Топливная форсунка газотурбинного двигателя со съемной вспомогательной трубкой жидкого топлива - RU2468296C2

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится, в целом, к топливной форсунке газотурбинного двигателя, в частности к топливной форсунке газотурбинного двигателя со съемной трубкой жидкого топлива.

Газотурбинные двигатели (ГТД) производят энергию за счет отбора энергии от потока горячего газа, производимого при сгорании топлива в струе сжатого воздуха. В общем, ГТД имеют воздушный компрессор выше по потоку, соединенный с расположенной ниже по потоку турбиной с помощью установленной между ними камеры сгорания. Высвобождение энергии происходит при сгорании смеси сжатого воздуха и топлива в камере сгорания. Полученные горячие газы направляются по лопаткам турбины, вращая турбины и таким образом вырабатывая механическую энергию. В типовых ГТД одна или несколько топливных форсунок направляют органическое топливо какого-либо типа в камеру сгорания для осуществления процесса горения. Сгорание органического топлива приводит к вырабатыванию некоторых нежелательных компонентов в выбросах выхлопных газов. Эти нежелательные компоненты включают в себя оксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂), которые в собирательном значении именуются как NO_x. В некоторых странах нормативные акты ограничивают допустимый уровень NO_x, которые могут выбрасывать газотурбинные двигатели.

Количество выбросов NO_x из ГТД увеличивается с температурой пламени в камере сгорания. Следовательно, первый способ, который используют производители ГТД для соответствия нормативным актам по NO_x, состоит в том, чтобы снизить температуру пламени в камере сгорания ГТД. Низкая температура пламени в камере сгорания может быть достигнута за счет снижения содержания топлива в топливовоздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания, и тщательного смешивания топлива с воздухом до того как топливовоздушная смесь будет направлена в камеру сгорания. Такая хорошо смешанная топливовоздушная смесь с низким содержанием топлива носит название обедненной предварительно смешанной смеси. По мере того как обедненная предварительно смешанная смесь снижает выбросы NO_x, уменьшение содержания топлива в смеси ниже порогового предела может стать причиной неустойчивого пламени. Неустойчивое пламя может вызвать нежелательные колебания давления в камере сгорания, в конечном счете приводящие к погашению пламени (именуемому как «срыв пламени при работе с обедненной смесью»).

Для обеспечения устойчивого пламени при одновременном соблюдении требований к выбросам NO_x в некоторых топливных форсунках ГТД предусматривается множество траекторий протекания топлива или струй топлива, например основная струя топлива и вспомогательная струя топлива. В такой системе основная струя топлива обеспечивает подачу обедненного предварительно смешанного топлива в камеру сгорания для эксплуатации с низкими выбросами NO_x, в то время как вспомогательная струя топлива является источником обогащенного топлива для стабилизации пламени и запуска. Топливо, подаваемое с помощью этих струй топлива, может быть жидким или газообразным. Некоторые топливные форсунки также могут иметь возможность подавать в ГТД как жидкое, так и газообразной топливо. Из-за расположения топливной форсунки вблизи камеры сгорания трубки жидкого топлива, обеспечивающие подачу жидкого топлива к вспомогательному узлу (носящему название - вспомогательная трубка жидкого топлива) топливной форсунки, могут испытывать действие высоких температур во время работы ГТД. Помимо потенциального теплового повреждения компонентов топливной форсунки из-за воздействия высоких температур продолжительное воздействие этих высоких температур может стать причиной засорения вспомогательной трубки жидкого топлива из-за закоксовывания топлива с течением времени. Повреждение вспомогательной трубки жидкого топлива может иногда потребовать демонтажа и очистки трубки в условиях эксплуатации.

Патент US 5404711 является патентом, выданным правопреемнику настоящего изобретения 11 апреля 1995 г., и описывает топливную форсунку ГТД с основной и вспомогательной струями топлива. Поскольку имеется подтверждение, что форсунка, описанная в указанном патенте, является надежной и прочной и получила широкое промышленное применение, вспомогательные компоненты, описанные в этом патенте, постоянно крепятся к остальной части конструкции форсунки для обеспечения надлежащего уплотнения против утечки топлива и воздуха. Поскольку вспомогательный узел, описанный в указанном патенте, вероятно, подвергается воздействию высоких температур из-за его расположения вблизи пламени камеры сгорания, линии жидкого топлива могут быть подвержены засорению из-за закоксовывания. Поскольку постоянное крепление вспомогательных компонентов препятствует протеканию топлива и воздуха, демонтаж и очистка линий жидкого топлива в условиях эксплуатации вызывают затруднения.

Настоящее изобретение направлено на решение одной или нескольких проблем, указанных выше.

Один аспект настоящего изобретения относится к топливной форсунке газотурбинного двигателя. Топливная форсунка содержит корпус, имеющий продольную ось. Корпус форсунки имеет один или множество каналов, кольцеобразно расположенных вокруг продольной оси, и впускное отверстие для впуска сжатого воздуха. Топливная форсунка также содержит цилиндр предварительного смешивания, имеющий ближний конец и дальний конец и расположенный по окружности вокруг продольной оси. Цилиндр предварительного смешивания имеет жидкостную связь с каналами топлива и с впускным отверстием сжатого воздуха у ближнего конца и сконфигурирован для соединения с камерой сгорания газотурбинного двигателя у дальнего конца. Топливная форсунка также содержит, по существу, цилиндрический вспомогательный узел, расположенный радиально внутри цилиндра предварительного смешивания и имеющий первый конец и второй конец. Второй конец соединен с корпусом форсунки, а первый конец расположен вблизи дальнего конца цилиндра предварительного смешивания. Топливная форсунка, кроме того, содержит вспомогательную трубку жидкого топлива, имеющую третий конец и четвертый конец, распложенные радиально внутри вспомогательного узла. Четвертый конец соединен с возможностью разборки с корпусом форсунки, а третий конец расположен вблизи первого конца вспомогательного узла.

Другой аспект настоящего изобретения относится к способу сборки топливной форсунки газотурбинного двигателя. Этот способ включает введение первого конца вспомогательной трубки жидкого топлива в полость, которая проходит в продольном направлении от заднего конца к переднему концу топливной форсунки. Способ также включает перемещение вспомогательной трубки жидкого топлива в полость до тех пор, пока первый конец не окажется вблизи переднего конца топливной форсунки, а второй конец вспомогательной трубки жидкого топлива, противоположный переднему концу, не будет примыкать к заднему концу топливной форсунки. Способ, кроме того, включает поворачивание вспомогательной трубки жидкого топлива вокруг продольной оси топливной форсунки для соединения с возможностью разборки вспомогательной трубки жидкого топлива с топливной форсункой.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к газотурбинному двигателю. Газотурбинный двигатель содержит компрессор и камеру сгорания, имеющую жидкостную связь с компрессором. Газотурбинный двигатель также содержит топливную форсунку, имеющую продольную ось и соединенную с камерой сгорания. Топливная форсунка содержит корпус, имеющий передний конец и задний конец. Корпус также содержит первую полость, расположенную вокруг продольной оси, продолжающейся от переднего конца к заднему концу. Топливная форсунка также содержит, по существу, цилиндрический цилиндр предварительного смешивания, расположенный по окружности вокруг продольной оси. Цилиндр предварительного смешивания соединен с корпусом у одного конца и соединен с камерой сгорания у противоположного конца. Топливная форсунка также содержит, по существу, цилиндрический вспомогательный узел, расположенный радиально внутри цилиндра предварительного смешивания. Вспомогательный узел содержит вторую полость, расположенную вокруг продольной оси и проходящую в продольном направлении через вспомогательный узел. Вспомогательная трубка жидкого топлива соединена с возможностью разборки с корпусом и продолжается через первую полость и вторую полость до места размещения вблизи камеры сгорания. Газотурбинный двигатель также содержит турбину, имеющую жидкостную связь с камерой сгорания.

Кроме того, еще один аспект настоящего изобретения относится к компоненту топливной форсунки газотурбинного двигателя. Компонент содержит удлиненную секцию, имеющую продольную ось и продолжающуюся от первого конца ко второму концу. Компонент также содержит сопло, соединенное с первым концом. Сопло имеет винтовые канавки на наружной поверхности. Компонент также содержит центрирующее устройство между первым концом и вторым концом. Центрирующее устройство содержит множество элементов, проходящих радиально наружу от наружной поверхности центрирующего устройства. Компонент, кроме того, содержит трубный фитинг, соединенный со вторым концом; трубный фитинг имеет резьбу на наружной поверхности трубного фитинга.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - система газотурбинного двигателя;

фиг.2 - детальный вид топливной форсунки ГТД по фиг.1;

фиг.3 - детальный вид вспомогательного узла топливной форсунки по фиг.2;

фиг.4А-4D - виды вспомогательной трубки жидкого топлива топливной форсунки по фиг.2;

фиг.5А-5D - соответствующие разрезы вспомогательной трубки жидкого топлива, показанной на фиг.4А-4D;

фиг.6А-6В - установка вспомогательной трубки жидкого топлива в топливную форсунку по фиг.2.

На фиг.1 показан типовой газотурбинный двигатель (ГТД) 100. ГТД 100 может иметь, помимо других систем, компрессорную систему 10, систему 20 камеры сгорания, газотурбинную систему 70 и выхлопную систему 90. Компрессорная система 10 сжимает приточный воздух до высокого давления, система 20 камеры сгорания смешивает сжатый воздух с топливом и сжигает смесь для производства газа, имеющего высокую скорость и высокое давление, и газотурбинная система 70 отбирает энергию газа, имеющего высокую скорость и высокое давление и выходящего из системы 20 камеры сгорания. Сжатый воздух из компрессорной системы 10 смешивается с топливом во множестве топливных форсунок 30, прежде чем он будет направлен в одну или несколько камер 50 сгорания системы 20 камеры сгорания. Топливные форсунки 30 могут содержать множественные траектории протекания для подачи топлива в камеру 50 сгорания. Одна из этих траекторий протекания (основная траектория протекания) может подавать топливо, предварительно смешанное со сжатым воздухом, в камеру 50 сгорания. Другая траектория протекания может по отдельности впрыскивать тонкую струю топлива и подавать сжатый воздух в камеру 50 сгорания (вспомогательная траектория протекания).

Топливо, подаваемое в камеру 50 сгорания, может подвергаться сгоранию для образования смеси побочных продуктов сгорания, имеющей высокое давление. От этой высокотемпературной смеси, имеющей высокое давление, может отбираться энергия в газотурбинную систему 70. Продукты сгорания затем могут выбрасываться в атмосферу через выхлопную систему 90. В ГТД 100 может использоваться какое-либо жидкое или газообразное топливо. Обычные используемые жидкие топлива могут включать в себя дизельное топливо, heizol EL (сверхлегкое), легкое дизельное топливо, реактивное топливо или керосин, и обычно используемые газообразные топлива могут содержать природный газ. Однако также предусматривается, что в ГТД 100 также могут быть использованы альтернативные жидкие топлива, например жидкий природный газ (этан, пропан, бутан и т.д.), топливо на основе парафина (JET-A и т.д.), бензин и т.д., и альтернативные газообразные топлива, например сжиженные нефтяной газ (СНГ), этилен, аммиак, газ из биомассы, каменноугольный газ и т.п.

Сгорание топлива на основе углеводородов в камере 50 сгорания может производить побочные продукты, например NO_x, окись углерода (СО), двуокись углерода (CO₂) и несгоревшие углеводороды. Нормативные акты могут ограничивать количество NO_x, которое может выбрасывать ГТД 100. Образование NO_x в камере 50 сгорания может вызвать реакцию между топливом и воздухом при высоких температурах. Образование NO_x может быть уменьшено за счет снижения температуры пламени во время сгорания. Однако снижение температуры пламени может сделать пламя восприимчивым к погашению (т.е. восприимчивым к срыву пламени при обедненной смеси). Способ, используемый изготовителями ГТД для предотвращения срыва пламени при обедненной смеси при одновременном поддержании низкой температуры пламени (для получения низких выбросов NO_x) состоит в том, чтобы подавать дополнительную струю топлива в камеру 50 сгорания. Эта дополнительная струя топлива может иметь обогащенный состав топлива и может сгорать при более высокой температуре. Это более горячее пламя может служить в качестве перегретого места для стабилизации процесса сгорания и тем самым для предотвращения срыва пламени при обедненной смеси.

На фиг.2 показана топливная форсунка 30. Топливная форсунка 30 содержит множество собранных вместе компонентов. Эти множественные компоненты могут содержать, помимо прочего, цилиндр 32 предварительного смешивания, вспомогательный узел 40 и вспомогательную трубку 44 жидкого топлива, соединенные с корпусом 30а форсунки для образования топливной форсунки 30. Топливная форсунка 30 может содержать первый конец 45, соединенный с камерой 50 сгорания, и второй конец 35, противоположный первому концу 45. Компоненты топливной форсунки 30 могут взаимодействовать для подачи газообразного и/или жидкого топлива и сжатого воздуха в камеру 50 сгорания. В некоторых вариантах выполнения подача топлива может переключаться между газообразным и жидким топливами с целью соответствия условиям эксплуатации ГТД 100. Например, в месте эксплуатации, где имеется богатый источник природного газа, топливная форсунка 30 во время запуска может подавать в камеру 50 сгорания жидкое топливо и позже переключаться на газообразное топливо для использования доступного местного источника топлива. Топливные форсунки, которые могут подавать в камеру 50 сгорания как жидкое, так и газообразное топливо, иногда упоминаются как двухтопливные форсунки. В этом описании термин «топливная форсунка» используется для ссылки на топливные форсунки, которые могут подавать в ГТД жидкое топливо (т.е. топливные форсунки для жидкого топлива и двухтопливные форсунки). Топливная форсунка 30 также может включать в себя множественные траектории протекания, которые могут подавать множественные струи топлива в камеру 50 сгорания. В некоторых вариантах выполнения эти множественные траектории протекания могут включать в себя основную траекторию протекания топлива и вспомогательную траекторию протекания топлива. Концентрация (топлива в воздухе) и количество топлива, подаваемого в камеру 50 сгорания по главной и вспомогательной траекториям протекания топлива, может варьироваться с помощью регулирования ГТД 100.

В варианте выполнения, показанном на фиг.2, топливная форсунка 30 может иметь, в общем, трубчатую конструкцию с внутренней и наружной трубками, расположенными концентрично относительно продольной оси 98. Наружная трубка топливной форсунки 30 может содержать цилиндр 32 предварительного смешивания, а внутренняя трубка может содержать вспомогательный узел 40. Как указано выше, цилиндр 32 предварительного смешивания может подавать основную струю топлива (предварительно смешанную топливовоздушную смесь) в камеру 50 сгорания, в то время как вспомогательный узел может подавать вспомогательную струю топлива (топливо под давлением вместе со сжатым воздухом) в камеру 50 сгорания. Трубчатый цилиндр 32 предварительного смешивания может быть размещен по окружности вокруг вспомогательного узла 40, и цилиндр 32 предварительного смешивания и вспомогательный узел 40 могут быть сцентрированы относительно продольной оси 98.

Сжатый воздух из компрессорной системы 10 может направляться в топливную форсунку 30 через завихритель 42 воздуха. Завихритель 42 воздуха содержит множество изогнутых лопаток, прикрепленных к корпусу 30а топливной форсунки для завихрения приточного сжатого воздуха. Количество изогнутых лопаток в завихрителе воздуха топливной форсунки может зависеть от специальных характеристика ГТД 100; некоторые варианты выполнения топливных форсунок могут иметь двенадцать изогнутых лопаток, в то время другие могут иметь иное количество лопаток. Несмотря на то, что завихритель 42 воздуха показан на фиг.2 в виде радиального завихрителя, завихритель 42 воздуха, в общем, может включать в себя радиальный или осевой завихритель. Радиальный завихритель является завихрителем воздуха, в котором сжатый воздух из компрессорной системы 10 может быт направлен на изогнутые лопатки в радиальном направлении, в то время как осевой завихритель является завихрителем воздуха, в котором сжатый воздух может быть направлен на изогнутые лопатки в осевом направлении.

Цилиндр 32 предварительного смешивания может содержать удлиненную трубчатую секцию с двумя противоположными концевыми секциями. Концевая секция цилиндра 32 предварительного смешивания у первого конца 45 может включать в себя прикрепленную к ней концевую крышку 36. Концевая секция с концевой крышкой 36 может быть соединена с камерой 50 сгорания таким образом, чтобы центральное отверстие образовывало жидкостную связь цилиндра 32 предварительного смешивания с камерой 50 сгорания. Концевая секция, противоположная концевой крышке 36, может быть соединена с корпусом 30а топливной форсунки. Жидкое и/или газообразное топливо может впрыскиваться в завихренную струю воздуха в цилиндре 32 предварительного смешивания для смешивания со сжатым воздухом. Завихрение сжатого воздуха может способствовать тщательному смешиванию топлива со сжатым воздухом. Предварительно смешиваемая топливовоздушная смесь может быть направлена в камеру 50 сгорания через цилиндр 32 предварительного смешивания. Предварительно смешанная топливовоздушная смесь может создавать пламя от сгорания предварительно смешанной смеси в камере 50 сгорания. Пламя от сгорания предварительно смешанной смеси является пламенем, которое образуется когда топливо и воздух сначала смешиваются в топливной форсунке 30 и затем сгорают в камере 50 сгорания. Как указано выше, в вариантах выполнения, где желательно получить низкие выбросы NO_x, температура пламени от сгорания предварительно смешанной смеси может быть уменьшена за счет подачи обедненной предварительно смешанной топливовоздушной смеси через цилиндр 32 предварительного смешивания.

Основная газовая трубка 48 подает газообразное топливо из газового коллектора (не показано) в главный газовый канал 52, находящийся в корпусе 30а топливной форсунки. Главный газовый канал 52, кольцеобразно расположенный вокруг продольной оси 98, может подавать газообразное топливо в газовые отверстия, которые могут быть расположены поблизости от лопаток завихрителя 42 воздуха. Газовые отверстия могут быть маленькими отверстиями, расположенными на лопатках завихрителя 42 воздуха, выше завихрителя 42 воздуха по потоку или ниже завихрителя 42 воздуха по потоку. Посредством газовых отверстий может быть обеспечена подача газообразного топлива для главной струи топлива топливной форсунки 30.

Трубка 54 жидкого топлива может подавать жидкое топливо от источника жидкого топлива (не показано) к главному каналу 56 жидкого топлива, находящемуся в корпусе 30а. Главный канал 56 жидкого топлива может содержать кольцевой канал вокруг продольной оси 98, имеющий жидкостную связь с одним или несколькими кольцевыми соплами 58 жидкого топлива, кольцеобразно расположенными, по существу, на постоянном расстоянии вокруг продольной оси 98. Наконечник 58а сопла 58 жидкого топлива может быть сконфигурирован для распыления жидкого топлива в завихренный сжатый воздух вблизи завихрителя 42 воздуха. В некоторых вариантах выполнения количество сопел 58 жидкого топлива может составлять половину количества лопаток завихрителя 42 воздуха и они могут быть расположены вблизи каждой второй лопатки завихрителя 42 воздуха. Струя завихренного сжатого воздуха ниже по потоку завихрителя 42 воздуха может способствовать распылению жидкого топлива, распыляемого из наконечника 58а сопла. Сжатый воздух и распыляемое жидкое топливо могут тщательно смешиваться в цилиндре 32 предварительного смешивания для образования предварительно смешанной топливовоздушной смеси. В некоторых вариантах выполнения газообразное топливо (из газовых отверстий) может быть смешано со сжатым воздухом для образования предварительно смешанной топливовоздушной смеси. В некоторых вариантах выполнения смесь жидкое топливо-воздух может быть предусмотрена для части времени эксплуатации, в то время как смесь газообразное топливо-воздух может быть предусмотрена для другой части времени эксплуатации.

Вспомогательный узел 40 может быть расположен радиально во внутреннем направлении цилиндра 32 предварительного смешивания и соединен с корпусом 30а. Вспомогательный узел 40 может содержать компоненты, сконфигурированные для впрыскивания струи топлива под давлением и подачи струи сжатого воздуха в камеру 50 сгорания. Для топлива, подаваемого через вспомогательный узел 40, может быть предусмотрено распыление жидкого топлива и распыление сжатого воздуха. В двухтопливных форсунках вспомогательный узел 40 может быть сконфигурирован для подачи в камеру 50 сгорания как жидкого, так и газообразного топлива. Вспомогательный узел 40 также может включать в себя устройства завихрения (описывается ниже) для завихрения сжатого воздуха, подаваемого в камеру 50 сгорания через вспомогательный узел 40. Струя под давлением топлива и воздуха, подаваемая через вспомогательный узел 40, может содержать вспомогательное протекание топлива. Эта струя под давлением топлива и воздуха может создавать в камере 50 сгорания диффузионное пламя. Диффузионное пламя является пламенем, которое образуется в случае, когда топливо и воздух смешиваются и сгорают одновременно. Диффузионное пламя может иметь более высокую температуру пламени, чем пламя, образующееся в результате сгорания предварительно смешанной смеси, и может служить в качестве локализованного пламени для стабилизации процесса горения и предотвращения срыва пламени при обедненной смеси.

Фиг.3 показывает вспомогательный узел в разобранном виде. В приведенном ниже описании будет делаться ссылка на фиг.2 и 3. Вспомогательный узел 40 может иметь трубчатую конфигурацию с наружной трубкой, средней трубкой и внутренней трубкой, расположенными концентрично вокруг продольной оси 98. Наружная трубка вспомогательного узла 40 может включать в себя внутреннюю трубку 46 предварительного смешивания, расположенную радиально снаружи вспомогательного газового кожуха 72, который содержит среднюю трубку. Внутренняя трубка может включать в себя кожух 74 ускорения подачи воздуха, расположенный радиально внутри газового кожуха 72. Внутренняя трубка 46 предварительного смешивания, газовый кожух 72 и кожух 74 ускорения подачи воздуха совместно могут образовывать вспомогательный узел 40. Вспомогательный узел 40 может включать в себя каналы для топлива и сжатого воздуха, которые направляют топливо и воздух в камеру 50 сгорания через вспомогательный узел 40.

Каналы для топлива и сжатого воздуха вспомогательного узла 40 могут содержать линии газообразного и жидкого топлива, которые обеспечивают подачу топлива для вспомогательной траектории протекания. Главный газовый канал 52 может подавать газообразное топливо во вспомогательный газовый канал 62. Вспомогательный газовый канал 62 также может быть кольцеобразно расположен вокруг продольной оси 98. Вспомогательный газовый канал 62 может направлять газообразное топливо во вспомогательный газовый канал 64. Вспомогательный газовый канал 64 может быть кольцевым каналом вокруг продольной оси 98 и может содержать одно или несколько вспомогательных газовых сопел 64а. Вспомогательные газовые сопла 64а могут содержать отверстия, расположенные кольцеобразно вокруг продольной оси 98, которые могут направлять газообразное топливо от вспомогательного газового канала 64 в камеру 50 сгорания. Первичный вспомогательный воздушный канал 66 также может направлять сжатый воздух во вспомогательный узел 40 через вспомогательное воздушное сопло 66а. Первичный вспомогательный воздушный канал 66 может быть кольцевым каналом, расположенным вокруг продольной оси 98 с множеством прикрепленных к нему вспомогательных воздушных сопел 66а. Каждое вспомогательное воздушное сопло 66а может быть расположено вблизи вспомогательного газового сопла 64а. Близкое расположение вспомогательного газового сопла 64а и вспомогательного воздушного сопла 66а может способствовать смешиванию вспомогательной струи газа со сжатым воздухом перед направлением в камеру 50 сгорания. Вспомогательный узел 40 может содержать вторичный вспомогательный воздушный канал 66b, сконфигурированный для подачи сжатого воздуха в камеру 50 сгорания. Вторичный вспомогательный воздушный канал 66b может быть кольцевым каналом, расположенным вокруг продольной оси 98, и может быть расположен радиально внутри первичного вспомогательного воздушного канала 66.

Вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может направлять жидкое топливо от наружной стороны топливной форсунки 30 во вспомогательный узел 40. Вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может быть удлиненным узлом, соединенным с возможностью разборки с топливной форсункой 30 и имеющим продольную ось, концентричную с продольной осью 98. Вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может быть расположена радиально внутри вспомогательного узла 40. В некоторых вариантах выполнения вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может быть расположена по центру в топливной форсунке 30. Вторичный вспомогательный воздушный канал 66b может быть образован за счет пространства между вспомогательной трубкой 44 жидкого топлива и кожухом 74 ускорения подачи воздуха вспомогательного узла 40. Жидкое топливо, подаваемое во вспомогательный узел 40 через вспомогательную трубку 44 жидкого топлива, может распыляться в камеру 50 сгорания через вспомогательное сопло 44b жидкого топлива на конце вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Сжатый воздух от вторичного вспомогательного воздушного канала 66b также может подаваться в камеру 50 сгорания вместе с распылением топлива через отверстия (не показано) во вторичном вспомогательном воздушном канале 66b вокруг вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Эта струя жидкого топлива и сжатый воздух сжигаются для образования диффузионного пламени в камере сгорания.

На фиг.4А-4D показан внешний вид вспомогательной трубки 44 жидкого топлива и на фиг.5А-5D показаны соответствующие разрезы вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Фиг.4А и 5А демонстрируют всю вспомогательную трубку 44 жидкого топлива, в то время как фиг.4В-5D показывают увеличенные изображения выбранных участков вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. В приведенном ниже описании будут даны ссылки на фиг.4А-5D.

Жидкое топливо из блока распределения жидкого топлива (не показано) может быть направлено в топливную форсунку 30 через трубопровод 55 для подачи жидкого топлива. Трубопровод 55 для подачи жидкого топлива может быть изготовлен из какого-либо материала, известного в современном уровне техники. В некоторых вариантах выполнения трубопровод 55 для подачи жидкого топлива может быть металлическим трубопроводом. Вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может содержать узел, сформированный из множества компонентов, которые могут быть соединены с возможностью разборки с топливной форсункой 30 и сконфигурированы для подачи жидкого топлива из трубопровода 55 для подачи жидкого топлива к первому концу 45 топливной форсунки 30.

На первом конце 45 вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может содержать наконечник 44а завихрителя со вспомогательным соплом 44b жидкого топлива. Внешний вид наконечник 44а завихрителя показан на фиг.4В, а вид в разрезе показан на фиг.5В. Жидкое топливо, подаваемое через вспомогательную трубку 44 жидкого топлива, может распыляться в камеру 50 сгорания через вспомогательное сопло 44b жидкого топлива. Сжатый воздух из вторичного вспомогательного воздушного канала 66b также может подаваться в камеру сгорания через отверстия на первом конце 45 вторичного вспомогательного воздушного канала 66b, расположенные вокруг наконечника 44а завихрителя. Наконечник 44а завихрителя может содержать устройства 44 с завихрения на наружной поверхности. Эти устройства 44 с завихрения могут выступать во вторичный вспомогательный воздушный канал 66b и могут завихрять сжатый воздух, выходящий из вторичного вспомогательного воздушного канала 66b. В некоторых вариантах выполнения устройства 44 с завихрения могут содержать устройство с винтовыми канавками, выполненными механическим способом на наконечнике 44а завихрителя. Однако также могут быть предусмотрены другие способы изготовления устройства 44с завихрения. Эти винтовые канавки могут завихрять сжатый воздух, подаваемый через вспомогательный воздушный канал 66b. Наконечник 44а завихрителя может быть изготовлен из какого-либо материала, например из нержавеющей стали марки 316L (модификация стали марки 316 с низким содержанием углерода). Однако для изготовления наконечника 44а завихрителя также могут быть использованы другие материалы.

Наконечник 44а завихрителя может быть прикреплен к первой трубке 44d, которая продолжается от ближнего конца наконечника 44а завихрителя в направлении второго конца топливной форсунки. Крепление первой трубки 44d к наконечнику 44а завихрителя может включать в себя пайку твердым припоем наконечника 44а завихрителя к первой трубке 44d. В варианте выполнения, показанном на Фиг.4В и 5В, первая трубка 44d вставлена в полость у ближнего конца наконечника 44а завихрителя и припаяна к нему твердым припоем. Паяное твердым припоем соединение 82 может образовывать, по существу, герметичное для жидкости уплотнение, которое позволяет жидкому топливу без утечек протекать через вспомогательную трубку 44 жидкого топлива. В некоторых вариантах выполнения для крепления наконечника 44а завихрителя к первой трубке 44d могут быть использованы другие способы. Первая трубка 44d может иметь удлиненную трубчатую секцию с продольной осью, расположенной на одной прямой с продольной осью 98, которая заканчивается у центрирующей детали 44е. Ближний конец первой трубки 44d может быть припаян твердым припоем к центрирующей детали 44е для образования, по существу, герметичного для жидкости уплотнения. Однако для крепления первой трубки 44d к центрирующей детали 44е могут быть использованы другие способы получения герметичного для жидкости уплотнения. Несмотря на то, что первая трубка 44d может быть изготовлена из любого материала, в некоторых вариантах выполнения она может быть изготовлена из теплостойкого материала, как например, Inconel 625.

Центрирующая деталь 44е может содержать соединение, сконфигурированное для соединения двух труб между собой. Внешний вид центрирующей детали 44е показан на фиг.4С, а разрез показан на фиг.5С. Дальний конец центрирующего элемента 44е может соединяться с первой трубкой 44d и ближний конец центрирующего элемента 44е может соединяться со второй трубкой 44g. В некоторых вариантах выполнения паяное твердым припоем соединение 82 может крепить первую трубку 44d к центрирующей детали 44е. Центрирующая деталь 44е также может содержать центрирующие устройства, например элементы 44f, на наружной поверхности центрирующего устройства 44е. Элементы 44f могут содержать множество выступов, продолжающихся радиально наружу от наружной поверхности центрирующей детали 44е. Эти элементы 44f могут быть сконфигурированы для расположения вспомогательной трубки 44 во вторичном вспомогательном воздушном канале 66b. обеспечивая протекание сжатого воздуха между элементами 44f.

Ближний конец центрирующей детали 44е может быть прикреплен ко второй трубке 44g. В предпочтительных вариантах выполнения вторая трубка 44g может быть вставлена в полость у ближнего конца центрирующей детали 44е и припаяна к ней твердым припоем (образуя паяное твердым припоем соединение 82) для создания герметичного для жидкости уплотнения. Однако также предусматриваются другие способы образования защищенных от утечек соединений. Вторая трубка 44g может продолжаться от центрирующей детали 44е в направлении к второму концу 35 топливной форсунки 30. Вторая трубка 44g может включать в себя удлиненную трубчатую секцию с продольной осью, расположенной на одной прямой с продольной осью 98. В некоторых вариантах выполнения вторая трубка 44g может быть длиннее первой трубки 44d. В этих вариантах выполнения наружный диаметр второй трубки 44g может быть больше наружного диаметра первой трубки 44d. Больший наружный диаметр второй трубки 44g может увеличивать прочностную устойчивость вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. В некоторых вариантах выполнения вторая трубка 44g может быть изготовлена из нержавеющей стали 316L. Однако для изготовления второй трубки 44g может быть использован теплостойкий материал. На втором конце 35 топливной форсунки 30 вторая трубка 44g может быть прикреплена к трубному фитингу 44h. В некоторых вариантах выполнения центрирующие устройства также могут быть предусмотрены на наружной поверхности второй трубки 44g для облегчения размещения вспомогательной трубки 44 жидкого топлива во вторичном вспомогательном воздушном канале 66b.

Трубный фитинг 44h может содержать соединение, сконфигурированное для соединения второй трубки 44g с трубопроводом 55 для подачи жидкого топлива. Внешний вид трубного фитинга 44h показан на фиг.4D, а разрез показан на фиг.5D. Трубный фитинг 44h может содержать первую секцию 44i, вторую секцию 44j и третью секцию 44k, расположенные в продольном направлении вдоль продольной оси 98. Первая секция 44i может иметь продольную полость на одном конце, сконфигурированную для припаивания твердым припоем второй трубки 44g. Наружная поверхность первой секции также может иметь наружную резьбу 44m, сконфигурированную для соединения трубного фитинга 44h с топливной форсункой 30. Вторая секция 44j может быть соединена с первой секцией 44i и может иметь плоские поверхности на наружной поверхности. В некоторых вариантах выполнения эти плоские поверхности могут быть расположены аналогично болту и могут быть сконфигурированы для контакта с инструментом, например с гаечным ключом. Эти плоские поверхности могут способствовать соединению вспомогательной трубки 44 жидкого топлива с топливной форсункой 30. Третья секция 44k трубного фитинга 44h может быть соединена со второй секцией 44j и с трубопроводом 55 для подачи жидкого топлива. В некоторых вариантах выполнения третья секция 44k может иметь полость, сконфигурированную для размещения трубопровода 55 для подачи жидкого топлива. В некоторых вариантах выполнения трубопровод 55 для подачи жидкого топлива может быть припаян твердым припоем к третьей секции 44k для образования защищенного от утечек соединения. Однако для соединения трубопровода 55 для подачи жидкого топлива с трубным фитингом 44h могут быть использованы другие способы образования защищенных от утечек соединений. В общем, для изготовления трубного фитинга может быть использован любой материал, например нержавеющая сталь 316L, Inconel 625 и т.д.

Паяное соединение может быть образовано с помощью какого-либо припоя (например, AMS 4775, AMS 4776, AMS 4777, AMS 4778, AMS 4779, AMS 4782, 82% Au 18% Сu, 80% Au 20% Cu, 50% Аu 50% Cu, 37,5% Au 62,5% Cu, 35% Au 62% Cu 3% Ni, 30% Au 70% Cu, 72% Ag 28% Cu (эвтекика Ag/Cu), 68% Ag 27% Cu 5% Pd, 59% Ag 31% Cu 10% Pd, 65% Ag 20% Cu 15% Pd, 54% Ag 21% Cu 25% Pd, MARM 002, MARM 509, MARM 509В, Х40 и т.д.). В некоторых вариантах выполнения в качестве припоя может быть использован тугоплавкий припой AMS 4782.

Наконечник 44а завихрителя, первая трубка 44d, центрирующая деталь 44е, вторая трубка 44g и трубный фитинг 44h могут быть собраны для образования вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Вспомогательная трубка 44 жидкого топлива затем может быть соединена с корпусом 30а топливной форсунки. В вариантах выполнения, где вспомогательный узел 40а соединяется с возможностью разборки с корпусом 30а, вспомогательный узел 40 также может быть соединен с корпусом 30а. Для сборки топливной форсунки 30 может соблюдаться любой порядок сборки. Т.е. вспомогательный узел 40 может быть собран с корпусом 30а перед соединением вспомогательной трубки 44 жидкого топлива с корпусом 30а или вспомогательная трубка 44 жидкого топлива сначала может быть соединена с корпусом 30а перед присоединением вспомогательного узла 40.

Фиг.6А-6В показывают сборку вспомогательной трубки 44 жидкого топлива с корпусом 30а топливной форсунки. Фиг.6А демонстрирует топливную форсунку 30 в разобранном виде с вспомогательной трубкой 44 жидкого топлива, подготовленной к монтажу, а фиг.6В показывает вспомогательную трубку 44 жидкого топлива, установленную в топливную форсунку 40. В приведенном ниже описании даются ссылки на фиг.6А и фиг.6В. Конец вспомогательной трубки 44 жидкого топлива с наконечником 44а завихрителя может быть вставлен в продольную полость 60 на втором конце 35 топливной форсунки 30. Продольная полость 60 может быть полостью, которая продолжается от второго конца 35 топливной форсунки до первого конца 45 вдоль продольной оси 98. Продольная полость 60 может быть расположена в центре в топливной форсунке 30 с цилиндром 32 предварительного смешивания и вспомогательным узлом 40, кольцеобразно расположенными вокруг ее. При введении в продольную полость 60 вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может продолжаться от второго конца 35 до первого конца 45 топливной форсунки 30. Если вспомогательная трубка 44 жидкого топлива устанавливается на топливную форсунку с уже установленным вспомогательным узлом 40, наружные поверхности устройства 44с завихрения (наконечника 44а завихрителя) могут примыкать к кожуху 74 ускорения подачи воздуха вспомогательного узла (см. фиг.3) в смонтированном положении. В этом положении элементы 44f (центрирующей детали 44е) также могут сопрягаться с кожухом 74 ускорения подачи воздуха (вспомогательного узла 40) для образования вторичного вспомогательного воздушного канала 66b между вспомогательной трубкой 44 жидкого топлива и вспомогательным узлом 40. После вставления вспомогательной трубки 44 жидкого топлива в продольную полость 60 наружная резьба 44m на трубном фитинге 44h может войти в зацепление с внутренней резьбой 60а на ближнем конце продольной полости 60. Резьбы могут входить в зацепление за счет поворачивания вспомогательной трубки 44 жидкого топлива вокруг продольной оси 98 для сопряжения резьб. Для поворачивания вспомогательной трубки 44 жидкого топлива на плоских поверхностях второй секции 44j может быть использован инструмент, например гаечный ключ. Если резьбы входят в зацепление, вспомогательная трубка 44 жидкого топлива может быть передвинута в направлении первого конца 45, чтобы прижать устройства 44с завихрения к примыкающим поверхностям кожуха 74 ускорения подачи воздуха. Затягивание резьб может обеспечить плотное соединение вспомогательной трубки 44 жидкого топлива с топливной форсункой 30. Трубопровод 55 для подачи жидкого топлива (присоединенный к блоку распределения жидкого топлива) также может быть соединен с третьей секцией 44k трубного фитинга 44h для подачи жидкого топлива к вспомогательной трубке 44 жидкого топлива. В некоторых вариантах выполнения трубопровод 55 для подачи жидкого топлива может быть предварительно соединен с трубным фитингом 44h.

Описанная топливная форсунка газотурбинного двигателя со съемной вспомогательной трубкой жидкого топлива может применяться на любом газотурбинном двигателе, где требуется обеспечить возможность легкой разборки вспомогательной трубки жидкого топлива. Описанная топливная форсунка может обеспечивать удаление и очистку засоренной вспомогательной трубки жидкого топлива в эксплуатационных условиях. Ниже будут описаны эксплуатация газотурбинного двигателя с топливной форсункой, имеющей съемную вспомогательную трубку жидкого топлива, и способ демонтажи и установки съемной вспомогательной трубки жидкого топлива.

Во время эксплуатации ГТД 100 может осуществляться отбор воздуха в ГТД и его сжатие в компрессорной системе 10 (см. фиг.1). Сжатый воздух затем может направляться в систему 20 камеры сгорания через топливные горелки 30. В случае протекания сжатого воздуха в форсунки через завихритель 42 воздуха (фиг.2) топливо может впрыскиваться в струю завихренного воздуха для смешивания со сжатым воздухом и образования предварительно смешанной топливовоздушной смеси. Предварительно смешанная топливовоздушная смесь проходит через цилиндр 32 предварительного смешивания для образования пламени в камере 50 сгорания. Для уменьшения выбросов NO_х количество топлива, впрыскиваемого в струю завихренного воздуха, может контролироваться с целью образования обедненной предварительно смешанной топливовоздушной смеси. Эта обедненная предварительно смешанная топливовоздушная смесь может образовывать низкотемпературное пламя, которое может производить уменьшенные выбросы NO_x. Во избежание неустойчивого сгорания и погашения пламени в камеру 50 сгорания через вспомогательный узел 40 может подаваться вспомогательная струя топлива.

Жидкое топливо из вспомогательной трубки 44 жидкого топлива может распыляться в камеру 50 сгорания через вспомогательное сопло 44b жидкого топлива. Жидкое топливо под давлением совместно со сжатым воздухом из вспомогательного воздушного сопла 66а и завихренным сжатым воздухом из вторичного вспомогательного воздушного канала 66b могут содержать вспомогательную струю топлива. Вспомогательная струя топлива может входить в камеру 50 сгорания через центральное отверстие 112. Топливо под давлением и воздух вспомогательной струи топлива могут сгорать у конца вспомогательного узла 40, который примыкает к камере 50 сгорания для образования диффузионного пламени. Диффузионное пламя может служить для стабилизации процесса сгорания в камере 50 сгорания. Продолжительное использование топливной форсунки 30 в ГТД 100 может привести к закоксовыванию жидкого топлива и его отложению на внутренних поверхностях вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. С течением времени эти отложения могут забить трубку и уменьшить количество жидкого топлива, подаваемого в камеру сгорания 50, влияя тем самым на работу двигателя ГТД 100. Таким образом, может потребоваться очистка засоренной вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Кроме того, расположение вблизи высокотемпературного диффузионного пламени может вызвать повреждение компонентов вспомогательной трубки жидкого топлива.

Для отсоединения вспомогательной трубки 44 жидкого топлива от топливной форсунки 30 трубопровод 55 для подачи жидкого топлива может быть отсоединен от вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Затем трубный фитинг 44h на второй стороне 35 топливной форсунки может быть повернут вокруг продольной оси 98 для отсоединения наружной резьбы 44m (на трубном фитинге 44h) от внутренней резьбы 60а на корпусе 30а топливной форсунки. После отсоединения резьб вспомогательную трубку 44 жидкого топлива можно вытянуть из продольной полости 60. После демонтажа можно очистить внутренние поверхности вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Для очистки засоренной вспомогательной трубки 44 жидкого топлива может быть использован любой известный способ очистки по существующему уровню техники, например продувка, химическая промывка и т.д. В некоторых случаях может потребоваться замена вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. В таких случаях можно удалить дефектную вспомогательную трубку 44 жидкого топлива и вместо нее установить новую вспомогательную трубку 44 жидкого топлива. Очищенную вспомогательную трубку 44 жидкого топлива можно снова вставить в продольную полость 60 и повернуть вокруг продольной оси 98 для сопряжения наружной резьбы 44m с внутренней резьбой 60а.

Возможность демонтажа вспомогательной трубки 44 жидкого топлива с топливной форсунки 30 легко позволяет обслуживать топливную форсунку 30 в условиях эксплуатации. Возможность обслуживания топливной форсунки 30 в условиях эксплуатации может сэкономить время и снизить расходы, связанные с очисткой засоренной вспомогательной трубки 44 жидкого топлива. Кроме того, возможность очистки засоренной вспомогательной трубки 44 жидкого топлива легко может уменьшить необходимость использования способов основательной фильтрации топлива для удаления твердых частиц из жидкого топлива. Возможность отделения вспомогательной трубки 44 жидкого топлива от топливной форсунки 30 также может позволить соединять топливную форсунку со вспомогательной трубкой жидкого топлива более поздней разработки, тем самым обеспечивая модернизацию топливной форсунки 30.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что описанная топливная форсунка со съемной вспомогательной трубкой жидкого топлива может иметь различные модификации или изменения. Другие варианты выполнения будут понятны специалистам в данной области техники из рассмотрения описания и применения представленной топливной форсунки со съемной вспомогательной трубкой жидкого топлива. Следует учесть, что описание и примеры рассматриваются только в качестве образца, при этом истинный объем указывается в следующих ниже пунктах формулы изобретения и их эквивалентах.

Реферат

Топливная форсунка (30) газотурбинного двигателя содержит корпус форсунки с продольной осью, цилиндр предварительного смешивания, по существу, цилиндрический вспомогательный узел, и вспомогательную трубку жидкого топлива. В корпусе форсунки выполнен один или множество каналов, кольцеобразно расположенных вокруг продольной оси, и впускное отверстие для впуска сжатого воздуха. Цилиндр предварительного смешивания имеет ближний конец и дальний конец и расположен по окружности вокруг продольной оси. Цилиндр предварительного смешивания имеет гидравлическую связь с каналами топлива и впускным отверстием для впуска сжатого воздуха у ближнего конца и сконфигурирован для соединения с камерой сгорания газотурбинного двигателя у дальнего конца. По существу, цилиндрический вспомогательный узел расположен радиально внутри цилиндра предварительного смешивания и имеет первый конец и второй конец. Второй конец соединен с корпусом форсунки, а первый конец расположен вблизи дальнего конца цилиндра предварительного смешивания. Вспомогательную трубку жидкого топлива имеет третий конец и четвертый конец, расположенные радиально внутри вспомогательного узла. Четвертый конец соединен с возможностью разборки с корпусом форсунки, а третий конец расположен вблизи первого конца вспомогательного узла. Изобретение направлено на облегчение демонтажа и очистки линий жидкого топлива топливной форсунки. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула