Результат интеллектуальной деятельности: ТОПЛИВНОЕ СОПЛО (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение, описанное в данном документе, относится к газотурбинному двигателю и, более конкретно, к топливному соплу, предназначенному для смешивания топлива и воздуха с обеспечением улучшения горения и уменьшения выбросов выхлопных газов.

Степень смешивания топлива с воздухом оказывает влияние на горение и выхлопные выбросы в различных двигателях, таких как газотурбинные двигатели. К выхлопным выбросам относятся, например, оксиды азота (NО_х) и окись углерода (СО). Для снижения температуры горения и, следовательно, уменьшения выбросов NO_x, может использоваться разбавитель. Однако использование разбавителей приводит к увеличению затрат и усложнению двигателя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приведено краткое описание некоторых вариантов выполнения, соответствующих объему первоначально заявленного изобретения. Предполагается, что эти варианты выполнения не ограничивают объем заявленного изобретения, а лишь представляют возможные варианты данного изобретения в кратком изложении. Фактически изобретение может охватывать различные варианты, которые могут быть аналогичны нижеописанным вариантам выполнения или отличаться от них.

В соответствии с первым вариантом выполнения система содержит турбинное топливное сопло. Указанное сопло содержит внутреннюю кольцевую часть с внутренним топливным каналом, внешнюю кольцевую часть, расположенную вокруг указанной внутренней кольцевой части, и промежуточную кольцевую часть, проходящую между указанными внутренней и внешней кольцевыми частями. Внутренняя и внешняя кольцевые части ограничивают кольцевой топливный канал выше по потоку от промежуточной части, при этом внешняя кольцевая часть ограничивает полость ниже по потоку от промежуточной части. Топливное сопло также имеет первый воздушный канал, проходящий через внешнюю кольцевую часть и промежуточную кольцевую часть от наружной области внешней кольцевой части к указанной полости, первый топливный канал, проходящий через промежуточную кольцевую часть от кольцевого топливного канала к указанной полости, и второй топливный канал, проходящий через промежуточную кольцевую часть от кольцевого топливного канала к первому воздушному каналу.

В соответствии со вторым вариантом выполнения система содержит турбинное топливное сопло. Указанное сопло имеет первый топливный канал, проходящий к нижней по потоку области смешивания, первый воздушный канал, проходящий от наружной области сопла к нижней по потоку области смешивания, и второй топливный канал, проходящий в указанный первый воздушный канал выше по потоку от указанной нижней по потоку области смешивания.

В соответствии с третьим вариантом выполнения система содержит турбинный двигатель и присоединенное к нему турбинное топливное сопло. Указанное сопло содержит внутреннюю стенку для предварительного смешивания, имеющую первый воздушный канал и первый топливный канал, который соединен с указанным первым воздушным каналом в указанной стенке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:

фиг.1 изображает принципиальную схему варианта выполнения турбинной системы, которая содержит топливное сопло, уменьшающее выбросы NO_x,

фиг.2 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения турбинной системы, показанной на фиг.1, с топкой, содержащей одно или более топливных сопел, уменьшающих выбросы NO_x,

фиг.3 изображает вид с боку с частичным вырезом варианта выполнения топки, показанной на фиг.2 и содержащей одно или более топливных сопел, уменьшающих выбросы NO_x и соединенных с торцевой крышкой указанной топки,

фиг.4 изображает вид в аксонометрии варианта выполнения торцевой крышки и топливных сопел топки, показанной на фиг.3,

фиг.5 изображает вид сбоку в разрезе по линии 5-5 на фиг.4 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x,

фиг.6 изображает вид сбоку в разрезе по линии 6-6 на фиг.4 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x,

фиг.7 изображает вид в аксонометрии спереди варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, в разобранном виде,

фиг.8 изображает вид в аксонометрии сзади варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, в разобранном виде,

фиг.9 изображает вид в аксонометрии показанного на фиг.7 и 8 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором пунктирными линиями показаны внутренние каналы,

фиг.10 изображает вид сверху показанного на фиг.7 и 8 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором пунктирными линиями показаны внутренние каналы,

фиг.11 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения части топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, показанного на фиг.1-10,

фиг.12 изображает вид сбоку в разрезе по линии 12-12 на фиг.11 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором показаны различные конфигурации топливных каналов,

фиг.13 изображает вид сбоку в разрезе по линии 12-12 на фиг.11 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором показаны различные конфигурации топливных каналов,

фиг.14 изображает вид сбоку в разрезе по линии 12-12 на фиг.11 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NOx, на котором показаны различные конфигурации топливных каналов,

фиг.15 изображает вид в разрезе по линии 15-15 на фиг.11 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором показаны различные осевые положения топливных каналов относительно воздушного канала,

фиг.16 изображает вид в разрезе по линии 15-15 на фиг.11 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором показаны различные осевые положения топливных каналов относительно воздушного канала, и

фиг.17 изображает вид в разрезе по линии 15-15 на фиг.11 варианта выполнения топливного сопла, уменьшающего выбросы NO_x, на котором показаны различные осевые положения топливных каналов относительно воздушного канала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приведено описание одного или более конкретных вариантов выполнения. В попытке создания краткого описания этих вариантов выполнения в описании могут быть приведены не все признаки фактического варианта реализации. Следует понимать, что при разработке любого такого фактического варианта реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, необходимо принять множество решений, определяемых конкретным вариантом реализации, для достижения конкретных целей разработчика, таких как соблюдение системных и деловых ограничений, которые могут меняться от одного варианта реализации к другому. Кроме того, следует понимать, что такая опытно-конструкторская работа может быть сложной и трудоемкой, но тем не менее является обычным процессом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов в области техники, использующих преимущество данного изобретения.

При введении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что использование их названий в единственном числе и термина «указанный» означает наличие одного или более определяемых элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включающими и означают, что возможно наличие дополнительных элементов, отличающихся от перечисленных.

Данная заявка относится к системам для улучшения смешивания топлива с воздухом, а также к горению, производительности и выбросам (например, NO_x) в газотурбинном двигателе. По существу в газотурбинном двигателе используется одно или более топливных сопел для обеспечения содействия смешиванию топлива и воздуха в топке. Каждое топливное сопло содержит структуры, обеспечивающие направление в топку воздуха, топлива и, при необходимости, других текучих сред. При поступлении в топку топливовоздушная смесь сгорает с обеспечением приведения в действие турбинного двигателя. Во время горения могут образовываться такие соединения, как оксид азота и диоксид азота (известные под общим названием NO_x), содержание которых подлежит регулированию в соответствии с государственными нормами. Выбросы NO_x, образовавшиеся в ходе процесса горения, зависят от состава топлива, режима работы и конструкции топочного оборудования. Выбросы NO_x могут образоваться вследствие тепловой фиксации атмосферного азота в воздухе для горения (т.е. термический NO_x), быстрого образования оксида азота вблизи зоны пламени (т.е. быстрый NO_x) или реакции азота в составе топлива с кислородом (т.е. топливный NO_x). Основными факторами, обуславливающими образование NO_x, являются температура горения и его продолжительность. Для уменьшения выбросов NO_x в зону горения могут быть впрыснуты разбавители (например, пар, вода или дымовой газ), что приводит к повышению эксплуатационных затрат.

В вариантах выполнения данного изобретения предложена конструкция турбинного топливного сопла, выполненного с возможностью предварительного смешивания в нем топлива и воздуха перед горением для обеспечения уменьшения высокотемпературных зон и выбросов NO_x. Например, турбинное топливное сопло может содержать нижнюю по потоку полость, ограниченную кольцевой стенкой и стенкой основания, которая имеет воздушные каналы и топливные каналы, причем по меньшей мере один воздушный канал соединен с по меньшей мере одним топливным каналом для обеспечения предварительного смешивания воздуха и топлива. Например, в некоторых вариантах выполнения воздушные каналы проходят от внешней поверхности через кольцевую стенку и стенку основания в нижнюю по потоку полость, тогда как топливные каналы проходят через стенку основания в верхнюю по потоку полость, при этом топливные каналы проходят через топливную стенку основания от верхней по потоку полости к нижней по потоку полости. Кроме того, каждый воздушный канал может быть соединен с отводящим топливным каналом, идущим от верхней по потоку полости, так что первая часть топлива течет через топливные каналы, а вторая часть топлива течет через указанные отводящие каналы в воздушные каналы. Эта вторая часть может составлять, например, от 1 до 50% или от 10 до 40% от общего расхода топлива. Отводящие топливные каналы обеспечивают возможность предварительного смешивания воздуха и топлива в воздушных каналах, благодаря чему улучшается смешивание топлива с воздухом, улучшается горение и уменьшаются выбросы. Например, предварительное смешивание может обеспечить уменьшение высокотемпературных зон и, следовательно, образования NO_x.

На фиг.1 изображена принципиальная схема варианта выполнения турбинной системы 10, содержащей газотурбинный двигатель 11. Как подробно описано ниже, в предложенной турбинной системе 10 используется одно или более топливных сопел 12, имеющих усовершенствованную конструкцию, которая обеспечивает уменьшение выбросов NO_x в указанной системе 10. Для приведения в действие турбинной системы 10 в ней может использоваться жидкое или газообразное топливо, такое как природный газ и/или синтетический газ. Как показано на чертеже, указанные одно или более сопел 12 обеспечивают впуск подаваемого топлива 14, частичное смешивание топлива с воздухом и направление топлива и топливовоздушной смеси в топку 16, где происходит дальнейшее смешивание топлива с воздухом. В камере топки 16 происходит сгорание топливовоздушной смеси с образованием горячих сжатых выхлопных газов. Топка 16 направляет указанные выхлопные газы через турбину 18 к выхлопному патрубку 20. При прохождении через турбину 18 выхлопные газы воздействуют на лопатки турбины с обеспечением вращения вала 22 относительно оси турбинной системы 10. Как показано на чертеже, вал 22 соединен с различными компонентами системы 10, в том числе с компрессором 24, который также содержит лопатки, соединенные с валом 22. При вращении вала 22 лопатки в компрессоре 24 также вращаются, в результате чего происходит сжатие воздуха, проходящего от впускного патрубка 26 для воздуха через компрессор 24 в топливные сопла 12 и/или топку 16. Вал 22 также может быть соединен с нагрузкой 28, которая может представлять собой подвижную или стационарную нагрузку, такую как, например, электрогенератор в силовой установке или пропеллер воздушного судна. Нагрузка 28 может представлять собой любое подходящее устройство, приводимое в действие выходной энергией вращения турбинной системы 10.

На фиг.2 изображен вид сбоку в разрезе варианта выполнения газотурбинного двигателя 11, показанного на фиг.1. Как показано на чертеже, в одной или более топках 16 расположено одно или более топливных сопел 12, каждое из которых выполнено с возможностью частичного предварительного смешивания воздуха и топлива внутри промежуточных или внутренних стенок указанных сопел 12 выше по потоку от места впрыска воздуха, топлива или топливовоздушной смеси в топку 16. Например, каждое сопло 12 выполнено с возможностью отведения топлива в воздушные каналы, благодаря чему происходит частичное предварительное смешивание части топлива с воздухом с обеспечением уменьшения высокотемпературных зон и выбросов NО_х. Во время работы воздух поступает в газотурбинный двигатель 11 через впускной патрубок 26 и сжимается в компрессоре 24. Затем сжатый воздух смешивается с газом для обеспечения горения в топке 16. Например, сопла 12 могут впрыскивать в топку 16 смесь топлива с воздухом в соотношении, подходящем для обеспечения оптимального горения, выбросов, потребления топлива и выходной мощности. В результате горения образуются горячие сжатые выхлопные газы, которые затем приводят в действие лопатки 30 турбины 18 с обеспечением вращения вала 22 и, таким образом, компрессора 24 и нагрузки 28. Вращение лопаток 30 вызывает вращение вала 22, в результате чего лопатки 32 в компрессоре 24 втягивают и сжимают воздух, поступивший через впускной патрубок 26.

На фиг.3 изображен вид с боку с частичным вырезом варианта выполнения топки 16, показанной на фиг.2. Как показано на чертеже, топливные сопла 12 прикреплены к торцевой крышке 34 вблизи переднего конца 36 топки 16. Сжатый воздух и топливо направляются через крышку 34 и конец 36 к соплам 12, каждое из которых направляет топливовоздушную смесь в топку 16. Топливные сопла 12 также могут быть выполнены с возможностью частичного предварительного смешивания воздуха с частью топлива в пределах промежуточных или внутренних стенок указанных сопел 12 выше по потоку от места впрыска воздуха, топлива или топливовоздушной смеси в топку 16, благодаря чему уменьшается образование выбросов NO_x. Топка 16 содержит камеру 38 сгорания, которая в целом ограничена корпусом 40, жаровой трубой 42 и проточным кожухом 44. В некоторых вариантах выполнения кожух 44 и жаровая труба 42 коаксиальны друг другу и ограничивают полый кольцевой промежуток 46, который может обеспечить возможность прохождения воздуха, предназначенного для охлаждения и поступления в передний конец 36 и камеру 38 сгорания. Конструкция топки 16 обеспечивает оптимальный расход топливовоздушной смеси, проходящей через переходной отсек 48 (например, сужающуюся секцию) по направлению к турбине 18. Например, сопла 12 могут направлять сжатую топливовоздушную смесь в камеру 38, где происходит ее горение. Полученный в результате выхлопной газ течет через отсек 48 к турбине 18, как показано стрелкой 50, с обеспечением вращения лопаток 30 турбины 18 вместе с валом 22.

На фиг.4 изображен вид в аксонометрии варианта выполнения торцевой крышки 34, к поверхности 52 которой прикреплены топливные сопла 12. В изображенном варианте выполнения сопла 12 прикреплены к поверхности 52 крышки 34 с получением кольцевой конфигурации. Однако сопла 12 могут быть прикреплены к поверхности 52 в любых подходящих количестве и конфигурации. В некоторых вариантах выполнения каждое сопло 12 обеспечивает предварительное смешивание воздуха с частью топлива внутри промежуточных или внутренних стенок указанного сопла 12 перед их впрыском от указанной промежуточной или внутренней стенки, благодаря чему уменьшается образование выбросов NO_x.

Отверстия 56 для впуска воздуха в топливные сопла 12 могут быть направлены внутрь под углом по направлению к оси 58 каждого сопла 12, благодаря чему обеспечивается возможность смешивания потока воздуха с потоком топлива при его прохождении в направлении 54 вниз по потоку в топку 16. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения потоки воздуха и потоки топлива могут закручиваться во встречных направлениях, например соответственно по часовой стрелке и против часовой стрелки, для обеспечения возможности лучшего смешивания. В других вариантах выполнения потоки воздуха и потоки топлива могут закручиваться в одном направлении для улучшения смешивания в зависимости от состояния системы и других факторов.

Как описано более подробно ниже, в каждом сопле 12 может использоваться внутренняя стенка, обеспечивающая направление части потока топлива при помощи одного или более топливных каналов к потоку воздуха в одном или более воздушных каналах для предварительного смешивания потоков воздуха и топлива внутри указанной стенки. В результате данного предварительного смешивания образуется топливовоздушная смесь, впрыскиваемая вместе с дополнительными потоками топлива в полость или камеру 60, расположенную в манжете 62 каждого сопла 12. В некоторых вариантах выполнения топливные каналы могут проходить под углом к воздушным каналам для обеспечения закручивания или встречного закручивания и смешивания потоков воздуха и топлива внутри стенки для предварительного смешивания. В некоторых вариантах выполнения поток воздуха (или другой защитной текучей среды) может быть направлен дополнительными воздушными каналами вдоль внутренней стенки манжеты 62 с обеспечением создания воздушной оболочки в периферийных областях вблизи внутренней стенки 64 манжеты 62. При этом указанная воздушная оболочка снижает вероятность удерживания пламени в топливном сопле 12. Очевидно, что в некоторых вариантах выполнения топливное сопло 12 может направлять вдоль своих внутренних стенок только воздух, только воду или только какую-либо другую текучую среду, не являющуюся легко воспламеняемой.

На фиг.5 изображен вид сбоку в разрезе по линии 5-5 на фиг.4 варианта выполнения топливного сопла 12, выполненного с обеспечением улучшения смешивания топлива с воздухом, улучшения горения и уменьшения выбросов. Указанное сопло 12 содержит внутреннюю стенную часть 74 (например, внутреннюю кольцевую часть), промежуточную стенную часть 76 (например, промежуточную кольцевую часть) и внешнюю стенную часть 78 (например, внешнюю кольцевую часть). Внешняя кольцевая часть 78 сопла 12 содержит манжету 62 и расположена вокруг внутренней кольцевой части 74, например, коаксиально с ней или концентрично относительно нее. Промежуточная кольцевая часть 76 проходит в радиальном направлении между указанными внутренней и внешней частями 74 и 78 и, таким образом, ограничивает верхнюю по потоку полость или камеру 82 и нижнюю по потоку полость или камеру 84. Камера 82 расположена выше по потоку от промежуточной части 76 между внутренней и промежуточной частями 74 и 76. Камера 84 расположена ниже по потоку от промежуточной части 76 во внешней части 78, например, внутри манжеты 62. Таким образом, промежуточная часть 76 может быть охарактеризована как стенка основания нижней по потоку камеры 84 или внутренняя стенка для предварительного смешивания. Как подробно описано ниже, промежуточная кольцевая часть 76 выполнена с возможностью предварительного смешивания потоков воздуха и топлива выше по потоку от камеры 84.

Как показано на чертеже, топливное сопло 12 имеет несколько каналов для прохождения воздуха и топлива через части указанного сопла 12.

Например, внутренняя часть 74 имеет топливные каналы 92 (например, внутренние топливные каналы). По существу указанные каналы 92 проходят через торцевую стенку 94 внутренней части 74 от отверстий 96 для впуска топлива, обращенных к центральному топливному каналу 90. В некоторых вариантах выполнения топливо 98 может протекать через отверстия 96 с образованием потоков топлива, проходящих через каналы 92. Как показано на чертеже, отверстия 96 и каналы 92 расположены вдоль торцевой стенки 94 у нижнего по потоку конца 100 внутренней части 74 с образованием внутренней и внешней конфигураций 102 и 103. Однако в топливном сопле 12 могут использоваться любые подходящие количество и конфигурация отверстий 96 и каналов 92. Кроме того, в конкретных вариантах выполнения количество отверстий 96 и каналов 92 может быть различным. Количество отверстий 94 и соответствующих каналов 92 может лежать в диапазоне приблизительно от 1 до 100 или более. Верхняя по потоку камера 82 также ограничивает еще один топливный канал, например, кольцевой топливный канал, между внутренней и внешней частями 74 и 78. Как подробно изложено ниже, камера 82 (или кольцевой топливный канал) подает топливо 104 к топливным каналам и отводит по меньшей мере часть топлива к воздушным каналам для обеспечения возможности предварительного смешивания топлива и воздуха в промежуточной кольцевой части 76. В некоторых вариантах выполнения топливо может подаваться только к камере 82 (или кольцевому топливному каналу) и не подаваться к центральному топливному каналу 90, или наоборот.

На фиг.6 дополнительно показаны каналы для воздуха и топлива, проходящие через части топливного сопла 12. Фиг.6 изображает вид сбоку в разрезе по линии 6-6 на фиг.4 варианта выполнения топливного сопла 12, уменьшающего выбросы NО_х. Фиг.6 аналогична вышеописанной фиг.5, за исключением того, что на ней не показана внутренняя кольцевая часть 74. Как показано на фиг.6, промежуточная кольцевая часть 76 имеет воздушные каналы 112 и топливные каналы 114 и 116, проходящие через указанную часть (т.е. внутреннюю стенку для предварительного смешивания). Как показано на чертеже, сопло 12 имеет один или более воздушных каналов 112, которые проходят через внешнюю кольцевую часть 78 (т.е. внешнюю стенную часть 78) и промежуточную кольцевую часть 76 (т.е. внутреннюю стенную часть или стенку для предварительного смешивания) от наружной области 118 указанной внешней части 78 к нижней по потоку камере 84. Другими словами, указанные каналы 112 проходят от наружной области 118 сопла 12 через внутреннюю стенку 76 во внутреннюю область 119 сопла 12. Каналы 112 могут проходить под углом к оси 58 сопла 12. В наружной области 118 внешней кольцевой части 76 расположены отверстия 120 для впуска воздуха. В некоторых вариантах выполнения через указанные отверстия 120 может протекать воздух 122 с образованием потоков воздуха, проходящих через воздушные каналы 112. В конкретных вариантах выполнения количество отверстий 120 и каналов 112 может быть различным. Например, количество отверстий 120 и соответствующих каналов 112 может лежать в диапазоне приблизительно от 1 до 50, от 1 до 25 или от 1 до 10. В других вариантах выполнения, как показано на фиг.7-10, топливное сопло 12 может иметь дополнительные воздушные каналы, обеспечивающие направление потока воздуха (или другой защитной текучей среды) вдоль внутренней стенки 64 манжеты 62 сопла с созданием, таким образом, воздушной оболочки в периферийных областях вблизи внутренней стенки 64 манжеты 62 для обеспечения снижения вероятности удерживания пламени вблизи сопла 12.

Как указано выше, сопло 12 имеет еще один топливный канал 104 (например, кольцевой топливный канал). Как показано на чертеже, через промежуточную кольцевую часть 76 (т.е. внутреннюю стенную часть) от верхней по потоку камеры 82 кольцевого топливного канала 104 к нижней по потоку камере 84 проходит один или более топливных каналов 116. Указанные каналы могут проходить под углом к оси 58 сопла 12. На центральной части 128 внутренней поверхности 130 промежуточной кольцевой части 76 расположены отверстия 126 для впуска топлива. В некоторых вариантах выполнения через указанные отверстия 126 может протекать топливо 98 с образованием потоков топлива, проходящих через каналы 116. Как показано на чертеже, отверстия 126 и каналы 116 расположены у промежуточной части 76 и внутри нее с образованием кольцевой конфигурации. Однако в топливном сопле 12 могут использоваться любые подходящие количество и конфигурация отверстий 126 и каналов 116. Например, количество отверстий 126 и соответствующих каналов 116 может лежать в диапазоне приблизительно от 1 до 40, от 1 до 20 или от 1 до 10.

Кроме того, через промежуточную кольцевую часть 76 (т.е. внутреннюю стенную часть) от верхней по потоку камеры 82 кольцевого топливного канала 104 к одному или более воздушным каналам 112 проходит один или более топливных каналов 114. Соединение топливных каналов 114 с воздушными каналами 112 обеспечивает возможность предварительного смешивания топлива 98 с воздухом 122 в воздушных каналах 112 внутренней стенки 76. Как подробно описано ниже, топливные каналы 114 могут проходить под углом к траекториям прохождения потоков воздуха через каналы 112. На периферической части 134 внутренней поверхности 130 промежуточной части 76 расположены отверстия 132 для впуска топлива. В некоторых вариантах выполнения топливо 98 может протекать через указанные отверстия 132 с образованием потоков топлива, проходящих через каналы 114. Как показано на чертеже, отверстия 132 и каналы 114 расположены у промежуточной части 76 и внутри нее с образованием кольцевой конфигурации. Как показано, отверстия 132 и каналы 114 расположены с образованием внутренней кольцевой конфигурации 136 и внешней кольцевой конфигурации 138. Однако в топливном сопле 12 могут использоваться любые подходящие количество и конфигурация отверстий 132 и каналов 114. Например, количество отверстий 132 и соответствующих каналов 114 может лежать в диапазоне приблизительно от 1 до 80, от 1 до 40, от 1 до 20 или от 1 до 10. Как указано выше, соединение топливных каналов 114 с воздушными каналами 112 обеспечивает возможность смешивания части топлива 98 с воздухом 122. Например, через топливные каналы 114 к воздушным каналам 112 может быть отведено от 5 до 50% или от 10 до 35% от общего количества топлива, поданного от каждого сопла 12 к зоне горения. Указанное процентное соотношение может быть основано на массовом расходе, объеме или любой другой сопоставимой характеристике потока топлива. Это обеспечивает возможность предварительного смешивания некоторого количества топлива 98 с воздухом 122 перед впрыскиванием в нижнюю по потоку камеру 84, что позволяет, таким образом, уменьшить высокотемпературные зоны и выбросы NО_х. Топливо 98 также подается в камеру 84 по топливным каналам 92 и 116. Кроме того, как отмечено выше, воздух 122 подается по дополнительным воздушным каналам с созданием воздушной оболочки вдоль внутренней стенки 64 манжеты 62 для обеспечения снижения вероятности удерживания пламени вблизи топливного сопла 12.

Фиг.7 и 8 изображают варианты выполнения показанного на фиг.5 и 6 топливного сопла 12, уменьшающего выбросы NO_x, в разобранном виде и иллюстрируют взаимную установку компонентов с образованием сопла 12. Как показано на чертеже, сопло 12 содержит манжету 62, основной корпус 144 и внутреннюю кольцевую часть 74. Корпус 144 содержит внешнюю кольцевую часть 78 и промежуточную кольцевую часть 76, описанные выше. Как показано на чертеже, внутренняя часть 74 в целом выполнена с возможностью плотной посадки в круговом отверстии 146, проходящем через корпус 144 вдоль оси 58 сопла 12. Как показано, внутренняя часть 74 и основной корпус 144 являются отдельными компонентами сопла 12. Через внутреннюю часть 74 и промежуточную часть 76 корпуса 144 могут быть направлены отдельные потоки топлива. В некоторых вариантах выполнения внутренняя часть 74 и корпус 144 могут быть выполнены за одно целое. Как показано на чертеже, корпус 144 и манжета 62 также являются отдельными компонентами. В некоторых вариантах выполнения корпус 144 и манжета 62 могут быть выполнены за одно целое.

Как показано на чертеже, манжета 62 в целом расположена около промежуточной части 76 корпуса 144, так что манжета 62 размещена над отверстиями 147 для выпуска воздуха и участками отверстий 148 для выпуска воздуха, расположенных вдоль внешней поверхности 150 промежуточной части 76 с образованием кольцевой конфигурации. Диаметр шейки 152 манжеты 62 может быть меньше диаметра промежуточной части 76. Такая конфигурация обеспечивает возможность выхода воздуха 122, поступившего через отверстия 154 для впуска воздуха, расположенные по периферии вдоль внешней части 78, через отверстия 147 с созданием оболочки из воздуха 122 вдоль внутренней стенки 64 манжеты 62 для обеспечения снижения вероятности удерживания пламени вблизи топливного сопла 12.

Как показано на чертеже, внешняя часть 78 корпуса 144 имеет отверстия 120 для впуска воздуха, разнесенные по периферии внешней поверхности 118. Соответствующие отверстия 148 для выпуска воздуха расположены с образованием кольцевой конфигурации вдоль внешней поверхности 150 промежуточной части 76 между отверстиями 147 для выпуска воздуха и отверстиями 156 для выпуска топлива. Как описано выше при рассмотрении фиг.6, воздух 122 входит через отверстия 120, и в воздушных каналах 112 происходит его предварительное смешивание с топливом 98. Топливо 98 проходит через отверстия 132, как описано выше, и по топливным каналам 114 поступает в воздушные каналы 112. Затем топливовоздушная смесь выходит из каналов 112 через отверстия 148. Как отмечено выше, предварительное смешивание воздуха 122 и топлива 98 во внутренней стенке 76 уменьшает образование высокотемпературных зон и выбросов NO_x. Помимо присутствия топлива 98 в топливовоздушной смеси, оно может выходить из отверстий 156 для выпуска топлива, расположенных с образованием кольцевой конфигурации вдоль внешней поверхности 150 промежуточной части 76, а также из отверстий 158 для выпуска топлива, расположенных с образованием кольцевой конфигурации вдоль внешней поверхности 160 внутренней части 74. Как описано выше, топливо 98 поступает через отверстия 126 в топливные каналы 116 и затем выходит через отверстия 156. Как показано на чертеже, выпускные отверстия 147, 148, 156 и 158 расположены с образованием кольцевых конфигураций. Однако в топливном сопле 12 могут использоваться любые подходящие количество и конфигурация отверстий 147, 148, 156 и 158. Кроме того, как показано на чертеже, впускные отверстия 120 и 154 расположены с разнесением по периферии вдоль внешней части 78. Однако в топливном сопле 12 могут использоваться любые подходящие количество и конфигурация отверстий 120 и 154.

Как описано выше, в некоторых вариантах выполнения компоненты сопла 12 содействуют предварительному смешиванию воздуха и топлива выше по потоку от камеры 84 во внутренней стенке 76, благодаря чему уменьшается образование высокотемпературных зон и выбросов NO_x. На фиг.9 и 10 изображены соответственно вид в аксонометрии и вид сверху показанного на фиг.7 и 8 топливного сопла 12, уменьшающего выбросы NOx, при этом пунктирными линиями обозначены некоторые, но не все, внутренние каналы. Как показано на чертеже, основной корпус 144 сопла 12 имеет воздушные каналы 112 и 168, проходящие через внешнюю кольцевую часть 78 к промежуточной кольцевой части 76 от наружной области 118 внешней части 78 к внешней поверхности 150 промежуточной части 76. Воздушные каналы 112 проходят от отверстий 120 для впуска воздуха к отверстиям 148 для выпуска воздуха. Как описано выше, в некоторых вариантах выполнения воздух 122 может протекать через отверстия 120 с образованием потоков воздуха, проходящих через каналы 112, для обеспечения предварительного смешивания с топливом 98. Воздушные каналы 168 проходят от отверстий 154 для впуска воздуха к отверстиям 147 для выпуска воздуха. Как описано выше, в некоторых вариантах выполнения воздух 122 может протекать через отверстия 154 с образованием потоков воздуха, проходящих через каналы 168, для обеспечения создания оболочки из воздуха 122 вдоль внутренней стенки 64 манжеты 62 для снижения вероятности удерживания пламени вблизи топливного сопла 12.

Как показано на чертеже, в некоторых вариантах выполнения корпус 144 сопла 12 имеет топливные каналы 114 и 116, проходящие через промежуточную кольцевую часть 76 от кольцевого топливного канала 104. Топливные каналы 116 проходят от отверстий 126 для впуска топлива к отверстиям 156 для выпуска топлива. Как описано выше, в некоторых вариантах выполнения топливо 98 может протекать через отверстия 126 с образованием потоков топлива, проходящих через каналы 116. Топливные каналы 114 проходят от отверстий 132 для впуска топлива к отверстиям 170 для выпуска топлива, расположенным в воздушных каналах 112. Как описано выше, в некоторых вариантах выполнения топливо 98 может протекать через отверстия 132 с образованием потоков топлива, проходящих через каналы 114, для обеспечения предварительного смешивания с воздухом 122 в воздушных каналах 112.

На фиг.11-17 проиллюстрированы различные варианты осуществления предварительного смешивания топлива 98 и воздуха 122 во внутренней стенке 76 топливного сопла 12, уменьшающего выбросы NO_x. Фиг.11 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения части указанного сопла 12, показывающий конфигурацию воздушных каналов 112 и топливных каналов 114 и 116. Как описано выше, воздушные каналы 112 проходят через внешнюю кольцевую часть 78 (т.е. внешнюю стенную часть) и промежуточную кольцевую часть 76 (т.е. внутреннюю стенную часть) от наружной области 118 внешней части 78 к нижней по потоку камере 84. Кроме того, как описано выше, топливный канал 116 проходит через промежуточную часть 76 от кольцевого топливного канала 104 к камере 84. Через промежуточную часть 76 от канала 104 к воздушному каналу 112 также проходит один или более топливных каналов 114. Как описано выше, от наружной области 118 внешней части 78 к камере 84 по воздушному каналу 112 течет воздух 122. От кольцевого топливного канала 104 к воздушному каналу 112 по каналам 114 течет топливо 98. Топливо 98 из топливных каналов 114 подвергается предварительному смешиванию с воздухом 122 в воздушном канале 112, выполненном во внутренней стенке 76, перед выходом в камеру 84. Предварительное смешивание воздуха 122 и топлива 98 обеспечивает уменьшение высокотемпературных зон и выбросов NO_x.

Как показано на чертежах, с воздушным каналом 112 соединены два топливных канала 178 и 180. Однако может быть выполнено любое подходящее количество топливных каналов 114, проходящих от канала 104 и соединенных с воздушным каналом 112. Количество топливных каналов 114, соединенных с каждым воздушным каналом 112, может лежать в диапазоне приблизительно от 1 до 15, от 1 до 10 или от 1 до 5. Например, с каждым каналом 112 может быть соединено 1, 2, 3, 4 или 5 топливных каналов 114. Как показано на чертежах, топливные каналы 178 и 180 проходят под углом в одинаковом направлении вниз по потоку относительно траектории 182 прохождения воздушного потока (т.е. струи воздушного потока) через воздушный канал 112. Кроме того, топливные каналы 178 и 180 параллельны друг другу. Однако может использоваться любая подходящая конфигурация топливных каналов 114, как описано более подробно ниже. Более того, каждый из топливных каналов 178 и 180 имеет соответственно диаметр 184 и 186, причем указанные диаметры равны друг другу. Как рассмотрено более подробнее ниже, диаметры 184 и 186 топливных каналов 178 и 180 могут отличаться.

Как отмечено выше, количество и конфигурация топливных каналов 114 могут быть различными. Фиг.12-14 изображают виды сбоку в разрезе вариантов выполнения топливного сопла 12, показывающие различные конфигурации топливных каналов 114. Например, на фиг.12 показаны топливные каналы 178 и 180, которые не параллельны друг другу. Топливный канал 180 проходит под углом в направлении вниз по потоку относительно траектории 182 воздушного потока, а топливный канал 178 проходит под углом в направлении вверх по потоку относительно указанной траектории 182 прохождения воздушного потока (т.е. против струи воздушного потока) через воздушный канал 112. Другими словами, топливные каналы 178 и 180 содержат траектории 192 и 194 прохождения топлива, направленные в воздушный канал 112 в расходящихся направлениях. Направление траектории 192 вверх по потоку против струи воздушного потока может обеспечить возможность лучшего смешивания воздуха 122 и топлива 98. Кроме того, диаметр 184 канала 178 отличается от диаметра 186 канала 194. Как показано на чертеже, диаметр 184 превышает диаметр 186, благодаря чему против струи воздушного потока отводится больше топлива, чем по струе воздушного потока, что обеспечивает лучшее предварительное смешивание с воздухом 122 большего количества топлива 98, отведенного из кольцевого топливного канала 104 к каналам 114. Однако в некоторых вариантах выполнения диаметр 186 может превышать диаметр 184 для обеспечения отведения по струе воздушного потока большего количества топлива, чем против струи воздушного потока.

В альтернативном варианте выполнения с непараллельным расположением, который показан на фиг.13, топливный канал 178 проходит под углом в направлении вниз по потоку, тогда как топливный канал 180 проходит под небольшим углом в направлении вверх по потоку относительно траектории 182 прохождения воздушного потока. Другими словами, каналы 178 и 180 содержат траектории 192 и 194 прохождения топлива, направленные в воздушный канал 112 в сходящихся направлениях. Концентрирование топлива 98 в области схождения может обеспечить увеличение количества топлива 98, предварительно смешанного с воздухом 122, и, следовательно, уменьшение образования высокотемпературных зон и выбросов NO_x.

В еще одном варианте с непараллельным расположением, показанном на фиг.14, топливный канал 178 проходит под углом в направлении вверх по потоку, топливный канал 206 проходит под углом в промежуточном направлении, приблизительно перпендикулярном траектории 182 прохождения воздушного потока, а топливный канал 180 проходит под углом в направлении вниз по потоку относительно указанной траектории 182. Различные конфигурации, показанные на фиг.11-14, обеспечивают предварительное смешивание топлива 98 с воздухом 122 в воздушном канале 112 во внутренней стенке 76 с обеспечением уменьшения образования высокотемпературных зон и выбросов NO_x.

Топливные каналы 114 могут быть выровнены в одном осевом положении или ориентированы вдоль различных осевых положений с созданием различных эффектов при предварительном смешивании воздуха 122 и топлива 98. Фиг.15-17 изображают виды в разрезе по линии 12-12 на фиг.11 вариантов выполнения топливного сопла 12, на которых показаны различные осевые конфигурации топливных каналов 114 относительно воздушного канала 112, например, оси 214. Например, на фиг.15 проиллюстрировано выравнивание одного или более топливных каналов 114 в одинаковом осевом направлении относительно периферии 212 и центральной оси 214 воздушного канала 112. В результате топливо 98, проходящее по траекториям 216, выходит в целом из одного и того же положения 218 на периферии 212 воздушного канала 112 по направлению к его центральной оси 214. Выровненные в одинаковом осевом направлении относительно оси 214 топливные каналы 114 могут проходить параллельно или не параллельно друг другу в различных осевых положениях вдоль оси 214. Кроме того, каналы 114 могут быть направлены в воздушный канал 112 в направлениях вниз по потоку, перпендикулярно потоку или вверх по потоку. Траектории 216 прохождения топлива в каналах 114 могут быть направлены в воздушный канал 112 в сходящихся или расходящихся направлениях.

Однако, как отмечено выше, топливные каналы могут быть ориентированы вдоль различных осевых положений относительно воздушного канала 112, например, оси 214. Например, на фиг.16 проиллюстрировано выравнивание топливных каналов 226 и 228 в различных осевых положениях вдоль оси 214, как показано сплошными и пунктирными линиями, обозначающими каналы 226 и 228. Кроме того, каналы 226 и 228 размещены в различных периферических положениях относительно периферии 212 канала 112. Фактически, оба канала 226 и 228 проходят под углом соответственно в направлениях 230 и 232 (т.е. направлениях, вызывающих закручивание) со смещением относительно центральной оси 214 воздушного канала 112. Каждый отдельный канал 226 и 228 создает закручивающуюся траекторию прохождения топлива 98, в целом обозначенную соответственно стрелками 234 и 236 и проходящую вокруг центральной оси 214 канала 112. В изображенных вариантах выполнения топливные каналы 226 и 228 проходят по касательной к периферии 212 и в целом параллельны друг другу. В других вариантах выполнения каналы 226 и 228 могут проходить под различными углами к воздушному каналу 112. Как показано на чертеже, каналы 226 и 228 содержат траектории 238 и 240 прохождения топлива, направленные в воздушный канал 112 во встречных направлениях 230 и 232 относительно центральной оси 214 канала 112 с созданием встречного закручивания (т.е. закручивания в направлениях по часовой стрелке и против часовой стрелки), как обозначено в целом стрелками 234 и 236, вокруг центральной оси 214 для обеспечения возможности лучшего смешивания. Топливные каналы 226 и 228 могут быть направлены в воздушный канал 112 в направлениях вверх по потоку, перпендикулярно потоку и вниз по потоку вдоль оси 214. Кроме того, траектории 238 и 240 каналов 226 и 228 могут быть направлены в воздушный канал 112 в сходящихся или расходящихся направлениях.

В альтернативном варианте, показанном на фиг.17, топливные каналы 226 и 228 могут быть выполнены в различных осевых положениях, но при этом поток топлива 98 направлен к центральной оси 214 воздушного канала 112. Как изображено на чертеже, каналы 226 и 228 размещены в различных осевых положениях вдоль оси 214, как показано сплошными и пунктирными линиями, обозначающими каналы 226 и 228. Кроме того, топливные каналы 226 и 228 направлены к воздушному каналу 112 в непараллельных направлениях, как обозначено траекториями 238 и 240 прохождения топлива. Как показано, траектории 238 и 240 каналов 226 и 228 направлены к центральной оси 214 воздушного канала 112 в сходящихся направлениях, обозначенных в целом стрелками 242 и 244. Топливные каналы 238 и 240 могут быть направлены в воздушный канал 112 в направлениях вверх по потоку, перпендикулярно потоку или вниз по потоку. Схождение топлива 98 к центральной оси 214 может обеспечить предварительное смешивание большего количества топлива 98 с воздухом 122. Фактически, все вышеописанные различные конфигурации топливных каналов направлены на обеспечение предварительного смешивания топлива 98 с воздухом 112 во внутренней стенке 76 перед впрыскиванием топливовоздушной смеси в нижнюю по потоку камеру 84. В результате предварительного смешивания может быть уменьшено образование высокотемпературных зон и выбросов NО_х в топливном сопле 12.

К техническим результатам описанных вариантов выполнения относится создание систем, обеспечивающих уменьшение высокотемпературных зон и выбросов NО_х в зоне горения. Кроме того, указанные системы снижают вероятность удерживания пламени вблизи топливного сопла 12. Описанные в данном документе варианты выполнения способствуют уменьшению высокотемпературных зон и выбросов NO_x путем предварительного смешивания части всего впрыснутого топлива с воздухом во внутренней стенке 76 сопла 12. Предварительное смешивание воздуха и топлива выше по потоку от полости 80 сопла 12 приводит к более значительному уменьшению высокотемпературных зон и выбросов NО_х по сравнению со смешиванием воздуха и топлива только в полости 80. Уменьшение высокотемпературных зон и выбросов NO_x путем предварительного смешивания воздуха и топлива во внутренней стенке 76 позволяет использовать меньшее количество разбавителя для уменьшения выбросов NOx. Кроме того, описанные варианты выполнения обеспечивают снижение эксплуатационных расходов, связанных с уменьшением выбросов NO_x. Более того, топливное сопло 12 может иметь дополнительные воздушные каналы, обеспечивающие направление потока воздуха (или другой защитной текучей среды) вдоль внутренней стенки 64 манжеты 62 сопла, в результате чего происходит создание воздушной оболочки в периферийных областях вблизи внутренней стенки 64 манжеты 62 с обеспечением снижения вероятности удерживания пламени вблизи топливного сопла 12.

В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств или установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.