Газотурбинный агрегат с сужающимся жидкостным каналом форсунки - RU2664904C2
Код документа: RU2664904C2
Чертежи
Описание
Область технического применения
Настоящее изобретение в целом относится к газотурбинным агрегатам, в частности к топливным форсункам с сужающимся жидкостным каналом. Предпосылки создания изобретения
Газотурбинные агрегаты содержат компрессор, камеру сгорания и секции турбины. Топливо для газотурбинных двигателей, при нагревании выше определенной температуры, может закоксовываться внутри топливной форсунки, включая жидкостный канал.
В патенте США 6141954 В. Сова (W. Sowa) описывает топливную форсунку с предварительным смешением топлива для промышленного газотурбинного агрегата. Топливная форсунка с предварительным смешением топлива включает в себя вытянутое в осевом направлении центральное тело и пару смещенных в радиальном направлении спиральных канавок, разделяющих смесительную камеру. Передний конец каждой спиральной канавки взаимодействует с задним концом смежной спиральной канавки, определяя, по касательной, размер впускного отверстия для впуска в смесительную камеру потока первичного воздуха, участвующего в горении. Каналы для впрыска топлива простираются вдоль каждого впускного отверстия, впрыскивающего первичное топливо во входящий воздушный поток.
Настоящее изобретение направлено на решение одной или более проблем, описанных автором.
Краткое изложение сущности изобретения
Описывается жидкостный канал для топливной форсунки газотурбинного агрегата. Жидкостный канал включает в себя тело канала, спиральную канавку жидкостного канала, несколько впускных отверстий форсунок и несколько выступов форсунок. Спиральная канавка жидкостного канала выполнена в теле канала и простирается по окружности от первого конца до второго конца. Спиральная канавка жидкостного канала включает в себя сужение с площадью поперечного сечения спиральной канавки жидкостного канала, уменьшающейся от первого конца ко второму концу. Каждый вход форсунки имеет жидкостную связь со спиральной канавкой жидкостного канала. Каждый выступ форсунки выровнен относительно каждого из входов форсунки.
Предлагается способ капитального ремонта форсунки газотурбинного агрегата. Способ включает в себя снятие наружной камеры предварительного смешивания с форсунки. Способ также включает в себя снятие внутренней камеры предварительного смешивания с форсунки. Снятие внутренней камеры предварительного смешивания включает в себя снятие стопорного кольца, выполненного для крепления внутренней камеры предварительного смешивания к корпусу форсунки. Способ также включает в себя снятие узла жидкостного канала с форсунки. Снятие узла жидкостного канала включает в себя механическую обработку частей узла жидкостного канала, присоединенных к корпусу форсунки. Способ также включает в себя присоединение нового узла жидкостного канала к корпусу форсунки.
Краткое описание чертежей
На РИС. 1 представлено схематическое изображение примерного газотурбинного агрегата.
На РИС. 2 представлен вид в перспективе топливной форсунки, изображенной на РИС. 1.
На РИС. 3 представлен вид в поперечном разрезе распылительного устройства форсунки, изображенной на РИС. 2.
На РИС. 4 представлен вид в перспективе узла жидкостного канала, изображенного на РИС. 3.
На РИС. 5 представлено схематическое изображение жидкостного канала, изображенного на РИС. 4.
На РИС. 6 представлен вид в поперечном разрезе жидкостного канала, изображенного на РИС. 5.
На РИС. 7 представлен вид распылительного устройства форсунки с пространственным разнесением деталей, изображенной на РИС. 3.
На РИС. 8 представлена блок-схема последовательности операций при капитальном ремонте форсунки, изображенной на РИС. 2.
Подробное описание изобретения
Системы и способы, описанные здесь, включают в себя газотурбинный агрегат с форсункой, содержащей жидкостный канал. В вариантах осуществления, жидкостный канал представляет собой кольцо или полый цилиндр со спиральной канавкой жидкостного канала, проходящей в кольце или полом цилиндре, причем спиральная канавка жидкостного канала представляет собой кольцевой канал. Спиральная канавка жидкостного канала выполнена сужающейся с размерами, обеспечивающими скорость подачи жидкого топлива по спиральной канавке жидкостного канала выше заранее заданного значения. В некоторых вариантах осуществления, спиральная канавка жидкостного канала выполнена для поддержания скорости потока топлива, определяющей его турбулентность в процессе работы газотурбинного агрегата. Поддержание более высокой скорости потока топлива сокращает время пребывания в жидкостном канале, снижает теплопередачу в топливо, уменьшает температуру топлива во время работы газотурбинного агрегата. Снижение температуры топлива уменьшает или предотвращает закоксовывание топливных каналов.
На РИС. 1 представлено схематическое изображение примерного газотурбинного агрегата. Для ясности и простоты объяснения некоторые из поверхностей были опущены или увеличены (здесь и на других рисунках). Кроме того, в описании возможны ссылки на направление вперед и назад вдоль оси. Как правило, все ссылки "вперед" и "назад" вдоль оси связаны с направлением потока первичного воздуха (т.е. воздуха, используемого в процессе сгорания топлива), если не указано иное. Например, вперед понимается как "передний по ходу" по отношению к первичному воздушному потоку, а назад понимается как "задний по ходу" по отношению к первичному воздушному потоку.
Кроме того, в описании приводится ссылка на осевую линию 95 вращения газотурбинного агрегата, которая, как правило, представляет собой продольную ось вала 120 агрегата (вала, уложенного на несколько подшипниковых узлов 150). Осевая линия 95 может быть общей или совпадать с другими различными концентричными элементами двигателя. Все ссылки на радиальные и осевые направления, направления по окружности и размеры со ссылкой на осевую линию 95, если не указано иное, а также термины «внутренний» и «наружный» обычно указывают на меньшее или большее расстояние по радиусу, где радиус 96 может быть в любом перпендикулярном и направленном наружу направлении от осевой линии 95.
Газотурбинный агрегат 100 включает в себя: устройство впуска 110, вал 120, компрессор 200, камеру сгорания 300, турбину 400, устройство выпуска 500 и муфту 600 отбора мощности. Газотурбинный агрегат 100 может быть одновальным или двухвальным.
Компрессор 200 включает в себя ротор компрессора в сборе 210, неподвижные лопатки компрессора (направляющие лопатки) 250 и входной направляющий аппарат 255. Ротор компрессора в сборе 210 механически соединен с валом 120. Как показано, ротор компрессора в сборе 210 представляет собой осевой компрессор. Ротор компрессора в сборе 210 включает в себя один или несколько дисков ротора компрессора в сборе 220. Каждый диск ротора компрессора в сборе 220 содержит диск ротора компрессора с установленными по окружности лопатками ротора компрессора. Направляющие лопатки 250 осесимметричны каждому из дисков ротора компрессора в сборе 220. Каждый диск ротора компрессора в сборе 220 в паре с соседними направляющими лопатками 250, следующими за диском ротора компрессора в сборе 220, образуют собой ступень компрессора. Компрессор 200 включает в себя несколько ступеней компрессора. Входной направляющий аппарат 255 расположен вдоль оси, предваряя ступени компрессора.
Камера сгорания 300 включает в себя одну или несколько форсунок 310 и включает в себя одну или несколько камер сгорания 390. Каждая форсунка 310 включает в себя распылительное устройство 320 (показано на РИС. 2 и 3), которое включает узел жидкостного канала 340 (показано на РИС. 3 и 4). В изображенном газотурбинном агрегате каждая форсунка 310 установлена в камере сгорания 300 осесимметрично относительно осевой линии 95 через радиальную часть 399 кожуха камеры сгорания 398 или кожуха диффузора компрессора.
Турбина 400 включает в себя ротор турбины в сборе 410 и сопла турбины 450. Ротор турбины в сборе 410 механически соединен с валом 120. Как показано, ротор турбины в сборе 410 представляет собой осевой компрессор. Ротор турбины в сборе 410 включает в себя один или несколько дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 содержит диск турбины с установленными по окружности лопатками турбины. Сопла турбины 450 расположен вдоль оси, предваряя каждый из дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 в паре с соседними соплами турбины 450, следующими за диском турбины в сборе 420, представляют собой ступень турбины. Турбина 400 включает в себя несколько ступеней турбины.
Устройство выпуска 500 включает в себя выхлопной диффузор 520 и коллектор выхлопных газов 550.
На РИС. 2 представлен вид в перспективе топливной форсунки (310), изображенной на РИС. 1. Форсунка 310 включает в себя фланец 317, распылительное устройство 320, первую основную газоподводящую трубку 311, вторую основную газоподводящую трубку 312, опорную трубку 313, шток впускной жидкостной трубки 314, впускную жидкостную трубку 354 (показано на РИС. 3), управляющий золотник 316 и жидкостную пусковую трубку в сборе 370 (показано на РИС. 3). Фланец 317 представляет собой цилиндрический диск. Фланец 317 включает в себя фланцевые отверстия под болт 319 для крепления форсунки 310 газотурбинного агрегата 100 по радиусу части кожуха 399 (РИС. 1). Фланец 317 оснащен ручками 318. Штуцеры 379 основной магистрали газового топлива и основной магистрали жидкого топлива в сборе присоединяются к разделительному блоку, такому как основной распределительный блок 386 магистрали газового топлива, прикрепленный к внешней или несущей поверхности фланца 317. Источники жидкого и газового топлива подсоединяются к штуцерам 379.
Распылительное устройство 320 включает в себя сборочную ось 309 (показано на РИС. 3). Все ссылки на радиальные, осевые направления, направления по окружности и размеры распылительного устройства 320, элементы распылительного устройства 320 со ссылкой на сборочную ось 309 и термины «внутренний» и «наружный» обычно указывают на меньшее или большее расстояние по радиусу от сборочной оси 309. Центр фланца 317 может быть смещен от сборочной оси 309.
На РИС. 3 представлен вид в поперечном разрезе распылительного устройства (320) форсунки, изображенной на РИС. 2. Как показано на РИС. 2 и 3, распылительное устройство 320 включает в себя: корпус в сборе 321, наружный колпак 315, наружную камеру предварительного смешивания (330), внутреннюю камеру предварительного смешивания (360), крышку камеры предварительного смешивания 324, узел жидкостного канала 340, экран 392, стопорное кольцо 355, жидкостную пусковую трубку в сборе 370 и пусковой кожух 380. Корпус в сборе 321 включает в себя: корпус форсунки 322 и кожух основной магистрали газового топлива 323. Корпус форсунки 322 представляет собой диск или основание цилиндрической формы с соосной полой частью цилиндра, выступающей назад от основания. Диаметр полой части цилиндра может быть больше диаметра основания.
Как показано на РИС. 3, корпус форсунки 322 включает в себя: жидкостное пусковое отверстие 326, воздушные каналы подачи воздуха 325, отверстие 327 основной жидкостной магистрали, втулку 328 с раззенкованным отверстием и выемку 329 под стопорное кольцо. Жидкостное пусковое отверстие 326 выполняется соосно корпусу форсунки 322 и проходит через основание корпуса форсунки 322 в осевом направлении. Воздушные каналы подачи воздуха 325 также проходят через основание корпуса форсунки 322 в осевом направлении. Воздушные каналы подачи воздуха 325 располагаются радиально наружу от сборочной оси 309 и жидкостного пускового отверстия 326 и могут располагаться радиально внутрь от внутренней поверхности части полого цилиндра корпуса форсунки 322. В вариантах осуществления, корпус форсунки 322 включает в себя четыре воздушных канала подачи воздуха 325.
Отверстие 327 основной жидкостной магистрали располагается радиально наружу от сборочной оси 309 и воздушного канала подачи воздуха 325 и может располагаться радиально внутрь от внутренней поверхности части полого цилиндра корпуса форсунки 322. Втулка 328 с раззенкованным отверстием располагается соосно отверстию 327 основной жидкостной магистрали и частично вдается вперед в основание корпуса форсунки 322 с задней стороны основания.
Выемка 329 под стопорное кольцо представляет собой кольцевую выемку, выполненную на заднем конце части полого цилиндра корпуса форсунки 322. Выемка 329 под стопорное кольцо может иметь резьбу или упорную кромку, или кольцевой выступ, выполненные для удержания на месте стопорного кольца 355.
Как показано на РИС. 2 и 3, кожух основной магистрали газового топлива 323 представляет собой полое цилиндрическое тело С, U или J- образного поперечного сечения, вращающееся вокруг сборочной оси 309 форсунки. Кожух основной магистрали газового топлива 323 включает в себя выступы 308 подачи топлива. Выступы 308 подачи топлива представляют собой утолщенные части или элементы, выступающие радиально из внутренней части полого цилиндрического тела кожуха основной магистрали газового топлива 323. Выступы 308 подачи топлива включают в себя каналы подачи топлива. Один конец тела С, U, или J- образной формы присоединен к части полого цилиндра корпуса форсунки 322, по радиусу или почти по радиусу наиболее удаленной части полого цилиндра корпуса форсунки 322, в то время как другой конец тела С, U или J-образной формы присоединен к основанию корпуса форсунки 322, по радиусу или почти по радиусу наиболее удаленной части основания. Подсоединение U или J-образного кожуха основной магистрали газового топлива 323 к корпусу форсунки 322 образует кольцевую камеру между кожухом основной магистрали газового топлива 323 и корпусом форсунки 322. Корпус форсунки 322 и кожух основной магистрали газового топлива 323 спаиваются или свариваются.
Наружный колпак 315 имеет куполообразную форму и крепится корпусу в сборе 321 по радиусу внешней поверхности кожуха основной магистрали газового топлива 323. Наружный колпак 315 включает в себя несколько отверстий и каналов.
Как показано на РИС. 2, первая основная газоподводящая трубка 311 и вторая основная газоподводящая трубка 312 простираются из основной топливной магистрали (не показано) и фланца 317 в осевом направлении к выступам 308 подачи топлива (показано на РИС. 3). Первая основная газоподводящая трубка 311 и вторая основная газоподводящая трубка 312 имеют жидкостную связь с кожухом основной магистрали газового топлива и отверстиями подачи.
Опорная трубка 313 подсоединяется к фланцу 317 и кожуху основной магистрали газового топлива 323 корпуса в сборе 321. Опорная трубка 313 выступает внутрь, в осевом и радиальном направлении, от фланца 317 к корпусу в сборе 321, относительно сборочной оси 309 форсунки.
Шток впускной жидкостной трубки 314 и управляющий золотник 316 простираются от фланца 317 к распылительной головке 320 в осевом направлении. Шток впускной жидкостной трубки 314 представляет собой круглую трубку и присоединен к кожуху основной магистрали газового топлива 323. Шток впускной жидкостной трубки 314 присоединяется к кожуху основной магистрали газового топлива 323 или рядом, где опорная трубка 313 соединяется с кожухом основной магистрали газового топлива 323. Управляющий золотник 316 присоединяется и частично вставляется в жидкостное пусковое отверстие 326 корпуса форсунки 322. Шток впускной жидкостной трубки 314 приваривается или припаивается к кожуху основной магистрали газового топлива 323, а управляющий золотник 316 приваривается или припаивается к корпусу форсунки 322.
Впускная жидкостная трубка 354 выступает по оси за шток впускной жидкостной трубки 314 из разъема основной жидкостной магистрали и фланца 317 к корпусу форсунки 322 и из отверстия 327 основной жидкостной магистрали корпуса форсунки 322.
На РИС. 4 представлен вид в перспективе узла жидкостного канала, изображенного на РИС. 3. Как показано на РИС. 3 и 4, узел жидкостного канала 340 включает в себя: втулку 353, крышку 342 канала, жидкостный канал 341, форсунки 351 и синхронизатор 352. Впускная жидкостная трубка 354 подсоединяется к крышке 342 канала. Втулка 353 размещена рядом с крышкой 342 канала, приблизительно в конце впускной жидкостной трубки 354, прикрепленной или подсоединенной к крышке 342 канала. Втулка 353 размещается во втулке 328 с раззенкованным отверстием.
На РИС. 5 представлено схематическое изображение жидкостного канала (341), изображенного на РИС. 4. Как показано на РИС. 4 и 5, жидкостный канал 341 включает в себя тело канала (350) и спиральную канавку (343) жидкостного канала. Жидкостный канал 341 также включает в себя: сопрягаемые поверхности 356, входы 344 форсунок, выступы 347 форсунок и выступ синхронизатора 348. Тело канала 350 представляет собой кольцо или полый цилиндр, соосный узлу 340 жидкостного канала и сборочной оси 309 форсунки. Как показано на РИС. 5, сопрягаемая поверхность 356 является передней поверхностью тела канала 350. Сопрягаемая поверхность 356 обращена в осевом направлении. Жидкостный канал 341 включает в себя спиральную канавку (343) жидкостного канала, кольцевой канал, охватывающий сопрягаемую поверхность 356 от первого конца 345 ко второму концу 346, и простирающийся в тело канала 350. В одном варианте осуществления, спиральная канавка (343) жидкостного канала охватывает девяносто три процента окружности тела канала 350. В другом варианте осуществления, спиральная канавка (343) жидкостного канала охватывает от девяносто до девяносто пяти процентов окружности тела канала 350.
На РИС. 6 представлен вид в поперечном разрезе жидкостного канала (341), изображенного на РИС. 5. В варианте осуществления, показанного на РИС. 5 и 6, спиральная канавка (343) жидкостного канала сужается от первого конца 345 до второго конца 346 с площадью поперечного сечения спиральной канавки (343) жидкостного канала, уменьшающейся от первого конца (345) ко второму концу (346). Спиральная канавка (343) жидкостного канала имеет постоянное сужение от первого конца (345) до второго конца (346). В других вариантах осуществления, спиральная канавка (343) жидкостного канала включает в себя сужающиеся секции и секции с постоянной площадью поперечного сечения. Величина сужения может меняться, так как площадь поперечного сечения спиральной канавки (343) жидкостного канала уменьшается.
Поперечное сечение спиральной канавки (343) жидкостного канала меняется по глубине и ширине. Глубина представляет собой осевую высоту спиральной канавки (343) жидкостного канала в теле канала 350, а ширина представляет собой радиальную длину спиральной канавки (343) жидкостного канала в теле канала 350. В показанном варианте глубина спиральной канавки жидкостного канала уменьшается от первого конца 345 ко второму концу 346, что уменьшает площадь поперечного сечения спиральной канавки (343) жидкостного канала, формируя сужение. В других вариантах осуществления ширина спиральной канавки (343) жидкостного канала уменьшается от первого конца 345 до второго конца 346, формируя сужение. В других вариантах осуществления, глубина и ширина спиральной канавки (343) жидкостного канала уменьшаются от первого конца 345 до второго конца 346, формируя сужение.
В варианте осуществления, показанного на РИС. 6, поперечное сечение спиральной канавки (343) жидкостного канала представляет собой вытянутую полуокружность или прямоугольник с полуокружностью на конце. Также могут быть использованы другие формы поперечного сечения, такие как прямоугольники, квадраты, и круги. Края прямоугольных и квадратных сечений могут быть закруглены.
Как показано на РИС. 4, шесть выступов 347 форсунок простираются назад от радиальной поверхности тела канала 350 в противоположном от сопрягаемой поверхности 356 направлении, соосно направлению, противоположному сопрягаемой поверхности 356, в показанном варианте осуществления. Размер каждого выступа 347 форсунки соответствует габаритам одной форсунки 351. Каждый выступ 347 форсунки имеет полую цилиндрическую форму с диаметром, меньшим, чем радиальная толщина тела канала 350. Выступы 347 форсунки равномерно располагаются по жидкостному каналу 341 через шестьдесят градусов между смежными выступами 347 форсунок. В других вариантах осуществления может быть использовано разное количество выступов 347 форсунок. Также могут быть использованы различные формы, размеры и расстояния.
В показанном варианте осуществления, выступ синхронизатора 348 простирается назад в осевом направлении от радиальной поверхности, противоположной сопрягаемой поверхности 356, между двумя выступами 347 форсунки. Выступ синхронизатора 348 выполняется в форме, аналогичной форме выступов 347 форсунки и рассчитан для крепления синхронизатора 352. Синхронизатор 352 может иметь цилиндрическую форму. Синхронизатор 352 выравнивает положение внутренней камеры предварительного смешивания (360) в распылительном устройстве 320.
Как показано на РИС. 4-6, входы 344 форсунок простираются в осевом направлении от спиральной канавки (343) жидкостного канала через полое цилиндрическое тело жидкостного канала 341. Каждое вход 344 форсунки совпадает с выступом 347. Каждый вход 344 форсунки имеет жидкостную связь со спиральной канавкой (343) жидкостного канала и с форсункой 351. Поскольку глубина спиральной канавки (343) жидкостного канала уменьшается от первого конца 345 до второго конца 346, то соответствующая длина входов 344 форсунки может быть больше.
В показанном варианте осуществления, жидкостный канал 341 включает в себя шесть входов 344 форсунки, равномерно расположенных по жидкостному каналу 341 через шестьдесят градусов 344 между смежными выступами форсунок. В других вариантах осуществления, может быть использовано разное количество форсунок 351. Также могут быть использованы различные формы, размеры и расстояния. Каждая форсунка 351 устанавливается в выступах 347 форсунок и приваривается или припаивается к выступам 347 форсунок.
Как показано на РИС. 5, жидкостный канал 341 включает в себя паз 382 снижения теплопередачи. В варианте осуществления, показанном на РИС. 5, паз 382 снижения теплопередачи выполнен на части окружности тела канала 350, которая не включает в себя спиральной канавки 343 жидкостного канала. Паз 382 снижения теплопередачи начинается рядом со вторым концом 346 и оканчивается рядом с первым концом 345.
Как показано на РИС. 3, крышка 342 канала представляет собой кольцо или полый цилиндр С или U- образного поперечного сечения, вращающийся вокруг оси узла жидкостного канала 340, соосно сборочной оси 309 форсунки. Крышка 342 канала включает в себя трубчатый выступ 349 впуска жидкости, простирающийся вперед в осевом направлении от кольца или полого цилиндрического тела крышки 342 канала. Впускная жидкостная трубка 354 входит в трубчатый выступ 349 впуска жидкости. Втулка 353 располагается радиально вокруг трубчатого выступа 349 впуска жидкости.
Крышка 342 канала надевается на наружную часть периферийной поверхности жидкостного 341 канала. Сопрягаемая поверхность 356 соприкасается с внутренней поверхностью крышки 342 канала и образует уплотнение с крышкой 342 канала. Крышка 342 канала припаивается или приваривается к жидкостному 341 каналу с наружной и внутренней периферийной поверхности жидкостного 341 канала.
Как показано на РИС. 3, экран 392 включает в себя осевую часть, расположенную радиально внутрь от жидкостного канала 341 и радиальную часть, выступающую от осевой части, расположенную в осевом направлении между жидкостным каналом 341 и внутренней камерой предварительного смешивания 360.
Внутренняя камера предварительного смешивания 360 включает в себя сопрягаемый конец 361, среднюю трубу 362, наконечник 363 и внутреннюю поверхность 365 камеры предварительного смешивания. В варианте осуществления, показанного на РИС. 3, сопрягаемый конец 361 представляет собой воронку с гиперболической поверхностью, которая включает в себя кольцевую часть диска 367 и часть 368 поверхности переноса, которая искривляется в заднюю сторону в осевом направлении от кольцевой части диска 367. В других вариантах осуществления, часть поверхности переноса образуется из тел с различным поперечным сечением, вращающихся вокруг оси внутренней камеры предварительного смешивания 360, которые проходят в радиальном направлении внутрь и в осевом направлении от кольцевой части диска 367 к началу образования перехода от радиального направления к осевому направлению.
Сопрягаемый конец 361 включает в себя наружную цилиндрическую часть 375, удерживающую кромку 364, отверстие 369 синхронизатора и продувочный канал 366. Наружная цилиндрическая часть 375 выступает вперед в осевом направлении от наружной радиальной кольцевой части диска 367, в направлении противоположном наконечнику 363. Наружная цилиндрическая часть 375 имеет форму полого цилиндра круглого сечения. Удерживающая кромка 364 выступает радиально наружу от наружной цилиндрической части. В показанном варианте осуществления удерживающая кромка 364 также выступает в осевом направлении вперед. Отверстие 369 синхронизатора совпадает с размером синхронизатора 352 и выравнивается с синхронизатором 352 при сборке. Сопрягаемый конец 361 включает в себя утолщение или выступ вокруг отверстия 369 синхронизатора.
Сопрягаемый конец 361 включает в себя продувочный канал 366. Продувочный канал 366 выступает через часть 368 поверхности переноса. Продувочный канал 366 выполнен для направления воздуха вдоль внутренней поверхности 365 камеры предварительного смешивания. В показанном варианте осуществления, сопрягаемый конец 361 включает в себя 12 продувочных каналов 366, равномерно распределенных через тридцать градусов от сопрягаемого конца 361, выступая в осевом направлении через сопрягаемый конец 361. В других вариантах осуществления может быть использовано разное количество продувочных каналов 366. Продувочные каналы 366 имеют такие размеры и такую конфигурацию, которые не допускают или допускают минимальный перепад давления в продувочном канале 366. Также могут быть использованы различные формы, размеры, расстояния и конфигурации.
Средняя труба 362 приваривается или припаивается к заднему сопрягаемому концу 361. В варианте осуществления, показанном на РИС. 3, средняя труба 362 продолжает форму воронки с гиперболической поверхностью сопрягаемого конца 361. В других вариантах осуществления, средняя труба 362 представляет собой усеченный конус, воронку или тело, с изогнутыми внешними и внутренними поверхностями в поперечном сечении, вращающееся вокруг оси внутренней камеры предварительного смешивания 360.
Наконечник 363 приваривается или припаивается к заднему концу средней трубы 362. В варианте осуществления, показанном на РИС. 3, наконечник 363 включает в себя изогнутую часть 357, цилиндрическую часть 358 и торцевую поверхность 359. Изогнутая часть 357 продолжает воронку с гиперболической поверхностью сопрягаемого конца 361, среднюю трубу 362 и переходы от искривленной части средней трубы к полому цилиндру круглого сечения. Цилиндрическая часть 358 представляет собой полый цилиндр круглого сечения, расширяющийся назад от изогнутой части 357. Торцевая поверхность 359 простирается радиально внутрь от заднего конца цилиндрической части 358, образуя кольцевой диск, задний конец которого является осевым концом цилиндрической части 358, отдаленной от центра сопрягаемого конца 361.
Внутренняя поверхность 365 камеры предварительного смешивания, по меньшей мере, представляет собой часть наружной поверхности внутренней камеры предварительного смешивания 360. Внутренняя поверхность 365 камеры предварительного смешивания представляет собой поверхность вращения вокруг оси внутренней камеры предварительного смешивания 360 с образованием переходов от радиальной или кольцевой поверхности к периферической или цилиндрической поверхности. В показанном варианте осуществления, внутренняя поверхность 365 камеры предварительного смешивания представляет собой воронку с гиперболической поверхностью или сегмент псевдосферы. В других вариантах осуществления, радиальная поверхность может переходить в цилиндрическую поверхность в виде комбинацией прямых или искривленных сегментов, вращающихся вокруг оси внутренней камеры предварительного смешивания 360.
В варианте осуществления, показанного на РИС. 3, стопорное кольцо 355 представляет собой кольцо. Размер стопорного кольца 355 позволяет устанавливать его в выемку 329 под стопорное кольцо. В показанном варианте осуществления стопорное кольцо 355 и выемка 329 под стопорное кольцо имеют резьбу для крепления стопорного кольца 355 к корпусу форсунки 322. Для крепления стопорного кольца 355 к корпусу форсунки 322 могут использоваться другие стопорные или блокирующие механизмы. Стопорное кольцо 355 выполнено для закрепления, стопорения или запирания внутренней камеры предварительного смешивания 360 в распылительном устройстве 320. В показанном варианте осуществления, стопорное кольцо 355, в заднем осевом направлении, радиально совмещено с удерживающей кромкой 364, закрепляющей внутреннюю камеру предварительного смешивания 360 на корпусе форсунки 322.
Жидкостная пусковая трубка в сборе 370 выступает в осевом направлении через управляющий золотник 316 из пускового соединителя и через распылительное устройство 320. Жидкостная пусковая трубка в сборе 370 выполнена соосно сборочной оси 309 форсунки. Пусковой кожух 380 располагается радиально наружу от части жидкостной пусковой трубки в сборе 370 и радиально внутрь от внутренней камеры предварительного смешивания 360. Пусковой кожух 380 выступает назад от корпуса форсунки 322.
Наружная камера предварительного смешивания 330 включает в себя камеру 331, концевую часть 332 камеры и наружную поверхность 339 камеры предварительного смешивания. Камера 331 включает в себя часть корпуса 337, часть камеры 338 и лопатки 333. Часть корпуса 337 выполнена в виде кольцевого диска. Часть камеры 338 выступает назад по оси от части корпуса 337. В варианте осуществления, показанном на РИС. 3, часть камеры 338 простирается от задней, в радиальном направлении, и от внутренней части корпуса 337. Часть камеры 338 представляет собой полый цилиндр или цилиндрическую трубу. Полый цилиндр или цилиндрическая труба может иметь сужение. Сужающийся цилиндр представляет собой усеченный полый конус. Лопатки 333 выступают вперед по оси от части корпуса 337. В варианте осуществления, показанного на РИС. 3, лопатки 333 имеют клинообразную форму с усеченной или снятой кромкой клина. Лопатки 333 могут иметь другие формы, позволяющие направлять и завихрять воздух в камере предварительного смешивания. Каждая лопатка 333 включает в себя внутреннюю поверхность 387 и вентиляционные каналы 334. Внутренняя поверхность 387 представляет собой поверхность на конце лопатки 333, т.е. внутреннюю поверхность лопасти 333 в радиальном направлении. Внутренняя поверхность 387 может быть периферийной поверхностью. Вентиляционные каналы 334 проходят через каждую лопатку 333 и выходят из лопатки 333 на внутреннюю поверхность 387.
Концевая часть 332 камеры соединяется с камерой 331, на заднем конце части камеры 338, сваркой или пайкой. Часть камеры 338 представляет собой полый цилиндр или цилиндрическую трубу, подобную форме части камеры 338. Крышка камеры предварительного смешивания 324 приваривается или припаивается к заднему концу концевой части 332 камеры и к наружной поверхности концевой части 332 камеры. Крышка камеры предварительного смешивания 324 имеет С, U или J- образное поперечное сечение и вращается вокруг сборочной оси 309 форсунки. Крышка камеры предварительного смешивания 324 образует воздушный карман или канал с концевой часть 332 камеры.
Наружная поверхность 339 камеры предварительного смешивания включает в себя радиальные внутренние цилиндрические поверхности камеры 331 и концевую часть 332 камеры. При установке распылительного устройства 320 наружная поверхность 339 камеры предварительного смешивания располагается радиально наружу от внутренней поверхности 365 камеры предварительного смешивания.
На РИС. 7 представлен вид распылительного устройства (320) форсунки с пространственным разнесением деталей, изображенной на РИС. 3. Как показано на РИС. 3 и 7, наружная камера предварительного смешивания (330) крепится к корпусу в сборе 321 болтами 389 и стопорными пластинами 388. Внутренняя камера предварительного смешивания 360 крепится к корпусу в сборе 321 стопорным кольцом 355. В некоторых вариантах осуществления, стопорное кольцо 355 ввинчивается в корпус в сборе 321.
Один или несколько из перечисленных выше компонентов (или их составляющие) изготавливаются из нержавеющей стали и/или прочных высокотемпературных материалов, известных как "жаропрочный сплав".
Жаропрочный сплав или высокоэффективный сплав, представляет собой сплав, обладающий высокой механической прочностью и жаропрочностью, хорошей стабильностью свойств поверхности и стойкостью к окислению и коррозии. Жаропрочные сплавы представлены сплавами "Хастеллой", "Инконель", "Васпаллой", "Рене", "Хайнес", "Инколой", "МР98Т", "ТМС" и монокристаллическими сплавами CMSX
Промышленная применимость
Газотурбинные агрегаты используются в большинстве отраслей промышленности, таких как нефтяная и газовая промышленность (в том числе транспортировка, сбор, хранение, извлечение и подъем нефти и природного газа), производство электроэнергии, комбинированное производство тепловой и электрической энергии, аэрокосмическая отрасль и другие транспортные отрасли.
Согласно РИС. 1 газ (обычно воздух 10) поступает во впускное отверстие 110 в качестве "рабочей текучей среды" и сжимается компрессором 200. В компрессоре 200 рабочая текучая среда сжимается в кольцевом канале 115 рядом дисков ротора компрессора в сборе 220. В частности, воздух 10 сжимается в пронумерованных «ступенях», а ступени связаны с каждым диском ротора компрессора в сборе 220. Например, "4-я воздушная ступень" связана с 4-м диском ротора компрессора в сборе 220 задним по ходу или "задним" считая от, устройства впуска 110 к устройству выпуска 500. Кроме того, каждый диск турбины в сборе 420 связан с пронумерованной ступенью.
После выхода сжатого воздуха 10 из компрессора 200, он подается в камеру сгорания 300, где распыляется и смешивается с топливом. Воздух 10 и топливо впрыскивается в камеру сгорания 390 форсункой 310 и сгорают. Энергия реакции горения приводит в действие турбину 400 каждой ступенью дисков турбины в сборе 420. Отходящий газ 90 рассеивается в выхлопном диффузоре 520, собирается и перенаправляется. Отходящий газ 90 выходит из системы через коллектор выхлопных газов 550 и подвергается дополнительной обработке (например, для уменьшения вредных выбросов и/или рекуперации тепла из отходящего газа 90).
Как показано на РИС. 4-6, во время подачи жидкого топлива в газотурбинный агрегат 100, топливо поступает в первый конец 345 спиральной канавки 343 жидкостного канала из впускной жидкостной трубки 354. Топливо направляется вдоль спиральной канавки 343 жидкостного канала от первого конца 345 ко второму концу 346, причем часть топлива направляется через входы 344 форсунок. При прохождении топлива по спиральной канавке 343 жидкостного канала его температура повышается. Данное повышение температуры вызвано теплопередачей между топливом и узлом жидкостного канала 340. Топливо, нагретое выше определенных температур, может закоксовываться в спиральной канавке 343 жидкостного канала. Например, при температуре выше 204 градусов Цельсия (400 градусов по Фаренгейту) может произойти коксование некоторых видов жидкого топлива.
Сужение спиральной канавки 343 жидкостного канала увеличивает скорость подачи топлива через спиральную канавку 343 жидкостного канала, сокращая время пребывания топлива в спиральной канавке 343 жидкостного канала. Сокращение времени пребывания топлива ведет к снижению температуры топлива.
Спиральная канавка 343 жидкостного канала выполнена для поддержания скорости потока топлива в виде турбулентного потока, подаваемого по спиральной канавке 343. В одном варианте осуществления, скорость потока топлива составляет, по меньшей мере, 2,4 метра/секунду (8 футов/секунду) при номинальной температуре в 15,5 градуса Цельсия (60 градусов Фаренгейта). В другом варианте осуществления, скорость потока топлива находится между 2,4 метра/секунду (8 футов/секунду) и 3,4 метра/секунду (11 футов/секунду) при номинальной температуре в 15,5 градуса Цельсия (60 градусов Фаренгейта). В еще одном варианте, скорость потока топлива находится в пределах между 2,4 метров /секунду (6 футов/секунду) и 3,4 метра/секунду (13,5 футов/секунду) для газотурбинного агрегата 100 в пределах температуры окружающей среды от -40 градусов Цельсия (-40 градусов Фаренгейта) до 49 градусов Цельсия (120 градусов Фаренгейта). Спиральная канавка 343 жидкостного канала выполнена также для поддержания критическим числа Рейнольдса, определяющего турбулентность потока, подаваемого по спиральной канавке 343 жидкостного канала. В одном варианте осуществления число Рейнольдса, по меньшей мере, равно 2000. В другом варианте осуществления, число Рейнольдса находится между 2000 и 6230.
Поддержание скорости потока топлива, определяющей его турбулентность по всей спиральной канавке 343 жидкостного канала, увеличивает коэффициент теплопередачи и снижает максимальную температуру топлива и максимальную температуру стенки спиральной канавки 343 жидкостного канала. Данное снижение температуры предотвращает или уменьшает коксование топлива в спиральной канавке 343 жидкостного канала. В некоторых вариантах осуществления, температура топлива в спиральной канавке 343 жидкостного канала поддерживается ниже 204 градусов Цельсия (400 градусов Фаренгейта). В других вариантах осуществления температура топлива в в спиральной канавке 343 жидкостного канала поддерживается ниже 177 градусов Цельсия (350 градусов Фаренгейта).
За время работы форсунки 310 она может быть капитально отремонтирована. Компоненты распылительной головки 320, в том числе наружная камера предварительного смешивания 330, внутренняя камера предварительного смешивания 360 и узел жидкостного канала 340, возможно потребуют ремонта или замены. Как показано на РИС. 7, наружная камера предварительного смешивания 330, в том числе лопатки 333, снимается с распылительной головки 320 отвинчиванием болтов 389. Внутренняя камера предварительного смешивания 360 снимается после снятия наружной камеры предварительного смешивания 330 удалением стопорного кольца 355. Снятие наружной камеры предварительного смешивания 330 и внутренней камеры предварительного смешивания 360 обеспечивает доступ к узлу жидкостного канала 340, что позволяет осуществить ремонт или замену узла жидкостного канала 340. Экран 392 также снимается, чтобы получить доступ к узлу жидкостного канала 340.
Как показано на РИС. 3, узел жидкостного канала 340 может быть приварен или припаян к корпусу форсунки 322. В вариантах осуществления, втулка 353 впаяна во втулку 328 с раззенкованным отверстием. Узел жидкостного канала 340 снимается с распылительного устройства 320 путем машинной обработки частей узла жидкостного канала 340, приваренных или припаянных к корпусу форсунки 322. Съемные наружная камера предварительного смешивания с лопатками 333 и внутренняя камера предварительного смешивания 360, а также доступ к узлу жидкостного канала 340, снижает затраты на капитальный ремонт и увеличивает срок службы форсунок 310.
Во время работы газотурбинного агрегата 100 концевая часть 332 наружной камеры предварительного смешивания 330 и наконечник 363 внутренней камеры предварительного смешивания 360 примыкают к камере сгорания 390 и подвергаются воздействию высоких температур. Концевая часть 332 камеры и наконечник 363 требуют более ранней замены, чем другие части наружной камеры предварительного смешивания 330 и внутренней камеры предварительного смешивания 360. Замена концевой части 332 камеры или наконечника 363 снижает затраты на текущий и капитальный ремонт форсунок 310.
На РИС. 8 представлена блок-схема последовательности операций при капитальном ремонте форсунки (310). Способ включает снятие наружной камеры предварительного смешивания 330 с форсунки 310 на этапе 810. Этап 810 включает в себя снятие болтов 389, крепящих наружную камеру предварительного смешивания 330 к корпусу форсунки 322. Этап 810 осуществляется после снятия внутренней камеры предварительного смешивания 360 с форсунки 310 на этапе 820. Этап 820 включает в себя снятие стопорного кольца 355. Снятие стопорного кольца 355 может включать в себя вывинчивание стопорного кольца 355 из корпуса форсунки 322.
Этап 820 осуществляется после снятия узла жидкостного канала 340 с форсунки 310 на этапе 830. Снятие узла жидкостного канала 340 включает в себя механическую обработку частей узла 340 жидкостного канала, присоединенных разными способами соединения металлических деталей к корпусу форсунки 322, и включает в себя машинную обработку втулки 353. Этап 830 осуществляется после присоединения нового узла жидкостного канала 340 к корпусу форсунки 322 способами соединения металлических деталей на этапе 840. В одном варианте осуществления, используется способ пайки для соединения металлов. Присоединение нового узла жидкостного канала 340 к корпусу форсунки 322 включает в себя присоединение новой втулки 353 к втулке 328 с раззенкованным отверстием в корпусе форсунки 322.
Предшествующее подробное описание носит лишь иллюстративный характер и не предназначен для ограничения изобретения или применения и использования настоящего изобретения. Описанные варианты осуществления не имеют ограничений в использовании совместно с определенным типом газотурбинного двигателя. Следовательно, хотя настоящее изобретение для удобства объяснения изображает и описывает конкретный жидкостный канал, следует понимать, что жидкостный канал, в соответствии с этим изобретением, может быть реализован в различных других конфигурациях, может быть использован с различными другими типами газотурбинных агрегатов и узлами жидкостного канала и может быть использован в других типах машин. Кроме того, не существует никакого намерения связать его с какой-либо теорией, представленной в предшествующих предпосылках или подробном описании. Следует также понимать, что иллюстрации могут включать увеличенные размеры, чтобы лучше проиллюстрировать представленные ссылки на детали, и не подлежат рассмотрению вопроса об ограничении, если иное не указано в качестве таковых.
Реферат
Изобретение относится к газотурбинным агрегатам, в частности к топливным форсункам с сужающимся жидкостным каналом. Узел жидкостного канала для топливной форсунки газотурбинного агрегата включает в себя тело канала, спиральную канавку жидкостного канала, несколько впускных отверстий форсунок и несколько выступов форсунок. Спиральная канавка жидкостного канала выполнена в теле канала и простирается по окружности от первого конца до второго конца. Спиральная канавка жидкостного канала обладает сужением с площадью поперечного сечения спиральной канавки жидкостного канала уменьшающейся от первого конца ко второму концу. Каждый вход форсунки имеет жидкостную связь со спиральной канавкой жидкостного канала. Каждый выступ форсунки выровнен относительно каждого из входов форсунки. Также представлены топливная форсунка газотурбинного агрегата, включающая узел жидкостного канала, и способ капитального ремонта форсунки газотурбинного агрегата. Изобретение позволяет уменьшить или предотвратить закоксовывание топливных каналов за счёт снижения температуры топлива. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
