Результат интеллектуальной деятельности: ОСЕВОЙ ЗАВИХРИТЕЛЬ ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к технологии газовых турбин. Оно относится к осевому завихрителю для камеры сгорания газовой турбины согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Осевые кольцевые завихрители обычно используются для создания вихревого потока, в результате чего образуется центральная область обратного потока для стабилизации пламени в камерах сгорания газовых турбин.

Фиг. 1 показывает типичную компоновку 10 завихрителя. Цилиндрический воздухопровод направляет входящий воздушный поток 18 вдоль продольной оси 11 через секцию завихрителя, содержащую завихритель 14 с множеством лопаток 19 завихрителя, в смесительную трубку 16, где вращающийся воздушный поток смешивается с топливом, которое впрыскивается посредством топливного инжектора в конце топливной трубки 13. Воздушно-топливная смесь затем поступает в камеру 17 сгорания, чтобы питать стабилизированное пламя в ней.

Повышение спроса на сгорание с уменьшенными выбросами традиционного топлива, а также обогащенного водородом топлива двигает техническое развитие по направлению к границам сгорания очень бедных предварительно однородно перемешанных смесей. Ограничивающим фактором в практических камерах сгорания является, вместе с увеличивающейся однородностью смеси, все более и более сильная связь динамики процесса сгорания с термоакустическими колебаниями камеры сгорания.

Стабильность пламени с точки зрения степени усиления акустических колебаний может быть улучшена путем оптимизации аэродинамики завихрителя и радиального профиля несмешиваемости горючей смеси, поступающей в пламя. Кроме того, стабильность и работоспособность камеры сгорания может быть улучшена путем комбинации стабилизации посредством обратного потока, созданного кольцевым завихрителем, с обратным потоком в кильватере тела необтекаемой формы, помещенного в центре кольцевого завихрителя.

Сгорание с уменьшенными выбросами является, однако, не единственным требованием к камере сгорания. Стойкость к обратному удару пламени в камеру сгорания вдоль стенок камеры сгорания является неопровержимым требованием, а низкое падение давления системы сгорания, где завихритель может внести значительный вклад, важно для эффективности газовой турбины.

Документ DE 4406399 A1 раскрывает устройство для улучшения топливно-воздушного смешивания в камерах сгорания промежуточного перегрева. Кольцевой проток этой камеры сгорания ограничен цилиндрической внутренней стенкой и цилиндрической внешней стенкой. Обе стенки соединены несколькими обтекаемыми опорами, которые равномерно распределены по окружности и действуют как направляющие лопатки. Задние кромки этих направляющих лопаток имеют в качестве отличительного признака разрыв, посредством паза они разделены на две расходящиеся части. Радиально внешняя задняя половина направляющей лопатки имеет непрерывное профилирование поверхности пониженного давления и поверхности избыточного давления, тогда как радиально внутренняя задняя половина смещена по отношению к этому, т.е. профиль поверхности избыточного давления делает переход в поверхность пониженного давления. С помощью этой меры горячий поток газа через кольцевой канал разделяется на два расходящихся частичных потока. Вихри, образуемые расходящимися частями направляющих лопаток, ускоряют смесь топлива и воздуха для горения и дополнительно сглаживают различия в концентрации и температуре в потоке газа.

Документ DE 102007004394 A1 относится к камере сгорания предварительного смешивания для газовой турбины. В кольцевом протоке расположен завихритель для создания топливно-воздушной смеси. Завихритель оборудован обтекаемыми направляющими лопатками. Во внутренней части рядом с внутренней стенкой протока задние кромки этих лопаток завихрителя имеют углубление, образующее зазор между аэродинамической поверхностью и внутренней стенкой. Этот разрыв у радиально внутренней задней части поддерживает создание концевых вихрей, способных улучшать предварительное смешивание.

Документ EP 2233836 A1 раскрывает вихревой генератор, который имеет внешнюю стенку, заключающую в себе центральный распределитель топлива и ограничивающий осевой проток для воздуха для горения. Лопатки завихрителя проходят в радиальном направлении к внешней стенке, чтобы придать составляющую касательного потока текущему воздуху для горения. Разделяющая стенка заключает в себе центральный распределитель топлива и расположена радиально внутри внешней стенки, чтобы разделить проток на радиально внутренний сегмент канала и радиально внешний сегмент канала. Радиально внутренний сегмент канала позволяет воздуху для горения проходить, не придавая составляющую касательного потока воздуху для горения.

Документ US 2009/056336 A1 относится к камере сгорания для использования в системе сгорания промышленной газовой турбины. Камера сгорания включает в себя аппарат для предварительного смешивания топлива/воздуха, включающий в себя разделительную лопатку, определяющую первый радиально внутренний канал и второй радиально внешний канал, при этом первый и второй каналы каждый имеют части спрямляющих лопаток воздушного потока, которые придают завихрение воздуху для горения, проходящему через аппарат для предварительного смешивания. Части лопаток в каждом канале обычно выполнены с возможностью придавать одинаковое направление завихрения в каждом канале. Множество разделительных лопаток может быть предоставлено, чтобы определить три или более кольцевых канала в аппарате для предварительного смешивания.

Документ US 2009/183511 A1 раскрывает топливную форсунку для камеры сгорания газотурбинного двигателя, включающую в себя входную часть сопла, зону сгорания и завихритель, расположенный между входной частью сопла и зоной сгорания. Завихритель включает в себя множество лопаток завихрителя, при этом каждая лопатка завихрителя способна создавать разность давлений в потоке текучей среды через завихритель между стороной нагнетания и стороной всасывания лопатки завихрителя. Завихритель дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для воздушного потока, расположенное, по меньшей мере, в одной лопатке завихрителя из множества лопаток завихрителя. По меньшей мере, одно сквозное отверстие для воздушного потока способно использовать разность давлений между стороной нагнетания и стороной всасывания, чтобы продвигать поток текучей среды через, по меньшей мере, одно отверстие для воздушного потока. Также раскрыт способ для управления камерой сгорания.

Документ US 2012/125004 A1 раскрывает аппарат для предварительного смешивания камеры сгорания, который включает в себя трубку камеры сгорания, имеющую отверстие в форме раструба, множество трубчатых тел, телескопически расположенных внутри трубки камеры сгорания, чтобы доставлять горючие материалы к каналу предварительного смешивания, определенному между трубкой камеры сгорания и одним наиболее удаленным от центра из множества трубчатых тел и множества лопаток завихрителя, выстроенных по окружности в отверстии, при этом каждая из множества лопаток завихрителя включает в себя корпус, проходящий вдоль радиального размера от трубки камеры сгорания к наиболее удаленному от центра трубчатому телу, и переднюю кромку, выдающуюся вверх по потоку от отверстия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить осевой завихритель для камеры сгорания газовой турбины, который позволяет создавать оптимальный профиль скоростей выходного потока для повышенной стабильности сгорания.

Эта и другие цели достигаются с помощью осевого завихрителя согласно п. 1 формулы изобретения.

Изобретение относится к осевому завихрителю для камеры сгорания газовой турбины, содержащему кольцо лопаток с множеством лопаток завихрителя, распределенных по окружности вокруг оси завихрителя, и лопатки проходят в радиальном направлении между внутренним радиусом и внешним радиусом, при этом каждая из упомянутых лопаток завихрителя содержит заднюю кромку.

Оно отличается тем, что для того чтобы достичь управляемого распределения профиля скоростей выходного потока и/или эквивалентного соотношения топлива в радиальном направлении, упомянутая задняя кромка является прерывистой, при этом задняя кромка имеет разрыв у определенного радиуса, где у внутреннего радиуса лопатки угол между касательной к линии кривизны лопатки у задней кромки и осью завихрителя составляет между 0° и 30°, от этого внутреннего радиуса угол линейно увеличивается до значения между 30° и 60° у предопределенного радиуса, и от этого предопределенного радиуса угол линейно уменьшается до значения между 10° и 40° у внешнего радиуса лопатки.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, угол между касательной к линии кривизны лопатки и осью завихрителя составляет между 10° и 28°, от этого внутреннего радиуса угол линейно увеличивается до значения между 35° и 50° у предопределенного радиуса, и от этого предопределенного радиуса угол линейно уменьшается до значения между 20° и 40° у внешнего радиуса лопатки.

Согласно другому варианту осуществления у внутреннего радиуса (R_min) угол (α) выходного потока составляет между 24° и 28°, от внутреннего радиуса (R_min) угол (α) выходного потока увеличивается до значения между 42° и 46° у предопределенного радиуса (R_s), и от этого предопределенного радиуса (R_s) угол (α) уменьшается до значения между 36° и 38° у внешнего радиуса (R_max).

Согласно другому варианту осуществления, упомянутый предопределенный радиус имеет значение между 20% и 80% от разницы между внешним радиусом и внутренним радиусом.

Прерывистая задняя кромка, образованная таким образом, создает два различных типа нисходящего потока, каждый с предопределенным профилем скоростей потока в завихренном потоке у выхода завихрителя. Начиная от внутреннего радиуса лопатки угол () между линией кривизны и осью завихрения у задней кромки увеличивается с увеличением радиуса до тех пор, пока не будет достигнут предопределенный радиус. Такая конструкция приводит к распределению осевых скоростей, подобно струе, в нисходящем потоке. А уменьшающийся угол между линей кривизны и осью завихрения во внешней зоне лопатки служит для выравнивания распределения осевых скоростей выше значений обратного удара.

В частности, упомянутые предопределенные профили скоростей потока двух типов потока не смешиваются друг с другом и, следовательно, допускают управляемое распределение эквивалентного соотношения топлива в радиальном направлении.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, упомянутые лопатки завихрителя обеспечены предопределенным срывом потока для создания увеличенной турбулентности в потоке за лопаткой завихрителя с сорванным потоком.

Согласно еще одному другому варианту осуществления, средства впрыскивания топлива предоставлены на задней кромке лопаток.

Согласно дополнительному варианту осуществления, упомянутые лопатки завихрителя имеют сторону всасывания и сторону нагнетания, и эти средства впрыскивания топлива предоставлены на стороне всасывания.

Согласно еще одному другому варианту осуществления, упомянутые лопатки завихрителя имеют сторону всасывания и сторону нагнетания, и эти средства впрыскивания топлива предоставлены на стороне нагнетания.

Осевая вихревая камера сгорания, согласно изобретению, позволяет избегать чрезмерного уменьшения осевой скорости у внутреннего радиуса путем выравнивания распределения осевой скорости близко к максимуму, т.е. внешнему радиусу. Согласно изобретению, это достигается за счет завихрителя, чей угол выходного потока, т.е. угол между касательной к линии кривизны и осью вращения потока, линейно увеличивается с радиусом до предопределенного радиуса, а затем от этого радиуса уменьшается как 1/R (что приводит к плоскому распределению осевой скорости).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение далее должно быть пояснено более подробно посредством различных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 показывает продольный разрез через типичную компоновку осевого завихрителя;

Фиг. 2 показывает первый завихритель с первой формой лопатки с гладкой задней кромкой;

Фиг. 3 показывает второй завихритель со второй формой лопатки с прерывистой задней кромкой;

Фиг. 4 показывает основную геометрию компоновки осевого завихрителя с гладкой задней кромкой лопатки;

Фиг. 5 показывает основную геометрию системы осевого завихрителя с прерывистой задней кромкой лопатки;

Фиг. 6 показывает распределение скоростей ниже по потоку от завихрителя для геометрии завихрителя согласно Фиг. 4;

Фиг. 7 показывает распределение скоростей ниже по потоку от завихрителя для геометрии завихрителя согласно Фиг. 5;

Фиг. 8 показывает тип лопатки завихрителя с управляемым срывом потока для увеличения турбулентного потока;

Фиг. 9 показывает принцип изо-обтекаемого впрыскивания топлива с задней кромки лопатки завихрителя;

Фиг. 10 показывает впрыскивание топлива на стороне всасывания лопатки завихрителя;

Фиг. 11 показывает впрыскивание топлива на стороне нагнетания лопатки завихрителя; и

Фиг. 12 показывает в варианте осуществления радиальное распределение угла выходного потока лопатки завихрителя согласно изобретению.

ПРОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Влияние параметров конструкции завихрителя (как, например, формы лопатки, например, плоская или изогнутая, выходного угла лопатки, соотношения размеров (длина лопатки к длине хорды лопатки), количества лопаток) на характеристики зоны нисходящего обратного потока, в основном, исследовались экспериментально.

Целью была конструкция завихрителя с нисходящей смесительной трубкой, имеющей высокие характеристики падения массового расхода к давлению, с большой, высокотурбулентной нисходящей зоной рециркуляции.

Вопреки экспериментальному подходу, настоящее изобретение является результатом обратного процесса, где заданное идеальное радиальное распределение выходных скоростей вихря определено, чтобы выполнить дополнительные требования, такие как:

- Стабильность пламени и динамики сгорания;

- Управляемое эквивалентное соотношение топлива и однородность смеси в радиальном направлении;

- Устойчивость к обратному удару;

- Возможность радиального ступенчатого изменения (управляемое изменение соотношения компонентов между внутренней и внешней частью завихренного потока);

- Низкий перепад давления завихрителя;

- Впрыскивание газообразного топлива со стороны нагнетания и/или всасывания аэродинамической поверхности лопатки завихрителя;

- Изо-обтекаемое впрыскивание высокореактивного обогащенного H₂ топлива с задней кромки аэродинамической поверхности;

- Нулевая радиальная составляющая выходного поля обтекания завихрителя на внешнем диаметре завихрителя перед входом в смесительную трубку.

- Управляемые зоны срыва потока, присоединенные к лопаткам для создания полосок турбулентности для улучшения стабильности сгорания.

Фиг. 2 и 3 показывают эскиз двух различных завихрителей 14a и 14b с различными формами их лопаток 19a, 19b завихрителей для двух различных заданных профилей выходного потока:

Осевой завихритель 14a на Фиг. 2 содержит лопатки 19a завихрителя с передней кромкой 20 и гладкой задней кромкой 21, т.е. без радиального ступенчатого изменения выпускного поля обтекания. Геометрия такого завихрителя показана на Фиг. 4, где ссылка 23 означает втекающий поток, а ссылка 24 означает эффузию, d представляет собой внешний диаметр топливной трубки 13, а D представляет собой внутренний диаметр воздухопровода 12 (и смесительной трубки, соответственно).

Соотношение между касательной составляющей W и осевой составляющей U скорости потока у выхода завихрителя (Фиг. 4) было выбрано так, что профиль осевых скоростей является "плоским"; это означает, что осевая составляющая U идеально постоянна по радиусу R завихрения (радиальная составляющая скорости равна нулю). Как было сказано ранее, линия задней кромки 21 лопатки в этом случае непрерывно гладкая (непрерывная).

Профиль выходных скоростей такого неступенчатого завихрителя, который спроектирован для идеального плоского профиля U осевых скоростей, показан на Фиг. 6, где пунктирная кривая представляет собой идеальный W-профиль, сплошная кривая представляет собой идеальный U-профиль, а пустые и полные квадраты представляют собой соответствующие измеренные скорости, все в их зависимости от радиуса R.

Осевой завихритель 14b на Фиг. 3 представляет ступенчатый осевой завихритель с радиальным ступенчатым изменением выпускного поля обтекания посредством прерывистой задней кромки 22, которая подразделена на две секции 22a и 22b задней кромки различной ориентации. Геометрия такого завихрителя показана с системой 10′ завихрителя на Фиг. 5, где 25 ссылается на первый (внутренний) тип потока, а 26 ссылается на второй (внешний) тип потока, с разделяющим радиусом R_S, отделяющим оба режима типа потока (и секции 22a и 22b задней кромки) у разрыва 27.

Для первого типа 25 потока (с R<R_S) tan α=W/U~R, что приводит к примерно постоянному W и уменьшающемуся U с увеличением R. Для второго типа 26 потока (с R>R_S) tan α=W/U~1/R, что приводит к уменьшающемуся W и постоянному U с увеличением R (см. Фиг. 7).

Таким образом, соотношение между касательной составляющей W и осевой составляющей U у выхода завихрителя в этом случае было выбрано таким образом, что касательная скорость W является "плоской" во внутренней области (затем U уменьшается), тогда как обратное имеет место во внешней области ("плоская" осевая скорость U и уменьшающаяся касательная скорость W). Это требует прерывистой линии задней кромки 22 лопатки. Радиальная составляющая потока в обеих секциях составляет V=0, что означает в идеале отсутствие смешивания между двумя различными типами потока.

Кроме того, лопатки 19a, 19b могут быть спроектированы так, чтобы иметь управляемый, предопределенный срыв потока (см. Фиг. 8), где - вследствие срыва потока - область 28 увеличенной турбулентности создается в потоке за лопаткой 19 завихрителя с сорванным потоком и приближается к фронту пламени. Предопределенный срыв потока применим к лопаткам с прерывистой задней кромкой и без прерывистой задней кромки.

Другой способ улучшить производительность завихрителя представляет собой изо-обтекаемое впрыскивание топлива с задней кромки лопатки завихрителя, как показано на Фиг. 9. Завихритель 30 на Фиг. 9 имеет лопатки 29 завихрителя, задние кромки которого снабжены рядами отверстий 32 впрыскивания топлива, которые испускают лучи 40 топлива с соответствующим направлением луча. Впрыскивание топлива у задней кромки применимо к лопаткам с разрывом и без разрыва у задней кромки.

Дополнительным способом улучшения производительности является впрыскивание топлива у сторон лопаток завихрителя. Согласно Фиг. 10, лопатки 33a завихрителя с передней кромкой 34 и прерывистой задней кромкой 35 и стороной 36 всасывания и стороной 37 нагнетания, проходящими между двумя кромками 34, 35, снабжены рядами отверстий 38 впрыскивания топлива, расположенными на стороне 36 всасывания лопатки.

Согласно Фиг. 11, лопатки 33b завихрителя с передней кромкой 34 и прерывистой задней кромкой 35 и стороной 36 всасывания и стороной 37 нагнетания, проходящими между двумя кромками 34, 35, снабжены рядами отверстий 39 впрыскивания топлива, расположенными на стороне 37 нагнетания лопатки.

Фиг. 12 показывает в качестве примера радиальное распределение угла α между касательной к линии кривизны у задней кромки 21, 22, 35 лопатки 19, 29, 33 завихрителя и осью 11 завихрителя. У его внутреннего радиуса (R_min) угол α выходного потока имеет значение α=26°. С увеличением радиуса R угол α линейно увеличивается до максимального значения α=44° у предопределенного радиуса R_S, где R_S=0,8 R_max. От радиуса R_S до внешнего радиуса R_max лопатки 19, 29, 33 завихрителя угол α линейно уменьшается до значения α=38° у внешнего радиуса лопатки 19, 29, 33.

Согласно изобретению, существует большая гибкость в формировании поля обтекания скорости выходного потока и распределения эквивалентного соотношения топлива, низкого падения давления и компактной конструкции.

Характеристики конструкции нового завихрителя следующие:

- Осевой завихритель спроектирован для управляемого распределения профиля скоростей выходного потока и эквивалентного соотношения топлива;

- Профилированные лопатки завихрителя с прерывистой задней кромкой предоставлены как результат двух различных заданных типов профилей скоростей потока в завихренном потоке у выхода;

- Разделяющий радиус, делящий две ступени и типы потока, может меняться от 20% до 80% от высоты кольца;

- Возможен любой угол выходного потока у минимального, промежуточного и максимального радиуса.

- Профилированные лопатки завихрителя с прерывистой задней кромкой предоставлены как результат двух различных заданных типов профилей скоростей потока у выхода, которые не смешиваются друг с другом и, следовательно, допускают управляемое распределение эквивалентного соотношения топлива в радиальном направлении;

- Лопатки завихрителя могут иметь форму с аэродинамически оптимальным профилем лопатки для уменьшения потерь давления;

- Лопатки завихрителя могут иметь форму/быть спроектированы с управляемым срывом потока для создания управляемой турбулентности;

- Отверстия впрыскивания топлива могут быть предоставлены на стороне всасывания и/или нагнетания лопаток; и

- Изо-обтекаемое впрыскивание топлива может быть предоставлено на задней кромке лопаток.

Изобретение позволяет создавать оптимальный профиль скоростей выходного потока для увеличенной стабильности сгорания.

Высокая осевая скорость потока рядом со стенкой исключает риск обратного удара вдоль стенки.

Достигается управление радиальным распределением эквивалентного соотношения топлива в радиальном направлении (ступенчатое изменение топлива).

СПИСОК НОМЕРОВ ССЫЛОК

10, 10′ компоновка завихрителя

11 ось

12 воздухопровод

13 трубка (центральная)

14, 14a, b завихритель

15 топливный инжектор

16 смесительная трубка

17 камера сгорания

18 воздушный поток

19, 19a, b лопатка завихрителя

20 передняя кромка

21,22 задняя кромка

22a, b секция задней кромки

23 втекающий поток

24 эффузия

25,26 тип потока

27 разрыв (задняя кромка)

28 область увеличенной турбулентности

29 лопатка завихрителя

30 завихритель

31 задняя кромка

32 отверстие впрыскивания топлива

33a, b лопатка завихрителя

34 передняя кромка

35 задняя кромка

36 сторона всасывания

37 сторона нагнетания

38,39 отверстие впрыскивания топлива

40 луч топлива

U осевая составляющая скорости

V скорость (безразмерная)

W касательная составляющая скорости

R радиус

R_S разделяющий радиус

d внутренний диаметр топливной трубки

D внешний диаметр топливной трубки.