Камера сгорания газовой турбины - RU2705862C1
Код документа: RU2705862C1
Чертежи
Описание
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины и, в частности, к конструкции камеры сгорания газовой турбины, которая имеет множество камер сгорания для сжигания топлива путем смешивания с воздухом, и в которой камеры сгорания соединены узлом пламяперебрасывающего патрубка.
2. Описание известного уровня техники
[0002] Известна система, называемая газовой турбиной многосекционного типа, в которой для одной газовой турбины обеспечено множество камер сгорания газовой турбины многосекционного типа (далее называемых камерами сгорания). Как правило, газовая турбина многосекционного типа имеет множество камер сгорания, расположенных в форме кольца вокруг газовой турбины, причем одна или более камер сгорания обеспечены воспламенительным устройством, тогда как в остальных камерах сгорания отсутствуют отдельные воспламенительные устройства. Для осуществления воспламенения в камере сгорания, не имеющей воспламенительного устройства, используется труба, называемая узлом пламяперебрасывающего патрубка, которая соединяет две камеры сгорания, расположенные смежно друг с другом в окружном направлении газовой турбины. При запуске газовой турбины в камеру сгорания подается топливо, и воспламенительное устройство осуществляет воспламенение в камере сгорания, обеспеченной воспламенительным устройством. В такой камере сгорания образуется высокотемпературный отходящий газ сгорания, что приводит к повышению давления, которое превышает давление в смежных камерах сгорания, в которых отсутствует воспламенение. Эта разность давлений приводит к тому, что высокотемпературный отходящий газ сгорания направляется в камеру сгорания, в которой отсутствует воспламенение, через узел пламяперебрасывающего патрубка, соединяющий смежные камеры сгорания, и отходящий газ сгорания служит в качестве источника воспламенения, в результате чего воспламенение также происходит в камере сгорания, в которой отсутствовало воспламенение. Таким образом, воспламенение последовательно распространяется из камеры сгорания, обеспеченной воспламенительным устройством, в смежные камеры сгорания через узел пламяперебрасывающего патрубка, и, в конечном итоге, осуществляется воспламенение во всех камерах сгорания. После завершения воспламенения во всех камерах сгорания и устранения разности давлений между отдельными камерами сгорания поток отходящего газа сгорания через узел пламяперебрасывающего патрубка прекращается.
[0003] В общем узел пламяперебрасывающего патрубка состоит из двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок и внешний патрубок. Внутренний патрубок соединяет секции смежных камер сгорания и обеспечивает прохождение высокотемпературного отходящего газа сгорания внутри секций камер сгорания, что приводит к распространению воспламенения. Внешний патрубок обеспечен со стороны внешней периферии внутреннего патрубка и соединяет каналы прохождения воздуха для сжигания смежных камер сгорания. За счет обеспечения внешнего патрубка уменьшается разность давлений внутри и снаружи внутреннего патрубка, что защищает внутренний патрубок.
[0004] Узел пламяперебрасывающего патрубка является составной частью, необходимой для осуществления воспламенения, и во время воспламенения высокотемпературный газ сгорания должен проходить через внутренний патрубок, что обеспечивает надежное воспламенение. С другой стороны, поскольку внутренний патрубок подвержен воздействию высокотемпературного отходящего газа сгорания, необходимо провести исследование предотвращения тепловой деформации или прогорания. В идеальной ситуации после временного прохождения высокотемпературного отходящего газа сгорания через внутренний патрубок во время воспламенения разность давлений между камерами сгорания будет устранена, и отходящий газ сгорания больше не будет проходить через внутренний патрубок. Однако на практике между смежными камерами сгорания может возникать небольшая разность давлений, и отходящий газ сгорания может продолжать проходить через внутренний патрубок. В связи с этим необходимо провести исследование охлаждения внутреннего патрубка для того, чтобы тепло отходящего газа сгорания не оказывало влияния на воспламенение.
[0005] В дополнение, необходимо провести исследование упрощения сборки и предотвращения деформации во время присоединения узла пламяперебрасывающего патрубка между камерами сгорания. Как правило, в газовой турбине многосекционного типа камеры сгорания расположены вокруг компрессора под наклоном относительно приводного вала для уменьшения длины приводного вала. Расстояние между смежными камерами сгорания сравнительно мало, и узел пламяперебрасывающего патрубка должен быть размещен в сравнительно узком пространстве, окруженном разделительными стенками смежных камер сгорания. Кроме того, во время работы разделительные стенки, образующие камеры сгорания, испытывают тепловое расширение из-за повышения температуры. В связи с этим камера сгорания не только сдвигается в направлении приводного вала, но также сдвигается в радиальном направлении приводного вала, так что смежные камеры сгорания отдаляются друг от друга из-за теплового расширения. В результате узел пламяперебрасывающего патрубка, соединяющий смежные камеры сгорания, вытягивается в осевом направлении. В связи с этим необходимо обеспечить меры предотвращения деформации, например, узел пламяперебрасывающего патрубка с возможностью удлинения в осевом направлении.
[0006], [0007] Известный уровень техники, связанный с проблемами охлаждения, сборки и деформации узла пламяперебрасывающего патрубка, описан, например, в документе JP-1999-14056-A и патенте США № 6,705,088. В соответствии с документом JP-1999-14056-A для охлаждения узла пламяперебрасывающего патрубка внутренний патрубок обеспечен воздушными отверстиями, и воздух для сжигания, проходящий во внешнем патрубке, попадает через воздушные отверстия во внутренний патрубок, охлаждая внутренний патрубок. В дополнение, в патентном документе предлагается способ, в котором делят внутренний патрубок для обеспечения соединительного участка телескопической конструкции на промежуточном участке узла пламяперебрасывающего патрубка в целью упрощения сборки и предотвращения деформации. За счет обеспечения телескопической конструкции и, следовательно, переменной длины узла пламяперебрасывающего патрубка в осевом направлении, упрощается сборка в камерах сгорания, и предотвращается тепловая деформация. Патент США № 6,705,088 обеспечивает способ, в котором соединительный участок внутреннего патрубка обеспечивают каналами, и воздух для сжигания может попадать через каналы во внутренний патрубок, что ускоряет охлаждение соединительного участка.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Как описано в документах известного уровня техники, в качестве способа упрощения присоединения узла пламяперебрасывающего патрубка между камерами сгорания и предотвращения деформации обеспечен способ, в котором делят внутренний патрубок, и обеспечивают соединительный участок телескопической конструкции. В этом способе внутренний диаметр внутреннего патрубка с одной стороны немного превышает наружный диаметр внутреннего патрубка с другой стороны, и внутренние патрубки соединяются друг с другом. В этом случае разница размеров внутренних патрубков обеспечивает зазор, в результате чего может быть реализовано удлинение внутреннего патрубка и предотвращение напряжения при изгибе. В дополнение, воздух для сжигания (далее называемый воздухом) может проходить через зазор на соединительном участке, в результате чего соединительный участок может охлаждаться.
[0009] Что касается охлаждения соединительного участка, в идеале желательно, чтобы два внутренних патрубка на соединительном участке были расположены концентрически для образования кольцевого зазора между ними, что обеспечивает равномерное прохождение воздуха. Поток воздуха равномерно охлаждает соединительный участок в окружном направлении. В дополнение, после прохождения через соединительный участок воздух проходит вдоль внутреннего патрубка со стороны соединительного участка, расположенной ниже по потоку, что приводит к состоянию так называемого пленочного охлаждения, например, для защиты разделительной стенки внутреннего патрубка от высокотемпературного отходящего газа сгорания, проходящего через центральный участок внутреннего патрубка. Пленочное охлаждение имеет высокую эффективность охлаждения, в результате чего широкая зона внутреннего патрубка может охлаждаться меньшим количеством воздуха.
[0010] Однако на практике зазор на соединительном участке не всегда имеет концентрическую форму. Во многих случаях на соединительном участке образуется область, где два внутренних патрубка контактируют друг с другом, так что зазор на соединительном участке является неравномерным. Воздух не попадает в область, где два внутренних патрубка контактируют друг с другом, и отсутствует зазор, в связи с этим повышается температура. В дополнение, вблизи этой области также образуется область малого зазора (например, зазор менее 0,3 мм). В области малого зазора скорость потока воздуха снижается из-за вязкости воздуха, так что охлаждающий эффект воздуха также снижается. В связи с этим температура внутреннего патрубка повышается в широкой зоне с центром в области, где два внутренних патрубка контактируют друг с другом, и вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания возрастает.
[0011] При этом на поверхности стенки внутреннего патрубка скорость потока воздуха является нулевой из-за вязкости воздуха, и скорость потока увеличивается по мере удаления от поверхности стенки. В связи с этим вблизи поверхности стенки разность скоростей потока воздуха особенно велика, и возмущение воздуха также велико. Другими словами, возмущение воздуха возрастает при увеличении площади поверхности стенки канала прохождения воздуха, или, другими словами, возмущение воздуха возрастает при увеличении длины поверхности стенки со стороны канала прохождения воздуха на виде в сечении.
[0012] В качестве способа обеспечения зазора на соединительном участке патент США № 6,705,088 обеспечивает способ, в котором с одной стороны или с обеих сторон внутренних патрубков на соединительном участке обеспечивают каналы. В случае этого способа зазор, через который проходит воздух, обеспечивается за счет обеспечения каналов, однако, поскольку длина поверхности стенки на виде в радиальном сечении (или на виде в сечении, перпендикулярном осевому направлению) внутреннего патрубка увеличивается из-за каналов, возмущение воздуха возрастает по сравнению со случаем, когда каналы отсутствуют. Хотя ожидается эффект улучшения охлаждения за счет увеличения возмущения воздуха на соединительном участке, из-за увеличения возмущения воздуха со стороны соединительного участка, расположенной ниже по потоку, происходит смешивание воздуха с высокотемпературным отходящим газом сгорания. Другими словами, со стороны соединительного участка, расположенной ниже по потоку, снижается эффект защиты внутреннего патрубка пленочным охлаждением, и температура отходящего газа сгорания опускается. В дополнение, способ обеспечения каналов приводит к усложнению конструкции каналов прохождения и повышению затрат на обработку.
[0013] Таким образом, существует необходимость охлаждения узла пламяперебрасывающего патрубка для камер сгорания газовой турбины и снижения вероятности возникновения тепловой деформации или прогорания без понижения температуры отходящего газа сгорания, проходящего через узел пламяперебрасывающего патрубка.
[0014] В соответствии с аспектом настоящего изобретения обеспечена камера сгорания газовой турбины, включающая в себя: множество камер сгорания, каждая из которых включает в себя разделительную стенку, образующую секцию камеры сгорания, и внешнюю периферийную разделительную стенку, обеспеченную с внешней периферии разделительной стенки и образующую канал прохождения воздуха для сжигания между ней и разделительной стенкой; и узел пламяперебрасывающего патрубка, соединяющий смежные камеры сгорания из множества камер сгорания, причем узел пламяперебрасывающего патрубка включает в себя внутренний патрубок, который соединяет разделительные стенки смежных камер сгорания, и внешний патрубок, который обеспечен с внешней периферии внутреннего патрубка и соединяет внешние периферийные разделительные стенки смежных камер сгорания, причем внутренний патрубок разделен в осевом направлении на первый элемент внутреннего патрубка и второй элемент внутреннего патрубка, причем концевой участок второго элемента внутреннего патрубка со стороны первого элемента внутреннего патрубка имеет увеличенный участок, внутренний диаметр которого превышает наружный диаметр первого элемента внутреннего патрубка, и первый элемент внутреннего патрубка и второй элемент внутреннего патрубка образуют соединительный участок таким образом, что часть первого элемента внутреннего патрубка расположена со стороны внутренней периферии увеличенного участка второго элемента внутреннего патрубка с зазором между ними. В камере сгорания газовой турбины форма сечения в радиальном направлении либо внутренней периферийной поверхности второго элемента внутреннего патрубка, либо внешней периферийной поверхности первого элемента внутреннего патрубка на соединительном участке имеет множество участков малой кривизны, кривизна которых меньше контрольной кривизны, причем контрольная кривизна представляет собой кривизну участка, находящегося на максимальном расстоянии от центра формы сечения.
ПРЕИМУЩЕСТВО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] В соответствии с аспектом настоящего изобретения предотвращается смешивание воздуха и высокотемпературного отходящего газа сгорания, проходящего через центральный участок внутреннего патрубка; в связи с этим возрастает эффект охлаждения со стороны соединительного участка, расположенной ниже по потоку, и снижается вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка узла пламяперебрасывающего патрубка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Фиг. 1 представляет собой схематический вид камеры сгорания в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой схематический вид части узла 20 пламяперебрасывающего патрубка камеры сгорания, показанной на Фиг. 1;
Фиг. 3A и 3B представляют собой схематические виды в сечении соединительного участка узла пламяперебрасывающего патрубка в соответствии с известным уровнем техники;
Фиг. 4A-4C представляют собой схематические виды в сечении соединительного участка 40 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка, показанного на Фиг. 2;
Фиг. 5 представляет собой иллюстрацию способа обработки первого элемента 21A внутреннего патрубка, имеющего радиальное сечение, показанное на Фиг. 4A-4C;
Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе элемента 21 внутреннего патрубка, в котором обеспечено восемь участков 46 плоской поверхности;
Фиг. 7A-7C представляют собой схематические виды в сечении соединительного участка 40 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения; и
Фиг. 8 представляет собой иллюстрацию участка 49a малой кривизны, обеспеченного на первом элементе 21A внутреннего патрубка, в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
[0017] Ниже будут описаны газовые турбины в качестве вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Следует отметить, что в следующем далее описании одинаковые составные части обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их описание может быть опущено.
[0018] Первый вариант выполнения
Газовая турбина в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения будет описана со ссылкой на Фиг. 1-4. Фиг. 1 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий камеры сгорания газовой турбины в соответствии с первым вариантом выполнения. Фиг. 2 представляет собой частичный увеличенный вид узла пламяперебрасывающего патрубка, который соединяет камеры сгорания, показанные на Фиг. 1. Фиг. 3A и 3B представляют собой виды в сечении соединительного участка узла пламяперебрасывающего патрубка в соответствии с известным уровнем техники. Фиг. 4A-4C представляют собой виды в сечении соединительного участка узла пламяперебрасывающего патрубка в соответствии с первым вариантом выполнения, описывающие соответственно Фиг. 3A и 3B. Сначала на основе Фиг. 1 и 2 будет описан общий вид камеры сгорания газовой турбины, а также функции и проблемы узла пламяперебрасывающего патрубка. Затем на основе Фиг. 3A-4C будет описано различие между примером известного уровня техники и первым вариантом выполнения настоящего изобретения.
[0019] Как показано на Фиг. 1, газовая турбина 1 включает в себя компрессор 2, выполненный с возможностью сжатия воздуха 7 для сжигания, множество камер 3A и 3B сгорания, выполненных с возможностью сжигания топлива со сжатым воздухом для получения отходящего газа 8 сгорания, турбину 4, приводимую в движение отходящим газом 8 сгорания, полученным в камерах 3A и 3B сгорания, и генератор 5, приводимый в движение турбиной 4. Приводной вал 6 соединяет компрессор 2, турбину 4 и генератор 5. Воздух 7 (воздух для сжигания) сжимается компрессором 2, что приводит к высокому давлению, и смешивается с топливом 15 в камерах 3A и 3B сгорания для сжигания. Высокотемпературный отходящий газ 8 сгорания высокого давления, получаемый в камерах 3A и 3B сгорания, вращает турбину 4, и вращательная энергия турбины 4 преобразуется генератором 5 в электрическую энергию. Камеры 3A и 3B сгорания расположены так, что их головные участки 9A и 9B расположены со стороны компрессора 2, а хвостовые участки 10A и 10B расположены со стороны турбины 4.
[0020] В общем камеры 3A и 3B сгорания состоят из множества камер сгорания газовой турбины многосекционного типа, расположенных между компрессором 2 и турбиной 4 и образующих кольцо вокруг компрессора 2 или приводного вала 6. Фиг. 1 схематически показывает только две камеры сгорания. Две камеры 3A, 3B сгорания включают в себя секции 11A, 11B камер сгорания, разделительные стенки 12A, 12B (оболочки), образующие секции 11A, 11B камер сгорания, каналы 13A, 13B прохождения воздуха для сжигания, по которым проходит воздух 7 для сжигания, и внешние периферийные разделительные стенки 14A, 14B, образующие каналы 13A, 13B прохождения воздуха для сжигания между ними и разделительными стенками 12A, 12B. Эти компоненты 11, 12, 13 и 14 расположены в вышеуказанном порядке от центра каждой из камер 3A и 3B сгорания в направлении радиально внешней стороны. Воздух 7 для сжигания (сжатый воздух), выпускаемый из компрессора 2, имеет собственное направление потока, меняющееся на хвостовых участках 10A и 10B камер сгорания, проходит через каналы 13A и 13B прохождения воздуха для сжигания и попадает в головные участки 9A и 9B камер сгорания. Воздух 7 для сжигания имеет собственное направление потока, снова меняющееся на головных участках 9A и 9B камер сгорания, и смешивается в секциях 11A и 11B камер сгорания с топливом 15, подаваемым снаружи в головные участки 9A и 9B камер сгорания, для сжигания, что приводит к образованию отходящего газа 8 сгорания. Отходящий газ 8 сгорания направляется из хвостовых участков 10A и 10B камер сгорания в турбину 4.
[0021] Следует отметить, что хотя для упрощения объяснение на Фиг. 1 показан случай, когда количество камер сгорания равно двум, то же самое относится к случаям, когда обеспечено три или более камер сгорания. В дополнение, хотя на Фиг. 1 показан случай, когда компрессор 2, турбина 4 и генератор 5 соединены одним приводным валом 6, приводной вал может быть разделен на множество участков. Кроме того, вращательная энергия турбины 4 может использоваться для приведения в движение другого вращающегося тела, а не генератора 5.
[0022] Газовая турбина 1, показанная на Фиг. 1, дополнительно включает в себя воспламенительное устройство 17, обеспеченное в камере 3A сгорания, для обеспечения искрового разряда в секции 11A камеры сгорания, и узел 20 пламяперебрасывающего патрубка, который соединяет разделительные стенки 12A и 12B двух камер 3A и 3B сгорания, расположенных смежно друг с другом в окружном направлении турбины 4. Узел 20 пламяперебрасывающего патрубка состоит из двойного патрубка, включающего в себя внутренний патрубок 21 и внешний патрубок 22, который обеспечен с внешней периферии внутреннего патрубка 21 и окружает внутренний патрубок 21 со стороны внешней периферии. Внутренний патрубок 21 представляет собой патрубок круглого сечения, соединяющий две оболочки 12A и 12B, и отходящий газ 16 сгорания в секциях 11A и 11B камер сгорания может проходить через цилиндрическое пространство 25, образованное внутри внутреннего патрубка 21. В дополнение, внешний патрубок 22 представляет собой патрубок круглого сечения, соединяющий две внешние периферийные разделительные стенки 14A и 14B, и воздух 7 для сжигания может проходить через кольцевое пространство 26 (канал прохождения воздуха для сжигания), образованное между внешним патрубком 22 и внутренним патрубком 21. Следует отметить, что давление в кольцевом пространстве 26 (в канале прохождения воздуха для сжигания) по существу равно давлению в каналах 13A и 13B прохождения воздуха для сжигания, тогда как давление в цилиндрическом пространстве 25 внутреннего патрубка 21 по существу равно давлению в секциях 11A и 11B камер сгорания, и, в связи с этим давление в кольцевом пространстве 26 превышает давление в цилиндрическом пространстве 25.
[0023] Ниже будет описана функция узла 20 пламяперебрасывающего патрубка во время воспламенения в камере сгорания.
Во время осуществления воспламенения в газовой турбине 1 воспламенительное устройство 17, расположенное в камере 3A сгорания, воспламеняет смесь топлива и воздуха в секции 11A камеры сгорания. Хотя давление в секции 11A камеры сгорания относительно повышается за счет образования отходящего газа сгорания, давление в секции 11B камеры сгорания остается относительно низким из-за отсутствия воспламенения. В связи с этим высокотемпературный отходящий газ 16 сгорания направляется из секции 11A камеры сгорания в секцию 11B камеры сгорания через внутренний патрубок 21 (узел 20 пламяперебрасывающего патрубка), соединяющий секции 11A и 11B камер сгорания. Смесь топлива и воздуха в секции 11B камеры сгорания воспламеняется за счет высокотемпературного отходящего газа 16 сгорания, попадающего в секцию 11B камеры сгорания через внутренний патрубок 21. Таким образом, воспламенение последовательно переходит в камеру 3 сгорания, в которой отсутствует воспламенение, расположенную смежно с камерой 3 сгорания, в которой произошло воспламенение, через узел 20 пламяперебрасывающего патрубка (внутренний патрубок 21), в результате чего воспламенение распространяется во всех камерах 3 сгорания.
[0024] При условии одинакового количества воздуха, расхода топлива и давления в камерах 3 сгорания после воспламенения во всех камерах 3 сгорания отсутствует разность давлений между камерами 3 сгорания. В этом случае поток высокотемпературного отходящего газа 16 сгорания, проходящий через внутренний патрубок 21 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка, прекращается, и время, в течение которого высокотемпературный отходящий газ 16 сгорания проходит через внутренний патрубок 21, ограничено коротким промежутком во время воспламенения. Однако на практике количество воздуха, расход топлива, давление или состояние горения в камерах 3 сгорания могут отличаться. В этом случае разность давлений между смежными камерами 3A и 3B сгорания приводит к тому, что высокотемпературный отходящий газ 16 сгорания продолжает проходить через внутренний патрубок 21. Внутренний патрубок 21 нагревается проходящим через него потоком высокотемпературного отходящего газа 16 сгорания до высокой температуры. Если это состояние сохраняется вследствие длительной работы газовой турбины, внутренний патрубок 21 может деформироваться или разрушаться, и, в связи с этим необходимо охлаждение внутреннего патрубка 21.
[0025] Фиг. 2 подробно иллюстрирует узел 20 пламяперебрасывающего патрубка. Фиг. 2 представляет собой частичный подробный вид, показанный на Фиг. 1. Внутренний патрубок 21 включает в себя конструкции 31A и 31B для установки внутреннего патрубка 21 и воздушные отверстия 33A и 33B. В дополнение, промежуточный участок внутреннего патрубка 21 разделен в осевом направлении на два элемента, а именно первый элемент 21A внутреннего патрубка и второй элемент 21B внутреннего патрубка. Фиг. 2, в частности, подробно иллюстрирует, что внутренний патрубок 21 имеет соединительный участок 40, который соединяет элементы 21A и 21B внутреннего патрубка.
[0026] В случае, показанном на Фиг. 2, элементы 21A и 21B внутреннего патрубка обеспечены ограничителями 31A и 31B в качестве конструкций для установки внутреннего патрубка 21. Внутренний патрубок 21 может устанавливаться при взаимодействии ограничителей 31A и 31B с фиксаторами 32A и 32B, которые соединяют внешние периферийные разделительные стенки 14A и 14B камер 3A и 3B сгорания. Фиксаторы 32A и 32B в общем представляют собой упругие тела, которые поглощают смещения, если таковые имеются, при возникновении тепловой деформации или вибрации во время работы газовой турбины, тем самым фиксируя элементы 21A и 21B внутреннего патрубка в соответствующих камерах 3A и 3B сгорания, при этом снижая напряжение, создаваемое в элементах 21A и 21B внутреннего патрубка узла 20 пламяперебрасывающего патрубка.
[0027] В дополнение, вдоль окружного направления боковых поверхностей элементов 21A и 21B внутреннего патрубка обеспечено множество воздушных отверстий 33A и 33B для попадания части воздуха для сжигания, проходящего через кольцевое пространство 26, в пространство 25 во внутреннем патрубке 21. В примере, показанном на Фиг. 2, воздушные отверстия 33A и 33B обеспечены со стороны секций 11A, 11B камер сгорания относительно ограничителей 31A, 31B, и выходят в каналы 13A и 13B прохождения воздуха для сжигания.
[0028] С радиально внутренней стороны элементов 21A и 21B внутреннего патрубка относительно положения воздушных отверстий 33A и 33B обеспечены направляющие кольца 34A и 34B, которые представляют собой разделительные стенки, продолжающиеся вдоль внутренних поверхностей элементов 21A и 21B внутреннего патрубка. Направляющие кольца 34A и 34B представляют собой цилиндры, концентрические с элементами 21A и 21B внутреннего патрубка, и образуют кольцевые пространства 26 между ними и внутренним патрубком 21. Концевые участки направляющих колец 34A и 34B со стороны секций 11A, 11B камер сгорания в осевом направлении представляют собой закрытые концы, выполненные непрерывно с внутренними поверхностями элементов 21A и 21B внутреннего патрубка, а концевые участки с другой стороны представляют собой открытые концы, выходящие во внутреннее пространство 25 элементов 21A и 21B внутреннего патрубка.
[0029] Таким образом, за счет обеспечения воздушных отверстий 33A и 33B часть воздуха для сжигания, находящегося в кольцевом пространстве 26 внешнего патрубка 22 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка, попадает в пространство 25 во внутреннем патрубке 21 с более низким давлением, и разделительные стенки элементов 21A и 21B внутреннего патрубка могут охлаждаться этим воздухом для сжигания. В этом примере воздух для сжигания, проходящий через воздушные отверстия 33, проходит через кольцевые каналы между направляющими кольцами 34A и 34B и элементами 21A и 21B внутреннего патрубка в виде потоков 35A и 35B по направлению к открытым концам направляющих колец 34A и 34B, в результате чего предотвращается передача тепла от потока отходящего газа 16 сгорания на элементы 21A и 21B внутреннего патрубка, и предотвращается повышение температуры элементов 21A и 21B внутреннего патрубка. Такая система охлаждения называется пленочным охлаждением, поскольку потоки 35A и 35B воздуха имеют форму пленки (слоя) вдоль внутренних периферийных поверхностей внутреннего патрубка 21.
[0030] В первом варианте выполнения настоящего изобретения первый элемент 21A внутреннего патрубка из двух элементов 21A и 21B внутреннего патрубка соединен с секцией 11A камеры сгорания с одной стороны, ближайшей к ней, тогда как второй элемент 21B внутреннего патрубка с другой стороны подобным образом соединен с секцией 11B камеры сгорания с другой стороны, и торцевые поверхности с противоположных сторон элементов 21A и 21B внутреннего патрубка образуют соединительный участок 40 по существу на центральном участке между двумя секциями 11A и 11B камер сгорания. Концевой участок (левый концевой участок на Фиг. 2) второго элемента 21B внутреннего патрубка со стороны первого элемента 21A внутреннего патрубка имеет внешний участок 38 увеличенного диаметра, имеющий внутренний диаметр Db, превышающий наружный диаметр Da первого элемента 21A внутреннего патрубка. В настоящем варианте выполнения первый элемент 21A внутреннего патрубка и второй элемент 21B внутреннего патрубка соединены на соединительном участке 40 таким образом, что часть первого элемента 21A внутреннего патрубка расположена со стороны внутренней периферии внешнего участка 38 увеличенного диаметра второго элемента 21B внутреннего патрубка с зазором между ними (другими словами, образуется так называемая телескопическая конструкция). За счет телескопической конструкции соединительного участка 40 обеспечивается возможность удлинения узла 20 пламяперебрасывающего патрубка в осевом направлении, а также предотвращается тепловая деформация в направлении изгиба. В дополнение, как и в случае вышеуказанных воздушных отверстий 33A и 33B, область соединительного участка 40 может охлаждаться путем втягивания воздуха 42 для сжигания из кольцевого пространства 26 в соединительный участок 40 и прохождения воздуха 42 для сжигания через зазор 41. В этом примере поток 42 воздуха, проходящий через зазор между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка, соединенными на соединительном участке 40, проходит вдоль внутренней периферийной поверхности второго элемента 21B внутреннего патрубка, в результате чего может быть получен вышеуказанный эффект пленочного охлаждения. Поток 42 воздуха для сжигания из соединительного участка 40 охлаждает не только соединительный участок 40, но и участок 43 (внутренний участок увеличенного диаметра), полученный путем исключения соединительного участка 40 из внешнего участка 38 увеличенного диаметра второго элемента 21B внутреннего патрубка.
[0031] Фиг. 3A и 3B иллюстрируют форму сечения соединительного участка 40 в соответствии с известным уровнем техники. В идеале, как показано на Фиг. 3A, желательно, чтобы сечение соединительного участка 40 имело конфигурацию, в которой два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка расположены концентрически с зазором 41 кольцевой формы, образованным между ними. Однако на практике, как показано на Фиг. 3B, два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом в каком-либо месте, образуя C-образную форму с частично закрытым зазором 41.
[0032] В случае, показанном на Фиг. 3B, воздух не попадает в область (область контакта), где два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом, и где отсутствует зазор, и в связи с этим повышается температура. В дополнение, хотя зазор постепенно увеличивается от участка, окружающего область контакта, по мере удаления от области контакта, образуется область очень малого зазора (например, зазор менее 0,3 мм). В области очень малого зазора характерна низкая скорость потока из-за вязкости воздуха, и в связи с этим охлаждающий эффект воздуха снижается. По этой причине температура внутреннего патрубка 21 в зоне 44 с центром в области контакта, где скорость потока воздуха является низкой, повышается. Эта зона 44 продолжается с одной стороны внутреннего патрубка 21. С другой стороны, воздух для сжигания беспрепятственно проходит через область, где зазор 41 между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка увеличен, и температура внутреннего патрубка 21 вблизи этой области является низкой. Так как положения двух этих областей разнесены друг от друга, разница температур между ними будет составлять, например, 200°C или больше, что может привести к тепловой деформации. В дополнение, в зоне 44 с низкой скоростью потока воздуха повышается вероятность прогорания из-за повышения температуры. Кроме того, со стороны зоны 44, расположенной ниже по потоку, и в области внутренней периферийной поверхности внутреннего участка 43 увеличенного диаметра (смотри Фиг. 2) вблизи соединительного участка 40 второго элемента 21B внутреннего патрубка, также может образовываться область, где прохождение воздуха затруднено, и в связи с этим повышается вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания.
[0033] Настоящий вариант выполнения предлагает способ, в котором в случае контакта между элементами 21A и 21B внутреннего патрубка на соединительном участке 40, охлаждают соединительный участок 40 и разделительную стенку (внутренний участок 43 увеличенного диаметра) вблизи соединительного участка 40 второго элемента 21B внутреннего патрубка для снижения вероятности возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка 21. Фиг. 4A-4C иллюстрируют виды в сечении соединительного участка 40 в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения.
[0034] В первом варианте выполнения настоящего изобретения на внешней периферийной поверхности первого элемента 21A внутреннего патрубка вблизи соединительного участка 40 в окружном направлении обеспечено множество участков 46 плоской поверхности, проходящих в осевом направлении. Фиг. 4A-4C представляют собой виды в радиальном сечении двух элементов 21A и 21B внутреннего патрубка на соединительном участке 40. На виде в радиальном сечении первого элемента 21A внутреннего патрубка сечение участка 46 плоской поверхности имеет форму прямой линии. Фиг. 5 представляет собой иллюстрацию способа обработки первого элемента 21A внутреннего патрубка, имеющего радиальное сечение, показанное на Фиг. 4A-4C. В соответствии с этим способом подготавливают патрубок 48 круглого сечения, внешняя периферийная поверхность и внутренняя периферийная поверхность которого имеют круглое сечение, и срезают внешнюю периферийную поверхность его концевого участка на заданном расстоянии вдоль осевого направления для образования участков 46 плоской поверхности. На Фиг. 5 участки 46a (срезаемые участки) патрубка 48 круглого сечения показаны наклонной штриховкой. На Фиг. 5 длина участка 46 плоской поверхности на виде в радиальном сечении меньше длины дуги 47a срезаемого участка 46a на виде в радиальном сечении (а именно длины дуги патрубка 48 круглого сечения до срезания). В связи с этим можно сказать, что длина внешней периферии на виде в радиальном сечении первого элемента 21A внутреннего патрубка, обеспеченного участками 46 плоской поверхности путем срезания, уменьшается по сравнению с длиной внешней периферии (окружности) патрубка 48 круглого сечения до срезания. В дополнение, в настоящем варианте выполнения первый элемент 21A внутреннего патрубка обработан таким образом, что между участками 46 плоской поверхности, расположенными смежно друг с другом в окружном направлении первого элемента 21A внутреннего патрубка, обеспечено расстояние, так что между участками 46 плоской поверхности, расположенными смежно друг другу в окружном направлении, образуется дуговой участок 47, равный по своей кривизне внешней периферийной поверхности патрубка 48 круглого сечения. Следует отметить, что кривизна представляет собой значение, характеризующее степень изгиба в каждой точке криволинейной поверхности, и в случае дугового участка 47, показанного на Фиг. 5, кривизна представлена обратной величиной радиуса (радиуса кривизны) дугового участка 47. Кроме того, участок 46 плоской поверхности имеет бесконечный радиус кривизны, превышающий радиус кривизны дугового участка 47, и его кривизна, которая представляет собой обратную величину радиуса кривизны, равна нулю, то есть меньше кривизны дугового участка 47 и представляет собой участок малой кривизны.
[0035] Таким образом, за счет первого элемента 21A внутреннего патрубка, обеспеченного участками 46 плоской поверхности в качестве участков малой кривизны, зазор 41 между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка, соединенными друг с другом на соединительном участке 40, относится к одному из трех типов, показанных на Фиг. 4A-4C.
[0036] Фиг. 4A представляет собой случай, когда два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка не контактируют друг с другом на соединительном участке 40; в частности, на фигуре показан случай, когда оба элемента 21A и 21B расположены концентрически. В этом случае внутренняя периферия второго элемента 21B внутреннего патрубка имеет круглую форму, тогда как внешняя периферия первого элемента 21A внутреннего патрубка представляет собой сочетание дуговых участков 47 и участков 46 плоской поверхности, и, как указано выше, длина внешней периферийной поверхности на виде в радиальном сечении первого элемента 21A внутреннего патрубка меньше длины внешней периферийной поверхности патрубка 48 круглого сечения (смотри Фиг. 5) до образования участков 46 плоской поверхности.
[0037] Фиг. 4B и 4C иллюстрируют случаи, когда два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом на соединительном участке 40. Фиг. 4B иллюстрирует случай, когда первый элемент 21A внутреннего патрубка контактирует со вторым элементом 21B внутреннего патрубка на одном дуговом участке 47. В этом случае закрытая область представляет собой одну область на дуговом участке 47, и с обеих сторон в окружном направлении от одной закрытой области образуется C-образный зазор постепенно изменяющейся ширины. Фиг. 4C иллюстрирует случай, когда первый элемент 21A внутреннего патрубка контактирует со вторым элементом 21B внутреннего патрубка на двух дуговых участках 47. В этом случае закрытая область представляет собой две области на дуговых участках 47, и между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка образуется зазор, внешняя периферия которого имеет форму дуги, а внутренняя периферия имеет форму прямой линии участка 46 плоской поверхности, и C-образный зазор, ширина которого в радиальном направлении второго элемента 21B внутреннего патрубка постепенно изменяется в окружном направлении.
[0038] Следует отметить, что в качестве эталонного примера, охватывающего общую форму первого элемента 21A внутреннего патрубка, на Фиг. 6 показан вид в перспективе первого элемента 21A внутреннего патрубка, обеспеченного восемью участками 46 плоской поверхности. Первые элементы 21A внутреннего патрубка, показанные на Фиг. 4A-5, обеспечены шестью участками 46 плоской поверхности, тогда как первый элемент 21A внутреннего патрубка, показанный на Фиг. 6, обеспечен восемью участками 46 плоской поверхности, но за исключением этого отличия, они являются одинаковыми, так что одинаковые участки обозначено одинаковыми ссылочными позициями. В дополнение, на иллюстрации опущен ограничитель 31A. Как показано на Фиг. 6, конец участка 46 плоской поверхности со стороны секции 11A камеры сгорания проходит по существу перпендикулярно. Однако следует отметить, что этот конец необязательно должен быть перпендикулярным и может проходить под наклоном.
[0039] В настоящем варианте выполнения при контакте двух элементов 21A и 21B внутреннего патрубка друг с другом на соединительном участке 40 дуговой участок или участки 47 первого элемента 21A внутреннего патрубка с внутренней стороны контактируют с внутренней периферией второго элемента 21B внутреннего патрубка с внешней стороны. В этом примере в области или областях, где два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом, с внутренней стороны имеется участок 46 плоской поверхности, образованный путем срезания внешней периферийной поверхности первого элемента 21A внутреннего патрубка, в результате чего образуется область или области, где увеличена радиальная ширина зазора между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка. Область или области зазора имеют достаточную ширину (например, равную или превышающую 0,3 мм), и в связи с этим обеспечивается достаточная скорость потока воздуха, и внутренний патрубок 21 может охлаждаться. Таким образом, в области или областях, смежных в окружном направлении с зоной или зонами 44 низкой скорости потока воздуха, имеется область, где обеспечен зазор достаточной ширины, и происходит воздушное охлаждение. В дополнение, окружная длина зоны или зон 44 низкой скорости потока воздуха уменьшается по сравнению с примером известного уровня техники, показанным на Фиг. 3A и 3B. В связи с этим область или области, где два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом, также охлаждаются за счет теплопроводности внутреннего патрубка 21, в результате чего предотвращается повышение температуры внутреннего патрубка 21, и снижается вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания. На внутреннем участке 43 увеличенного диаметра вблизи соединительного участка 40 второго элемента 21B внутреннего патрубка область, где прохождение воздуха затруднено, также уменьшается по сравнению с примером известного уровня техники, показанным на Фиг. 3A и 3B, и в результате снижается вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания.
[0040] Действие и эффект
В настоящем варианте выполнения канал прохождения воздуха (зазор), образованный на соединительном участке 40 двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка, представляет собой кольцевой канал, который имеет круглую форму со стороны внешней периферии и комбинированную форму из дуг (дуговых участков 47) и плоских поверхностей (участков 46 плоской поверхности) со стороны внутренней периферии, и радиальная ширина которого постепенно изменяется вдоль окружного направления. Здесь сумма длины внешней периферийной поверхности (поверхности стенки) первого элемента 21A внутреннего патрубка и длины внутренней периферийной поверхности (поверхности стенки) второго элемента 21B внутреннего патрубка на виде в радиальном сечении соединительного участка 40 определена как «длина границ зазора в сечении». В настоящем варианте выполнения длина внешней периферийной поверхности первого элемента 21A внутреннего патрубка меньше, чем в случае окружности в соответствии с примером известного уровня техники, показанным на Фиг. 3A и 3B, из-за обеспечения участков 46 плоской поверхности. В связи с этим длина границ зазора в сечении уменьшается по сравнению со случаем дуги, показанным на Фиг. 3A и 3B, за счет замены части дуги участками 46 плоской поверхности. По этой причине возмущение воздуха, проходящего через канал прохождения воздуха (зазор), на соединительном участке 40 меньше, чем в случае круглого кольцевого типа, показанного на Фиг. 3A и 3B, и чем в случае, когда обеспечены каналы, описанные в патенте США № 6,705,088. В связи с этим, когда воздух, прошедший через соединительный участок 40, течет во внутреннем участке 43 увеличенного диаметра вдоль внутренней периферийной поверхности второго элемента 21B внутреннего патрубка, возмущение воздуха уменьшается. В результате предотвращается смешивание высокотемпературного отходящего газа сгорания, проходящего через центральный участок внутреннего патрубка 21, и воздуха, и воздух может достигать областей, удаленных от соединительного участка 40. В частности, широкая зона внутреннего патрубка 21 может быть защищена так называемым пленочным охлаждением, так что эффект охлаждения на внутреннем участке 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку, улучшается, а вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка 21 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка эффективно снижается.
[0041] В дополнение, в случае настоящего варианта выполнения два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом на дугах. В связи с этим в отличие от случая, когда обеспечены каналы, оба элемента 21A и 21B не соударяются друг с другом из-за контакта или вибрации, так что их износ может быть снижен.
[0042] Внутренний участок 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку в направлении потока воздуха, сохраняет форму внутреннего диаметра Db второго элемента 21B внутреннего патрубка, равную диаметру на соединительном участке 40, в результате чего предотвращается возмущение потока 42 воздуха, текущего из соединительного участка 40 во внутренний патрубок 21, и эффект пленочного охлаждения воздуха для сжигания, текущего в соединительный участок 40, сохраняется со стороны, расположенной ниже по потоку.
[0043] В дополнение, за счет обеспечения внутреннего участка 43 увеличенного диаметра два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка могут скользить относительно друг друга в осевом направлении. В связи с этим во время сборки камер 3A и 3B сгорания за счет проталкивания первого элемента 21A внутреннего патрубка во второй элемент 21B внутреннего патрубка можно временно уменьшить общую длину внутреннего патрубка 21 в осевом направлении, что упрощает сборку.
[0044] Осевая длина Lb внутреннего участка 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку, предпочтительно равно или более чем в 1,5 раза превышает осевую длину L1 соединительного участка 40. Это связано с тем, что на основе экспериментальных результатов, полученных авторами настоящего изобретения, было установлено, что расстояние, на котором сохраняется эффект пленочного охлаждения, примерно в 1,5 раза превышает длину L1. В дополнение, при обеспечении длины Lb охлаждение со стороны второго элемента 21B внутреннего патрубка продолжается за счет потока 42 воздуха на соединительном участке 40. В связи с этим в случае, когда внутренний патрубок 21 обеспечен воздушными отверстиями 35A и 35B на обоих концевых участках, повышение температуры второго элемента 21B внутреннего патрубка может сдерживаться, даже если длина второго элемента 21B внутреннего патрубка превышает длину первого элемента 21A внутреннего патрубка. Соответственно, желательно, чтобы длина второго элемента 21B внутреннего патрубка в 1,1-1,5 раза превышала длину первого элемента 21A внутреннего патрубка.
[0045] Кроме того, осевая длина La участков 46 плоской поверхности первого элемента 21A внутреннего патрубка предпочтительно превышает осевую длину L1 соединительного участка 40. Такая конфигурация гарантирует, что на первом элементе 21A внутреннего патрубка может быть обеспечен впуск потока 42 воздуха в соединительный участок 40, и воздух беспрепятственно попадает в соединительный участок 40. В дополнение, благодаря прохождению воздуха вдоль внешней поверхности внутреннего патрубка 21, предотвращается возмущение воздуха для сжигания и сохраняется эффект пленочного охлаждения со стороны, расположенной ниже по потоку. По этой причине желательно, чтобы длина La участков 46 плоской поверхности равно или более чем в 1,1 раза превышала длину L1 соединительного участка 40.
[0046] В дополнение, в случае, когда первый элемент 21A внутреннего патрубка с внутренней стороны соединительного участка 40 обеспечен участками 46 плоской поверхности, так что его радиальное сечение представляет собой сочетание дуг и плоских поверхностей, два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом на дугах, если два элемента 21A и 21B становятся эксцентричными на соединительном участке 40. В связи с этим оба элемента 21A и 21B не соударяются друг с другом из-за контакта или вибрации, так что их износ может быть снижен.
[0047] В камерах сгорания газовой турбины и в газовой турбине, обеспеченной узлом 20 пламяперебрасывающего патрубка, как описано выше, может быть эффективно снижена вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка 21 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка. Кроме того, может быть снижен износ на соединительном участке. В связи с этим снижается вероятность возникновения неожиданных проблем или необходимости осмотра камер сгорания, в результате чего повышается надежность работы, и может быть реализовано снижение эксплуатационных затрат.
[0048] Второй вариант выполнения
Хотя в первом варианте выполнения первый элемент 21A внутреннего патрубка обеспечен участками 46 плоской поверхности, второй элемент 21B внутреннего патрубка также может быть обеспечен подобными участками плоской поверхности. Такой пример будет описан в качестве второго варианта выполнения. Следует отметить, что второй вариант выполнения аналогичен первому варианту выполнения за исключением формы на виде в радиальном сечении двух элементов 21A и 21B внутреннего патрубка вблизи соединительного участка 40, и описание одинаковых аспектов будет опущено.
[0049] Фиг. 7A-7C иллюстрируют виды в радиальном сечении соединительного участка 40 в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения. Во втором варианте выполнения узел пламяперебрасывающего патрубка имеет особенность, заключающуюся в том, что внутренняя периферийная поверхность внутреннего участка 43 увеличенного диаметра второго элемента 21B внутреннего патрубка обеспечена множеством участков 51 плоской поверхности, проходящих в осевом направлении, в результате чего внутренняя периферийная поверхность имеет приближенно многоугольную форму сечения. В дополнение, во втором варианте выполнения второй элемент 21B внутреннего патрубка образован таким образом, что между участками 51 плоской поверхности, расположенными смежно друг с другом в окружном направлении второго элемента 21B внутреннего патрубка, обеспечено расстояние, так что между двумя участками 51 плоской поверхности, расположенными смежно друг с другом в окружном направлении, образуется дуговой участок 52, имеющий такую же кривизну, что и внутренняя периферийная поверхность исходного патрубка круглого сечения. За счет того, что внутренняя периферийная поверхность второго элемента 21B внутреннего патрубка имеет приближенно многоугольную форму сечения, зазор между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка, соединенными на соединительном участке 40, относится к любому из трех типов, показанных на Фиг. 7A-7C.
[0050] Фиг. 7A иллюстрирует случай, когда два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка не контактируют друг с другом, но расположены концентрически на соединительном участке 40. В этом случае образуется кольцевой канал, который имеет круглую форму со стороны внутренней периферии и по существу многоугольную форму со стороны внешней периферии из-за участков 51 плоской поверхности, и ширина которого в радиальном направлении зазора 41 постепенно изменяется вдоль окружного направления.
[0051] Фиг. 7B и 7C иллюстрируют случаи, когда два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом на соединительном участке 40. Фиг. 7B иллюстрирует случай, когда второй элемент 21B внутреннего патрубка контактирует с первым элементом 21A внутреннего патрубка в одной области участков 51 плоской поверхности многоугольной формы сечения. В этом примере закрытая область представляет собой три области, где участок 51 плоской поверхности контактирует с первым элементом 21A внутреннего патрубка, и с обеих сторон каждой области контакта в окружном направлении образуется C-образный зазор 41 постепенно изменяющейся ширины. Фиг. 7C иллюстрирует случай, когда второй элемент 21B внутреннего патрубка контактирует с первым элементом 21A внутреннего патрубка в двух областях участков 51 плоской поверхности многоугольной формы сечения. В этом примере закрытая область представляет собой две области, где участок 51 плоской поверхности контактирует с первым элементом 21A внутреннего патрубка, и между двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка образуется зазор, внутренняя периферия которого имеет форму дуги, а внешняя периферия имеет форму прямой линии, и C-образный зазор, радиальная ширина которого постепенно изменяется в окружном направлении.
[0052] В настоящем варианте выполнения при контакте двух элементов 21A и 21B внутреннего патрубка друг с другом на соединительном участке 40 второй элемент 21B внутреннего патрубка с внешней стороны контактирует с внешней периферией первого элемента 21A внутреннего патрубка на участках 51 плоской поверхности. В этом примере вблизи области контакта образуются области, где радиальная ширина зазора увеличена за счет обеспечения участков 51 плоской поверхности второго элемента 21B внутреннего патрубка с внешней стороны. Так как эти области имеют достаточную ширину (например, равную или превышающую 0,3 мм), может быть обеспечена достаточная скорость потока воздуха, и может быть реализовано охлаждение. Таким образом, вблизи зоны 44 низкой скорости потока воздуха имеются области, где обеспечена достаточная радиальная ширина зазора, и происходит воздушное охлаждение. В дополнение, зона 44 низкой скорости потока воздуха уменьшается по сравнению с примером известного уровня техники, показанным на Фиг. 3A и 3B. В связи с этим области, где два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом, также охлаждаются за счет теплопроводности внутреннего патрубка 21, в результате чего предотвращается повышение температуры внутреннего патрубка 21, и снижается вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания. На внутреннем участке 43 увеличенного диаметра вблизи соединительного участка 40 второго элемента 21B внутреннего патрубка область, где прохождение воздуха затруднено, также уменьшается по сравнению с примером известного уровня техники, показанным на Фиг. 3A и 3B, и в результате чего снижается вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания.
[0053] Действие и эффект
В настоящем варианте выполнения канал прохождения воздуха (зазор), образованный на соединительном участке 40 двумя элементами 21A и 21B внутреннего патрубка, представляет собой кольцевой канал, который имеет многоугольную форму сечения за счет сочетания окружности со стороны внутренней периферии и плоской поверхности (участков 51 плоской поверхности) и дуг (дуговых участков 52) со стороны внешней периферии, и его радиальная ширина постепенно изменяется в окружном направлении. «Длина границ зазора в сечении» меньше, чем в случае, когда внутренняя периферийная поверхность второго элемента 21B внутреннего патрубка полностью состоит из дуг, поскольку часть дуги внутренней периферийной поверхности выполнена в виде плоских поверхностей. В связи с этим возмущение воздуха, проходящего через канал прохождения воздуха (зазор) на соединительном участке 40, меньше, чем в случае круглой кольцевой формы, показанной на Фиг. 3A и 3B, и чем в случае, когда обеспечены каналы, описанные в патенте США № 6,705,088. В связи с этим, когда воздух, прошедший через соединительный участок 40, течет во внутреннем участке 43 увеличенного диаметра вдоль внутренней периферийной поверхности второго элемента 21B внутреннего патрубка, возмущение воздуха уменьшается. В результате предотвращается смешивание высокотемпературного отходящего газа сгорания, проходящего через центральный участок внутреннего патрубка 21, и воздуха, и широкая зона внутреннего патрубка 21 может быть защищена так называемым пленочным охлаждением. По этой причине эффект охлаждения на внутреннем участке 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку, улучшается, и вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка 21 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка эффективно снижается, так же, как и в первом варианте выполнения.
[0054] В дополнение, в случае настоящего варианта выполнения два элемента 21A и 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом на дугах. В связи с этим в отличие от случая, когда обеспечены каналы, оба элемента 21A и 21B не соударяются друг с другом из-за контакта или вибрации, так что их износ может быть снижен.
[0055] Внутренний участок 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку в направлении потока воздуха, сохраняет форму внутреннего диаметра Db второго элемента 21B внутреннего патрубка, равную диаметру на соединительном участке 40, в результате чего предотвращается возмущение потока 42 воздуха, текущего из соединительного участка 40 во внутренний патрубок 21, и эффект пленочного охлаждения воздуха для сжигания, текущего в соединительный участок 40, сохраняется со стороны, расположенной ниже по потоку. В дополнение, за счет обеспечения внутреннего участка 43 увеличенного диаметра во время установки двух элементов 21A и 21B внутреннего патрубка в камеры 3A и 3B сгорания длина внутреннего патрубка 21 может быть временно уменьшена, что упрощает сборку.
[0056] Осевая длина Lb внутреннего участка 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку, предпочтительно равно или более чем в 1,5 раза превышает осевую длину L1 соединительного участка 40. Это связано с тем, что на основе экспериментальных результатов, полученных авторами настоящего изобретения, было установлено, что расстояние, на котором сохраняется эффект пленочного охлаждения, примерно в 1,5 раза превышает длину L1. В дополнение, при обеспечении длины Lb охлаждение со стороны второго элемента 21B внутреннего патрубка продолжается за счет потока 42 воздуха на соединительном участке 40. В связи с этим в случае, когда внутренний патрубок 21 обеспечен воздушными отверстиями 35A и 35B на обоих концевых участках, повышение температуры второго элемента 21B внутреннего патрубка может сдерживаться, даже если длина второго элемента 21B внутреннего патрубка превышает длину первого элемента 21A внутреннего патрубка. Соответственно, желательно, чтобы длина второго элемента 21B внутреннего патрубка в 1,1-1,5 раза превышала длину первого элемента 21A внутреннего патрубка.
[0057] В дополнение, в отличие от первого варианта выполнения, в котором угловой участок на границе между участком 46 плоской поверхности и дуговым участком 47 может контактировать с внутренней периферийной поверхностью второго элемента 21B внутреннего патрубка, во втором варианте выполнения криволинейная поверхность первого элемента 21A внутреннего патрубка и участок 51 плоской поверхности второго элемента 21B внутреннего патрубка контактируют друг с другом, и в связи с этим может быть снижен износ.
[0058] В камерах сгорания газовой турбины и в газовой турбине, обеспеченной узлом 20 пламяперебрасывающего патрубка, как описано выше, может быть эффективно снижена вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка 21 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка. Кроме того, может быть снижен износ на соединительном участке. В связи с этим снижается вероятность возникновения неожиданных проблем или необходимости осмотра камер сгорания, в результате чего повышается надежность работы, и может быть реализовано снижение эксплуатационных затрат.
[0059] Третий вариант выполнения
Хотя в двух вышеописанных вариантах выполнения элементы 21A и 21B внутреннего патрубка выполнены таким образом, что на соединительном участке 40 обеспечены участки 46 и 51 плоской поверхности, имеющие форму прямых линий в сечении, форма, при которой достигается такой же эффект, как в вышеописанных вариантах выполнения, не ограничивается прямой линией. Например, со ссылкой на Фиг. 5 в первом варианте выполнения форма поперечного сечения внешней периферийной поверхности первого элемента 21A внутреннего патрубка необязательно представляет собой прямую линию (прямолинейный участок 46), и если обеспечена такая форма, что длина линии, соединяющей две точки P1 и P2, меньше длины дуги 47a, возмущение потока воздуха может быть уменьшено, и может быть получен такой же эффект, как в вышеописанных вариантах выполнения. В частности, вместо участков 46 плоской поверхности может быть обеспечено множество участков (называемых участками малой кривизны), кривизна которых меньше, чем кривизна κs (называемая контрольной кривизной κs) на участке, находящемся на максимальном расстоянии от центра сечения в радиальном направлении первого элемента 21A внутреннего патрубка на соединительном участке 40. Этот аспект будет описан со ссылкой на Фиг. 8. Следует отметить, что в настоящем документе кривизна прямой линии считается равной нулю; например, кривизна участков 46 плоской поверхности в первом варианте выполнения равна нулю.
[0060] Фиг. 8 представляет собой иллюстрацию участка 49a малой кривизны, обеспеченного на первом элементе 21A внутреннего патрубка в соответствии с третьим вариантом выполнения. Подобно Фиг. 4A-5, Фиг. 8 представляет собой вид в радиальном сечении первого элемента 21A внутреннего патрубка на соединительном участке 40. Другие участки на Фиг. 8, кроме участка 46 плоской поверхности в одной области, опущены и показаны окружностью. В дополнение, проиллюстрирована только форма внешней периферийной поверхности элемента 21A внутреннего патрубка, а форма внутренней периферийной поверхности опущена. «Участок, находящийся на максимальном расстоянии от центра сечения» (в радиальном направлении внешней периферийной поверхности первого элемента 21A внутреннего патрубка на соединительном участке 40), показанный на Фиг. 8, представляет собой дуговой участок 47a, образующий внешнюю периферийную поверхность исходного патрубка 48 круглого сечения (Фиг. 5), и контрольная кривизна κs в этом случае представляет собой обратную величину радиуса R48 патрубка 48 круглого сечения.
[0061] Первый элемент 21A внутреннего патрубка, показанный на Фиг. 8, обеспечен участком 49a малой кривизны. Две точки P1 и P2 на фигуре представляют собой точки, в которых участок 46 плоской поверхности пересекает окружность патрубка 48 круглого сечения. Здесь в качестве участка 49a малой кривизны рассматривается кривизна дуги или прямой линии, проходящей через две точки P1 и P2. Кривизна дуги 47a совпадает с контрольной кривизной κs. Кривизна дуги, расположенной с внутренней стороны дуги 47a, уменьшается относительно контрольной кривизны κs по мере приближения дуги 47a к прямой линии 46, и кривизна прямой линии 46 равна нулю. В связи с этим участок 49a малой кривизны, кривизна которого меньше контрольной кривизны κs, может быть двух видов, один из которых представляет собой дугу, проходящую между дугой 47a и прямой линией 46, а другой представляет собой прямую линию (прямолинейный участок 46) в первом варианте выполнения. Когда участок 49a малой кривизны задан таким образом, длина дуги или прямой линии меньше длины дуги 47a. В связи с этим «длина границ зазора в сечении» в случае, когда часть дуги на внешнем периферийном участке первого элемента 21A внутреннего патрубка выполнена в виде участка 49a малой кривизны, меньше, чем в случае, когда внешняя периферийная поверхность является полностью дуговой. В связи с этим возмущение воздуха, проходящего через канал прохождения воздуха (зазор) на соединительном участке 40, меньше, чем в случае круглой кольцевой формы, показанной на Фиг. 3A и 3B, и чем в случае, когда обеспечены каналы, описанные в патенте США № 6,705,088. В результате так же, как в вышеописанных вариантах выполнения, эффект охлаждения на внутреннем участке 43 увеличенного диаметра со стороны соединительного участка 40, расположенной ниже по потоку, улучшается, и вероятность возникновения тепловой деформации или прогорания внутреннего патрубка 21 узла 20 пламяперебрасывающего патрубка может быть снижена.
[0062] Следует отметить, что хотя в настоящем варианте выполнения описан случай, когда внешняя периферийная поверхность первого элемента 21A внутреннего патрубка обеспечена участком 49a малой кривизны, вышеописанный эффект, естественно, может быть получен при обеспечении внутренней периферийной поверхности второго элемента 21B внутреннего патрубка участками 49a малой кривизны вместо прямолинейных участков 51.
[0063] В дополнение, хотя в вышеописанных вариантах выполнения сечение элемента внутреннего патрубка, обеспеченного участками 46 или 51 плоской поверхности, имеет приближенно шестиугольную форму (восьмиугольную форму на Фиг. 6), также могут быть использованы другие многоугольные формы. Однако следует отметить, что многоугольная форма, имеющая четное количество вершин и являющаяся симметричной, предпочтительна с точки зрения равномерности охлаждения. В дополнение, количество вершин составляет не более 10 с учетом размера соединительного участка 40 и обеспечения зазора 41.
[0064] Кроме того, в первом варианте выполнения форма сечения трубчатых элементов может состоять только из участков 46 плоской поверхности без дуговых участков 47. Это также относится ко второму варианту выполнения.
[0065] В дополнение, настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами выполнения и включает в себя различные модификации в пределах его сущности. Например, настоящее изобретение не ограничивается вариантом, включающим в себя все конструкции, описанные выше, и включает в себя варианты, в которых часть конструкций опущена. Кроме того, часть конструкций в соответствии с одним вариантом выполнения может быть дополнена или заменена конструкциями в соответствии с другим вариантом выполнения.
Описание ссылочных позиций
[0066]
1: Газовая турбина
2: Компрессор
3A, 3B: Камера сгорания
4: Турбина
5: Генератор
6: Приводной вал
7: Воздух для сжигания
8: Отходящий газ сгорания
9A, 9B: Головной участок камеры сгорания
10A, 10B: Хвостовой участок камеры сгорания
11A, 11B: Секция камеры сгорания
12A, 12B: Разделительная стенка (оболочка)
13A, 13B: Канал прохождения воздуха для сжигания
14A, 14B: Внешняя периферийная разделительная стенка
15: Топливо
16: Отходящий газ сгорания
17: Воспламенительное устройство
20: Узел пламяперебрасывающего патрубка
21: Внутренний патрубок
21A: Первый элемент внутреннего патрубка
21B: Второй элемент внутреннего патрубка
22: Внешний патрубок
23: Разделительная стенка внутреннего патрубка
24, 24A, 24B: Поток воздуха
25: Пространство внутри внутреннего патрубка
26: Пространство между внутренним патрубком и внешним патрубком
27: Центральная ось узла пламяперебрасывающего патрубка
31A, 31B: Ограничитель
32A, 32B: Фиксатор
33A, 33B: Воздушное отверстие
34A, 34B: Направляющее кольцо
35A, 35B: Поток воздуха
38: Внешний участок увеличенного диаметра
40: Соединительный участок
41: Зазор на соединительном участке
42: Поток воздуха
43: Внутренний участок увеличенного диаметра внутреннего патрубка
44: Зона соединительного участка с низкой скоростью потока воздуха
45: Область соединительного участка с увеличенным зазором
46: Участок плоской поверхности
47: Дуговой участок
49a: Участок малой кривизны
51: Участок плоской поверхности.
Реферат
Камера сгорания газовой турбины содержит множество камер сгорания, узел пламяперебрасывающего патрубка, соединяющий смежные камеры сгорания из множества камер сгорания. Каждая из камер сгорания включает в себя разделительную стенку, образующую секцию камеры сгорания, и внешнюю периферийную разделительную стенку, обеспеченную с внешней периферии разделительной стенки и образующую канал прохождения воздуха для сжигания между ней и разделительной стенкой. Узел пламяперебрасывающего патрубка включает в себя внутренний патрубок, который соединяет разделительные стенки смежных камер сгорания и внешний патрубок, который обеспечен с внешней периферии внутреннего патрубка и соединяет внешние периферийные разделительные стенки смежных камер сгорания. Внутренний патрубок разделен в осевом направлении на первый элемент внутреннего патрубка и второй элемент внутреннего патрубка. Концевой участок второго элемента внутреннего патрубка со стороны первого элемента внутреннего патрубка имеет увеличенный участок, внутренний диаметр которого превышает наружный диаметр первого элемента внутреннего патрубка. Первый элемент внутреннего патрубка и второй элемент внутреннего патрубка образуют соединительный участок таким образом, что часть первого элемента внутреннего патрубка расположена со стороны внутренней периферии увеличенного участка второго элемента внутреннего патрубка с зазором между ними. Форма сечения в радиальном направлении любой из внутренней поверхности второго элемента внутреннего патрубка и внешней поверхности первого элемента внутреннего патрубка на соединительном участке имеет множество участков малой кривизны на внутренней поверхности второго элемента внутреннего патрубка или на внешней поверхности первого элемента внутреннего патрубка. Каждый из множества участков малой кривизны имеет кривизну меньше контрольной кривизны, причем контрольная кривизна представляет собой кривизну на участке, где расстояние от центра формы сечения является максимальным в форме сечения. Кривизна определяется обратной величиной расстояния. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения пламяперебрасывающего патрубка. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.
