указанного реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем.

Предпочтительно, множество полостей с захваченным вихрем включает в себя первую расположенную выше по потоку полость с захваченным вихрем и вторую расположенную ниже по потоку полость с захваченным вихрем, при этом расположенная ниже по потоку полость с захваченным вихрем расположена дальше по потоку в указанном реакторе с камерой сгорания с захваченным вихрем по отношению к указанной первой полости с захваченным вихрем.

Предпочтительно, при запуске и работе на низкой мощности до тех пор, пока не будет достигнут предельный уровень выбросов NOX, подачу топлива осуществляют главным образом через, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в расположенную выше по потоку полость с захваченным вихрем.

Предпочтительно, способ применяется для обеспечения до приблизительно 33% мощности.

Предпочтительно, при работе на средней мощности подачу топлива осуществляют главным образом через входное устройство для предварительного смешивания.

Предпочтительно, способ применяется для обеспечения от приблизительно 33% мощности до приблизительно 66% мощности.

Предпочтительно, при работе на высокой мощности основную подачу топлива обеспечивают через входное устройство для предварительного смешивания и, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, соединенное с каждой из полостей с захваченным вихрем.

Предпочтительно, способ применяется для обеспечения приблизительно 66% мощности и более.

Предпочтительно, по существу постоянно во время работы реактора с камерой сгорания с захваченным вихрем, по меньшей мере, минимальное количество воздушно-топливной смеси вводят через указанное, по меньшей мере, одно вихревое устройство для предварительного смешивания, которое обеспечивает ввод воздушно-топливной смеси непосредственно в расположенную выше по потоку полость с захваченным вихрем.

Другие аспекты и преимущества изобретения будут очевидными из приложенных чертежей и нижеследующего подробного описания.

Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ далее делается ссылка на нижеприведенное описание, рассматриваемое совместно с приложенными чертежами, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные компоненты и на которых:

фиг.1 - выполненный с разрезом вид в перспективе с входной стороны в направлении выходной стороны трубчато-кольцевой камеры сгорания, включающей в себя два разных устройства для предварительного смешивания в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения;

Фиг.2A - сечение входного устройства для предварительного смешивания, показанного на фиг.1;

Фиг.2B - детализированное сечение спицеобразных и кольцевых элементов, образующих устройство для предварительного смешивания;

Фиг.3 - дополнительные сечения входного устройства для предварительного смешивания, проиллюстрированного на фиг.2A и 2B, которые также показывают местоположение отверстий для впрыска топлива в форсуночных кольцах;

Фиг.4 - выполненный с частичным вырывом и в перспективе вид снаружи тороидальной камеры вихревого устройства для предварительного смешивания, показанного на фиг.1;

Фиг.5 - альтернативный вариант осуществления вихревого устройства для предварительного смешивания, используемого в комбинации с камерой сгорания с захваченным вихрем, имеющей прямолинейные стенки в полости с захваченным вихрем;

Фиг.6A-6C - примеры стратегий поэтапного изменения подачи топлива в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, и фиг.6D-6E представляют собой соответствующие графики зависимости температуры пламени от мощности двигателя; и

Фиг.7A-7D - множество разных компоновок камеры сгорания, имеющих множество полостей камеры сгорания с захваченным вихрем, которые могут быть использованы совместно с управляемыми по отдельности входным и вихревыми устройствами для предварительного смешивания.

Нижеследующее представляет собой подробное описание определенных вариантов осуществления изобретения, выбранных для представления иллюстративных примеров того, как оно может быть предпочтительно реализовано. Объем изобретения не ограничен конкретными описанными вариантами осуществления, а также объем изобретения не ограничен каким-либо определенным вариантом реализации, состава, осуществления или характеристиками, показанными на сопровождающих чертежах или приведенными или описанными в разделе «Краткое изложение сущности изобретения» или в реферате. Кроме того, следует отметить, что в данном описании описан ряд способов, каждый из которых включает множество этапов. Ничто, содержащееся в данном письменном описании, не следует воспринимать как означающее любой обязательный порядок выполнения этапов данных способов за исключением того, что указано явным образом в тексте формулы изобретения.

Настоящее изобретение применимо для любой камеры сгорания газовой турбины или реакционной камеры. Некоторые аспекты данного изобретения соответствуют любой системе выделения/преобразования энергии, имеющей впускное отверстие для газообразного топлива или топлива, имеющего вид переносимых газом частиц жидкости, и окислителя (воздуха). Другие аспекты уместны при условии, что система выделения/преобразования энергии имеет признаки камеры сгорания с захваченным вихрем, которая будет рассмотрена.

Среди множества разных устройств для выделения/преобразования энергии имеются камеры сгорания и реакционные камеры, имеющие в основном установившийся режим циркуляции вихря в соответствии с некоторым аспектом, при этом данный вихрь «находится», по меньшей мере, частично вне прямой траектории потока, проходящей от впускного отверстия к выпускному отверстию камеры сгорания. Термин «камера сгорания с захваченным вихрем» (TVC), используемый в данном описании для обозначения одного класса оборудования, для которого применимо настоящее изобретение, будет использован в качестве наиболее общего названия систем выделения/преобразования энергии (камер сгорания и/или риформинг-установок), имеющих подобные характеристики, и внутренняя часть камеры сгорания, в которой «удерживается» вихрь, будет названа «реакционной полостью с захваченным вихрем». В полости с захваченным вихрем могут «удерживаться» один вихревой поток, два вихревых потока или множество вихревых потоков. Полость с захваченным вихрем может иметь стенки с непрерывной криволинейностью, или она может иметь прямолинейные стенки или стенки с другой формой, или может быть образована между плохо обтекаемыми телами, или может иметь комбинацию стенок и плохо обтекаемых тел. Камера сгорания или реакционная камера также может иметь множество полостей с захваченными вихрями. Примеры вариантов осуществления камеры сгорания с захваченным вихрем в соответствии с патентом на имя Roquemore и др., патентом на имя Burrus, конструкцией, приведенной в работе Haynes и др., и патентом на имя Steele и др. были рассмотрены ранее. Система выделения/преобразования энергии, раскрытая в патенте ′854, хотя и отличается в отношении материалов от данных камер сгорания с захваченным вихрем, должна также рассматриваться как камера сгорания с захваченным вихрем в рамках терминологии, используемой в данном описании.

В отношении камер сгорания с захваченным вихрем могут быть уместными дополнительные соображения, связанные с конструкцией реактора. Вихрь часто предназначен для того, чтобы способствовать поддержанию стабильности пламени в камере сгорания. Кроме того, некоторые конструкции базируются на использовании малой турбулентности для того, чтобы способствовать обеспечению равномерного перемешивания, что создает возможность сжигания бедных смесей при сравнительно низких температурах горения, в результате чего обеспечивается улучшение характеристик выбросов. На практике функционирование системы выделения/преобразования энергии может подвергаться колебаниям и возмущающим воздействиям, например, в результате разрывов непрерывности потока топлива или потока газа через компрессор, небольших разрывов между поверхностями или статистических аномалий, возникающих вследствие небольших отклонений от непрерывного и ламинарного потока, которые неизбежно возникают, когда реальные текучие среды динамически перемещаются с высокими скоростями вдоль реальных поверхностей машины и вступают в химические реакции друг с другом в реальном времени. Подобные отклонения и разрывы непрерывности время от времени могут приводить к нестабильности пламени. Тщательное перемешивание топлива и воздуха перед сжиганием (или риформингом) может быть использовано для улучшения характеристик выбросов и повышения стабильности работы подобных конструкций, а также других конструкций, в которых турбулентность может допускаться или поддерживаться после введения воздушно-топливной смеси.

В конструкциях камер сгорания с захваченным вихрем устройства для предварительного смешивания, расположенные до основного впускного отверстия по ходу потока, использовались для того, чтобы способствовать перемешиванию топлива и воздуха. Однако эксперименты показали, что имеются значительные возможности улучшения эксплуатационных характеристик данных конструкций входных устройств для предварительного смешивания.

В некоторых конструкциях камер сгорания с захваченным вихрем топливо, воздух и/или предварительно смешанные топливо и воздух нагнетались непосредственно в вихрь в камере сгорания для стабилизации работы камеры сгорания в целом. Например, задачей некоторых подобных конструкций было использование вихревого устройства для предварительного смешивания или дискретного впрыска/нагнетания топлива и/или воздуха, чтобы вызвать образование одного или нескольких дополнительных вихрей (в тех зонах, в которых в противном случае существовало бы меньшее число вихрей или только один вихрь) для обеспечения большей турбулентности при смешивании и увеличения времени нахождения текучей среды в вихревой полости камеры сгорания с захваченным вихрем. Однако такой непосредственный впрыск топлива или смеси, подобный ранее используемому на практике, при котором топливо, воздух и/или предварительно смешанные топливо и воздух вводятся под давлением в естественный вихревой поток с разрушением его, может привести к неравномерному перемешиванию и горячим участкам и может быть квазиоптимальным для снижения токсичности выхлопа.

Таким образом, дополнительные и разные режимы предварительного смешивания, помимо тех, которые уже используются на практике в данной области техники, могут быть предпочтительными как для конструкций камер сгорания с захваченным вихрем (включая камеры сгорания с захваченным вихрем с малой турбулентностью), так и для конструкций без камер сгорания с захваченным вихрем. Однако существуют определенные проблемы, которые должны быть решены для обеспечения успешного использования устройства для предварительного смешивания.

В систему выделения/преобразования энергии, как правило, подается воздух для горения в сжатом состоянии, поступающий из компрессора. Предварительно смешанные топливо и воздух, находящиеся под сравнительно высокими давлениями и при сравнительно высоких температурах, которые характеризуют потоки на выходе из компрессора, имеют тенденцию быть очень взрывоопасными. Для избежания подобного взрыва предварительное смешивание в подобной среде может выполняться таким образом, чтобы уменьшилось время нахождения смеси, полученной в результате предварительного смешивания, в зоне перед вводом в камеру сгорания. Это означает, что устройство для предварительного смешивания предпочтительно должно быть расположено настолько близко к впускному отверстию камеры сгорания, насколько это возможно на практике (с обеспечением малой длины зоны предварительного смешивания), и при этом в то же время обеспечивать надлежащее время нахождения для достижения заданной степени предварительного смешивания (что достижимо частично за счет наличия малых размеров зоны предварительного смешивания). Соответственно, предпочтительны конфигурации, обеспечивающие быстрое и равномерное предварительное смешивание.

Кроме того, устройство для предварительного смешивания предпочтительно должно быть совместимо с остальной частью конструкции системы. Например, в системах с малой турбулентностью устройство для предварительного смешивания не должно «базироваться» на работе с большой турбулентностью или вызывать ввод потока с большой турбулентностью, не совместимой с конструкцией системы в целом. В других конструкциях камер сгорания с вихревым потоком устройство для предварительного смешивания должно обеспечить ввод смеси так, чтобы это было совместимо с заданным полем течения в полости.

Конструкции двух взаимодополняющих устройств для предварительного смешивания были разработаны с учетом вышеприведенных принципов и результатов наблюдений. Фиг.1 представляет собой выполненный с разрезом вид в перспективе с входной стороны в направлении выходной стороны камеры сгорания, включающей в себя примеры данных двух разных устройств 21 и 31 для предварительного смешивания в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения.

Несмотря на то, что камера сгорания по фиг.1 имеет осесимметричную внутреннюю конфигурацию, она имеет «трубчатую» конструкцию (иногда называемую «трубчато-кольцевой», чтобы провести различие между ней и «полностью кольцевыми» конструкциями), так что множество подобных «трубчатых элементов», каждый из которых такой, как показанный частично на фиг.1, могут быть расположены в виде круглой конфигурации, при этом их выпускной канал направлен обычно вокруг большой турбины. Подобные конфигурации широко используются для силовых больших газовых турбин, предназначенных для выработки электроэнергии, например, в том случае, когда вал турбины обеспечивает приведение в действие большого электрогенератора. Несмотря на то, что фиг.1-4 сфокусированы на трубчатой конструкции, специалистам в данной области техники будет понятно то, что принципы данной конструкции могут быть легко адаптированы для «полностью кольцевой» конструкции камеры сгорания, в которой одна кольцевая камера сгорания выполнена с возможностью соединения/сопряжения, например, с кольц