Входное устройство для предварительного смешивания топлива и воздуха, а также узел, содержащий такое устройство, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину (варианты)

Входное устройство для предварительного смешивания топлива и воздуха, а также узел, содержащий такое устройство, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину (варианты)

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 для 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 риформингатоплива 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 ниже в данном описании), в зоне горения образована полость, например, между обтекателями 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). 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).

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 США №5791148. 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, 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 обтекателем. 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 другие 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 A1 (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 (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 США №5857339, 5791148, конструкции, приведенной в работе Haynes и др., патента США №7603841, 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 проходить 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 (СНP) или на теплоэлектростанциях.

Таким образом, согласно первому объекту изобретения создано устройство для предварительного смешивания топлива и воздуха, предназначенное для использования перед впускным отверстием основного канала потока текучей среды системы выделения/преобразования энергии и отделенное от зоны тепловыделения в системе выделения/преобразования энергии, содержащее:

множество концентрических, копланарных, некруглых, кольцевых элементов с аэродинамической формой, расположенных выше по потоку впускного отверстия, выровненных в аксиальном направлении относительно 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 может проходить из внутреннего канала во входной поток текучей среды вблизи указанного кольца, причем между каждыми двумя кольцевыми элементами образован кольцевой канал, при этом кольца дополнительно адаптированы, в результате чего

- отверстия для впрыска топлива ориентированы для впрыска топлива под углом, имеющим абсолютную величину от приблизительно 0 до приблизительно 90 градусов относительно аксиального направления; и

- 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 каждое отверстие спарено с отверстием другого диаметра на соседнем кольце; и

множество расположенных в радиальном направлении спицеобразных элементов с аэродинамической формой, копланарных относительно кольцевых элементов и соединенных с этими кольцевыми элементами, при этом, по меньшей мере, один из спицеобразных элементов имеет внутренний канал для топлива, причем внутренний канал в спицеобразном элементе сообщается по текучей среде с внутренними каналами в кольцевых элементах, к которым присоединен спицеобразный элемент, при этом соединенные внутренние каналы, образованные в кольцах и спицеобразных элементах, сообщаются по текучей среде с источником топлива;

при этом устройство для предварительного смешивания расположено на полости с захваченным вихрем так, что воздушно-топливная смесь вводится в полость с захваченным вихрем под углом, тангенциальным рециркулирущему потоку в указанной полости, так что воздушно-топливная смесь соединяется с потоком указанного вихря приблизительно сонаправленно с указанным вихревым потоком.

Предпочтительно, абсолютная величина указанного угла отверстий для впрыска топлива составляет от приблизительно 30 до приблизительно 60 градусов относительно аксиального направления.

Предпочтительно, абсолютная величина указанного угла отверстий для впрыска топлива составляет от приблизительно 60 до приблизительно 90 градусов относительно аксиального направления.

Предпочтительно, абсолютная величина указанного угла отверстий для впрыска топлива составляет приблизительно 70 градусов относительно аксиального направления.

Предпочтительно, абсолютная величина указанного угла отверстий для впрыска топлива составляет приблизительно 90 градусов относительно аксиального направления.

Предпочтительно, устройство содержит от приблизительно 2 до приблизительно 5 колец.

Предпочтительно, число и размеры указанных колец выбраны так, чтобы обеспечить блокировку потока в указанном впускном отверстии не более чем на 50%.

Предпочтительно, число и размеры указанных колец выбраны так, чтобы обеспечить блокировку потока в впускном отверстии не более чем на 40%.

Предпочтительно, сообщение по текучей среде с источником топлива обеспечивает ввод в устройство для предварительного смешивания по внутреннему каналу в самом дальнем от центра кольцевом элементе из концентрических колец.

Предпочтительно, устройство предназначено для использования в трубчатой камере сгорания и дополнительно содержит ступицеобразный элемент, расположенный приблизительно в центре поперечного сечения впускного отверстия, при этом ступицеобразный элемент соединен с указанными спицеобразными элементами и имеет внутренний канал, выполненный в нем и сообщающийся по текучей среде с, по меньшей мере, одним спицеобразным элементом, имеющим внутренний канал, выполненный в нем и предназначенный для топлива.

Предпочтительно, сообщение по текучей среде с источником топлива обеспечивает ввод в устройство для предварительного смешивания по внутреннему каналу в ступицеобразном элементе.

Предпочтительно, указанные отверстия включают группу отверстий меньшего диаметра, выполненных с размерами, обеспечивающими малые отношения мгновенных потоков топлива и воздуха и, по меньшей мере, одну группу отверстий большего диаметра, выполненных с размерами, обеспечивающими большие отношения мгновенных потоков топлива и воздуха.

Предпочтительно, отверстия в соседних парах указанных кольцевых элементов обращены друг к другу.

Предпочтительно, каждая из указанных групп отверстий приблизительно равномерно распределена в направлении вдоль окружности по кольцевым элементам.

Предпочтительно, отверстия включают группу отверстий меньшего диаметра, выполненных с размерами, обеспечивающими малые отношения мгновенных потоков топлива и воздуха и, по меньшей мере, одну группу отверстий большего диаметра, выполненных с размерами, обеспечивающими большие отношения мгновенных потоков топлива и воздуха, причем отверстия, обращенные друг к другу в соседних парах указанных кольцевых элементов, имеют разные диаметры.

Предпочтительно, указанные отверстия включают одну группу отверстий меньшего диаметра, адаптированных для работы на низкой мощности, одну группу отверстий, адаптированных для работы на средней мощности, и одну группу отверстий, адаптированных для работы на высокой мощности.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создан узел, содержащий вышеописанное устройство для предварительного смешивания, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину, при этом узел выполнен с возможностью выработки электроэнергии.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан узел, содержащий вышеописанное устройство для предварительного смешивания, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину, при этом узел выполнен с возможностью его использования в качестве воздушно-реактивного двигателя для авиации.

Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан узел, содержащий вышеописанное устройство для предварительного смешивания, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину, при этом узел выполнен с возможностью его использования в качестве вспомогательной установки для выработки электроэнергии.

Согласно пятому объекту настоящего изобретения создан узел, содержащий вышеописанное устройство для предварительного смешивания, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину, при этом узел выполнен с возможностью его использования в качестве турбины внутреннего сгорания для теплоэлектроцентрали.

Согласно шестому объекту настоящего изобретения создан узел, содержащий вышеописанное устройство для предварительного смешивания, систему выделения/преобразования энергии и газовую турбину, при этом узел выполнен с возможностью его использования в качестве турбины внутреннего сгорания для электростанции с парогазовой установкой с внутрицикловой газификацией угля.

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 одинаковыми ссылочными позициями обозначены 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 - вид в сечении входного устройства для предварительного смешивания, показанного на фиг.1;

Фиг.2B - детализированное сечение спицеобразных и кольцевых элементов, образующих данное 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;

Фиг.6D-6E - 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 обтекателями, или может иметь комбинацию стенок и обтекателей. Камера сгорания или реакционная камера также может иметь множество полостей с захваченными вихрями. Примеры вариантов осуществления камеры сгорания с захваченным вихрем в соответствии с патентами США №5857339, 5791148, конструкцией, приведенной в работе Haynes и др., и патентом США №7603841 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 кольцевым каналом турбины, предназначенным для впуска текучей среды. Полностью кольцевые конструкции могут быть использованы, например, в двигателях реактивных самолетов коммерческой авиации и во вспомогательных силовых установках (ВСУ), помимо больших турбин для выработки электроэнергии. Все данные конфигурации и применения, для которых они предназначены, находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Трубчатая камера сгорания в варианте осуществления, показанном на фиг.1, имеет впускное отверстие 6, выпускное отверстие 5 и зону 7 рециркуляции с точкой 14 отвода. В трех измерениях зона 7 рециркуляции образует тороидальную конструкцию вокруг оси основного потока, проходящего из впускного отверстия 6 в выпускное отверстие 5, внутри которой будет происходить рециркуляция вихря 22 во время работы камеры сгорания, при этом часть газообразных продуктов сгорания отводится в точке 14, и обеспечивается рециркуляция данной части вдоль и внутри криволинейной стенки 23, вокруг тороидальной зоны/камеры 7 для соединения ее вновь с основным потоком во впускном отверстии 6. Сжатый воздух для горения вводится в отверстии 10, предназначенном для впуска из компрессора, до впускного отверстия 6 по ходу потока. Входное устройство 21 для предварительного смешивания расположено между отверстием 10, предназначенным для впуска из компрессора, и впускным отверстием 6 камеры сгорания. В данном варианте осуществления, по существу конич