Спосіб поетапної зміни подачі палива при експлуатації реактора з камерою згоряння із захопленим вихором

Номер патенту: 105063

Опубліковано: 10.04.2014

Автор: Кендрік Дональд У.

Є ще 13 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб поетапної зміни подачі палива при експлуатації реактора з камерою згоряння із захопленим вихором, що має щонайменше одну порожнину із захопленим вихором, при цьому реактор з камерою згоряння із захопленим вихором додатково має як вхідний пристрій для попереднього змішування, який забезпечує змішування палива і повітря і введення повітряно-паливної суміші в основний впускний отвір реактора з камерою згоряння із захопленим вихором, так і щонайменше один вихровий пристрій для попереднього змішування, який забезпечує змішування палива і повітря і введення повітряно-паливної суміші безпосередньо в щонайменше одну подібну порожнину із захопленим вихором в реакторі з камерою згоряння із захопленим вихором, при цьому

(a) вхідний пристрій для попереднього змішування містить множину концентричних, копланарних кільцевих елементів з аеродинамічною формою, розташованих вище по потоку основного впускного отвору, вирівняних в аксіальному напрямку в межах проточного каналу, при цьому кожний кільцевий елемент має внутрішній канал для палива, кожний кільцевий елемент додатково має множину отворів для вприскування палива, в результаті чого паливо проходить з внутрішнього каналу у вхідний потік текучого середовища поблизу кільця, причому між кожними двома кільцевими елементами утворений кільцевий канал, при цьому кільця додатково адаптовані, в результаті чого

(і) отвори для вприскування палива орієнтовані для вприскування палива під кутом, що має абсолютну величину від приблизно 0 до приблизно 90 градусів відносно аксіального напрямку; і

(іі) множина отворів для вприскування палива має неоднакові діаметри, причому діаметри мають різні величини, при цьому кожна з величин вибрана для забезпечення заданого діапазону відношень миттєвих потоків палива і повітря; і

(b) вихровий пристрій для попереднього змішування містить отвір для впускання палива, отвір для впускання повітря, камеру, в якій паливо і повітря змішуються, і отвір для випускання повітряно-паливної суміші, при цьому вихровий пристрій для попереднього змішування приєднаний до реактора з камерою згоряння із захопленим вихором так, що випускний отвір забезпечує введення повітряно-паливної суміші безпосередньо в порожнину із захопленим вихором, і так, що повітряно-паливна суміш вводиться в порожнину із захопленим вихором під таким кутом, що повітряно-паливна суміш з'єднується з потоком вихору приблизно співнаправлено з вихровим потоком,

при цьому спосіб включає регулювання частин повітряно-паливної суміші, що вводяться через вхідний пристрій для попереднього змішування і вихровий пристрій для попереднього змішування, для пристосування до відмінних навантажень під час роботи реактора з камерою згоряння із захопленим вихором.

2. Спосіб за п. 1, при якому при запуску і при роботі на низькій потужності доти, доки не буде досягнуте граничне значення рівня викидів NOX, подачу палива здійснюють тільки через вихровий пристрій для попереднього змішування.

3. Спосіб за п. 1, при якому при роботі на середній потужності подачу палива здійснюють головним чином через вхідний пристрій для попереднього змішування.

4. Спосіб за п. 1, при якому при роботі на високій потужності подачу палива здійснюють як через вказаний вихровий, так і через вхідний пристрої для попереднього змішування.

5. Спосіб за п. 4, при якому об'єм повітря, що проходить через вихровий пристрій для попереднього змішування, менший об'єму повітря, що проходить через вхідний пристрій для попереднього змішування.

6. Спосіб за п. 5, при якому об'єм повітря, що проходить через вказаний вихровий пристрій для попереднього змішування, становить менше приблизно 50 % від об'єму повітря, що проходить через вхідний пристрій для попереднього змішування.

7. Спосіб за п. 6, при якому об'єм повітря, що проходить через вихровий пристрій для попереднього змішування, знаходиться в межах від приблизно 20 % до приблизно 40 % від об'єму повітря, що проходить через вхідний пристрій для попереднього змішування.

8. Спосіб за п. 1, при якому по суті постійно під час роботи реактора з камерою згоряння із захопленим вихором щонайменше мінімальну кількість повітряно-паливної суміші вводять через вихровий пристрій для попереднього змішування.

9. Спосіб за п. 1, що застосовується для пристосування до відмінних навантажень під час запуску реактора з камерою згоряння із захопленим вихором.

10. Спосіб за п. 1, що застосовується для пристосування до відмінних навантажень під час зміни навантажень реактора з камерою згоряння із захопленим вихором.

11. Спосіб за п. 1, що застосовується в системі, що містить реактор з камерою згоряння із захопленим вихором і додатково містить газову турбіну, при цьому систему виконують з можливістю вироблення електроенергії.

12. Спосіб за п. 1, що застосовується в системі, що містить реактор з камерою згоряння із захопленим вихором і додатково містить газову турбіну, при цьому систему виконують з можливістю використання як повітряно-реактивного двигуна для авіації.

13. Спосіб за п. 1, що застосовується в системі, що містить реактор з камерою згоряння із захопленим вихором і додатково містить газову турбіну, при цьому систему виконують з можливістю використання як допоміжної установки для вироблення електроенергії.

14. Спосіб за п. 1, що застосовується в системі, що містить реактор з камерою згоряння із захопленим вихором і додатково містить газову турбіну, при цьому систему виконують з можливістю використання як турбіни внутрішнього згоряння для теплоелектроцентралі.

15. Спосіб за п. 1, що застосовується в системі, що містить реактор з камерою згоряння із захопленим вихором і додатково містить газову турбіну, при цьому систему виконують з можливістю використання як турбіни внутрішнього згоряння для електростанції із парогазовою установкою з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля.

16. Спосіб за п. 1, при якому реактор з камерою згоряння із захопленим вихором містить множину порожнин із захопленим вихором, кожна з яких з'єднана з щонайменше одним вихровим пристроєм для попереднього змішування, що додатково включає незалежне регулювання частин повітряно-паливної суміші, що вводяться через вхідний пристрій для попереднього змішування і кожен з вихрових пристроїв для попереднього змішування, для пристосування до відмінних навантажень під час роботи вказаного реактора з камерою згоряння із захопленим вихором.

17. Спосіб за п. 16, при якому множина порожнин із захопленим вихором включає в себе першу, розташовану вище по потоку, порожнину із захопленим вихором, і другу, розташовану нижче по потоку, порожнину із захопленим вихором, при цьому розташована нижче по потоку порожнина із захопленим вихором розташована далі по потоку у вказаному реакторі з камерою згоряння із захопленим вихором відносно вказаної першої порожнини із захопленим вихором.

18. Спосіб за п. 17, при якому при запуску і роботі на низькій потужності доти, доки не буде досягнутий граничний рівень викидів NOX, подачу палива здійснюють головним чином через щонайменше один вихровий пристрій для попереднього змішування, який забезпечує введення повітряно-паливної суміші безпосередньо в розташовану вище по потоку порожнину із захопленим вихором.

19. Спосіб за п. 18, що застосовується для отримання до приблизно 33 % потужності.

20. Спосіб за п. 17, при якому при роботі на середній потужності подачу палива здійснюють головним чином через вхідний пристрій для попереднього змішування.

21. Спосіб за п. 20, що застосовується для отримання від приблизно 33 % потужності до приблизно 66 % потужності.

22. Спосіб за п. 17, при якому при роботі на високій потужності основну подачу палива забезпечують через вхідний пристрій для попереднього змішування і щонайменше один вихровий пристрій для попереднього змішування, з'єднаний з кожною з порожнин із захопленим вихором.

23. Спосіб за п. 22, що застосовується для отримання від приблизно 66 % потужності і більше.

24. Спосіб за п. 17, при якому по суті постійно під час роботи реактора з камерою згоряння із захопленим вихором щонайменше мінімальну кількість повітряно-паливної суміші вводять через вказаний щонайменше один вихровий пристрій для попереднього змішування, який забезпечує введення повітряно-паливної суміші безпосередньо в розташовану вище по потоку порожнину із захопленим вихором.

Текст

Реферат: Спосіб поетапної зміни подачі палива при експлуатації реактора з камерою згоряння із захопленим вихором, що має щонайменше одну порожнину із захопленим вихором. Реактор з камерою згоряння із захопленим вихором додатково має як вхідний пристрій для попереднього змішування, який забезпечує змішування палива і повітря і введення повітряно-паливної суміші в основний впускний отвір реактора з камерою згоряння із захопленим вихором, так і щонайменше один вихровий пристрій для попереднього змішування, який забезпечує змішування палива і повітря і введення повітряно-паливної суміші безпосередньо в щонайменше одну подібну порожнину із захопленим вихором в реакторі з камерою згоряння із захопленим вихором. При цьому (a) вхідний пристрій для попереднього змішування містить множину концентричних, копланарних кільцевих елементів з аеродинамічною формою, розташованих вище по потоку основного впускного отвору, вирівняних в аксіальному напрямку в межах проточного каналу, при цьому кожний кільцевий елемент має внутрішній канал для палива, кожний кільцевий елемент додатково має множину отворів для вприскування палива, в результаті чого паливо проходить з внутрішнього каналу у вхідний потік текучого середовища поблизу кільця, причому між кожними двома кільцевими елементами утворений кільцевий канал, при цьому кільця додатково адаптовані, в результаті чого UA 105063 C2 (12) UA 105063 C2 (і) отвори для вприскування палива орієнтовані для вприскування палива під кутом, що має абсолютну величину від приблизно 0 до приблизно 90 градусів відносно аксіального напрямку; і (іі) множина отворів для вприскування палива має неоднакові діаметри, причому діаметри мають різні величини, при цьому кожна з величин вибрана для забезпечення заданого діапазону відношень миттєвих потоків палива і повітря; і (b) вихровий пристрій для попереднього змішування містить отвір для впускання палива, отвір для впускання повітря, камеру, в якій паливо і повітря змішуються, і отвір для випускання повітряно-паливної суміші, при цьому вихровий пристрій для попереднього змішування приєднаний до реактора з камерою згоряння із захопленим вихором так, що випускний отвір забезпечує введення повітряно-паливної суміші безпосередньо в порожнину із захопленим вихором, і так, що повітряно-паливна суміш вводиться в порожнину із захопленим вихором під таким кутом, що повітряно-паливна суміш з'єднується з потоком вихору приблизно співнаправлено з вихровим потоком. Спосіб включає регулювання частин повітряно-паливної суміші, що вводяться через вхідний пристрій для попереднього змішування і вихровий пристрій для попереднього змішування, для пристосування до відмінних навантажень під час роботи реактора з камерою згоряння із захопленим вихором. UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Опис Галузь техніки, якої стосується винахід Винахід стосується галузі турбін внутрішнього згоряння і газових турбін і, зокрема, конструкцій газових турбін для забезпечення низького рівня сухих викидів і, більш точно, стосується пристрою і способів попереднього змішування палива і повітря для забезпечення наднизьких викидів, що утворюються при горінні. Рівень техніки Пристрій для попереднього змішування може бути корисним для підвищення стабільності полум'я в системі виділення/перетворення енергії, такій як камера згоряння для енергопостачання газотурбінного двигуна або генератора. Для стислості в даному описі скрізь використовується термін «камера згоряння», але потрібно розуміти, що в більш загальному випадку винахід стосується систем виділення/перетворення енергії, які можуть приводитися в дію або як камера згоряння, або як пристрій для риформінгу палива залежно від робочих умов, а також як спеціалізована камера згоряння і спеціалізований пристрій для риформінгу. Якщо контекст явним чином не вимагає іншого, терміни «камера згоряння», «пристрій для риформінгу» і «система виділення/перетворення енергії» потрібно розглядати як повністю взаємозамінні. Пристрої для попереднього змішування, які використовуються в даний час в даній галузі техніки, включають в себе вузли з конфігурацією, подібною до «маточини і спиць», подібні до тих, які використовуються компаніями Дженерал електрик (General Electric), Прат енд Уїтні (Pratt & Whitney), Сіменс (Siemens) і т. д., і які розміщені на вході в камеру згоряння - при цьому паливо подається через маточиноподібний елемент і виходить з радіальних спицеподібних елементів - і/або вбудовані в лопатки завихрювача. Спицеподібні елементи даних пристроїв для попереднього змішування мають множину аксіальних отворів з однаковими розмірами, поперечних до впускного отвору камери згоряння. При конструюванні даних пристроїв для попереднього змішування прагнуть оптимізувати їх для певного відношення миттєвих потоків палива і повітря. Відповідно, дані пристрої для попереднього змішування найкраще працюють у вузькому діапазоні потужності й не забезпечують найбільш однорідної повітряно-паливної суміші у всьому робочому діапазоні двигуна. Система буде утворювати зони або з дуже бідною, або з дуже багатою повітряно-паливною сумішшю, що негативно впливають на викиди. Таким чином, з цього виходить, що додаткове поліпшення роботи систем виділення/перетворення енергії може бути можливим при зміні конструкції пристрою для попереднього змішування, що використовується спільно з даними системами, для забезпечення кращого функціонування в ширшому діапазоні робочих умов. В одному класі пристроїв з камерою згоряння, відомому як камери згоряння із «захопленим вихором» (TVC), як зазначено надалі нижче в даному описі, в зоні горіння утворена порожнина, наприклад, між погано обтічними тілами або в стінці камери згоряння, в якій будуть утворюватися вихори і/або інша турбулентність, для стабілізації горіння при бідних сумішах. Див., наприклад, патент США № 5857339 на ім'я Roquemore й інші. Паливо і/або повітря можуть нагнітатися в порожнину із захопленим вихором через окремі інжектори для забезпечення більшого змішування в даній зоні і додаткового підвищення стабільності полум'я. Окремі елементи для вприскування палива і повітря можуть бути розташовані, наприклад, на передній і задній стінках зони із захопленим вихором, обмеженій стінками порожнини камери згоряння. Див., наприклад, патент США № 5791148 на ім'я Burrus. У роботі Haynes й інші, опублікованій в GE Global Research і озаглавленій “Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report", січень 2006 (DE-FC2601NT41020), описана камера згоряння, аналогічна по конфігурації камері згоряння, описаній в патенті на ім'я Burrus. У деяких варіантах здійснення, розкритих в роботі Haynes й інші, як альтернатива окремим отворам для впускання палива і повітря, подібним до раніше використовуваних на практиці, паливо і повітря можуть бути попередньо змішані і введені через вхідний конус і/або через передню або задню стінки порожнини камери згоряння. Варіанти здійснення, в яких попередня суміш вводилася як у вхідний конус, так і в порожнину камери згоряння, приводили до утворення двох вихорів одного над іншим при сильно турбулентному перемішуванні. У патенті США № 7603841 на ім'я Steele й інші, в якому описаний інший варіант здійснення камери згоряння із захопленим вихором, розкрита камера згоряння, що має попереднє змішування на вході, а також задні форсунки, які забезпечують введення в порожнину камери згоряння, частково обмежену погано обтічним тілом. У даному варіанті здійснення задні форсунки спрямовані в напрямку, протилежному напрямку протікання попередньої суміші, що надходить, для забезпечення турбулентного вихрового перемішування. 1 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Досі всі конструкції камери згоряння із захопленим вихором, в яких забезпечувалося нагнітання палива, повітря і/або попередньо змішаних палива і повітря в порожнину камери згоряння, були виконані з можливістю індукування турбулентності для забезпечення утворення додаткових вихорів або ж посилення турбулентного перемішування у вихровій порожнині. Наприклад, на фіг. 3-7 роботи Haynes й інші показаний подвійний захоплений вихор в кожній порожнині камери згоряння із захопленим вихором. «Природний» потік, який мав би місце в даних порожнинах, що означає потік текучого середовища, який мав би місце природним чином в порожнинах при відсутності вприскування попередньої суміші, за умови, що потік в іншому випадку проходить по основній траєкторії потоку в камері згоряння, являє собою один вихор. У випадку, показаному на фіг. 3-7 роботи Haynes й інші, другий вихор в картині «подвійного вихору» утворюється за рахунок вприскування попередньої суміші в порожнину камери згоряння із захопленим вихором і в іншому випадку не існував би. В інших випадках, наприклад тоді, коли утворюється тільки один вихор, основний показаний вихор міг би існувати іншим чином, але він суттєво змінюється під дією попередньої суміші, що додається, наприклад, за рахунок його поступального зміщення з його природного місцеположення в порожнині, робиться значно більш турбулентним або ж значною мірою спотворюється. У патентній публікації США 2008/0092544 А1 на ім'я Rakhmailov (далі публікація '544), що належить заявнику по даній заявці, розкритий пристрій для попереднього змішування, передбачений в комбінації з камерою згоряння, виконаною відповідно до опису патенту США № 7086854 на ім'я Rakhmailov й інші (далі патент '854), що належить заявнику по даній заявці. Пристрій для попереднього змішування в публікації '544 передбачений тільки на вході камери згоряння. Потік текучого середовища у впускному отворі даної камери згоряння має високу швидкість, і, таким чином, попереднє змішування на вході здійснюється в середовищі, що має високу швидкість. Незважаючи на те, що конструкція, описана в публікації '544, передбачає додавання вхідного пристрою для попереднього змішування до камери згоряння з рециркулюючим вихором, описаний в патенті '854, жоден з даних двох описів не містить будь-якої згадки про засіб для вприскування палива, повітря і/або попередньо змішаних палива і повітря безпосередньо у вихрову порожнину. Дійсно, в патенті '854 точно не передбачена можливість подачі палива в гарячий газ, що піддається рециркуляції, в порожнині з рециркулюючим вихором, при цьому у вказаному патенті стверджується, що турбулентне механічне перемішування може привести до зменшення загальної швидкості рециркуляції, що приводить до нерівномірного розподілу палива і до зниження температур в тих зонах, де рециркулюючий потік з’єднується з вхідним потоком, що суперечить цілям розробки за патентом '854. Кожен з відповідних описів патенту на ім'я Rakhmailov й інші, патенту на ім'я Burrus, конструкцій, наведеної в роботі Haynes й інші, патенту на ім'я Steele й інші, патенту '854 і публікації '544 повністю включений в даний опис шляхом посилання у всіх відношеннях. Було б бажано удосконалити попередній рівень техніки в ряді аспектів. По-перше, було б бажано удосконалити вхідні пристрої для попереднього змішування для камери згоряння будьякого типу за допомогою виконання пристрою для попереднього змішування, який в більшій мірі адаптується до ширшого діапазону умов роботи. По-друге, було б бажано забезпечити попереднє змішування у вихровій зоні камери згоряння для посилення, а не для руйнування звичайного вихрового потоку. По-третє, було б бажано розробити способи використання вхідних і вихрових пристроїв для попереднього змішування переважно в комбінації один з одним. КОРОТКИЙ ОПИС ВИНАХОДУ Задача винаходу полягає в розробці більш довершеного пристрою для попереднього змішування палива і повітря і способу використання його в камерах згоряння. До бажаних властивостей подібного пристрою для попереднього змішування належать наступні: - пристрій для попереднього змішування повинен забезпечувати рівномірний розподіл палива по площі поперечного перерізу впускного отвору камери згоряння. - Пристрій для попереднього змішування повинен забезпечувати одержання однорідної повітряно-паливної суміші в широкому діапазоні умов роботи двигуна. - Пристрій для попереднього змішування повинен забезпечувати малу довжину зони попереднього змішування. - Пристрій для попереднього змішування повинен бути сумісним з широким спектром видів палива, включаючи всі газоподібні й рідкі види палива, що використовуються в газових турбінах. - Пристрій для попереднього змішування повинен забезпечувати низький рівень викидів шкідливих речовин. 2 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - Пристрій для попереднього змішування або окремий пристрій для попереднього змішування повинен бути адаптованими, щоб сприяти стабілізації горіння в порожнині із захопленим вихором в камері згоряння із захопленим вихором, згідно зі структурами потоку, для яких була призначена камера згоряння із захопленим вихором, включаючи структури з малою турбулентністю в тих випадках, де вони використовуються. - Повинна бути забезпечена можливість узгодження роботи будь-якої множини пристроїв для попереднього змішування, що використовуються в конструкції, для забезпечення найкращої експлуатації в робочому діапазоні системи. - Розроблені системи попереднього змішування і способи повинні бути застосовні для широкого ряду застосувань. В одному варіанті здійснення дані цілі можуть бути досягнуті за допомогою виконання вхідного вузла для попереднього змішування, що містить маточиноподібний елемент, множину радіальних спицеподібних елементів і множину концентричних аеродинамічно форсункових кілець, прикріплених до спицеподібним елементів, з множиною радіально спрямованих отворів для вприскування. Отвори для вприскування виконані з множиною різних діаметрів, що сприяє хорошому перемішуванню в широкому діапазоні потужностей. Завдяки конфігурації і розмірам отворів вузол сумісний з газами і рідинами. Радіальна, концентрична конфігурація зони вприскування забезпечує можливість одержання короткого шляху вприскування завдяки більшому числу місць вприскування палива на площі поперечного перерізу. Згідно з другим аспектом може бути передбачений призначений для використання спільно з конструкціями реакторів із захопленим вихором, додатковий варіант здійснення пристрою для попереднього змішування, який забезпечує вприскування попередньо змішаних палива і повітря безпосередньо в порожнину із захопленим вихором таким чином, щоб це було сумісно зі структурами потоків в порожнині, для яких система була призначена. У тому випадку, коли даний пристрій для попереднього змішування використовується спільно з конструкцією з рециркулюючим вихором, він може бути розташований так, що попередньо змішані паливо і повітря будуть з’єднуватися з вихровим потоком тангенціально плавно і безперервно і/або для посилення горіння в тороїдальній камері згоряння. В інших конструкціях попередня суміш може бути введена в одному або декількох місцях камери згоряння із захопленим вихором в одному або декількох напрямках відповідно до локального вихрового потоку в зоні введення. Також можуть бути розроблені способи використання двох варіантів здійснення, описаних вище, спільно один з одним, й їх встановлювальні параметри можуть бути відрегульовані із забезпеченням узгодження один з одним для поетапної зміни подачі палива під час експлуатації. Таким чином, в результаті був одержаний надзвичайно низький рівень викидів шкідливих речовин. В інших варіантах здійснення альтернативні схеми розташування порожнин камери згоряння передбачені для реалізації на практиці поетапної зміни подачі палива в пристрої з камерою згоряння із захопленим вихором, що містить вхідний пристрій для попереднього змішування, призначений для вприскування повітряно-паливної суміші у впускний отвір пристрою з камерою згоряння, і один або декілька вихрових пристроїв для попереднього змішування, призначених для вприскування повітряно-паливної суміші в рециркулюючий вихор в кожній з однієї або декількох порожнин із захопленим вихором. Множина порожнин камери згоряння із захопленим вихором, подача в які здійснюється з пристроїв для попереднього змішування, можуть бути розташовані та простягатися в аксіальному напрямку, в радіальному напрямку, по периферії, всередині або із забезпеченням комбінацій даного розташування. Дані схеми розташування можуть бути використані спільно зі способом поетапної зміни подачі палива, при цьому співвідношення часток сумішей, що вводяться через вхідний пристрій для попереднього змішування і відповідні вихрові пристрої для попереднього змішування, може варіюватися залежно від умов експлуатації. Пристрій з камерою згоряння і способи відповідно до винаходу можуть бути використані у всіх застосуваннях газових турбін, включаючи, без обмеження, вироблення електроенергії на суші, двигуни реактивних літаків комерційної авіації, допоміжні силові установки (ДСУ) для літальних апаратів, на електростанції комбінованого циклу виробництва електроенергії з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля (IGCC) і в теплоелектроцентралях (СНР) або на теплоелектростанціях. Інші аспекти і переваги винаходу будуть очевидними з прикладених креслень і нижченаведеного докладного опису. КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ 3 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для більш повного розуміння даного винаходу і його переваг далі робиться посилання на нижченаведений опис, що розглядається спільно з прикладеними кресленнями, на яких аналогічні посилальні позиції означають аналогічні компоненти і на яких: фіг. 1 являє собою виконаний з розрізом вигляд в перспективі з вхідної сторони в напрямку вихідної сторони трубчасто-кільцевої камери згоряння, що включає в себе два різних пристрої для попереднього змішування відповідно до певних варіантів здійснення винаходу. Фіг. 2А показує перерізи вхідного пристрою для попереднього змішування, показаного на фіг. 1, і фіг. 2В показує деталізовані перерізи спицеподібних і кільцевих елементів, що утворюють даний пристрій для попереднього змішування. Фіг. 3 являє собою додаткові перерізи вхідного пристрою для попереднього змішування, проілюстрованого на фіг. 2А і 2В, які також показують місцеположення отворів для вприскування палива в форсункових кільцях. Фіг. 4 являє собою виконаний з частковим виривом і в перспективі вигляд зовні тороїдальної камери вихрового пристрою для попереднього змішування, показаного на фіг. 1. Фіг. 5 показує альтернативний варіант здійснення вихрового пристрою для попереднього змішування, що використовується в комбінації з камерою згоряння із захопленим вихором, що має прямолінійні стінки в порожнині із захопленим вихором. Фіг. 6А-6С показують приклади стратегій поетапної зміни подачі палива відповідно до одного варіанта здійснення винаходу, і фіг. 6D-6Е являють собою відповідні графіки залежності температури полум'я від потужності двигуна. Фіг. 7А-7D показують множину різних компонувань камери згоряння, що мають множину порожнин камери згоряння із захопленим вихором, які можуть бути використані спільно з керованими окремо вхідним і вихровими пристроями для попереднього змішування. ДОКЛАДНИЙ ОПИС ПЕРЕВАЖНИХ ВАРІАНТІВ ЗДІЙСНЕННЯ ВИНАХОДУ Нижченаведене являє собою докладний опис певних варіантів здійснення винаходу, вибраних для представлення ілюстративних прикладів того, як він може бути переважно реалізований. Об'єм винаходу не обмежений конкретними описаними варіантами здійснення, а також об'єм винаходу не обмежений будь-яким певним варіантом реалізації, складу, здійснення або характеристиками, показаними на супроводжуючих кресленнях або наведеними або описаними в розділі «Короткий виклад суті винаходу» або в рефераті. Крім того, потрібно зазначити, що в даному описі описаний ряд способів, кожний з яких включає множину етапів. Ніщо, що міститься в даному письмовому описі, не потрібно сприймати як таке, що означає будь-який обов'язковий порядок виконання етапів даних способів за винятком того, що указано явним чином в тексті формули винаходу. Даний винахід застосовний для будь-якої камери згоряння газової турбіни або реакційної камери. Деякі аспекти даного винаходу відповідають будь-якій системі виділення/перетворення енергії, що має впускний отвір для газоподібного палива або палива, що має вигляд частинок рідини, що переносяться газом, і окисника (повітря). Інші аспекти доречні за умови, що система виділення/перетворення енергії має ознаки камери згоряння із захопленим вихором, яка буде розглянута. Серед множини різних пристроїв для виділення/перетворення енергії є камери згоряння і реакційні камери, що мають в основному усталений режим циркуляції вихору відповідно до деякого аспекту, при цьому даний вихор «знаходиться» щонайменше частково поза прямою траєкторією потоку, що проходить від впускного отвору до випускного отвору камери згоряння. Термін «камера згоряння із захопленим вихором» (TVC), що використовується в даному описі для позначення одного класу обладнання, для якого застосовний даний винахід, буде використаний як найбільш загальна назва систем виділення/перетворення енергії (камер згоряння і/або риформінг-установок), що мають подібні характеристики, і внутрішня частина камери згоряння, в якій «утримується» вихор, буде названа «реакційною порожниною із захопленим вихором». У порожнині із захопленим вихором можуть «утримуватися» один вихровий потік, два вихрових потоки або множина вихрових потоків. Порожнина із захопленим вихором може мати стінки з безперервною криволінійністю, або вона може мати прямолінійні стінки або стінки з іншою формою, або може бути утворена між погано обтічними тілами, або може мати комбінацію стінок і погано обтічних тіл. Камера згоряння або реакційна камера також може мати множину порожнин із захопленими вихорами. Приклади варіантів здійснення камери згоряння із захопленим вихором відповідно до патентів на ім'я Roquemore й інші, патентом на ім'я Burrus, конструкцією, наведеною в роботі Haynes й інші, і патентом на ім'я Steele й інші були розглянуті раніше. Система виділення/перетворення енергії, розкрита в патенті '854, хоча і відрізняється відносно матеріалів від даних камер згоряння із захопленим вихором, повинна 4 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 також розглядатися як камера згоряння із захопленим вихором в рамках термінології, що використовується в даному описі. Відносно камер згоряння із захопленим вихором можуть бути доречними додаткові міркування, пов'язані з конструкцією реактора. Вихор часто призначений для того, щоб сприяти підтримці стабільності полум'я в камері згоряння. Крім того, деякі конструкції базуються на використанні малої турбулентності для того, щоб сприяти забезпеченню рівномірного перемішування, що створює можливістьспалювання бідних сумішей при порівняно низьких температурах горіння, в результаті чого забезпечується поліпшення характеристик викидів. На практиці функціонування системи виділення/перетворення енергії може піддаватися коливанням і збурюючим впливам, наприклад, в результаті розривів безперервності потоку палива або потоку газу через компресор, невеликих розривів між поверхнями або статистичних аномалій, які виникають в результаті невеликих відхилень від безперервного і ламінарного потоку, які неминуче виникають, коли реальні текучі середовища динамічно переміщуються з високими швидкостями вздовж реальних поверхонь машини і вступають в хімічні реакції один з одним в реальному часі. Подібні відхилення і розриви безперервності час від часу можуть приводити до нестабільності полум'я. Ретельне перемішування палива і повітря перед спалюванням (або риформінгом) може бути використане для поліпшення характеристик викидів і підвищення стабільності роботи подібних конструкцій, а також інших конструкцій, в яких турбулентність може допускатися або підтримуватися після введення повітряно-паливної суміші. У конструкціях камер згоряння із захопленим вихором пристрою для попереднього змішування, розташовані до основного впускного отвору по ходу потоку, використовувалися для того, щоб сприяти перемішуванню палива і повітря. Однак експерименти показали, що є значні можливості поліпшення експлуатаційних характеристик даних конструкцій вхідних пристроїв для попереднього змішування. У деяких конструкціях камер згоряння із захопленим вихором паливо, повітря і/або попередньо змішані паливо і повітря нагніталися безпосередньо у вихор в камері згоряння для стабілізації роботи камери згоряння загалом. Наприклад, задачею деяких подібних конструкцій було використання вихрового пристрою для попереднього змішування або дискретного вприскування/нагнітання палива і/або повітря, щоб спричинити утворення одного або декількох додаткових вихорів (в тих зонах, в яких в іншому випадку існувало б менше число вихорів або тільки один вихор) для забезпечення більшої турбулентності при змішуванні і збільшення часу знаходження текучого середовища у вихровій порожнині камери згоряння із захопленим вихором. Однак таке безпосереднє вприскування палива або суміші, подібне до раніше використовуваного на практиці, при якому паливо, повітря і/або попередньо змішані паливо і повітря вводяться під тиском в природний вихровий потік з руйнуванням його, може привести до нерівномірного перемішування і гарячих ділянок і може бути квазіоптимальним для зниження токсичності вихлопу. Таким чином, додаткові і різні режими попереднього змішування, крім тих, які вже використовуються на практиці в даній галузі техніки, можуть бути переважними як для конструкцій камер згоряння із захопленим вихором (включаючи камери згоряння із захопленим вихором з малою турбулентністю), так і для конструкцій без камер згоряння із захопленим вихором. Однак існують певні проблеми, які повинні бути вирішені для забезпечення успішного використання пристрою для попереднього змішування. У систему виділення/перетворення енергії, як правило, подається повітря для горіння в стиснутому стані, що надходить з компресора. Попередньо змішані паливо і повітря, що знаходиться під порівняно високим тиском і при порівняно високих температурах, які характеризують потоки на виході з компресора, мають тенденцію бути дуже вибухонебезпечними. Для уникнення подібного вибуху попереднє змішування в подібному середовищі може виконуватися таким чином, щоб зменшився час знаходження суміші, одержаної в результаті попереднього змішування, в зоні перед введенням в камеру згоряння. Це означає, що пристрій для попереднього змішування переважно повинен бути розташований настільки близько до впускного отвору камери згоряння, наскільки це можливо на практиці (із забезпеченням малої довжини зони попереднього змішування), і при цьому в той же час забезпечувати належний час знаходження для досягнення заданого ступеня попереднього змішування (що досяжно частково за рахунок наявності малих розмірів зони попереднього змішування). Відповідно, переважні конфігурації, що забезпечують швидке і рівномірне попереднє змішування. Крім того, пристрій для попереднього змішування переважно повинен бути сумісний з іншою частиною конструкції системи. Наприклад, в системах з малою турбулентністю пристрій для 5 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 попереднього змішування не повинен «базуватися» на роботі з великою турбулентністю або викликати введення потоку з великою турбулентністю, не сумісною з конструкцією системи загалом. В інших конструкціях камер згоряння з вихровим потоком пристрій для попереднього змішування повинен забезпечити введення суміші так, щоб це було сумісно із заданим полем течії в порожнині. Конструкції двох взаємодоповнюючих пристроїв для попереднього змішування були розроблені з урахуванням вищенаведених принципів і результатів спостережень. Фіг. 1 являє собою виконаний з розрізом вигляд в перспективі з вхідної сторони в напрямку вихідної сторони камери згоряння, що включає в себе приклади даних двох різних пристроїв 21 і 31 для попереднього змішування відповідно до певних варіантів здійснення винаходу. Незважаючи на те, що камера згоряння за фіг. 1 має вісесеметричну внутрішню конфігурацію, вона має «трубчасту» конструкцію (яка іноді називається «трубчасто-кільцевою», щоб провести відмінність між нею і «повністю кільцевими» конструкціями), так що множина подібних «трубчастих елементів», кожний з яких такий, як показаний частково на фіг. 1, можуть бути розташовані у вигляді круглої конфігурації, при цьому їх випускний канал спрямований звичайно навколо великої турбіни. Подібні конфігурації широко використовуються для силових великих газових турбін, призначених для вироблення електроенергії, наприклад, в тому випадку, коли вал турбіни забезпечує приведення в дію великого електрогенератора. Незважаючи на те, що фіг. 1-4 сфокусовані на трубчастій конструкції, фахівцям в даній галузі техніки буде зрозуміло те, що принципи даної конструкції можуть бути легко адаптовані для «повністю кільцевої» конструкції камери згоряння, в якій одна кільцева камера згоряння виконана з можливістю з'єднання/з’єднань, наприклад, з кільцевим каналом турбіни, призначеним для впускання текучого середовища. Повністю кільцеві конструкції можуть бути використані, наприклад, в двигунах реактивних літаків комерційної авіації і у допоміжних силових установках (ДСУ), крім великих турбін для вироблення електроенергії. Всі дані конфігурації і застосування, для яких вони призначені, знаходяться в межах об'єму даного винаходу. Трубчаста камера згоряння у варіанті здійснення, показаному на фіг. 1, має впускний отвір 6, випускний отвір 5 і зону 7 рециркуляції з точкою 14 відведення. У трьох вимірюваннях зона 7 рециркуляції утворює тороїдальну конструкцію навколо осі основного потоку, що проходить з впускного отвору 6 у випускний отвір 5, всередині якої буде відбуватися рециркуляція вихору 22 під час роботи камери згоряння, при цьому частина газоподібних продуктів згоряння відводиться в точці 14, і забезпечується рециркуляція даної частини вздовж і всередині криволінійної стінки 23, навколо тороїдальної зони/камери 7 для з'єднання її знову з основним потоком у впускному отворі 6. Стиснуте повітря для горіння вводиться в отворі 10, призначеному для впускання з компресора, до впускного отвору 6 по ходу потоку. Вхідний пристрій 21 для попереднього змішування розташований між отвором 10, призначеним для впускання з компресора, і впускним отвором 6 камери згоряння. У даному варіанті здійснення по суті конічне, погано обтічне тіло 3 і 4 передбачене між пристроєм 21 для попереднього змішування і впускним отвором 6 камери згоряння для утворення сопла для прискорення попередньо змішаної суміші, що виходить з пристрою 21 для попереднього змішування. (Однак потрібно зазначити, що в кільцевій конструкції погано обтічне тіло може бути замість цього «двовимірним» елементом, який простягається у вигляді кільця (у вигляді звужуваного кільця) навколо усього впускного отвору кільцевої камери згоряння замість утворення конусоподібної конструкції, подібної до показаної). При розгляді інших деталей даного варіанта здійснення можна зазначити, що погано обтічне тіло 3, 4 закінчується біля плити 11, яка в трьох вимірюваннях утворює круглу стінку в центрі зони 6 впускного отвору; погано обтічне тіло 3, 4 спирається на радіальні спицеподібні елементи 17, розподілені в напрямку вздовж окружності в зоні 6 впускного отвору; отвори 16 виконані в плиті 11 для охолоджування стінок (ефузії, ефузії зі співударянням або тому подібного); до впускного отвору камери згоряння по ходу потоку розташований напірний отвір 12; і в стінці тороїдальної камери передбачене місце 15 установки, призначене для запальника (непоказаного). Крім того, в даному варіанті здійснення (тобто в трубчастій камері згоряння) камера згоряння розташована всередині кожуха 41, що має по суті трубчасту форму. У проілюстрованому варіанті здійснення також передбачений другий пристрій 31 для попереднього змішування (вихровий пристрій для попереднього змішування). Другий пристрій для попереднього змішування забезпечує нагнітання в простір 7 рециркуляції, але за принципом роботи відрізняється від нагнітання попередньо змішаних палива і повітря, яке використовується на практиці в пристроях по попередньому рівню техніки. У вихрових пристроях для попереднього змішування по попередньому рівню техніки попередньо змішані 6 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 паливо і повітря вводилися в порожнину камери згоряння із захопленим вихором таким заданим чином, щоб або створити один або декілька додаткових і абсолютно нових вихорів, або по суті зруйнувати поля потоків вихору, існуючого природним чином. У проілюстрованому варіанті здійснення нагнітання попередньо змішаних палива і повітря у вихрову зону призначене для посилення природного вихрового потоку в порожнині, наприклад, при введенні в порожнину вздовж зовнішньої стінки в напрямку, дотичному до природного рециркулюючого потоку і співнаправленому відносно природного рециркулюючого потоку в порожнині. Таким чином, це забезпечує посилення вихрового потоку без руйнування або значного збільшення турбулентності. Потрібно розуміти, що незважаючи на те, що фіг. 1 показує як пристрій 21 для попереднього змішування, так і пристрій 31 для попереднього змішування в робочому положенні, будь-який один з пристроїв 21 або 31 для попереднього змішування може бути передбачений, а інший може бути виключений, хоча, як розглянуто нижче в даному описі, існують режими роботи, в яких переважно мати обидва пристрої для попереднього змішування. В одному варіанті здійснення вихровий пристрій 31 для попереднього змішування містить деяку кількість паливних інжекторів, кожний з яких розташований навколо периферії зовнішньої стінки тороїдальної камери 7 і спрямований тангенціально відносно напрямку випускного отвору камери згоряння поруч з верхньою мертвою точкою тороїдальної камери 7 і, отже, приблизно по дотичній до нього для вприскування попередньо змішаної суміші в тому ж напрямку, в якому проходить природний рециркулюючий потік текучого середовища в тороїдальній камері 7. Тільки один подібний інжектор показаний в перерізі за фіг. 1, але потрібно розуміти, що конструкція інжектора повторюється за допомогою аналогічних інжекторів, які розташовані поряд навколо периферії тороїдальної камери 7. Дві системи для попереднього змішування будуть описані далі детальніше. Вхідний пристрій для попереднього змішування Фіг. 2А, 2В і 3 показують додаткові деталі вхідного пристрою 21 для попереднього змішування. У варіанті здійснення, що відображається у вигляді пристрою 21 для попереднього змішування, паливо (яке може являти собою газоподібне або рідке паливо) вводиться в отворі 13 для введення палива в центральний маточиноподібний елемент 1 і виходить за допомогою чотирьох радіальних спицеподібних елементів 19 і т. д. в чотири концентричних кільця 2А, 2В і т. д., змонтовані на спицеподібних елементах для подачі палива. Вприскування палива здійснюється під кутом, що знаходиться в діапазоні від 0 до 90 градусів відносно аксіального напрямку (або позитивним, або негативним (тобто визначається або в напрямку від осі, або в напрямку до осі залежно від певних пар кілець), але в будь-якому випадку так, що абсолютна величина кута знаходиться в діапазоні від 0 до 90 градусів і більш переважно - в діапазоні від 30 до 90 градусів відносно аксіального напрямку, в кільцеві канали, утворені між сусідніми кільцями 2А, 2В і т. д., у повітря, що має високу швидкістю, що виходить з компресора. Концентричні кільця 2А, 2В і т. д. й спицеподібний елемент 19 мають аеродинамічну форму, подібну до показаної на фіг. 2В. Число кілець повинно знаходитися в межах від 2 до приблизно 5 і переважно повинно забезпечувати блокування потоку менше ніж на 50% або більш переважно - менше ніж на 40%. Отвори (прорізи) 201, 202 і т. д. в кільцях 2А, 2В і т. д. вибрані для забезпечення належного потрапляння палива в повітря, яке надходить для одержання найбільш ретельно змішаної суміші (з мінімальними ступенями незмішування) в робочому діапазоні двигуна. Отже, вони будуть мати різні розміри/діаметри відповідно до заданих різних точок на графіку навантаження. В альтернативному варіанті здійснення паливо може подаватися до спицеподібних елементів від зовнішньої периферії 212 кільцеподібної конструкції, а не з маточиноподібного елемента 211. Отвори 201 і 202 переважно спрямовані для вприскування палива переважно в радіальному напрямку в поперечний потік повітря з компресора. У даному варіанті здійснення для полегшення виготовлення отвори спрямовані під кутом, що становить приблизно ±70 градусів відносно аксіального напрямку. Однак даний кут не є критичним. Як правило, кути можуть знаходитися в діапазоні від приблизно ±0 градусів до приблизно ±90 градусів, переважно вони знаходяться в діапазоні від приблизно ±60 градусів до приблизно ±90 градусів і більш переважно становлять приблизно ±90 градусів. Діаметри отворів не є однаковими, при цьому отвори різних діаметрів виконані для забезпечення кращих експлуатаційних характеристик в різних діапазонах потужностей, тобто при різних рівнях відношень миттєвих потоків повітря і палива. Різні розміри/діаметри отворів можуть бути визначені або за допомогою експериментів при змішуванні холодних потоків, за допомогою обчислювальної гідродинаміки (CFD) або емпіричних співвідношень, або за 7 UA 105063 C2 5 10 15 20 допомогою будь-якої комбінації даних підходів. Загальне число отворів може бути більше відповідного числа в звичайному пристрої для попереднього змішування. В одній конфігурації діаметри отворів вибрані для одержання множини отворів з трьома різними діаметрами, пристосованих для одержання найкращих сумішей при робочих діапазонах відповідно низьких, середніх і високих потужностей. Наприклад, малі отвори можуть бути виконані з розмірами, що забезпечують оптимальну роботу при низькій потужності (0-30% навантаження двигуна); середні отвори можуть бути виконані з розмірами, що забезпечують оптимальну роботу при середній потужності (0-70% навантаження двигуна), і великі отвори можуть бути виконані з розмірами, що забезпечують оптимальну роботу при високій потужності (70-100% навантаження двигуна), і використані в комбінації для забезпечення найбільш рівномірного змішування у всьому діапазоні потужностей. Кожний отвір переважно спарений з отвором іншого діаметра на двох сусідніх кільцях через кільцевий канал, обмежений двома кільцями. Отвори з кожним з вищезазначених діаметрів отворів (трьох різних діаметрів в даному прикладі, хоча може бути передбачене більше число) можуть бути розподілені в напрямку вздовж окружності приблизно рівномірно для гарантування одержання найбільш однорідної суміші в межах площі поперечного перерізу отвору для впускання попередньої суміші. Наведена як приклад схема розташування отворів показана на фіг. 3. Кути 1 і 2 (не показані на кресленнях) являють собою радіальні кутові зміщення отворів. В нижченаведеній таблиці як один можливий приклад показана схема розташування отворів для одного квадранта, для восьми рядів отворів в проілюстрованому варіанті здійснення: Номер ряду 1 2 3 4 5 6 7 8 25 30 35 40 45 Кут 1 (перший отвір) 15 7 6 4,25 3,5 3,5 3,5 3 Кут 2 (інтервал) 12 12,6 7,8 6,8 5,2 3,6 3,3 6,5 Число отворів 6 7 11 13 17 24 26 14 Комбінація даних ознак забезпечує зменшені тривалість/довжину змішування і розміри зони змішування, ширшу зону однорідності змішування в робочому діапазоні двигуна і є сумісною з газоподібним і рідким паливом. Пристрої для змішування палива і повітря згідно з попереднім рівнем техніки також включають в себе деякі конструкції з маточиноподібним і спицеподібними елементами, подібні до розглянутих раніше. Однак вони не забезпечують вприскування палива з концентричних кілець або не забезпечують множину різних діаметрів отворів для вприскування, і вони не мають і/або не забезпечують одного і того ж ступеня однорідності змішування в будь-який заданий момент навантаження двигуна/в будь-якій заданій точці на графіку навантаження двигуна. Стратегія попереднього змішування, відповідна попередньому рівню техніки, не забезпечить роботи з нижчим рівнем шкідливих викидів за даним винаходом. Вхідний пристрій для попереднього змішування, описаний вище, забезпечує досягнення рівних профілів змішування і ультранизькі рівні вихлопів двигуна відносно NOX (оксидів азоту), СО, UHC (вуглеводнів,які не згоріли) і т. д. внаслідок вищого ступеню змішування, що забезпечується за рахунок (а) неоднакових діаметрів отворів, (b) множини отворів і (с) менших розмірів зони змішування/меншої тривалості змішування. Це забезпечує кращу рівномірність змішування загалом в більшому робочому діапазоні двигуна. Підхід, описаний в даному описі, може бути адаптований до будь-якої схеми керування витратою палива в двигуні (тобто до того, як паливо буде дозовано подаватисяв робочому діапазоні двигуна: витрата палива залежно від навантаження двигуна) і є сумісним з газоподібним або рідким паливом. Він може бути адаптований до будь-якої камери згоряння, в якій використовується рідке і/або газоподібне паливо, для будь-якого застосування, включаючи, без обмеження, головні повітряно-реактивні двигуни для авіації (включаючи турбовентиляторні двигуни, турбореактивні двигуни, прямоструминні повітряно-реактивні двигуни і т. д.) і допоміжні силові установки (ДСУ). Декілька місяців випробувань при процесах згоряння, що проводяться в декількох точках робочого навантаження базового газотурбінного двигуна, показали, що даний пристрій для попереднього змішування спільно з іншими компонентами, описаними в даному описі, може 8 UA 105063 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечити в результаті ультранизький рівень викидів (NOX (оксиди азоту), СО, UHC (вуглеводні, які не згоріли)

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Kendrick, Donald, W.

Автори російською

Кендрик Дональд У.

МПК / Мітки

МПК: F23D 14/46, F02C 1/00, F23R 3/30

Мітки: вихором, зміни, спосіб, експлуатації, палива, реактора, поетапної, камерою, подачі, згоряння, захопленим

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/21-105063-sposib-poetapno-zmini-podachi-paliva-pri-ekspluataci-reaktora-z-kameroyu-zgoryannya-iz-zakhoplenim-vikhorom.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб поетапної зміни подачі палива при експлуатації реактора з камерою згоряння із захопленим вихором</a>

Подібні патенти